基于数字射线检测技术的电缆熔接头主绝缘缺陷研究

刘三伟，唐勇明，周卫华，段肖力，黄福勇，方超文，邱超

(1.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，长沙 410007；2.国网湖南省电力有限公司怀化供电分公司，怀化 418000；3.国网湖南省电力有限公司湘潭供电分公司，湘潭 411100；4.国网湖南省电力有限公司株洲供电分公司，株洲 412000)

0 引言

近年来，110 kV及以上等级高压电缆线路规模以每年12%左右的增速不断提升。受制于电缆长度及施工影响，每隔500 m左右需要制作电缆接头进行连接，电缆接头是电缆电气部分的薄弱环节，故障往往发生在此处[1-2]。传统的预制式机械接头存在一些工艺隐患[3-4]:

1)由于紧固件松动，节点腐蚀等原因，机械压接连接点电阻导电性能随着时间的增长而改变。机械压接后若压坑变形，会引起局部电场畸变，容易造成接头击穿的严重后果。

2)机械连接的连接点抗拉强度大幅降低。由于电缆线路自身拉力等原因，连接点会成为导线抗拉的薄弱环节，长期受力情况下容易导致连接点松动，影响接头的电气连接。

3)电缆接头的连接点是经受大电流冲击的薄弱处，连接点本身与导体存在电阻差，大电流通过时，连接点会发热，热胀冷缩进一步导致连接点松动。

作为一种与传统预制式机械接头存在本质差异的电缆熔接头技术，接头制作是在电缆通道现场环境下制作的，受制于通道中的潮气、粉尘影响，其接头质量更难以保证。因此，针对高压电缆熔接头关键制作工艺管控问题，提出采用IDIP-DR数字射线检测技术来填补电缆熔接接头现场管控的技术空白。

1 高压电缆熔接接头技术

1.1 熔接接头技术原理

电缆熔接接头技术是利用活性较强的铝，在明火引燃药剂产生高温瞬间，通过置换反应，将氧化铜中的铜置换出来，反应过程释放大量的热量将两端导体与置换出来的铜熔融在一起，完成两端导体的熔接，然后逐步恢复电缆各层结构，如图1所示。

图1 电缆熔接接头

1.2 熔接接头技术特点

对比传统的预制式机械接头，高压电缆熔接接头在现场应用中，具有以下的特点:

1)接头处不受瞬间大电流的影响，短路电流侵袭时，熔接接头焊点熔化速度慢于一般电气导体，不易受损。

2)抗腐蚀性和整体性强。高温下的熔接属于分子间连接，不存在机械应力作用，熔接后接头处与两端导体成为一个完整部分，整体性强。

3)熔接点电阻低。采用同种金属熔接后的连接点与电缆本体两端导体材质趋于一致，电阻值较小。

对比传统预制式机械接头，熔接头具有一定的优势，但是由于熔接头是现场制作的，受制作环境的影响，其施工工艺容易出现问题，目前尚无有效的工艺管控手段。

2 IDIP-DR数字射线检测技术

利用熔接头技术恢复导体和主绝缘后，由于主绝缘、导体存在明显的密度差异，可以利用X射线数字成像技术进行检测区分。

图2为检测装备原理图，其中1为X射线机；2为电缆本体；3为便携式电源模块；4为平板探测器；5为无线通信组件；6为电缆灰度影像显示平板电脑；7为电缆灰度影像接收仪；8为专用固定支架；9为X射线机控制系统。

图2 X射线数字成像基本原理

利用平板探测器接收穿透被检工件的X射线，再由平板探测器内部晶体电路根据X射线剂量强度将其转化为电流信号，最终以数字图像的形式呈现在终端计算机上[5]。

由于该DR设备的灰度级数达到了16 bit(65 536灰阶)，且缺陷处与周围图像相差灰阶较小，所以原图中人眼无法清晰判别缺陷，如图3(a)所示。

将灰度影像的灰度值范围压缩至人眼能够识别的灰度范围内，去掉影像中的冗余成分，使影像灰度值更集中于人眼的识别范围内。采用基于压缩感知原理对图像实施稀疏变换和投影测量[6-7]。

对图像进行稀疏和重构处理。图像经过深度处理后[8]，缺陷处与周围图像相差灰阶增大，可以清晰识别，如图3(b)所示。

图3 电缆X射线影像

3 应用案例分析

对某市110 kV高压电缆熔接头制作现场进行检测应用，如图4—7所示。在电缆完成主绝缘恢复后，进行了IDIP-DR检测。图4和图6是检测原图，由于没有经过图像深度处理，人眼无法直接识别出缺陷；经过深度处理后，主绝缘左、右两侧界面的气泡被清晰地显示出来，如图5、7所示。

图4 熔接头右侧检测原图

图5 熔接头右侧检测处理图

图6 熔接头左侧检测原图

图7 熔接头左侧检测处理图

为了进一步验证检测结果的准确性，对上述检测点进行位置标定后，采用平行于轴向的断面切割来进行解剖。如图8—9所示，解剖后的电缆主绝缘存在直径0.5～2.6 mm的不同尺寸的微小气泡缺陷。

图8 横向切割解剖后电缆实物图

图9 横向切割解剖后电缆切片

气泡产生原因分析:对于超高压交联电缆的生产，其管道内氮气压力要求不低于1.2 MPa，维持这么高的压力，主要是缩小绝缘层中的微孔数量和微孔直径，降低局部放电值；交联管道温度和氮气压力要相匹配，若管道温度高、氮气压力低，就会产生微气孔和明显的气泡[9]。在XLPE交联过程中模具内部的压力和温度对绝缘层内部微孔的数量和大小有直接影响[10]。在制作现场主绝缘交联过程中，由于发电机供电不稳定导致停电15 min，导致磨具内的压力和温度没有满足交联条件，导致上述气泡缺陷。

4 结语

本文利用IDIP-DR数字射线检测技术，对高压电缆熔接头关键制作工艺进行检测，有效检测出主绝缘存在气泡施工工艺问题，通过现场解剖，证明检测结果的准确性，为开展熔接头制作工艺管控提供一种有效的手段，为高压电缆熔接头技术在工程应用中提供一种新的管控方法，并且在恢复主绝缘过程中，必须保证全程供电和供压可靠，否则容易出现类似缺陷问题。