高壓電纜阻水緩沖層燒蝕缺陷的射線檢測工藝參數研究

劉維可， 謝 億， 劉三偉， 段肖力， 曹先慧，黃福勇， 馮 超， 吳堂清

（1.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2.湘潭大學材料科學與工程學院，湖南湘潭411105）

0 引 言

高壓電纜相比于架空線具有占地少、送電可靠、不受外界環境影響、地下敷設對人身安全可靠等優點。高壓電纜在我國已經使用了30多年，最初全部使用進口產品，目前為止66～500 kV電力電纜基本實現國產化，每年有超過一萬公里的高壓電纜埋設于地下。從近十幾年高壓電纜本體事故案例解剖發現，大量出現阻水緩沖層燒蝕現象，甚至引發電纜本體擊穿。2001～2020年，中國國家電網發現高壓電纜緩沖層燒蝕故障和缺陷40次，其中故障31次，線路切改時發現緩沖層燒蝕缺陷9次。該缺陷是在電纜運行時產生的，引發的故障多、危害大，是影響電網安全穩定運行的重大隱患，并長期困擾電纜行業。因此，開展對高壓電纜阻水緩沖層缺陷的定期檢測顯得尤為重要［1-2］。

現有的高壓電纜在線監測手段難以有效檢出此類缺陷，高壓電纜阻水緩沖層缺陷以往只能通過停電切接發現，缺乏有效的無損檢測手段。本文針對阻水緩沖層燒蝕缺陷的射線檢測工藝開展了研究，研究結果表明，該技術可在不拆解和破壞高壓電纜的情況下實施檢測，并給出了現場檢測的兩次檢測夾角角度范圍，以及焦距、管電壓、曝光量（管電流和時間）的推薦射線參數，為現場檢測提供了技術規范參考，為制定標準提供了依據。

1 高壓電纜射線檢測工藝試驗方案

高壓電纜的結構如圖1所示，包括銅導體、交聯聚乙烯（XLPE）絕緣層、聚酯纖維非織造布阻水緩沖層、皺紋鋁護套等，其密度如表1所示。射線檢測是利用不同物體對射線的吸收率不同的特性來實現的。不同物體之間密度差距越大，相鄰位置的明暗區別就越明顯，理論上密度偏差超過1.5%時即可用射線檢測區分。電纜密度［3］從交聯聚乙烯的0.93 g／cm3到銅的 8.89 g／cm3，且緩沖層缺陷密度為3.50～3.90 g／cm3，各層密度與射線吸收系數相差很大，因此理論上缺陷可以檢出。

圖1 高壓電纜端面結構示意圖

一方面對高壓電纜進行射線檢測時，由于銅導體密度遠大于緩沖層缺陷的密度，若X射線在穿過缺陷時，又穿過銅芯，則缺陷無法檢出。因此單次射線檢測無法保證將電纜缺陷檢出，需要理論分析和試驗驗證第二次射線檢測與初次射線檢測的夾角角度，以確保兩次射線檢測能檢出缺陷電纜。

表1 高壓電纜各層密度及緩沖層缺陷密度

另一方面，檢測時X射線儀的參數焦距F、管電壓U、管電流I、時間T對X射線數字圖像質量有重要影響［4］。為快速而準確地分析各個參數對X射線圖像的影響程度，得到最佳的成像條件，采用正交試驗法對其進行了多組試驗以得到最佳射線參數。

因此本文一方面采用正交試驗法研究確定了X射線機焦距F、管電壓U、管電流I、時間T等射線參數，另一方面通過理論分析和試驗驗證確定了兩次射線檢測的夾角角度，從而確保了缺陷的檢出。

試驗選用某公司生產的便攜式X射線儀，管電壓調節范圍為10～225 kV，有效焦點尺寸為3 mm，平板探測器A／D轉換位數為14 bit，試驗裝置見圖2，帶阻水緩沖層缺陷的電纜本體（無外護套）見圖3。

圖2 試驗裝置

圖3 帶阻水緩沖層缺陷的電纜本體（無外護套）

2 X射線機射線參數

2.1 焦距

依據 NB／T 47013.2—2015 標準要求［5］，對于AB級射線檢測技術，透照時射線源至平板的焦距應滿足式（1）的要求：

式中：F為焦距（mm）；ds為射線機的焦點直徑或當量直徑（mm）；b為被檢電纜的半徑（mm）。

試樣的電纜型號為 ZC-YJLW03-Z-64／110-1×630 mm2，其電纜半徑b為48 mm，焦點直徑ds為3 mm，計算得：透照焦距F應大于495 mm。因此，實驗室內的焦距可以選擇在500 mm及以上。在具體的試驗中，透照焦距取 500 mm、750 mm和1 000 mm進行比較。取管電壓為60 kV，管電流為0.5 mA，曝光時間為15 s進行射線檢測，得到透照圖如圖4所示，箭頭所指即為白色缺陷影像。3種焦距條件下均能檢測出電纜緩沖層缺陷，750 mm焦距的圖像清晰度更好。

圖4 不同焦距條件下電纜的射線透照圖

2.2 管電壓

在射線檢測工作中，正確選擇X射線儀的管電壓十分關鍵，它直接決定X射線的透照能力。射線檢測的靈敏度主要取決于工件對比度和成像板的靈敏度。其中成像板的靈敏度是由檢測系統自身決定且不易改變，工件對比度是射線通過工件兩個不同區域后射線強度的比率，主要是由材料的吸收系數、缺陷深度及管電壓決定，在以上三個因素中，材料吸收系數、缺陷深度都不可變，僅管電壓可改變。

取固定焦距為750 mm，管電流為0.5 mA，曝光時間為15 s。調節管電壓從40～90 kV進行射線檢測，其中50 kV、70 kV和90 kV的透照圖如圖5所示，由圖5可見70 kV管電壓條件下的圖像清晰度更好。

圖5 不同管電壓條件下電纜的射線透照圖

2.3 曝光時間

曝光量是X射線源發出射線的管電流I與透照時間T的乘積。曝光量是X射線透照檢測的一個重要參數，它直接影響圖像的黑度，兩者在一定范圍內呈線性關系。通過調節曝光量可以調整圖像的質量。同時，曝光量還影響著圖像的對比度、顆粒度、信噪比及靈敏度。通過調整曝光時間可以改變曝光量。

取固定焦距為750 mm，管電壓為70 kV，管電流為0.5 mA。調節曝光時間從5～25 s進行射線檢測，其中5 s、15 s和25 s的透照圖如圖6所示，可見15 s曝光時間下的圖像清晰度更好。

圖6 不同曝光量（曝光時間）下電纜的射線透照圖

2.4 管電流

管電流是X射線儀陰極加熱絲的電流，電流越大產生的電子越多，打到陽極靶的電子也越多，曝光量就越大。因此調節管電流可改變曝光量。

取固定焦距為750 mm，管電壓為70 kV，曝光時間15 s。調節管電流從0.5～0.9 mA進行射線檢測。其中0.5 mA、0.7 mA和0.9 mA的透照圖如圖7所示，3種管電流條件下均能檢測出電纜緩沖層缺陷，區別不大。

圖7 不同曝光量（管電流）條件下電纜的射線透照圖

2.5 X射線儀射線參數選擇建議

基于以上的試驗結果和實際檢測情況，對于高壓電纜的射線檢測，可以按照以下幾點進行射線參數選擇。

（1）由于電纜管廊空間較大，可在檢測時適當加大透照焦距，而電纜溝井等空間狹小，檢測時可減少透照焦距，因此透照焦距可以在500～1 000 mm之間選擇。

（2）在保證曝光量的前提下，現場透照宜選擇較低的管電壓。

（3）在滿足圖像質量、檢測速率和檢測效率的前提下，現場透照宜選擇較低的曝光量。

（4）對于試樣電纜，根據現場的工況，推薦如下的透照參數：1）焦距500 mm，管電壓60 kV，曝光量為 15 s×0.5 mA；2）焦距 750 mm，管電壓 70 kV，曝光量為 15 s×0.5 mA；3）焦距 1 000 mm，管電壓80 kV，曝光量為 15 s×0.5 mA。

3 兩次射線檢測夾角研究

由于檢測缺陷所用的管電壓較低，無法穿透銅芯，若高壓電纜阻水緩沖層缺陷部位在X射線穿過銅芯區域，則缺陷無法檢出，其余部位缺陷可檢出，見圖8和圖9。也就是說，如果只進行一次射線檢測，則可能出現缺陷電纜漏檢。因此需要對電纜進行第二次射線檢測，與初次射線檢測呈一定夾角，以保證兩次檢測的范圍覆蓋到整個可能存在缺陷的阻水緩沖層。

圖10、圖11分別為兩次射線檢測的最小、最大夾角示意圖。圖中直線為X射線；小圓為電纜導體，半徑為d；大圓為阻水緩沖層，半徑為D；Af，Ab分別代表單次照射無法檢測區段；α1代表兩次射線檢測最小夾角，α2代表兩次射線檢測最大夾角。由相切易知：

圖8 高壓電纜射線檢測缺陷可檢出部位示意圖

圖9 高壓電纜射線檢測缺陷不可檢出部位示意圖

試樣電纜銅導體半徑d為14.95 mm，阻水緩沖層最內層半徑D為33.8 mm，計算得α1為52.5°，α2為127.5°，也就是說理論上兩次射線檢測的夾角在52.5°～127.5°范圍就可檢出缺陷。試驗論證了當初次檢測缺陷在0°時，第二次檢測與初次檢測呈60°和120°夾角時都可檢出缺陷，如圖12中白色缺陷影像所示。

圖10 兩次射線檢測最小夾角示意圖

圖11 兩次射線檢測最大夾角示意圖

4 結束語

本文通過理論分析和試驗研究了高壓電纜阻水緩沖層缺陷的射線檢測工藝參數。一方面，通過正交試驗研究，給出了X射線儀各射線參數選擇建議，推薦焦距取500～1 000 mm，管電壓60～80 kV，曝光量取0.5 mA×15 s。另一方面，研究了兩次檢測夾角對缺陷檢出的影響，給出了夾角范圍為2×arcsin（d／D）至 180°-2×arcsin（d／D），并通過了試驗驗證。在本文推薦的工藝參數下，可規范高效地檢出電纜本體阻水緩沖層燒蝕缺陷，建議加快該工藝參數的規范化標準制定，保障電網的安全穩定運行。

圖12 不同射線檢測夾角下的電纜的射線透照圖