城市電力隧道電纜管孔密閉性檢測裝置研制及試驗(yàn)應(yīng)用

張成， 李寧， 金春峰， 馬博翔， 楊麟， 姚林志， 李譞， 田崗

（1. 國網(wǎng)北京市電力公司電纜分公司；2. 中電投工程研究檢測評定中心有限公司）

1 引言

隨著我國城市電力隧道的快速發(fā)展，許多大中型城市形成短則幾十公里、長則上千公里的城市電力隧道敷設(shè)網(wǎng)。城市電力隧道埋深一般相對較淺，極易受到人類活動和自然環(huán)境的影響，時常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損和滲漏現(xiàn)象，尤其是城市早期的磚混電力隧道，普遍存在抗?jié)B性差和結(jié)構(gòu)老化等問題[1-4]。加之當(dāng)前，我國城市地下市政管線與隧道工程密布，不可避免會與電力隧道形成空間交叉。當(dāng)一些燃?xì)饣蚪o排水管道出現(xiàn)破損而發(fā)生泄漏時，極易向附近的電力隧道擴(kuò)散，并在電力隧道內(nèi)逐漸匯集，如果電力隧道與變電室之間隔墻上的電纜管孔封堵不嚴(yán)或存在空隙，則可能會造成可燃?xì)怏w或積水進(jìn)入輸變電站，誘發(fā)燃爆或短路危險，危及電力隧道的運(yùn)營安全，從而將會嚴(yán)重影響城市電力的正常供應(yīng)。

目前，工程上暫時還沒有專門用于測試城市電力隧道電纜管孔封堵效果的檢測裝置，大多密閉性檢測裝置常用于機(jī)械密閉罐體的檢測，對電力隧道電纜管孔封堵效果的檢測并不適用?；诖耍狙芯酷槍Τ鞘须娏λ淼离娎|管孔的自身特點(diǎn)，根據(jù)氣體直壓法測試?yán)碚揫5-6]，設(shè)計和研制一套專門用于測試電纜管孔密封性能的測試裝備，并通過相關(guān)試驗(yàn)加以驗(yàn)證分析，以求為今后類似工程的開展和設(shè)備的研制提供一定的技術(shù)參考。

2 測試機(jī)理

2.1 直壓測試原理

根據(jù)實(shí)際電纜管孔自身結(jié)構(gòu)和封堵物的特點(diǎn)，通過分析各種測試原理的優(yōu)劣，本研究主要考慮采用直壓法原理進(jìn)行設(shè)備研制和測試工作。所謂直壓法就是將氣源與被測件之間用壓力傳感器進(jìn)行連接，直接測取注入氣體后一定時間內(nèi)被測件的氣壓變化，以此評估和判斷被測件的泄漏情況[7-8]。其測試原理如圖1 所示。此外，為了保證直壓法測試方法的可靠性和準(zhǔn)確性，一般會將直壓法測試設(shè)置成四個階段，即充氣階段、平衡階段、測試階段和排氣階段。其中，充氣階段就是向被測件內(nèi)注入氣體，逐步加載到測試壓強(qiáng)；平衡階段就是為了降低充氣階段結(jié)束后氣流擾動對測試的影響，使之氣壓穩(wěn)定在要求的測試壓強(qiáng)范圍內(nèi)；測試階段就是通過關(guān)閉氣閥后，測試和記錄給定時間內(nèi)被測件的氣壓變化；排氣階段就是測試工作結(jié)束排除被測件內(nèi)的氣體。

圖1 氣體直壓測試簡圖

2.2 測試壓力要求

電纜管孔位于電力隧道與變電站之間的隔墻上，在一般（無水）工況條件下，兩側(cè)氣壓是平衡的，均為大氣壓強(qiáng)，即管孔兩側(cè)相對壓強(qiáng)為零；而在特殊（積水）工況下，如電力隧道內(nèi)部積水，導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)水力壓強(qiáng)作用，即管孔兩側(cè)存在水力壓差。當(dāng)電力隧道積水深度為h時，電纜管孔所受水力壓強(qiáng)P為：

式（1）中：h為積水深度，m；g為重力加速度，m/s2；ρ水為水的密度，kg/m3。

據(jù)不完全統(tǒng)計，一些老舊電力隧道內(nèi)部積水最大可達(dá)2m，即通過換算其水壓最大可達(dá)20kPa。因此，為了保證電纜管孔封堵能夠滿足最不利水壓的要求，本研究被測件的測試壓強(qiáng)不應(yīng)低于20kPa。

2.3 測試系統(tǒng)構(gòu)成

鑒于城市電力隧道的電纜管孔處主要涉及穿墻套管、絕緣電纜和封堵物三部分，三者形成了半封閉的空間結(jié)構(gòu)，可視為測試系統(tǒng)的被測件。為了測試穿墻套管、絕緣電纜、封堵物以及三者之間接縫的整體密閉性，必須營造出封閉空間，對上述被測件進(jìn)行封堵的結(jié)構(gòu)，可視為測試系統(tǒng)的封堵件。為被測件與封堵件所構(gòu)成的密閉空間提供氣壓與測試氣壓的設(shè)備，可視為測試系統(tǒng)的注壓模塊。用于控制和記錄氣壓變化的系統(tǒng)，可視為測試系統(tǒng)的控制模塊。因此，本研究測試系統(tǒng)的組成主要包括被測件、封堵件、注壓模塊和控制模塊（見圖2）。

圖2 測試系統(tǒng)組成

3 檢測裝置設(shè)計

3.1 裝置組成

基于本研究的基本測試原理，將電纜管孔密閉性檢測裝置設(shè)計為三個主要部分，包括密閉檢測儀、封堵工裝和供電電池（見圖3）。其中，密閉檢測儀采用一體式小型化設(shè)計思想，具有操作簡單和可視化的特點(diǎn)，其內(nèi)部含有控制模塊和壓力模塊，一方面可以通過控制模塊調(diào)試和控制整個密閉性檢測儀的操作系統(tǒng)，設(shè)置充氣、平衡、檢測和排氣時間，顯示系統(tǒng)測試結(jié)果和保存測試數(shù)據(jù)；另一方面可以通過壓力模塊為密閉性檢測工作提供壓縮空氣，滿足工件氣體加壓需求。封堵工裝是根據(jù)電纜、穿墻管孔和管孔封堵物三者之間的位置關(guān)系和尺寸大小，采用兩個半圓封堵板和硅膠墊等加工而成的封堵件，通過螺栓與電纜、穿墻管孔和管孔封堵物共同形成一個密閉性空間，輔助實(shí)現(xiàn)對電纜管孔密閉性的檢測。供電電池采用箱體設(shè)計，內(nèi)部設(shè)置有多組鋰電池組，整體結(jié)構(gòu)小巧，便于攜帶，總重量不大于4kg，供電時間長，一次充電可用8h。

圖3 電纜管孔密閉性檢測裝置

3.2 部件功能

密閉檢測儀主要部件包括：觸摸屏、數(shù)顯壓力表、操作按鍵、校準(zhǔn)接口、數(shù)據(jù)輸出接口、過濾器、調(diào)壓閥、檢測氣出口、充氣閥、排氣閥、直接傳感器、微型壓力泵、PLC等。

①觸摸屏可以設(shè)置充氣、平衡、檢測和排氣的時間，顯示測試結(jié)果和存儲測試數(shù)據(jù)，并以聲光形式提示操作者；數(shù)顯壓力表可以實(shí)時顯示測試壓力；校準(zhǔn)接口可以外接標(biāo)準(zhǔn)漏孔，校準(zhǔn)測試的準(zhǔn)確性；數(shù)據(jù)輸出接口可以外接U盤，輸出測試的數(shù)據(jù)。

②在密閉檢測儀操作按鍵中，儀器自檢按鈕主要是測試密閉檢測儀的內(nèi)漏情況；氣泡模式按鈕主要是向被測件內(nèi)長時間充加氣壓，方便使用肥皂水查找封堵工裝與被測件交界處的漏氣點(diǎn)位置；單位切換按鈕主要是根據(jù)需要切換顯示單位，如kPa、Pa、Pa/s、mL/min等可進(jìn)行任意切換；本地遠(yuǎn)程按鈕中本地模式適用于儀器的單機(jī)操作使用，遠(yuǎn)程模式適用于儀器的遠(yuǎn)程控制使用。

③過濾器主要是過濾經(jīng)過微型壓力泵的壓縮空氣中的水分和雜質(zhì)，保護(hù)氣控閥和傳感器；檢測氣出口則可以通過膠皮管連接被測件；精密調(diào)壓閥主要是調(diào)節(jié)測試壓力的大小。

④微型壓力泵內(nèi)置在檢測儀內(nèi)部，是檢測儀加壓設(shè)備；充氣閥控制檢測氣路的通斷，檢測完成后，排氣閥打開，檢測件內(nèi)的氣體排出；PLC程序自動控制儀器的動作；精密調(diào)壓閥調(diào)節(jié)測試壓力的大小。

3.3 封堵工裝

如圖4 所示，電纜管孔封堵工裝（夾具）由兩個半圓形的封堵板組成，封堵板之間通過螺栓鎖緊，封堵板通過螺栓與電纜管孔的法蘭連接；充氣孔充入正壓氣體。半圓形封堵板加工有溝槽，內(nèi)嵌開模密封墊，密封墊為硅橡膠材質(zhì)，硬度較低，易于擠壓變形，以達(dá)到封堵的效果。

圖4 封裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 操作界面

3.4 操作界面

本密閉檢測儀操作界面主要包括主頁界面、參數(shù)界面、數(shù)據(jù)界面、曲線界面以及管理界面等五部分。其中，主頁界面的測試壓力框可以實(shí)時顯示被測工件內(nèi)的氣壓，中間框可以顯示測試結(jié)果值，測試單位可以人為設(shè)定為流量或壓力降；參數(shù)界面不僅可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定檢測時的充氣、平衡、檢測和排氣時長，而且還可以設(shè)定壓力降的上限和下限，當(dāng)壓力降大于合格上限值時，則判斷為泄漏，反之，則無泄漏或滿足密閉性要求；數(shù)據(jù)界面可以查看歷史測試數(shù)據(jù)；曲線界面可以查看測試曲線數(shù)據(jù)；管理界面可以進(jìn)行用戶管理。

4 測試方法

4.1 封堵件安裝

①對電纜管孔和電纜進(jìn)行仔細(xì)檢查，并測試它們是否存在漏電現(xiàn)象。

②若電纜管孔和電纜一切正常，無漏電現(xiàn)象，需注意拭去它們表面的灰塵和油污。

③量取電纜管孔和電纜尺寸，選取與電纜管孔法蘭和電纜直徑匹配的封堵工裝，若電纜表面存在凹凸不平現(xiàn)象，則需對其表面進(jìn)行整平處理，一般可以通過纏繞一定量的生料帶加以實(shí)現(xiàn)。

④取一片封堵工裝通過螺栓與電纜管孔的法蘭相連，螺栓注意不要擰緊，余留一定的余量，同時封堵工裝內(nèi)側(cè)的橡膠墊壓緊電纜。

⑤取另一片封堵工裝通過螺栓與上一片封堵工裝相連，兩片封堵工裝間的螺栓注意不要擰緊。

⑥逐步擰緊兩片封堵工裝與電纜管孔法蘭之間的螺栓，最后擰緊兩片封堵工裝之間的螺栓，并接好封堵工裝與檢測儀之間的充氣管。

4.2 測試流程

①儀器開啟：將密閉檢測儀連接供電電池，調(diào)節(jié)供電電池電壓到合理的測試電壓，開啟檢測儀開關(guān)，根據(jù)測試要求，調(diào)節(jié)與設(shè)置檢測儀測試工作參數(shù)。

②自檢模式：檢測儀測試參數(shù)調(diào)好后，方可進(jìn)入檢測儀自檢模式，氣閥此時處于關(guān)閉狀態(tài)，通過注壓實(shí)現(xiàn)對密閉檢測儀自身密閉性進(jìn)行檢測，該過程主要涉及充氣、平衡、檢測與排氣四個階段，當(dāng)儀器自檢滿足密閉性要求時，方可進(jìn)入下一步操作。

③氣泡模式：檢測儀自檢滿足要求后，進(jìn)入檢測儀氣泡模式，氣閥此時處于開啟狀態(tài)，通過不斷注壓實(shí)現(xiàn)封堵工裝與被測件之間接觸的密閉性檢測（噴灑肥皂水，觀測是否有氣泡生成），該過程主要涉及充氣階段，當(dāng)封堵工裝與被測件之間的接觸滿足密閉性要求時，方可進(jìn)入下一步操作。

④檢測模式：檢測儀氣泡測試滿足要求后，則正式進(jìn)入被測件密閉性檢測模式，氣閥此時處于開啟狀態(tài)，通過完成檢測儀設(shè)定的充氣、平衡、檢測與排氣四個階段，并觀測檢測儀最終測試結(jié)果，當(dāng)壓力降滿足要求時，即為合格，反之，即為不合格。

⑤儀器關(guān)閉：測試工作結(jié)束后，首先關(guān)閉檢測儀開關(guān)，之后關(guān)閉電池開關(guān)，最后拔出電源線，其他相關(guān)設(shè)備拆除并整理入箱。

4.3 評定方法

為了較為合理地對電纜管孔密閉性測試結(jié)果進(jìn)行評定，本研究參考《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50268-2008 相關(guān)要求，同時考慮到電纜隧道滿水狀態(tài)時的水壓狀況，將電纜管孔密閉性評定標(biāo)準(zhǔn)制定如表1 所示。即根據(jù)滿足最大工作壓力20kPa 的要求，試驗(yàn)壓力取1.5 倍～2 倍最大工作壓力，測試穩(wěn)壓時間取3min，允許壓力降取0.75kPa～1.00kPa，當(dāng)試驗(yàn)壓力降小于允許壓力降時，則電纜管孔密閉性合格，反之，則為不合格。

表1 電纜管孔密閉性評定標(biāo)準(zhǔn)

5 試驗(yàn)應(yīng)用

5.1 試驗(yàn)工況

某110kV 電力隧道的電纜管孔（法蘭）外徑為318mm，內(nèi)徑為222mm，法蘭上螺栓孔洞共12個，螺栓孔洞對側(cè)間距為290mm，電纜直徑105mm。電纜管孔與法蘭為鋼質(zhì)材料，外觀質(zhì)量良好；電纜外層為絕緣橡膠材料，表面存在凹凸不平現(xiàn)象；橡膠管塞是電纜管孔與電纜之間的封堵物，其材質(zhì)為絕緣橡膠材料，橡膠管塞與電纜接觸面狀態(tài)良好，橡膠管塞與電纜管孔接觸面存在縫隙。本次試驗(yàn)共檢測2個電纜管孔，分別為電纜管孔1#和電纜管孔2#，對它們分別采用封堵工裝封堵，并用密閉檢測儀加以檢測測試（見圖6、圖7）。

圖6 封堵安裝

圖7 試驗(yàn)測試

5.2 測試結(jié)果

本次試驗(yàn)測試的充氣時間為100s，平衡時間為20s，檢測時間為180s，排氣時間為5s，總試驗(yàn)測試時間為305s，測試氣壓為30kPa，允許壓力降為0.75kPa。最終測試結(jié)果由圖8和圖9 中曲線可以看出，電纜管孔1#和電纜管孔2#均在測試平衡階段氣壓就已降低為0kPa，反映出電纜管孔1#和電纜管孔2#存在明顯的泄漏現(xiàn)象，需及時對電纜管孔1#和電纜管孔2#加以堵漏處理，以降低電力隧道運(yùn)營安全的風(fēng)險。

圖8 電纜管孔1#測試曲線

圖9 電纜管孔2#測試曲線

6 結(jié)語

本研究針對電纜管孔自身特點(diǎn)，運(yùn)用直壓法測試?yán)碚摚_發(fā)研制出一套用于電纜管孔密閉性檢測的裝置，該裝置主要由密閉檢測儀、封堵工裝和供電電池三部分組成，具有小型化、易操作、易攜帶和可視化的特點(diǎn)。此外，本研究還以某110 千伏電纜管孔為例，進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)測試研究，有效驗(yàn)證了電纜管孔檢測裝置的適用性和可行性。