基于數(shù)字射線檢測技術的電纜熔接頭主絕緣缺陷研究

劉三偉，唐勇明，周衛(wèi)華，段肖力，黃福勇，方超文，邱超

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院，長沙 410007；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司懷化供電分公司，懷化 418000；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司湘潭供電分公司，湘潭 411100；4.國網(wǎng)湖南省電力有限公司株洲供電分公司，株洲 412000)

0 引言

近年來，110 kV及以上等級高壓電纜線路規(guī)模以每年12%左右的增速不斷提升。受制于電纜長度及施工影響，每隔500 m左右需要制作電纜接頭進行連接，電纜接頭是電纜電氣部分的薄弱環(huán)節(jié)，故障往往發(fā)生在此處[1-2]。傳統(tǒng)的預制式機械接頭存在一些工藝隱患[3-4]:

1)由于緊固件松動，節(jié)點腐蝕等原因，機械壓接連接點電阻導電性能隨著時間的增長而改變。機械壓接后若壓坑變形，會引起局部電場畸變，容易造成接頭擊穿的嚴重后果。

2)機械連接的連接點抗拉強度大幅降低。由于電纜線路自身拉力等原因，連接點會成為導線抗拉的薄弱環(huán)節(jié)，長期受力情況下容易導致連接點松動，影響接頭的電氣連接。

3)電纜接頭的連接點是經(jīng)受大電流沖擊的薄弱處，連接點本身與導體存在電阻差，大電流通過時，連接點會發(fā)熱，熱脹冷縮進一步導致連接點松動。

作為一種與傳統(tǒng)預制式機械接頭存在本質差異的電纜熔接頭技術，接頭制作是在電纜通道現(xiàn)場環(huán)境下制作的，受制于通道中的潮氣、粉塵影響，其接頭質量更難以保證。因此，針對高壓電纜熔接頭關鍵制作工藝管控問題，提出采用IDIP-DR數(shù)字射線檢測技術來填補電纜熔接接頭現(xiàn)場管控的技術空白。

1 高壓電纜熔接接頭技術

1.1 熔接接頭技術原理

電纜熔接接頭技術是利用活性較強的鋁，在明火引燃藥劑產生高溫瞬間，通過置換反應，將氧化銅中的銅置換出來，反應過程釋放大量的熱量將兩端導體與置換出來的銅熔融在一起，完成兩端導體的熔接，然后逐步恢復電纜各層結構，如圖1所示。

圖1 電纜熔接接頭

1.2 熔接接頭技術特點

對比傳統(tǒng)的預制式機械接頭，高壓電纜熔接接頭在現(xiàn)場應用中，具有以下的特點:

1)接頭處不受瞬間大電流的影響，短路電流侵襲時，熔接接頭焊點熔化速度慢于一般電氣導體，不易受損。

2)抗腐蝕性和整體性強。高溫下的熔接屬于分子間連接，不存在機械應力作用，熔接后接頭處與兩端導體成為一個完整部分，整體性強。

3)熔接點電阻低。采用同種金屬熔接后的連接點與電纜本體兩端導體材質趨于一致，電阻值較小。

對比傳統(tǒng)預制式機械接頭，熔接頭具有一定的優(yōu)勢，但是由于熔接頭是現(xiàn)場制作的，受制作環(huán)境的影響，其施工工藝容易出現(xiàn)問題，目前尚無有效的工藝管控手段。

2 IDIP-DR數(shù)字射線檢測技術

利用熔接頭技術恢復導體和主絕緣后，由于主絕緣、導體存在明顯的密度差異，可以利用X射線數(shù)字成像技術進行檢測區(qū)分。

圖2為檢測裝備原理圖，其中1為X射線機；2為電纜本體；3為便攜式電源模塊；4為平板探測器；5為無線通信組件；6為電纜灰度影像顯示平板電腦；7為電纜灰度影像接收儀；8為專用固定支架；9為X射線機控制系統(tǒng)。

圖2 X射線數(shù)字成像基本原理

利用平板探測器接收穿透被檢工件的X射線，再由平板探測器內部晶體電路根據(jù)X射線劑量強度將其轉化為電流信號，最終以數(shù)字圖像的形式呈現(xiàn)在終端計算機上[5]。

由于該DR設備的灰度級數(shù)達到了16 bit(65 536灰階)，且缺陷處與周圍圖像相差灰階較小，所以原圖中人眼無法清晰判別缺陷，如圖3(a)所示。

將灰度影像的灰度值范圍壓縮至人眼能夠識別的灰度范圍內，去掉影像中的冗余成分，使影像灰度值更集中于人眼的識別范圍內。采用基于壓縮感知原理對圖像實施稀疏變換和投影測量[6-7]。

對圖像進行稀疏和重構處理。圖像經(jīng)過深度處理后[8]，缺陷處與周圍圖像相差灰階增大，可以清晰識別，如圖3(b)所示。

圖3 電纜X射線影像

3 應用案例分析

對某市110 kV高壓電纜熔接頭制作現(xiàn)場進行檢測應用，如圖4—7所示。在電纜完成主絕緣恢復后，進行了IDIP-DR檢測。圖4和圖6是檢測原圖，由于沒有經(jīng)過圖像深度處理，人眼無法直接識別出缺陷；經(jīng)過深度處理后，主絕緣左、右兩側界面的氣泡被清晰地顯示出來，如圖5、7所示。

圖4 熔接頭右側檢測原圖

圖5 熔接頭右側檢測處理圖

圖6 熔接頭左側檢測原圖

圖7 熔接頭左側檢測處理圖

為了進一步驗證檢測結果的準確性，對上述檢測點進行位置標定后，采用平行于軸向的斷面切割來進行解剖。如圖8—9所示，解剖后的電纜主絕緣存在直徑0.5～2.6 mm的不同尺寸的微小氣泡缺陷。

圖8 橫向切割解剖后電纜實物圖

圖9 橫向切割解剖后電纜切片

氣泡產生原因分析:對于超高壓交聯(lián)電纜的生產，其管道內氮氣壓力要求不低于1.2 MPa，維持這么高的壓力，主要是縮小絕緣層中的微孔數(shù)量和微孔直徑，降低局部放電值；交聯(lián)管道溫度和氮氣壓力要相匹配，若管道溫度高、氮氣壓力低，就會產生微氣孔和明顯的氣泡[9]。在XLPE交聯(lián)過程中模具內部的壓力和溫度對絕緣層內部微孔的數(shù)量和大小有直接影響[10]。在制作現(xiàn)場主絕緣交聯(lián)過程中，由于發(fā)電機供電不穩(wěn)定導致停電15 min，導致磨具內的壓力和溫度沒有滿足交聯(lián)條件，導致上述氣泡缺陷。

4 結語

本文利用IDIP-DR數(shù)字射線檢測技術，對高壓電纜熔接頭關鍵制作工藝進行檢測，有效檢測出主絕緣存在氣泡施工工藝問題，通過現(xiàn)場解剖，證明檢測結果的準確性，為開展熔接頭制作工藝管控提供一種有效的手段，為高壓電纜熔接頭技術在工程應用中提供一種新的管控方法，并且在恢復主絕緣過程中，必須保證全程供電和供壓可靠，否則容易出現(xiàn)類似缺陷問題。