基于X射線成像系統(tǒng)偏心角透照工藝的電纜缺陷檢測

史騰飛，馬朋飛，劉榮海，鄭　欣，常喜茂，段新會

(1.華北電力大學(xué) 自動化系， 保定 071003；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院， 昆明 650217；3.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站， 昆明 650217)

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基于X射線成像系統(tǒng)偏心角透照工藝的電纜缺陷檢測

史騰飛1,3，馬朋飛1,3，劉榮海2，鄭欣2，常喜茂1，段新會1

(1.華北電力大學(xué) 自動化系， 保定 071003；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院， 昆明 650217；3.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站， 昆明 650217)

針對電纜內(nèi)部缺陷難以檢測的問題，利用X射線數(shù)字成像系統(tǒng)(以下簡稱DR)，通過合適偏心角度透照電纜缺陷并利用軟件合成圖像來判斷缺陷特征。通過模擬現(xiàn)場設(shè)計不同特征的電纜缺陷，采取合適的偏心角度透照技術(shù)進(jìn)行試驗，對不同特征的電纜缺陷進(jìn)行分析。將檢測結(jié)果與實際的缺陷尺寸進(jìn)行對比，基于DR偏心角的電纜缺陷尺寸檢測能有效提高電纜缺陷檢測的精度，為實際工程應(yīng)用中對電纜內(nèi)部缺陷特征的分析和后期的維護(hù)保養(yǎng)提供了可靠依據(jù)。

X射線；數(shù)字射線；輸電電纜；內(nèi)部缺陷檢測

隨著我國用電量的逐年增加，電力電纜在電力行業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛，但隨之而來的電纜缺陷問題也尤為突出。電纜作為輸送電力的組成部分起著非常重要的作用。常見的問題有電纜的老化、因外力沖擊而斷裂等，這些都會影響輸電線路的正常工作、導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)大面積停電，甚至造成財產(chǎn)的損失或者工作人員的傷亡。

電纜的主要組成部分為保護(hù)層、屏蔽層、絕緣層和銅芯[1]。具體內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示，由于所處的環(huán)境和外界因素的影響，電纜缺陷的特征不同，其利用DR(數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng))進(jìn)行直觀拍攝時得到的圖像效果也不同，故很難通過圖片去準(zhǔn)確判斷缺陷特征，僅僅依靠工作人員的自身經(jīng)驗來判斷缺陷特征和缺陷程度是十分困難的。電纜的缺陷特征一般分為條紋式缺陷和點式缺陷，在利用DR拍攝時會呈現(xiàn)不同的圖像效果，利用DR選取合適的偏心角度拍攝和其圖像合成的軟件來融合加強圖像效果，有利于對缺陷特征進(jìn)一步分析處理。

目前國內(nèi)有許多學(xué)者對電纜檢測進(jìn)行了研究，如趙振良等[2]對電纜的檢測方法進(jìn)行了研究，建立模型并進(jìn)行了軟件設(shè)計。在國外，也有許多較成熟的設(shè)備問世并應(yīng)用于生產(chǎn)電纜的企業(yè)中。比如仲巴赫公司[3]基于點掃描檢測方式的電纜偏心檢測設(shè)備對電纜內(nèi)部缺陷的檢測是十分可靠的，但這些設(shè)備大都屬于技術(shù)保密產(chǎn)品。目前針對電纜生產(chǎn)過程的檢測較多，而對于電纜在電力行業(yè)應(yīng)用中出現(xiàn)的缺陷特征的研究卻不多。利用已經(jīng)成熟的DR技術(shù)，通過選取不同的偏心角度對不同的電纜缺陷進(jìn)行透照，針對不同的電纜缺陷進(jìn)行多角度拍攝，并與實際的內(nèi)部缺陷進(jìn)行對比，從而得出含有不同缺陷情況時DR的合適偏心角度。

圖1　待測電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)外觀

1　電纜多角度透照理論計算

用DR對電纜進(jìn)行透照時，若垂直于缺陷部位探照，其電纜內(nèi)部銅芯的成像往往會遮擋其缺陷部位的成像陰影，不便于工作人員對缺陷特征進(jìn)行判斷。同時對于電纜的缺陷是否破壞銅芯均無法給出準(zhǔn)確信息。為了從DR成像結(jié)果中完整地看到缺陷部位的特征信息，對其多角度透照的情況進(jìn)行了研究[4-6]。

1.1電纜多角度透照布置

按照被測電纜在數(shù)字成像板上的影響，可以分為橢圓成像和重疊成像兩種方法。一般的電纜外徑D0不大于100 mm，如果滿足T(保護(hù)層和絕緣層厚度)不大于 8 mm，S(缺陷寬度或者直徑) 不大于D0/4，采用傾斜透照方式橢圓成像。不滿足上述條件或用橢圓成像有困難時，可采用垂直透照方式進(jìn)行重疊成像。

圖2　電纜缺陷DR橢圓透照布置示意

(1) 橢圓成像法

將數(shù)字成像板平放在待測物體下面，射線源焦點偏離缺陷部位中心平面一定距離(稱為偏心距df)，電纜缺陷通常位于電纜絕緣層結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在進(jìn)行缺陷尺寸計算時，需要從不同的角度照射，獲取該缺陷深度h，即缺陷中心位置離電纜表面的距離。電纜缺陷橢圓透照布置如圖2 所示，其中焦距H為射線源到電纜線表面的距離，物距D為電纜線上表面到成像板的距離(即電纜導(dǎo)線直徑)，射線源到缺陷最下端的距離L1，缺陷最下端到成像板的距離L2，實際電纜缺陷直徑S，電纜檢測圖像缺陷直徑S1，根據(jù)幾何關(guān)系有：

(1)

由式(1)可以推出：

(2)

根據(jù)圖示幾何關(guān)系，L1=H+h，L2=D-h。式中變量變換為可測量量，得到：

(3)

偏心距應(yīng)選取適當(dāng)，可按電纜缺陷外徑S的大小求出適當(dāng)?shù)钠木郿f和偏心角θ。

(4)

(5)

式(3)中，H,D的大小可通過直接測量獲取;S可通過測量得到;S1可在RHYTHM軟件上直接讀取。因此在已知H,D,S,S1的情況下，便可根據(jù)式(3)求出電纜缺陷深度的實際尺寸。

應(yīng)控制橢圓影像的開口寬度(裂紋投影最大間距)在1倍缺陷寬度左右。如偏心距太大，橢圓開口寬度過大，窄小的根部缺陷(裂縫、較淺裂紋等)有可能漏檢，或者因影像畸變過大，難于評判。偏心距太小，橢圓開口寬度過小，又會使源側(cè)缺陷與偏側(cè)缺陷的根部不易分開。

(2) 重疊成像法

對直徑D0不大于20 mm或壁厚T大于8 mm，或缺陷寬度g大于D0/4的電纜，或者為了重點檢測根部裂紋等特殊情況下，可使射線垂直透照電纜，此時數(shù)字成像板與電纜應(yīng)盡量貼合，以盡量減少缺陷部位到成像板的距離。當(dāng)檢測到缺陷后，由于不能分清缺陷是處于射線源側(cè)還是數(shù)字成像板側(cè)，一般做整圈透照處理。

1.2厚度變化

(6)

因透照小直徑電纜時，焦距遠(yuǎn)大于電纜直徑，射線束可粗略地看做是平行入射于電纜。透照厚度變化如圖3所示，透照厚度的變化可分為以下三種情況：

(1) X=X1

(7)

(2) X=X1=r時，

(8)

(3) X=X1>r時，

(9)

圖3　電纜缺陷DR透照厚度變化示意

2　不同特征缺陷多角度透照試驗

為了進(jìn)一步驗證利用DR進(jìn)行多角度透照的效果，在實驗室進(jìn)行電纜缺陷的特征檢測試驗。其中用到的DR設(shè)備是由X射線機(型號為XXH-3505)、控制平臺、地面工作站及其附屬網(wǎng)線電纜組成。其中電纜是由保護(hù)層、屏蔽層、絕緣層和銅芯組成[7-8]，型號為YJV-26,35 kV，電纜為橫截面積300 mm2的單芯。在對電纜進(jìn)行透照檢測時，需要先提前照射一次，對電纜缺陷特征有提前的預(yù)判，在遇到不同形狀和不同角度的缺陷時，可以根據(jù)不同的缺陷特征分別選取不同的偏心角度進(jìn)行透照，對于不同缺陷特征采取一定范圍的偏心角度能降低成像的誤差，得到更準(zhǔn)確的成像。圖4為實驗室檢測現(xiàn)場，通過模擬現(xiàn)場產(chǎn)生點式缺陷和條紋式缺陷，進(jìn)行多角度檢測來驗證其測試效果。DR透照含缺陷電纜時的檢測參數(shù)為：焦距600 mm，管電壓60 kV，管電流2 mA，采集時間5 s。待測電纜檢測現(xiàn)場如圖4所示。

圖4　待測電纜檢測現(xiàn)場

2.1點式缺陷

在進(jìn)行DR透照時采用上述檢測參數(shù)，筆者利用壓力機對電纜進(jìn)行點式擠壓，模擬現(xiàn)場電纜受到?jīng)_擊產(chǎn)生的點式缺陷。圖5為在電纜內(nèi)部的點式缺陷的DR成像效果，缺陷呈漏斗狀。此時使用重疊成像法照射出的缺陷部位會被電纜中間的銅芯遮擋，無法看到點式缺陷的特征和缺陷深度等情況。這時可以使用橢圓成像法，通過選取適當(dāng)?shù)钠木嗪推慕嵌龋贸鲭娎|內(nèi)部的缺陷深度。

圖5　點式缺陷DR圖像

對于電纜的點式缺陷檢測，通過公式(3)計算出合適的透照偏心距及偏心角度，其中電纜缺陷的外徑在成像圖像上的投影寬度S1=35 mm，焦距H=600 mm，物距D=70 mm，電纜缺陷外徑S=15 mm，此時可計算出其透照偏心距df=286 mm，電纜內(nèi)部缺陷深度h=13.5 mm。理論計算出電纜缺陷深度后，在實驗室對電纜缺陷部位進(jìn)行實際測量，將電纜缺陷部位沿中心切開，此時可測得實際電纜內(nèi)部的點式缺陷深度h=13.2 mm，比理論計算所得的缺陷深度小0.3 mm，實際誤差為2.2%，該誤差在實際工程中在可接受范圍內(nèi)，對于點式缺陷具有實際的指導(dǎo)意義。

圖6　斜向、橫向、縱向條紋缺陷圖像

2.2條紋式缺陷

條紋式缺陷通常分為斜向條紋、橫向條紋和縱向條紋，一般是受到尖銳物體切劃產(chǎn)生。試驗時，通過在實驗室利用刀具切割產(chǎn)生不同方向的條紋來模擬現(xiàn)場電纜缺陷特征。采用DR對電纜條紋式缺陷進(jìn)行多角度透照，選取合適的偏心距和偏心角，針對不同形狀的條紋缺陷進(jìn)行透照，在實驗室采集到的斜向條紋、橫向條紋和縱向條紋的成像效果分別如圖6所示，從圖中可以清晰看到電纜內(nèi)部的條紋缺陷走向，利用式(3)可以選擇適當(dāng)?shù)钠木啵肈R圖像及其他已知數(shù)據(jù)可得各種條紋缺陷深度及誤差，如表1所示。

表1　電纜條紋式缺陷的DR透照計算數(shù)據(jù)

2.3試驗結(jié)果

通過對不同特征的電纜缺陷進(jìn)行DR透照，發(fā)現(xiàn)對于不同的缺陷，如果選取適當(dāng)范圍的偏心角度時，其誤差可控制在允許范圍內(nèi)。經(jīng)試驗驗證，在對應(yīng)不同的缺陷特征時，選取合適的偏心角度，就可保證誤差在一定范圍內(nèi)，具體參數(shù)如表2所示。

表2　各類電纜缺陷的DR透照偏心距和偏心角的選取

3　結(jié)語

根據(jù)文中提出的方法對不同缺陷采取適當(dāng)?shù)钠慕嵌韧刚眨瑢τ诓煌毕萏卣鞯纳疃冗M(jìn)行計算，驗證了該方法的可靠性；同時通過大量的測量，針對不同的電纜缺陷給出合適的偏心角度的選擇范圍，對于定量研究合適的偏心角對成像效果的影響具有重要意義，在實際工程中具有應(yīng)用價值。

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Cable Defects Detecting Based on the Eccentric Angle Transillumination of X-Ray Imaging System

SHI Teng-fei1,3, MA Peng-fei1,3, LIU Rong-hai2, ZHENG Xin2, CHANG Xi-mao1, DUAN Xin-hui1

(1.Department of Automation,North China Electric Power University, Baoding 071003,China;2.Electricity Science Research Institute, Yunnan Power Grid Co., Ltd.,Kunming 650217, China;3.Graduate Workstation of North China Electric Power University &Yunnan Electric Power Grid Corporation, Kunming 650217, China)

In this paper, the difficult to detect cable internal damage problem is solved by the use of X-ray digital imaging system (hereinafter referred to as DR) through a suitable eccentric angle lens according to the cable damage and by using software to process the composite image to determine the damage characteristics. By simulating different site design features of cable damage, an appropriate eccentric angle transillumination technology experiment for the different characteristics of cable damage analysis was undertaken. By the comparison with the actual defect size, it is found that the DR based eccentric angle cable defect detection can effectively improve the cable damage detection accuracy for the practical application of the cable internal damage characteristics analysis and can offer a reliable basis for post-maintenance.

X-Ray; Digital radiography; Cable; Internal damage detect

2016-04-22

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院重點資助項目 (KY-N14161)

史騰飛(1993-),男，碩士研究生，主要研究方向為輸電線路工程與無損檢測。

導(dǎo)師簡介：常喜茂(1968-),男，高級工程師，主要研究方向為電機系統(tǒng)無損檢測與仿真。E-mail:992918098@qq.com。

史騰飛，Email:872243798@qq.com。

10.11973/wsjc201609005

TM241.3；TG115.28

A

1000-6656(2016)09-0017-04