電纜X射線檢測設備小型化研究

劉榮海，馬朋飛，史騰飛，楊迎春，鄭 欣

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南昆明 650217；2.華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定 071003； 3. 華北電力大學云南電網有限責任公司研究生工作站，云南昆明650217)

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電纜X射線檢測設備小型化研究

劉榮海1，馬朋飛2,3，史騰飛2,3，楊迎春1，鄭 欣1

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南昆明 650217；2.華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定 071003； 3. 華北電力大學云南電網有限責任公司研究生工作站，云南昆明650217)

提出用一種小型化的X射線檢測設備對電力電纜進行檢測的方法，以解決傳統X射線設備效率低下的問題。為了驗證這種方法的可行性，研究了小型X射線機的輻射劑量，利用小型X射線機和IP板的組合對電纜進行了X射線透射能力和成像質量的試驗，并利用小型化X射線檢測設備對被模擬破壞的電纜進行透照試驗。結果表明：小型化脈沖X射線檢測設備輻射劑量比較小，成像效果比較理想，可以在適當的現場用其提高工作效率。

輸配電工程；X射線；脈沖；小型化；電纜檢測

劉榮海，馬朋飛，史騰飛，等.電纜X射線檢測設備小型化研究[J].河北工業科技,2016,33(5):379-384.

LIU Ronghai，MA Pengfei，SHI Tengfei，et al. Research on small X-ray inspection equipment for cables[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(5):379-384.

電纜被應用于電力傳輸已經有上百年的歷史了，隨著經濟建設的不斷發展，電纜在不同部門、不同領域得到了越來越廣泛的應用[1-3]。但是近年來由于地下電纜密布而且地上的電纜標識物不夠明確等原因，導致在施工過程中電纜被損壞的事件時常發生,造成了巨大損失。因此， 當電纜被損壞時需要及時查明其損壞的程度，以便工作人員設計維修方案和處理辦法，減少電纜損壞帶來的損失。

傳統的電纜故障檢測方法有測量電阻電橋法、低壓脈沖反射法、脈沖電壓取樣法、脈沖電流取樣法和二次脈沖法等[1-3]；電纜故障的定點方法有聲測法、聲磁同步法、音頻感應法等[4-7]。但是這些方法僅僅找出電纜故障的位置和類型，不能清楚顯示電纜受損程度。近年來，由于X射線無損檢測技術的發展，利用X射線對故障設備進行檢測可以清楚地查明設備的故障原因。所以利用X射線進行設備的故障檢測越來越受到人們的重視[8-11]。

云南電網有限責任公司從2009年就在電網設備的檢測中，針對不同被檢測設備的焦距、管電壓的選擇等開始進行X射線數字成像技術的應用及系統研發工作。由于電纜一般位于地下，檢修空間狹小，適宜選擇小型的檢測設備對電纜進行檢測，所以本文選擇脈沖X射線機和膠片相結合的技術對電纜進行檢測試驗。首先檢測了XRS-3脈沖X射線機的輻射劑量，結合膠片對普通電纜進行了X射線照射，驗證了脈沖X射線機發出的射線對電纜具有透射成像能力，并得到脈沖X射線機對電纜透照比較理想時的參數，比如焦距、管電壓、管電流等。之后在實驗室對普通電纜進行了模擬破壞，并利用之前得到的參數對模擬破壞后的電纜進行了X射線透照，得到并分析了X射線的電纜透照圖片，驗證了脈沖X射線加膠片技術對電纜的缺陷進行檢測的能力和可行性。

1 小型化X射線檢測系統

X射線的發現至今已逾百年，其在醫藥、航天、機械等行業已得到廣泛應用。該技術目前的代表方向為直接數字成像，具體分為電腦直接成像技術(CR)和數字平板直接成像技術(DR)[12]。本研究對象為在施工過程中被破壞的地下電纜，電纜周圍的可操作空間狹小，所以筆者選用可于狹小空間進行檢測的CR成像技術。

1.1 X射線數字成像技術原理

X射線在穿透物體過程中會與物質發生相互作用，因吸收和散射而使其強度減弱[13],如果被照射物體的局部存在厚度差，則該局部區域透過射線強度就會與周圍產生差異[14-15]。這種射線強度差異照射在膠片或者成像板上，在底片上的相應部位就會產生黑度差異[16]，最后在成像板上成像。

1.2 X射線檢測系統組成

利用云南電力科學研究院開發研制的基于X射線的電力設備CR成像系統對電纜進行檢測，該系統由Golden Electric XRS-3 脈沖X射線機、IP板、電腦、附件等組成。IP板將含有微量元素銪的氟溴化鋇結晶體涂在支持體表面，當X射線穿過物體后，穿透的射線能量不夠均勻，導致IP板感光并且形成潛影，這就是IP板成像的原理。

本文選用的Golden Electric XRS-3 脈沖X射線機，實物圖如圖1所示，其參數如表1所示，該設備的突出優點有：1)質量輕，只有5.4 kg; 2)使用充電電池，每塊電池可連續工作2 h，脈沖X射線機由脈沖功率驅動源、螺旋高壓發射器、冷陰極閃光X射線管及鉛酸電池電源構成。其工作原理是，脈沖功率驅動源在控制信號的控制下產生直流高壓，為螺旋型高壓發生器充電，螺旋型高壓發生器產生的高壓脈沖加在冷陰極閃光X射線管的陽極與陰極之間，使其產生脈沖X射線[17]。

圖1 XRS-3脈沖X射線機Fig.1 XRS-3 pulse X ray machine

表1 XRS-3脈沖X射線機基本參數

2 實驗測試及數據分析

電纜出現故障的情況大致可以分為2種：1)施工過程中由于施工人員粗心大意導致電纜被破壞；2)電纜由于老化等原因在運行過程中出現故障。本文所設計的小型化X射線檢測設備主要針對第1種情況進行檢測。由于施工人員沒有注意到安全標識，導致在挖掘機工作或者工人鏟土等過程中造成地下電纜被損壞。由于這時地下電纜周圍的土已經被施工方挖開，所以檢測時可以在被損壞的地下電纜周圍進行簡單的處理，以提供布置檢測儀器的空間。

2.1 XRS-3脈沖源與連續發射源的輻射劑量比較

連續射線照射源照射電纜，最小輻射量的透照參數為80 kV，2 mA，4 s；脈沖射線源透照參數為270 kV，0.25 mA，3×10-7s，按照文獻[18]中的公式可以得到射線人員單位時間內接收的射線劑量為

(1)

式中：u為管電壓；i為管電流；m為被照射人的質量；S為被照射人的受照面積；R為射線人員與射線源之間的距離；B為積累因子；μ為光子在物質中的線衰減系數；d為屏蔽層厚度；e為自然對數的底。在同樣作業半徑R處，將脈沖射線源透照參數和連續射線元透照參數代入式(1)得到電纜單次脈沖射線源透照的輻射劑量為

(2)

單次連續射線源透照的輻射劑量為

(3)

由式(2)和式(3)可知電纜單次脈沖射線源透照的輻射劑量僅為連續射線源的1/(6.4×106)。

2.2 脈沖X射線機輻射劑量的測量

為驗證脈沖X射線機的輻射劑量，筆者在實驗室利用Golden Electric XRS-3 脈沖X射線機和輻射測量儀進行了實際測量。在以脈沖X射線機為圓心,半徑為r的圓上每隔90°分別選取a,b,c,d 4個點，在這4個點放置輻射測量儀，測量脈沖X射線機工作時4個點的輻射劑量。試驗過程如圖2所示。

圖2 脈沖X射線機輻射劑量測量 Fig.2 Radiation dose measurement of pulsed X ray machine

測量結果如表2所示。由圖中的數據可以看出，在脈沖X射線機發出的X射線主要位于X射線機的正前方。在X射線機的側方和后方，X射線劑量率遠遠小于正前方，并且隨著距離的增加，X射線強度逐漸減小，當距離X射線機10m時，在X射線機的側方和后方已經檢測不到X射線的強度，但是正前方的X射線強度依然比較強。

2.3 脈沖X射線源脈沖數的選取

不同電壓等級、不同脈沖時間時，脈沖機的脈沖數n的選擇(推薦焦距800～1 300 mm)應滿足nut≥50×270×5×10-8=6.75×10-4(kV·s)，其中:u為脈沖射線機的管電壓;t為單個脈沖持續時間。本試驗中脈沖X射線機的脈沖個數應大于50。

表2 XRS-3脈沖X射線機劑量測量結果

2.4 試驗

2.4.1 透照能力驗證

為了驗證脈沖X射線機對中低壓型號電力電纜的透照能力，利用Golden Electric XRS-3 脈沖X射線機和IP板對3～35 kV的電纜進行了透照能力的檢驗，其中對10 kV的電纜照射試驗按照表3所示的參數進行，現場試驗圖和X射線成像圖見圖3。

表3 透照能力試驗X射線參數

圖3 2種X射線源對10 kV電力電纜照射試驗圖Fig.3 Experiment of two kinds of X radio source on 10 kV power cable

從圖3中可以看出利用連續X射線源和脈沖X射線源對電力電纜進行透照試驗，透照的效果都比較理想，但是由于實際工況下，電力電纜都位于狹小的地方，連續X射線源的機體過于笨重，不適合在狹小的地方對電力電纜進行透照檢測。而脈沖X射線源機體輕巧方便，適合在狹小的空間使用。所以在實際檢測電纜時應使用脈沖X射線源更加方便，本試驗說明了利用脈沖X射線對電纜進行透照的可行性。

2.4.2 對破損電纜進行試驗

在X射線無損檢測中參數的選擇至關重要[12]。在脈沖X射線試驗中焦距的選擇和脈沖的個數對試驗的結果會有很大的影響，所以有必要對透照參數進行優化，以得到優質圖像[19-22]。根據前期試驗和設備基本參數設置橫截面積為300 mm2的單芯26/35 kV電力電纜，進行脈沖X射線檢測。檢測的參數焦距為1 150 mm，脈沖個數為60，管電壓為270 kV，管電流為0.25 mA。下文對電纜的透照檢測均采用此參數。

試驗前對電纜進行了模擬破壞，破壞主要包括利用釘子、鋼鋸和鋤頭對電纜進行不同程度的破壞，來模擬現實施工的過程中由于工人操作不當導致的地下電纜受到的損傷，比如：工人在用鐵鏟鏟土時，由于不清楚地下有電纜而鏟到電纜上造成的傷痕；工人利用挖掘機不小心碰傷電纜以及利用鐵鎬工作時造成的電纜損傷等。有時，由于工人所使用的工具較重，且并不鋒利，可能造成電力電纜雖然外表看來只有表皮破損，但實際上電纜內部也被嚴重破壞，所以對表皮輕微破損的情況也進行了模擬試驗，如圖4所示。

圖4 電纜受損情況Fig.4 Cable damage

圖4 a)、圖4 b)、圖4 c)分別表示電纜的防護層、絕緣層和電纜芯受損情況，其中每幅圖中的3個傷痕分別表示由鋤頭、鋼鋸和釘子進行的模擬破壞情況。圖4 a)只是對電纜最外面的防護層進行破壞，沒有破壞到絕緣層，這模擬的是施工過程中對電纜的輕度破壞；圖4 b)中將防護層全部破壞并破壞了部分絕緣層，這是模擬電纜受到比較嚴重破壞的情況；圖4 c)中防護層和絕緣層全部被破壞，電纜芯也部分被破壞，這是模擬電纜受到非常嚴重破壞的情況。圖5為脈沖射線源檢測布置圖。

圖5中f為檢測源到被檢測部件表面的距離，d為X射線源檢點尺寸，b為工件表面至射線接受轉換裝置的距離,1為X射線源，2為平板探測器。

圖6中可以清楚地看出電纜的受損情況，在圖6 a)中可以清楚地看出位于電纜最外層的防護層受到損壞，但是損壞程度比較小，沒有損傷到電纜的絕緣層部分；圖6 b)、圖6 c)都可以看出電纜的防護層被完全破壞，絕緣層也受到破壞，其中利用鐵絲作為

標識物可以方便地看出受到損壞的深度；圖6 d)可以看出電纜芯受到嚴重的損傷。從成像質量來說連續X射線源數字成像檢測系統與脈沖X射線源數字成像檢測系統都很理想，可以明確地看出受損部位和受損程度。

圖6 脈沖X射線源檢測成像效果Fig.6 Imaging effect of pulsed X-ray source

3 結 論

利用脈沖X射線源和IP板的組合技術可對26/35 kV電力電纜外部以及內部受到的損傷進行檢測和診斷，可以了解26/35 kV電力電纜受到的損傷程度。得到了在進行脈沖X射線源和IP板對受損26/35 kV電力電纜進行射線透照時推薦的基本參數：焦距為850～1 200 mm，脈沖個數為50～80，透照焦距和脈沖個數應根據不同的脈沖X射線機的電壓和實際情況進行相應調整，以達到最好的效果。

脈沖X射線機在發射X射線時的輻射劑量較小，僅為連續X射線源的1/(6.4×106)，脈沖X射線機的側面的射線強度遠遠小于正面，而位于X射線后面的射線強度為0，并且輻射劑量隨著距離的增大而減小，當距離為10 m時位于射線機側方的X射線強度為0，所以建議操作人員在進行脈沖X射線檢測時站在脈沖X射線機的正后方10 m以外的位置。

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Research on small X-ray inspection equipment for cables

LIU Ronghai1, MA Pengfei2,3, SHI Tengfei2,3, YANG Yingchun1, ZHENG Xin1

(1.Electric Science Research Institute, Yunnan Electric Power Grid Corporation, Kunming, Yunnan 650217, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China;3.Graduate Workstation， North China Electric Power University & Yunnan Electric Power Grid Corporation, Kunming, Yunnan 650217,China)

In order to solve the problem of low efficiency of traditional X-ray detection equipments, the paper puts forward a method to detect the power cable with a miniaturized X-ray detection equipment. In order to verify the feasibility of this method, the radiation dose of a small X-ray machine is studied, and the X-ray transmission capability and imaging quality of the cable are carried out by using the combination of small X-ray machine and IP board, and the simulated damaged cable is irradiated by a miniaturized X-ray detection device. It is concluded that the radiation dose of small pulsed X-ray detection equipment is relatively small, and it's imaging effect is ideal, so it can be used to improve the working efficiency in the appropriate field.

transmission and distribution engineering； X-ray; pulse; miniaturization; cable detection

1008-1534(2016)05-0379-06

2016-04-17;

2016-06-28；責任編輯：李 穆

云南電網有限責任公司電力科學研究院重點項目(K-NY15069)

劉榮海(1984—)，男，云南楚雄人，工程師，碩士，主要從事電力設備X射線檢測方面的研究。

E-mail:lrh19842004@163.com

TM595

A

10.7535/hbgykj.2016yx05004