渦流檢測(cè)高壓電纜附件鉛封缺陷的試驗(yàn)研究

蒲英俊，劉廣興，李正利，劉 文，付天孟

（1.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

在金屬護(hù)套電纜中間接頭和終端頭的密封方法中，封鉛是電纜附件安裝中常用的密封方式。雖然封鉛的工藝較復(fù)雜，但由于其密封性能可靠，又有良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐老化性能，因此仍被廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前高壓電纜線路的故障原因比例變化較大。電纜附件已經(jīng)成為電纜線路中最薄弱的環(huán)節(jié)，大部分電纜附件的故障是由于產(chǎn)品質(zhì)量和施工安裝不當(dāng)造成的［1-2］。另外，在對(duì)鉛封進(jìn)行人工檢測(cè)時(shí)，需要將鉛封的熱縮套和防水帶取下，操作困難，效率低下。因此，有必要采用可靠、方便的檢測(cè)方法對(duì)電纜鉛封狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)，以保證鉛封的質(zhì)量和檢測(cè)效率。

近些年無損檢測(cè)新技術(shù)逐步被推廣應(yīng)用到電網(wǎng)設(shè)備質(zhì)量檢測(cè)［3-4］。目前，在不拆除外部絕緣情況下對(duì)高壓電纜附件鉛封檢測(cè)的方法主要有回路電阻測(cè)試、X 射線檢測(cè)和渦流檢測(cè)。回路電阻測(cè)試和X 射線檢測(cè)均存在無法完整有效檢出鉛封開裂的問題，而渦流檢測(cè)技術(shù)具有不受檢測(cè)位置影響、操作不觸碰被檢測(cè)部件、檢測(cè)效率高的特點(diǎn)［2］，因此近年來針對(duì)渦流檢測(cè)高壓電纜附件鉛封的技術(shù)研究越來越受到關(guān)注。不過目前針對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究多停留在內(nèi)部試驗(yàn)或技術(shù)壁壘階段，缺少公開的最小缺陷檢測(cè)靈敏度試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)，成套的可行性理論分析以及可參照?qǐng)?zhí)行的檢測(cè)工藝。不利于高壓電纜附件鉛封缺陷渦流檢測(cè)技術(shù)的有效推廣和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)指導(dǎo)。

分析了高壓電纜附件鉛封常見結(jié)構(gòu)、缺陷及渦流檢測(cè)原理，通過制作鉛封模擬缺陷，調(diào)試鉛封渦流檢測(cè)探頭、儀器參數(shù)，檢測(cè)采集、評(píng)價(jià)有缺陷和無缺陷位置渦流圖譜，形成依靠常用渦流檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)高壓電纜附件鉛封表面開裂缺陷的可行性結(jié)論。并通過檢測(cè)過程完善了高壓電纜附件鉛封渦流檢測(cè)的工藝參數(shù)。

1 高壓電纜附件鉛封常見結(jié)構(gòu)及缺陷

1.1 鉛封常見結(jié)構(gòu)

鉛封是指用鉛錫等合金材料封堵尾管端部與金屬套之間的縫隙，封堵后的成型結(jié)構(gòu)。搪鉛是指鉛封的工藝。高壓電纜鉛封用來使附件的銅殼或尾管與電纜鋁護(hù)套電氣連接，同時(shí)起到密封防水作用。結(jié)構(gòu)如圖1 所示，鉛封制作時(shí)，首先在高壓電纜鋁護(hù)套和尾管或中間接頭銅殼間高溫搪鉛一層圓弧狀的鉛，再在鉛表面緊繞2～3 層防水包帶，之后熱縮一層護(hù)套。包帶和熱縮套的厚度在5 mm 左右。

圖1 高壓電纜終端尾管鉛封結(jié)構(gòu)

1.2 鉛封常見的缺陷

事故現(xiàn)場(chǎng)收集的典型鉛封缺陷包括表面刀痕狀劃傷、徑向開裂變形、內(nèi)部層疊和砂眼。表面刀痕狀劃傷和內(nèi)部層疊、砂眼主要來自鉛封加工工藝執(zhí)行不到位。而徑向開裂不僅受加工工藝影響，還受運(yùn)行中受力、振動(dòng)等因素影響，造成鉛封開裂、孔洞、變形等缺陷，容易造成附件受潮或電氣連接不良，絕緣程度降低，引起高壓電纜線路跳閘甚至擊穿事故，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

2 渦流檢測(cè)理論分析

2.1 基本原理

渦流檢測(cè)是一種基于電磁感應(yīng)原理的無損檢測(cè)方法，適用于導(dǎo)電材料。將帶有交變電流激勵(lì)信號(hào)的檢測(cè)線圈靠近導(dǎo)體材料，由激勵(lì)線圈磁場(chǎng)作用，在導(dǎo)體材料表面產(chǎn)生電渦流，同時(shí)電渦流也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。渦流伴生的感應(yīng)磁場(chǎng)會(huì)與原磁場(chǎng)疊加，使得檢測(cè)線圈的復(fù)阻抗發(fā)生改變，即在這個(gè)磁場(chǎng)的作用下，檢測(cè)線圈中電流大小和相位都將發(fā)生變化。這些變化與被測(cè)體電磁特性、幾何尺寸、感應(yīng)渦流強(qiáng)度、激勵(lì)電流參數(shù)及探測(cè)線圈與被測(cè)體之間的距離有關(guān)［5］。因此在檢測(cè)參數(shù)和被測(cè)導(dǎo)體電磁特性參數(shù)及檢測(cè)距離不變的情況下，可用探測(cè)線圈阻抗和電壓及周圍磁場(chǎng)的變化來反映被測(cè)體的信息，實(shí)現(xiàn)被測(cè)體表面缺陷的檢測(cè)［6-7］。如圖2 所示，無缺陷時(shí)阻抗均勻變化渦流信號(hào)圖譜會(huì)單一顯示，有缺陷時(shí)阻抗變化差異大進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致渦流信號(hào)圖譜幅值、相位發(fā)生明顯變化形成“8”字回線顯示渦流檢測(cè)是一種無填充耦合、非接觸式的檢測(cè)方式。

圖2 渦流檢測(cè)基本原理

2.2 等效電路分析

按圖3 中電流假定方向，根據(jù)基爾霍夫電壓平衡方程式，可得回路復(fù)數(shù)電壓方程為

用交流電路分析方法，解式（1）和式（2）得檢測(cè)線圈等效阻抗方程為

式中：R1和R2分別為線圈和工件中的電阻；分別為線圈和工件中的交變電流復(fù)數(shù)值和Z1分別為線圈輸入電壓復(fù)數(shù)值和等效阻抗值；L1和L2分別為線圈和工件的電感；M 為線圈與工件互感系數(shù)；ω 為電流頻率；j 為虛數(shù)的單位［5］。可以看出，通過檢測(cè)線圈（放置式探頭）阻抗的變化能夠推斷次級(jí)線圈（被檢工件）的阻抗是否發(fā)生變化。

圖3 檢測(cè)線圈與被檢工件等效電路

2.3 提離效應(yīng)

提離效應(yīng)指的是應(yīng)用點(diǎn)式放置式線圈檢測(cè)時(shí)，線圈與工件間的距離變化引起的檢測(cè)線圈阻抗變化效應(yīng)［6-7］。在檢測(cè)提離發(fā)生變化時(shí)，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)到達(dá)檢測(cè)線圈處的大小也會(huì)隨提離而改變。提離值越大，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)衰減也就越大，因而檢測(cè)到的磁場(chǎng)值也就越小，反之亦然。

鉛封材質(zhì)為非鐵磁性材料，檢測(cè)信號(hào)波幅的變化隨著提離距離的變化增大而增大。由于鉛板上感應(yīng)渦流流向與激勵(lì)電流流向相反，兩者在檢測(cè)線圈處感應(yīng)磁場(chǎng)方向也相反并疊加。當(dāng)提離距離變化增大時(shí)，激勵(lì)磁場(chǎng)與渦流感應(yīng)磁場(chǎng)相互疊加的差值變化也會(huì)變大。在檢測(cè)線圈上感應(yīng)的信號(hào)也會(huì)發(fā)生增強(qiáng)和減弱的明顯變化。

可見，提離的變化會(huì)對(duì)渦流檢測(cè)結(jié)果有很大的影響。而且當(dāng)檢測(cè)線圈為圓柱形激勵(lì)線圈，被測(cè)試件為非鐵磁性材料時(shí)，提離越大感應(yīng)信號(hào)的幅值最大值也就越大，可檢靈敏度越高［8］。

2.4 適用分析

開展渦流技術(shù)在鉛封表面質(zhì)量檢測(cè)的應(yīng)用首先要滿足渦流檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用原理，掌握可靠的檢測(cè)參數(shù)、被測(cè)導(dǎo)體電磁特性參數(shù)和相對(duì)一致的檢測(cè)距離。

檢測(cè)參數(shù)即檢測(cè)探頭和檢測(cè)儀器參數(shù)，如檢測(cè)線圈材質(zhì)、繞制層數(shù)和匝數(shù)、直徑、激勵(lì)電流、頻率等物理值，可調(diào)試設(shè)定后作固定值看待。被檢測(cè)導(dǎo)體電磁參數(shù)與材質(zhì)組成、冶煉和加工工藝有關(guān)，由于鉛封加工工藝、金屬混合比例統(tǒng)一［9］，被測(cè)體的導(dǎo)電率、磁導(dǎo)率測(cè)量后也可作固定值看待。檢測(cè)距離可看作提離高度，但提離高度在自由空間檢測(cè)時(shí)較難固定，探頭傾斜、表面粗糙不均或凹凸不平，均會(huì)產(chǎn)生不小的提離噪聲［10］。帶有熱縮套的鉛封，外部絕緣厚度統(tǒng)一均勻，檢測(cè)時(shí)可直接將探頭放置在絕緣表面上，水平滑動(dòng)探頭，保證最小噪聲。幾何尺寸在光滑無缺陷無邊界的被測(cè)鉛封表面可看作固定值，而鉛封存在缺陷時(shí)可看作非線性幾何變化。

典型鉛封缺陷位置分布可分為兩類：一類是表面和近表面缺陷，如表面刀痕狀劃傷、開裂；一類是埋藏缺陷，如內(nèi)部層疊、砂眼。常規(guī)渦流檢測(cè)具有不接觸、檢測(cè)快、靈敏度高等技術(shù)特點(diǎn)，理論上可以應(yīng)用在不拆除鉛封包帶和熱縮護(hù)套情況下的表面檢測(cè)。但渦流檢測(cè)也具有一定的局限性比如較難檢測(cè)出導(dǎo)體材料埋藏缺陷［11］。

為了檢驗(yàn)渦流檢測(cè)高壓電纜附件鉛封缺陷的實(shí)際效果，在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)開展鉛封典型缺陷檢測(cè)模擬試驗(yàn)工作。

3 檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)

針對(duì)不拆除鉛封包帶和熱縮護(hù)套情況下的檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)采用了保證提離高度5 mm 的專用放置式渦流檢測(cè)探頭，探頭基本結(jié)構(gòu)為圓柱形激勵(lì)線圈，直徑10 mm，設(shè)計(jì)電流2A，頻率范圍為1～100 kHz，檢測(cè)設(shè)備采用常規(guī)的EEC39-RFT 渦流檢測(cè)儀。檢測(cè)系統(tǒng)如圖4 所示，包括探頭、信號(hào)發(fā)射與處理器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

3.2 典型缺陷試樣制作

鉛封缺陷主要由安裝加工和運(yùn)行環(huán)境引起，其中危害最大的缺陷為頂部開裂缺陷。參考鉛封常見缺陷深度和帶護(hù)套兩方面因素，按高壓電纜終端接頭標(biāo)準(zhǔn)搪鉛工藝制作4 件缺陷試樣。

圖4 渦流檢測(cè)系統(tǒng)

試樣Ⅰ：表面裂縫寬度1 mm，長度為30 mm，深度為1 mm 的缺陷，并對(duì)試樣進(jìn)行防水包帶和熱縮護(hù)套處理，整個(gè)絕緣厚度在5 mm。

試樣Ⅱ：表面裂縫寬度1 mm，長度為30 mm，深度為3 mm 的缺陷，并對(duì)試樣進(jìn)行防水包帶和熱縮護(hù)套處理，整個(gè)絕緣厚度在5 mm。

試樣Ⅲ：表面裂縫寬度1 mm，長度為30 mm，深度貫穿至鋁護(hù)套的缺陷，并對(duì)試樣進(jìn)行防水包帶和熱縮護(hù)套處理，整個(gè)絕緣厚度在5 mm。

試樣Ⅳ：施工現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)截取的存在內(nèi)部分層和砂眼缺陷，缺陷大小、深度隨機(jī)，并對(duì)試樣進(jìn)行防水包帶和熱縮護(hù)套處理，整個(gè)絕緣厚度為5 mm。

3.3 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)人員首先對(duì)試樣的電阻率進(jìn)行了測(cè)試。然后根據(jù)5 mm 絕緣提離高度、試樣電阻率數(shù)值及探頭頻率設(shè)計(jì)范圍，在試樣Ⅰ無缺陷位置依次用10～100 kHz 的主檢頻率檢測(cè)采集不同頻率下的晃動(dòng)信號(hào)（也稱本底噪聲信號(hào)）幅值和相位數(shù)據(jù)。以同樣的方法對(duì)試樣存在缺陷的位置進(jìn)行不同頻率的檢測(cè)，并繪制幅值、相位與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，如圖5 所示。

由圖5（a）可以看出，在25 kHz 附近有缺陷與無缺陷位置幅值差值最大，信號(hào)與噪聲比最大，信號(hào)圖差異明顯，易于分辨，如圖6 所示。同樣，由圖5（b）可見在25 kHz 附近相位角的差值也相對(duì)較大。試驗(yàn)人員根據(jù)信噪比優(yōu)先，易于視覺辨別的原則選擇了25 kHz 作為最佳主檢頻率。

在選擇好主檢頻率的同時(shí)，為了進(jìn)一步進(jìn)行圖像有無缺陷的信號(hào)差異辨別，試驗(yàn)人員適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)了圖像X、Y 軸增益比。為了減少低頻信號(hào)的干擾而又不影響檢測(cè)靈敏度，試驗(yàn)人員開啟了高通濾波功能。具體試驗(yàn)工藝參數(shù)如表1 所示。

圖5 試樣Ⅰ主檢頻率選擇

圖6 試樣Ⅰ25 kHz 主檢頻率檢測(cè)結(jié)果

表1 試樣及儀器工藝參數(shù)

在得到試樣Ⅰ的可行性檢測(cè)工藝參數(shù)后，采用同樣的檢測(cè)工藝參數(shù)驗(yàn)證試樣Ⅳ檢測(cè)可行性，未檢測(cè)出試樣Ⅳ內(nèi)部缺陷。同樣，根據(jù)試樣Ⅰ缺陷做檢測(cè)靈敏度工藝參數(shù)，檢測(cè)驗(yàn)證缺陷深度更大的試樣Ⅱ、試樣Ⅲ缺陷，能夠檢測(cè)出對(duì)應(yīng)試樣缺陷情況，并且數(shù)據(jù)顯示開裂的越深渦流信號(hào)波幅差異越明顯，即隨著開裂深寬比的變大，渦流檢測(cè)鉛封開裂的效果就越好，如圖7 所示。每一個(gè)試樣接頭鉛封均可在5 min內(nèi)完成檢測(cè)。

圖7 25 kHz 主檢頻率試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ缺陷幅值

3.4 應(yīng)用試驗(yàn)

為驗(yàn)證渦流檢測(cè)高壓電纜附件鉛封生產(chǎn)應(yīng)用效果，對(duì)山東電網(wǎng)某市的220 kV 高壓電纜開展試點(diǎn)應(yīng)用。

圖8 鉛封開裂缺陷渦流圖譜

對(duì)某終端接頭A 相鉛封進(jìn)行帶絕緣層檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)有明顯異常信號(hào)顯示，如圖8 所示。剝開該鉛封熱縮套進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)存在明顯的環(huán)形開裂，如圖9 所示。檢修人員對(duì)缺陷進(jìn)行完整返修后，進(jìn)行相同方式檢測(cè)，檢測(cè)顯示信號(hào)未見異常。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)開裂

4 結(jié)語

應(yīng)用常用渦流檢測(cè)設(shè)備選擇合理檢測(cè)參數(shù)可采集到雜波少、曲線清晰，有無缺陷情況下信號(hào)幅值、相位差異明顯的圖譜，驗(yàn)證了不拆除外部絕緣條件下的高壓電纜附件鉛封表面開裂缺陷渦流檢測(cè)可行性。

渦流檢測(cè)鉛封試樣不受檢測(cè)位置影響，檢測(cè)一個(gè)鉛封接頭可在5 min 內(nèi)完成，檢測(cè)速度快。現(xiàn)有儀器可檢測(cè)寬度不低于1 mm、深度不低于1 mm、長度不低于30 mm 的模擬缺陷，檢測(cè)精度高。

鉛封開裂深寬比越大，渦流信號(hào)差異越明顯，越易于識(shí)別分辨。渦流檢測(cè)圖譜可實(shí)時(shí)顯示和長期保存用于后續(xù)分析評(píng)價(jià)。

試驗(yàn)分析和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證表明，相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)高壓電纜附件鉛封缺陷的渦流檢測(cè)，提供了公開有效的工藝參考。