电缆X射线检测设备小型化研究

刘荣海，马朋飞，史腾飞，杨迎春，郑 欣

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明 650217；2.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003； 3. 华北电力大学云南电网有限责任公司研究生工作站，云南昆明650217)



电缆X射线检测设备小型化研究

刘荣海1，马朋飞2,3，史腾飞2,3，杨迎春1，郑 欣1

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明 650217；2.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003； 3. 华北电力大学云南电网有限责任公司研究生工作站，云南昆明650217)

提出用一种小型化的X射线检测设备对电力电缆进行检测的方法，以解决传统X射线设备效率低下的问题。为了验证这种方法的可行性，研究了小型X射线机的辐射剂量，利用小型X射线机和IP板的组合对电缆进行了X射线透射能力和成像质量的试验，并利用小型化X射线检测设备对被模拟破坏的电缆进行透照试验。结果表明：小型化脉冲X射线检测设备辐射剂量比较小，成像效果比较理想，可以在适当的现场用其提高工作效率。

输配电工程；X射线；脉冲；小型化；电缆检测

刘荣海，马朋飞，史腾飞，等.电缆X射线检测设备小型化研究[J].河北工业科技,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.

电缆被应用于电力传输已经有上百年的历史了，随着经济建设的不断发展，电缆在不同部门、不同领域得到了越来越广泛的应用[1-3]。但是近年来由于地下电缆密布而且地上的电缆标识物不够明确等原因，导致在施工过程中电缆被损坏的事件时常发生,造成了巨大损失。因此， 当电缆被损坏时需要及时查明其损坏的程度，以便工作人员设计维修方案和处理办法，减少电缆损坏带来的损失。

传统的电缆故障检测方法有测量电阻电桥法、低压脉冲反射法、脉冲电压取样法、脉冲电流取样法和二次脉冲法等[1-3]；电缆故障的定点方法有声测法、声磁同步法、音频感应法等[4-7]。但是这些方法仅仅找出电缆故障的位置和类型，不能清楚显示电缆受损程度。近年来，由于X射线无损检测技术的发展，利用X射线对故障设备进行检测可以清楚地查明设备的故障原因。所以利用X射线进行设备的故障检测越来越受到人们的重视[8-11]。

云南电网有限责任公司从2009年就在电网设备的检测中，针对不同被检测设备的焦距、管电压的选择等开始进行X射线数字成像技术的应用及系统研发工作。由于电缆一般位于地下，检修空间狭小，适宜选择小型的检测设备对电缆进行检测，所以本文选择脉冲X射线机和胶片相结合的技术对电缆进行检测试验。首先检测了XRS-3脉冲X射线机的辐射剂量，结合胶片对普通电缆进行了X射线照射，验证了脉冲X射线机发出的射线对电缆具有透射成像能力，并得到脉冲X射线机对电缆透照比较理想时的参数，比如焦距、管电压、管电流等。之后在实验室对普通电缆进行了模拟破坏，并利用之前得到的参数对模拟破坏后的电缆进行了X射线透照，得到并分析了X射线的电缆透照图片，验证了脉冲X射线加胶片技术对电缆的缺陷进行检测的能力和可行性。

1 小型化X射线检测系统

X射线的发现至今已逾百年，其在医药、航天、机械等行业已得到广泛应用。该技术目前的代表方向为直接数字成像，具体分为电脑直接成像技术(CR)和数字平板直接成像技术(DR)[12]。本研究对象为在施工过程中被破坏的地下电缆，电缆周围的可操作空间狭小，所以笔者选用可于狭小空间进行检测的CR成像技术。

1.1 X射线数字成像技术原理

X射线在穿透物体过程中会与物质发生相互作用，因吸收和散射而使其强度减弱[13],如果被照射物体的局部存在厚度差，则该局部区域透过射线强度就会与周围产生差异[14-15]。这种射线强度差异照射在胶片或者成像板上，在底片上的相应部位就会产生黑度差异[16]，最后在成像板上成像。

1.2 X射线检测系统组成

利用云南电力科学研究院开发研制的基于X射线的电力设备CR成像系统对电缆进行检测，该系统由Golden Electric XRS-3 脉冲X射线机、IP板、电脑、附件等组成。IP板将含有微量元素铕的氟溴化钡结晶体涂在支持体表面，当X射线穿过物体后，穿透的射线能量不够均匀，导致IP板感光并且形成潜影，这就是IP板成像的原理。

本文选用的Golden Electric XRS-3 脉冲X射线机，实物图如图1所示，其参数如表1所示，该设备的突出优点有：1)质量轻，只有5.4 kg; 2)使用充电电池，每块电池可连续工作2 h，脉冲X射线机由脉冲功率驱动源、螺旋高压发射器、冷阴极闪光X射线管及铅酸电池电源构成。其工作原理是，脉冲功率驱动源在控制信号的控制下产生直流高压，为螺旋型高压发生器充电，螺旋型高压发生器产生的高压脉冲加在冷阴极闪光X射线管的阳极与阴极之间，使其产生脉冲X射线[17]。

图1 XRS-3脉冲X射线机Fig.1 XRS-3 pulse X ray machine

表1 XRS-3脉冲X射线机基本参数

2 实验测试及数据分析

电缆出现故障的情况大致可以分为2种：1)施工过程中由于施工人员粗心大意导致电缆被破坏；2)电缆由于老化等原因在运行过程中出现故障。本文所设计的小型化X射线检测设备主要针对第1种情况进行检测。由于施工人员没有注意到安全标识，导致在挖掘机工作或者工人铲土等过程中造成地下电缆被损坏。由于这时地下电缆周围的土已经被施工方挖开，所以检测时可以在被损坏的地下电缆周围进行简单的处理，以提供布置检测仪器的空间。

2.1 XRS-3脉冲源与连续发射源的辐射剂量比较

连续射线照射源照射电缆，最小辐射量的透照参数为80 kV，2 mA，4 s；脉冲射线源透照参数为270 kV，0.25 mA，3×10-7s，按照文献[18]中的公式可以得到射线人员单位时间内接收的射线剂量为

(1)

式中：u为管电压；i为管电流；m为被照射人的质量；S为被照射人的受照面积；R为射线人员与射线源之间的距离；B为积累因子；μ为光子在物质中的线衰减系数；d为屏蔽层厚度；e为自然对数的底。在同样作业半径R处，将脉冲射线源透照参数和连续射线元透照参数代入式(1)得到电缆单次脉冲射线源透照的辐射剂量为

(2)

单次连续射线源透照的辐射剂量为

(3)

由式(2)和式(3)可知电缆单次脉冲射线源透照的辐射剂量仅为连续射线源的1/(6.4×106)。

2.2 脉冲X射线机辐射剂量的测量

为验证脉冲X射线机的辐射剂量，笔者在实验室利用Golden Electric XRS-3 脉冲X射线机和辐射测量仪进行了实际测量。在以脉冲X射线机为圆心,半径为r的圆上每隔90°分别选取a,b,c,d 4个点，在这4个点放置辐射测量仪，测量脉冲X射线机工作时4个点的辐射剂量。试验过程如图2所示。

图2 脉冲X射线机辐射剂量测量 Fig.2 Radiation dose measurement of pulsed X ray machine

测量结果如表2所示。由图中的数据可以看出，在脉冲X射线机发出的X射线主要位于X射线机的正前方。在X射线机的侧方和后方，X射线剂量率远远小于正前方，并且随着距离的增加，X射线强度逐渐减小，当距离X射线机10m时，在X射线机的侧方和后方已经检测不到X射线的强度，但是正前方的X射线强度依然比较强。

2.3 脉冲X射线源脉冲数的选取

不同电压等级、不同脉冲时间时，脉冲机的脉冲数n的选择(推荐焦距800～1 300 mm)应满足nut≥50×270×5×10-8=6.75×10-4(kV·s)，其中:u为脉冲射线机的管电压;t为单个脉冲持续时间。本试验中脉冲X射线机的脉冲个数应大于50。

表2 XRS-3脉冲X射线机剂量测量结果

2.4 试验

2.4.1 透照能力验证

为了验证脉冲X射线机对中低压型号电力电缆的透照能力，利用Golden Electric XRS-3 脉冲X射线机和IP板对3～35 kV的电缆进行了透照能力的检验，其中对10 kV的电缆照射试验按照表3所示的参数进行，现场试验图和X射线成像图见图3。

表3 透照能力试验X射线参数

图3 2种X射线源对10 kV电力电缆照射试验图Fig.3 Experiment of two kinds of X radio source on 10 kV power cable

从图3中可以看出利用连续X射线源和脉冲X射线源对电力电缆进行透照试验，透照的效果都比较理想，但是由于实际工况下，电力电缆都位于狭小的地方，连续X射线源的机体过于笨重，不适合在狭小的地方对电力电缆进行透照检测。而脉冲X射线源机体轻巧方便，适合在狭小的空间使用。所以在实际检测电缆时应使用脉冲X射线源更加方便，本试验说明了利用脉冲X射线对电缆进行透照的可行性。

2.4.2 对破损电缆进行试验

在X射线无损检测中参数的选择至关重要[12]。在脉冲X射线试验中焦距的选择和脉冲的个数对试验的结果会有很大的影响，所以有必要对透照参数进行优化，以得到优质图像[19-22]。根据前期试验和设备基本参数设置横截面积为300 mm2的单芯26/35 kV电力电缆，进行脉冲X射线检测。检测的参数焦距为1 150 mm，脉冲个数为60，管电压为270 kV，管电流为0.25 mA。下文对电缆的透照检测均采用此参数。

试验前对电缆进行了模拟破坏，破坏主要包括利用钉子、钢锯和锄头对电缆进行不同程度的破坏，来模拟现实施工的过程中由于工人操作不当导致的地下电缆受到的损伤，比如：工人在用铁铲铲土时，由于不清楚地下有电缆而铲到电缆上造成的伤痕；工人利用挖掘机不小心碰伤电缆以及利用铁镐工作时造成的电缆损伤等。有时，由于工人所使用的工具较重，且并不锋利，可能造成电力电缆虽然外表看来只有表皮破损，但实际上电缆内部也被严重破坏，所以对表皮轻微破损的情况也进行了模拟试验，如图4所示。

图4 电缆受损情况Fig.4 Cable damage

图4 a)、图4 b)、图4 c)分别表示电缆的防护层、绝缘层和电缆芯受损情况，其中每幅图中的3个伤痕分别表示由锄头、钢锯和钉子进行的模拟破坏情况。图4 a)只是对电缆最外面的防护层进行破坏，没有破坏到绝缘层，这模拟的是施工过程中对电缆的轻度破坏；图4 b)中将防护层全部破坏并破坏了部分绝缘层，这是模拟电缆受到比较严重破坏的情况；图4 c)中防护层和绝缘层全部被破坏，电缆芯也部分被破坏，这是模拟电缆受到非常严重破坏的情况。图5为脉冲射线源检测布置图。

图5中f为检测源到被检测部件表面的距离，d为X射线源检点尺寸，b为工件表面至射线接受转换装置的距离,1为X射线源，2为平板探测器。

图6中可以清楚地看出电缆的受损情况，在图6 a)中可以清楚地看出位于电缆最外层的防护层受到损坏，但是损坏程度比较小，没有损伤到电缆的绝缘层部分；图6 b)、图6 c)都可以看出电缆的防护层被完全破坏，绝缘层也受到破坏，其中利用铁丝作为

标识物可以方便地看出受到损坏的深度；图6 d)可以看出电缆芯受到严重的损伤。从成像质量来说连续X射线源数字成像检测系统与脉冲X射线源数字成像检测系统都很理想，可以明确地看出受损部位和受损程度。

图6 脉冲X射线源检测成像效果Fig.6 Imaging effect of pulsed X-ray source

3 结 论

利用脉冲X射线源和IP板的组合技术可对26/35 kV电力电缆外部以及内部受到的损伤进行检测和诊断，可以了解26/35 kV电力电缆受到的损伤程度。得到了在进行脉冲X射线源和IP板对受损26/35 kV电力电缆进行射线透照时推荐的基本参数：焦距为850～1 200 mm，脉冲个数为50～80，透照焦距和脉冲个数应根据不同的脉冲X射线机的电压和实际情况进行相应调整，以达到最好的效果。

脉冲X射线机在发射X射线时的辐射剂量较小，仅为连续X射线源的1/(6.4×106)，脉冲X射线机的侧面的射线强度远远小于正面，而位于X射线后面的射线强度为0，并且辐射剂量随着距离的增大而减小，当距离为10 m时位于射线机侧方的X射线强度为0，所以建议操作人员在进行脉冲X射线检测时站在脉冲X射线机的正后方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；责任编辑：李 穆

云南电网有限责任公司电力科学研究院重点项目(K-NY15069)

刘荣海(1984—)，男，云南楚雄人，工程师，硕士，主要从事电力设备X射线检测方面的研究。

E-mail:lrh19842004@163.com

TM595

A

10.7535/hbgykj.2016yx05004