高壓電纜附件鉛封缺陷的交流電磁場檢測

劉正存，申德峰，王延?xùn)|，薛建祥，王明亮

(1.濟(jì)寧魯科檢測器材有限公司，濟(jì)寧 272000；2.濟(jì)寧市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，濟(jì)寧 272000)

封鉛是目前電纜附件安裝中比較常見的封裝手段，主要用于尾管端部與金屬保護(hù)套內(nèi)部電纜之間的連接。雖然封鉛工藝繁瑣，但由于其具有較高的強(qiáng)度及良好的耐老化性能，且密封性能可靠，仍在廣泛使用。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前電纜附件已經(jīng)成為電纜線路中故障最多發(fā)的部件之一，而大部分故障是由產(chǎn)品本身質(zhì)量不過關(guān)或安裝不當(dāng)導(dǎo)致的[1-2]。

目前電纜鉛封的檢測方法主要有超聲法、X射線法、渦流法等。超聲法受到耦合限制，需要拆除表面保護(hù)層進(jìn)行檢測，多用于電纜安裝前的測試。方春華等[3]利用仿真軟件模擬了鉛封內(nèi)部氣孔缺陷的回波特征，并利用鉛封缺陷試樣驗(yàn)證了超聲檢測的可行性。射線檢測方法需從不同方向進(jìn)行透照，以避免漏檢，但現(xiàn)場工作環(huán)境復(fù)雜，實(shí)際操作困難，且由于線纜內(nèi)部并非整體，內(nèi)部存在間隙，存在漏檢、誤報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)。渦流檢測方法則受制于探頭提離高度，普通渦流檢測設(shè)備提離高度只有1～2 mm，無法滿足穿透電纜鉛封5 mm以上保護(hù)層的要求。蒲英俊等[4]針對(duì)渦流檢測的提離高度問題，對(duì)渦流檢測探頭進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了電纜附件的渦流檢測。

交流電磁場檢測(ACFM)技術(shù)[5]檢測效率高，精度高，且檢測信號(hào)受提離效應(yīng)的影響比較小，無需對(duì)被測件表面做任何處理就能完成檢測[6]，更適用于電纜鉛封的檢測。筆者分析了高壓電纜附件的結(jié)構(gòu)及缺陷，并制作模擬試樣進(jìn)行試驗(yàn)，證明了交流電磁場檢測技術(shù)對(duì)電纜附件鉛封表面開口缺陷的檢測能力。

1 交流電磁場檢測原理

在ACFM技術(shù)中，將工件表面磁場分為3個(gè)分量：Bx，By，Bz。Bx分量方向與電流方向垂直，并與工件表面平行；By分量方向與電流方向一致；Bz分量方向垂直于工件表面。交流電磁場檢測原理如圖1所示。

圖1 交流電磁場檢測原理示意

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)工件表面沒有缺陷時(shí)，交變電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場均勻且無變化，By和Bz分量為0；當(dāng)電流經(jīng)過缺陷時(shí)，電流從缺陷兩側(cè)和底部偏轉(zhuǎn)，使通過缺陷處的電流密度減小，產(chǎn)生的磁通密度也相應(yīng)減小，即Bx分量會(huì)在缺陷處出現(xiàn)明顯的波谷。此外，電流會(huì)在缺陷兩端產(chǎn)生聚集，使得缺陷兩端磁通密度出現(xiàn)極值，受磁場方向性的影響，Bz分量與原有磁場會(huì)存在疊加和抵消的現(xiàn)象，即Bz分量會(huì)在缺陷兩端形成波峰和波谷，根據(jù)檢測信號(hào)即可判定缺陷的存在[7-8]。

2 高壓電纜鉛封的結(jié)構(gòu)及常見缺陷

高壓電纜終端由尾管、鋁護(hù)套、鉛封等組成，是輸電線路的重要組成部分。鉛封即采用鉛錫合金封堵尾管端部及鋁護(hù)套之間的間隙，在完成電氣連接的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)密封防水的功能。鉛封完成后在外部使用防水包帶和熱縮套進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)層厚度約為5 mm。高壓電纜鉛封實(shí)物如圖2所示。

圖2 高壓電纜鉛封實(shí)物

目前發(fā)現(xiàn)高壓電纜鉛封缺陷以加工過程中的砂眼、氣孔、內(nèi)部層疊以及安裝中工藝不到位導(dǎo)致的徑向開裂等為主。缺陷容易導(dǎo)致電氣連接不良，造成跳閘、擊穿等問題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起電網(wǎng)停運(yùn)事故。因此，需要尋找一種可以快速、準(zhǔn)確地檢測出電纜鉛封內(nèi)部缺陷的技術(shù)，以保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

3 ACFM檢測試驗(yàn)

3.1 試樣制備

電纜運(yùn)行過程中，由于外部環(huán)境變化，鉛封單側(cè)受力，往往會(huì)出現(xiàn)頂部開裂缺陷，這也是鉛封缺陷中危害最大的一種。結(jié)合頂部開裂缺陷現(xiàn)場案例及ACFM檢測技術(shù)要求，設(shè)計(jì)的試樣上的缺陷信息如表1所示。

表1 試樣上的缺陷信息

3.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用濟(jì)寧魯科檢測器材公司生產(chǎn)的LK ACFM-X1型交流電磁場檢測儀(見圖3)，該設(shè)備主要由主機(jī)、探頭及連接線等組成；可兼容內(nèi)穿式、外套式、平板型、筆形等多種探頭，并可支持16通道陣列探頭，探頭最大提離高度為10 mm，針對(duì)電纜鉛封的變徑情況，可采用特制的弧形單探頭(圓弧直徑為273 mm)，以得到更好的耦合效果。

圖3 LKACFM-X1型交流電磁場檢測儀實(shí)物

3.3 檢測及分析

將探頭放置于工件待檢部位，雙手扶持探頭，在工件上進(jìn)行勻速掃查，掃查速度應(yīng)盡量不超過 40 mm·s-1，同時(shí)盡量避免抖動(dòng)，檢測完成后記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

試樣1交流電磁場檢測結(jié)果如圖4所示，圖4(a)為Bx分量圖，其中橫坐標(biāo)代表探頭行進(jìn)時(shí)間，縱坐標(biāo)代表x方向磁場強(qiáng)度分量的電信號(hào)大?。粓D4(b)為Bz分量圖，橫坐標(biāo)代表探頭行進(jìn)時(shí)間，縱坐標(biāo)代表z方向的磁場強(qiáng)度分量電信號(hào)大小。由檢測結(jié)果可見，Bx及Bz信號(hào)均有明顯顯示，波形變化存在明顯的波峰波谷特征，與標(biāo)準(zhǔn)ASME E-2261M-2012 《使用交流電現(xiàn)場測量技術(shù)檢查焊縫的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》中的缺陷特征吻合。

圖4 試樣1交流電磁場檢測結(jié)果

試樣2交流電磁場檢測結(jié)果如圖5所示，圖中各變量與圖4的一致，其同樣具有明顯與ASME標(biāo)準(zhǔn)中吻合的波峰波谷特征，但Bx分量的變化受到探頭提離高度的影響，由40 mC降到25 mC，Bz分量保持在70 mC左右，無明顯變化，說明Bx分量信號(hào)強(qiáng)度受提離高度的影響更大。在大提離的檢測工況下，Bz信號(hào)的判定比Bx信號(hào)更為準(zhǔn)確。

圖5 試樣2交流電磁場檢測結(jié)果

試樣1在探頭與缺陷成45°角時(shí)的檢測結(jié)果如圖6所示，圖中信號(hào)變化量與圖4信號(hào)變化趨勢及特征基本一致。Bx分量的變化受到探頭角度的影響由40 mC降到30 mC，Bz分量的變化量則有所上升，接近80 mC。

圖6 試樣1探頭與缺陷成45°時(shí)的檢測結(jié)果

試樣1在探頭與缺陷成90°角時(shí)的檢測結(jié)果如圖8所示，90°檢測時(shí)，裂紋平行于電場且垂直于磁場，對(duì)電流產(chǎn)生干擾很小，由于裂紋自身寬度為2 mm，此時(shí)Bx及Bz分量信號(hào)仍存在波峰波谷特征，但并不明顯。

試樣2在探頭與缺陷成45°角時(shí)的檢測結(jié)果如圖8所示，圖8與圖6信號(hào)變化趨勢有所差別，但波峰波谷特征仍比較吻合。Bx分量的變化受到探頭角度的影響由30 mC降到20 mC，Bz分量的變化量明顯下降，變?yōu)?0 mC。交流電磁場檢測技術(shù)中，所檢測對(duì)象與探頭檢測方向間的角度會(huì)對(duì)檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，圖8及圖6說明，45°時(shí)的檢出靈敏度相較于0°時(shí)已經(jīng)有了降低，但降低幅度較小。

試樣2在探頭與缺陷成90°角時(shí)的檢測結(jié)果如圖9所示 。此時(shí)，Bx分量信號(hào)存在波谷特征，但Bz分量信號(hào)此時(shí)變化量只有20 mC左右，信噪比較低，波峰波谷特征不明顯，與檢測標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比吻合度很差。圖7及圖9說明，在所檢測對(duì)象與探頭檢測方向相互垂直時(shí)，交流電磁場檢測技術(shù)的檢出靈敏度最差，此時(shí)的磁場變化幅度取決于檢測對(duì)象寬度，對(duì)于裂紋等條形缺陷，極易出現(xiàn)漏檢。

圖7 試樣1探頭與缺陷成90°時(shí)的檢測結(jié)果

圖8 試樣2在探頭與缺陷成45°角時(shí)的檢測結(jié)果

圖9 試樣2在探頭與缺陷成90°角時(shí)的檢測結(jié)果

4 結(jié)語

(1) 采用交流電磁場檢測技術(shù)可以對(duì)帶有5 mm厚絕緣層的高壓電纜鉛封的表面裂紋進(jìn)行檢測，且無需去除絕緣層，檢測方便快捷。

(2) 交流電磁場檢測靈敏度受缺陷方向影響較大，探頭方向與缺陷方向夾角為90°時(shí)，缺陷檢出較為困難，實(shí)際檢測過程中需根據(jù)缺陷具體發(fā)生機(jī)理確定其檢測方向，或直接進(jìn)行0°及45°檢測。