高压电缆附件铅封缺陷的交流电磁场检测

刘正存，申德峰，王延东，薛建祥，王明亮

(1.济宁鲁科检测器材有限公司，济宁 272000；2.济宁市特种设备检验研究院，济宁 272000)

封铅是目前电缆附件安装中比较常见的封装手段，主要用于尾管端部与金属保护套内部电缆之间的连接。虽然封铅工艺繁琐，但由于其具有较高的强度及良好的耐老化性能，且密封性能可靠，仍在广泛使用。

根据统计，目前电缆附件已经成为电缆线路中故障最多发的部件之一，而大部分故障是由产品本身质量不过关或安装不当导致的[1-2]。

目前电缆铅封的检测方法主要有超声法、X射线法、涡流法等。超声法受到耦合限制，需要拆除表面保护层进行检测，多用于电缆安装前的测试。方春华等[3]利用仿真软件模拟了铅封内部气孔缺陷的回波特征，并利用铅封缺陷试样验证了超声检测的可行性。射线检测方法需从不同方向进行透照，以避免漏检，但现场工作环境复杂，实际操作困难，且由于线缆内部并非整体，内部存在间隙，存在漏检、误报的风险。涡流检测方法则受制于探头提离高度，普通涡流检测设备提离高度只有1～2 mm，无法满足穿透电缆铅封5 mm以上保护层的要求。蒲英俊等[4]针对涡流检测的提离高度问题，对涡流检测探头进行了改进，实现了电缆附件的涡流检测。

交流电磁场检测(ACFM)技术[5]检测效率高，精度高，且检测信号受提离效应的影响比较小，无需对被测件表面做任何处理就能完成检测[6]，更适用于电缆铅封的检测。笔者分析了高压电缆附件的结构及缺陷，并制作模拟试样进行试验，证明了交流电磁场检测技术对电缆附件铅封表面开口缺陷的检测能力。

1 交流电磁场检测原理

在ACFM技术中，将工件表面磁场分为3个分量：Bx，By，Bz。Bx分量方向与电流方向垂直，并与工件表面平行；By分量方向与电流方向一致；Bz分量方向垂直于工件表面。交流电磁场检测原理如图1所示。

图1 交流电磁场检测原理示意

根据电磁感应定律，当工件表面没有缺陷时，交变电流产生的感应磁场均匀且无变化，By和Bz分量为0；当电流经过缺陷时，电流从缺陷两侧和底部偏转，使通过缺陷处的电流密度减小，产生的磁通密度也相应减小，即Bx分量会在缺陷处出现明显的波谷。此外，电流会在缺陷两端产生聚集，使得缺陷两端磁通密度出现极值，受磁场方向性的影响，Bz分量与原有磁场会存在叠加和抵消的现象，即Bz分量会在缺陷两端形成波峰和波谷，根据检测信号即可判定缺陷的存在[7-8]。

2 高压电缆铅封的结构及常见缺陷

高压电缆终端由尾管、铝护套、铅封等组成，是输电线路的重要组成部分。铅封即采用铅锡合金封堵尾管端部及铝护套之间的间隙，在完成电气连接的同时，实现密封防水的功能。铅封完成后在外部使用防水包带和热缩套进行防护，防护层厚度约为5 mm。高压电缆铅封实物如图2所示。

图2 高压电缆铅封实物

目前发现高压电缆铅封缺陷以加工过程中的砂眼、气孔、内部层叠以及安装中工艺不到位导致的径向开裂等为主。缺陷容易导致电气连接不良，造成跳闸、击穿等问题，严重时还会引起电网停运事故。因此，需要寻找一种可以快速、准确地检测出电缆铅封内部缺陷的技术，以保证电网的安全运行。

3 ACFM检测试验

3.1 试样制备

电缆运行过程中，由于外部环境变化，铅封单侧受力，往往会出现顶部开裂缺陷，这也是铅封缺陷中危害最大的一种。结合顶部开裂缺陷现场案例及ACFM检测技术要求，设计的试样上的缺陷信息如表1所示。

表1 试样上的缺陷信息

3.2 试验仪器

试验采用济宁鲁科检测器材公司生产的LK ACFM-X1型交流电磁场检测仪(见图3)，该设备主要由主机、探头及连接线等组成；可兼容内穿式、外套式、平板型、笔形等多种探头，并可支持16通道阵列探头，探头最大提离高度为10 mm，针对电缆铅封的变径情况，可采用特制的弧形单探头(圆弧直径为273 mm)，以得到更好的耦合效果。

图3 LKACFM-X1型交流电磁场检测仪实物

3.3 检测及分析

将探头放置于工件待检部位，双手扶持探头，在工件上进行匀速扫查，扫查速度应尽量不超过 40 mm·s-1，同时尽量避免抖动，检测完成后记录相关数据。

试样1交流电磁场检测结果如图4所示，图4(a)为Bx分量图，其中横坐标代表探头行进时间，纵坐标代表x方向磁场强度分量的电信号大小；图4(b)为Bz分量图，横坐标代表探头行进时间，纵坐标代表z方向的磁场强度分量电信号大小。由检测结果可见，Bx及Bz信号均有明显显示，波形变化存在明显的波峰波谷特征，与标准ASME E-2261M-2012 《使用交流电现场测量技术检查焊缝的标准实施规程》中的缺陷特征吻合。

图4 试样1交流电磁场检测结果

试样2交流电磁场检测结果如图5所示，图中各变量与图4的一致，其同样具有明显与ASME标准中吻合的波峰波谷特征，但Bx分量的变化受到探头提离高度的影响，由40 mC降到25 mC，Bz分量保持在70 mC左右，无明显变化，说明Bx分量信号强度受提离高度的影响更大。在大提离的检测工况下，Bz信号的判定比Bx信号更为准确。

图5 试样2交流电磁场检测结果

试样1在探头与缺陷成45°角时的检测结果如图6所示，图中信号变化量与图4信号变化趋势及特征基本一致。Bx分量的变化受到探头角度的影响由40 mC降到30 mC，Bz分量的变化量则有所上升，接近80 mC。

图6 试样1探头与缺陷成45°时的检测结果

试样1在探头与缺陷成90°角时的检测结果如图8所示，90°检测时，裂纹平行于电场且垂直于磁场，对电流产生干扰很小，由于裂纹自身宽度为2 mm，此时Bx及Bz分量信号仍存在波峰波谷特征，但并不明显。

试样2在探头与缺陷成45°角时的检测结果如图8所示，图8与图6信号变化趋势有所差别，但波峰波谷特征仍比较吻合。Bx分量的变化受到探头角度的影响由30 mC降到20 mC，Bz分量的变化量明显下降，变为40 mC。交流电磁场检测技术中，所检测对象与探头检测方向间的角度会对检测结果产生影响，图8及图6说明，45°时的检出灵敏度相较于0°时已经有了降低，但降低幅度较小。

试样2在探头与缺陷成90°角时的检测结果如图9所示 。此时，Bx分量信号存在波谷特征，但Bz分量信号此时变化量只有20 mC左右，信噪比较低，波峰波谷特征不明显，与检测标准对比吻合度很差。图7及图9说明，在所检测对象与探头检测方向相互垂直时，交流电磁场检测技术的检出灵敏度最差，此时的磁场变化幅度取决于检测对象宽度，对于裂纹等条形缺陷，极易出现漏检。

图7 试样1探头与缺陷成90°时的检测结果

图8 试样2在探头与缺陷成45°角时的检测结果

图9 试样2在探头与缺陷成90°角时的检测结果

4 结语

(1) 采用交流电磁场检测技术可以对带有5 mm厚绝缘层的高压电缆铅封的表面裂纹进行检测，且无需去除绝缘层，检测方便快捷。

(2) 交流电磁场检测灵敏度受缺陷方向影响较大，探头方向与缺陷方向夹角为90°时，缺陷检出较为困难，实际检测过程中需根据缺陷具体发生机理确定其检测方向，或直接进行0°及45°检测。