220 kV 电缆缓冲层烧蚀缺陷射线检测方法

冯超， 李伟， 曹先慧， 谢亿， 刘三伟， 黄蓉， 张军

(1. 国网湖南省电力有限公司电力科学研究院， 湖南 长沙410007；2. 国网湖南省电力有限公司衡阳供电公司， 湖南 衡阳421000；3. 湖南省湘电试验研究院有限公司， 湖南 长沙410004)

0 引言

高压电缆具有占地少、 对城市交通及建设影响小、 隐蔽美观等优点, 在城市输电线路中得到广泛应用[1-2]。 近年来, 电缆击穿、 烧蚀故障频发[3-7],打破了行业以往认为地下电缆具有可靠性高、 免维护等优点的认知。 多起高压电缆铝护套、 缓冲层、绝缘屏蔽层中出现大量白色粉末和烧蚀痕迹( 以下称缓冲层缺陷), 引发电缆绝缘击穿故障[8-10],甚至造成停电事故, 严重影响电力系统的供电可靠性。 因此, 快速、 有效的缺陷检测方法是电力电缆中的重要研究内容。 已有研究表明, 局部放电检测等现有电力设备常用检测技术尚无法有效检出缓冲层缺陷[11-13], 而X 射线数字成像技术[14-15]可以有效、 直观地对耐张线夹等结构内部开展缺陷检查。

本文将从缓冲层缺陷识别机理、 分辨率影响因素以及实验室检测等方面来论证缓冲层缺陷X 射线数字成像检测的可行性, 并首次开展220 kV 电缆缓冲层带电射线检测, 为高压电缆缓冲层缺陷射线检测提供参考。

1 缓冲层射线检测机理

1.1 缓冲层缺陷射线识别机理

典型的高压电缆截面如图1 所示, 从图中可以看到缓冲层介于绝缘屏蔽层与金属外护套之间。 通常的交联聚乙烯绝缘电力电缆缓冲层多采用半导电聚酯非织造布阻水布, 绕包缓冲层内填充阻水粉的形式构成缓冲阻水层。 缓冲层发挥的主要作用是在运行中缓解侧向压力对主绝缘的挤压和补偿绝缘热膨胀, 依托其半导电属性提供径向电流通道, 并起到纵向阻水的作用。

图1 典型的高压电缆截面照片

射线检测时, X 射线穿过物体会与逐层物质之间发生相互作用, 因吸收和散射, 其强度发生衰减。 强度衰减程度取决于相应物质的衰减系数(与密度有关) 和射线在物质中的穿透厚度。 缓冲层是采用聚酯纤维编织布(ρ＝1. 2 ～1. 37 g / cm3)与遇水可膨胀的聚丙烯酸酯(ρ＝0. 95 g / cm3) 复合而成。 而缓冲层烧蚀缺陷产物主要为碳酸钠或碳酸氢 钠 (ρ＝2. 532 g / cm3) 以 及 氧 化 铝 (ρ＝3. 7 g / cm3)。 由于缓冲层和与其相邻的铝护套以及外屏蔽层存在明显的密度差异, 因而经图像分析处理后, 缓冲层结构特征可以被清晰地表征出来。 而缓冲层存在缺陷, 烧蚀缺陷产物与缓冲层本体的衰减系数不一致, 成像图像上就会出现明显的黑度差异, 即为对比度。 通过对比度差异的体现, 即实现了缓冲层缺陷的识别。

1.2 成像质量影响因素

1) X 射线能量

射线检测的灵敏度主要取决于工件对比度和成像板的灵敏度。 其中成像板的灵敏度由检测系统自身决定且不易改变； 工件对比度是射线通过工件两个不同区域后射线强度的比率, 主要是由材料的吸收系数、 缺陷深度及管电压决定, 三个因素中, 材料吸收系数、 缺陷深度都不可变, 仅管电压可改变。 如果管电压过低, 射线穿透能量不够, 到达成像板的射线能量过小, 无法保证成像质量； 反之,随着管电压的升高, 衰减系数减小, 对比度降低,固有不清晰度增大, 成像灵敏度下降。 因此, 在保证穿透力的前提下, 应选择能量较低的X 射线。

2) 焦距

焦距是X 射线源到成像板之间的直线距离。焦距对X 射线检测时图像的几何不清晰度、 曝光量大小等参数的选择均有很大的影响。

焦距的大小选择首先要考虑焦距对几何不清晰度的影响。 NB / T 47013—2015 《 承压设备无损检测 第3 部分超声检测》 中, 规定了f与d、b的关系, 见表1。

表1 射线检测推荐等级表

标准规定在设备进行安装、 运行时, 一般选择AB 级标准； 对于内部结构复杂, 且内部结构相对于成像板比较大的选择B 级标准。 同时, 对于结构性缺陷检测, 检测图像几何不清晰度不宜大于2 mm。

式中,Ug为几何不清晰度, mm；d为X 射线管有效焦点尺寸, mm。

通常的实际检测中采用的焦距应大于或等于最小焦距值, 且焦距增大, 检测范围增大, 这样可以得到较大的有效检测长度, 图像清晰度也进一步提高。

3) 曝光量

曝光量是X 射线源发出的射线强度E与照射时间t的乘积, 也等于管电流i与透照时间t的乘积。 曝光量是X 射线透照检测的一个重要参数,它直接影响图像的黑度, 两者在一定范围内成线性关系。 通过调节曝光量可以调整图像的质量。 同时, 曝光量还影响着图像的对比度、 颗粒度、 信噪比及灵敏度。

2 实验室检测

2.1 缺陷射线检测

对曾发生故障的某220 kV 电缆进行射线检测,并调节管电压、 管电流、 焦距和曝光时间等检测参数来提高成像质量。 通过实验对比, 发现当管电压设置为80 kV, 管电流设置为0. 5 mA, 焦距为400 mm, 曝光时间为17 s 时, 对于220 kV 电缆射线检测能获得最佳的成像质量。 图2 为异常点射线检测成像图, 图2 (a) 为旋转电缆从不同角度透照时所检测到的电缆内部结构图, 各图中均可以观察到电缆缓冲层存在异常点, 并且从图2 (b) 中发现在铝护套底部有散落的部分缓冲层烧蚀产物。而异物从影像学上分析, 明显区别于其他几个位置的形态特征, 其分布具有高度的规律性, 呈对称分布, 衬度相较其他点更为明亮, 说明其密度更大,对X 射线的衰减系数越大, 即物质元素原子序数更大。

图2 异常点射线检测成像图

2.2 缺陷识别

对完成射线检测的故障电缆抽出其缓冲层包裹的内部结构进行宏观检查验证, 可清晰地看到缓冲层表面离散分布着大量白点, 而且正上方有白色烧蚀孔洞, 如图3 所示。

通过和射线检测图像对比可知, 缓冲层缺陷1—3分别对应异常点1—3, 且均具有缓冲层烧蚀缺陷的典型特征, 而异常点4 对应位置并未发现缓冲层缺陷, 进一步剖开铝护套检视, 该异常点为铝护套内部波谷处散落的铝屑, 确认为金属异物混入。

图3 故障电缆缓冲层外观

2.3 烧蚀产物研究分析

对靠近绝缘屏蔽层的白色缓冲层烧蚀产物采样进行化学成分分析, 发现其主要元素为Na、 C、O, 详细数据见表2。

表2 白色烧蚀产物成分分析 %

为进一步分析白色烧蚀产物的组成, 对其进行了X 射线衍射检测分析化合物的晶体结构, 实验结果如图4 所示。 白色烧蚀产物为典型的NaHCO3晶体结构, 主要谱峰均与标准卡片一一对应。

图4 白色烧蚀产物晶体结构

3 现场应用

3.1 现场检测布置

对运行中的220 kV 桂和Ⅰ回电缆进行带电X射线检测, 其布置如图5 所示。 由于电缆是三相并列排布, 检测时布机位置和检测角度受到了较大的限制。 为了尽可能提高缺陷检出率, 采用同相电缆相互垂直透照两次的方式。

图5 电缆射线检测布置

3.2 射线抽检方案

对在运220 kV 桂和Ⅰ回电缆的检测工作在南侧隧道内完成。 南侧隧道内桂和Ⅰ回电缆全长约3. 1 km, 含6 个中间接头, 以两个中间接头为一段, 共6 段, 标记为Ⅰ段、 Ⅱ段、 Ⅲ段……。 本次检测采用抽检方式, 每一处对A、 B、 C 三相检测,检测一处包含3 个检测点, 分别以0°和90°方向透射检测, 由于条件限制, 对部分检测点只拍摄一个角度。

3.3 检测结果

对在运的220 kV 桂和Ⅰ回电缆共抽检29 个点, 未发现异常点。

4 结论与建议

4.1 结论

研究电缆的射线检测机理、 成像影响因素、 检测参数, 并分析缓冲层缺陷影响特征和缺陷产物成分以及开展现场带电电缆抽检。

1) 利用X 射线在不同物质中的衰减系数不一致这一特性, 可以对电缆缓冲层烧蚀缺陷和内部结构进行无损检测。

2) 通过分析电缆缓冲层烧蚀缺陷的影像学特征和位置分布规律, 可以实现缓冲层烧蚀缺陷的精准识别, 并能够对异物和伪缺陷进行辨别。

3) 220 kV 桂和Ⅰ回电缆共完成29 点检测,未发现缺陷点或异常点。 初步判断, 被检测的桂和Ⅰ回的Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ区段电缆无缓冲层缺陷或缺陷尚处于萌生早期, 暂无法被检出。

4.2 运维建议

1) 射线检测技术可以有效检测电缆缓冲层缺陷, 建议在竣工验收、 运维巡检等阶段推广使用。

2) 在缓冲层缺陷射线检测基础上, 应结合有关线路历史运维记录以及局部放电检测的判别结果来针对性开展线路本体缺陷的消隐消缺工作。

3) 利用射线检测技术, 采集大量电缆缓冲层缺陷检测样本, 形成缓冲层缺陷对电缆运行状态判定标准, 将电缆缓冲层缺陷作为电缆本体的状态量描述, 纳入电缆设备定期评价状态量, 指导电缆检修工作。