高压电缆阻水缓冲层烧蚀缺陷的射线检测工艺参数研究

刘维可， 谢 亿， 刘三伟， 段肖力， 曹先慧，黄福勇， 冯 超， 吴堂清

（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.湘潭大学材料科学与工程学院，湖南湘潭411105）

0 引 言

高压电缆相比于架空线具有占地少、送电可靠、不受外界环境影响、地下敷设对人身安全可靠等优点。高压电缆在我国已经使用了30多年，最初全部使用进口产品，目前为止66～500 kV电力电缆基本实现国产化，每年有超过一万公里的高压电缆埋设于地下。从近十几年高压电缆本体事故案例解剖发现，大量出现阻水缓冲层烧蚀现象，甚至引发电缆本体击穿。2001～2020年，中国国家电网发现高压电缆缓冲层烧蚀故障和缺陷40次，其中故障31次，线路切改时发现缓冲层烧蚀缺陷9次。该缺陷是在电缆运行时产生的，引发的故障多、危害大，是影响电网安全稳定运行的重大隐患，并长期困扰电缆行业。因此，开展对高压电缆阻水缓冲层缺陷的定期检测显得尤为重要［1-2］。

现有的高压电缆在线监测手段难以有效检出此类缺陷，高压电缆阻水缓冲层缺陷以往只能通过停电切接发现，缺乏有效的无损检测手段。本文针对阻水缓冲层烧蚀缺陷的射线检测工艺开展了研究，研究结果表明，该技术可在不拆解和破坏高压电缆的情况下实施检测，并给出了现场检测的两次检测夹角角度范围，以及焦距、管电压、曝光量（管电流和时间）的推荐射线参数，为现场检测提供了技术规范参考，为制定标准提供了依据。

1 高压电缆射线检测工艺试验方案

高压电缆的结构如图1所示，包括铜导体、交联聚乙烯（XLPE）绝缘层、聚酯纤维非织造布阻水缓冲层、皱纹铝护套等，其密度如表1所示。射线检测是利用不同物体对射线的吸收率不同的特性来实现的。不同物体之间密度差距越大，相邻位置的明暗区别就越明显，理论上密度偏差超过1.5%时即可用射线检测区分。电缆密度［3］从交联聚乙烯的0.93 g／cm3到铜的 8.89 g／cm3，且缓冲层缺陷密度为3.50～3.90 g／cm3，各层密度与射线吸收系数相差很大，因此理论上缺陷可以检出。

图1 高压电缆端面结构示意图

一方面对高压电缆进行射线检测时，由于铜导体密度远大于缓冲层缺陷的密度，若X射线在穿过缺陷时，又穿过铜芯，则缺陷无法检出。因此单次射线检测无法保证将电缆缺陷检出，需要理论分析和试验验证第二次射线检测与初次射线检测的夹角角度，以确保两次射线检测能检出缺陷电缆。

表1 高压电缆各层密度及缓冲层缺陷密度

另一方面，检测时X射线仪的参数焦距F、管电压U、管电流I、时间T对X射线数字图像质量有重要影响［4］。为快速而准确地分析各个参数对X射线图像的影响程度，得到最佳的成像条件，采用正交试验法对其进行了多组试验以得到最佳射线参数。

因此本文一方面采用正交试验法研究确定了X射线机焦距F、管电压U、管电流I、时间T等射线参数，另一方面通过理论分析和试验验证确定了两次射线检测的夹角角度，从而确保了缺陷的检出。

试验选用某公司生产的便携式X射线仪，管电压调节范围为10～225 kV，有效焦点尺寸为3 mm，平板探测器A／D转换位数为14 bit，试验装置见图2，带阻水缓冲层缺陷的电缆本体（无外护套）见图3。

图2 试验装置

图3 带阻水缓冲层缺陷的电缆本体（无外护套）

2 X射线机射线参数

2.1 焦距

依据 NB／T 47013.2—2015 标准要求［5］，对于AB级射线检测技术，透照时射线源至平板的焦距应满足式（1）的要求：

式中：F为焦距（mm）；ds为射线机的焦点直径或当量直径（mm）；b为被检电缆的半径（mm）。

试样的电缆型号为 ZC-YJLW03-Z-64／110-1×630 mm2，其电缆半径b为48 mm，焦点直径ds为3 mm，计算得：透照焦距F应大于495 mm。因此，实验室内的焦距可以选择在500 mm及以上。在具体的试验中，透照焦距取 500 mm、750 mm和1 000 mm进行比较。取管电压为60 kV，管电流为0.5 mA，曝光时间为15 s进行射线检测，得到透照图如图4所示，箭头所指即为白色缺陷影像。3种焦距条件下均能检测出电缆缓冲层缺陷，750 mm焦距的图像清晰度更好。

图4 不同焦距条件下电缆的射线透照图

2.2 管电压

在射线检测工作中，正确选择X射线仪的管电压十分关键，它直接决定X射线的透照能力。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是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，在以上三个因素中，材料吸收系数、缺陷深度都不可变，仅管电压可改变。

取固定焦距为750 mm，管电流为0.5 mA，曝光时间为15 s。调节管电压从40～90 kV进行射线检测，其中50 kV、70 kV和90 kV的透照图如图5所示，由图5可见70 kV管电压条件下的图像清晰度更好。

图5 不同管电压条件下电缆的射线透照图

2.3 曝光时间

曝光量是X射线源发出射线的管电流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，两者在一定范围内呈线性关系。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。通过调整曝光时间可以改变曝光量。

取固定焦距为750 mm，管电压为70 kV，管电流为0.5 mA。调节曝光时间从5～25 s进行射线检测，其中5 s、15 s和25 s的透照图如图6所示，可见15 s曝光时间下的图像清晰度更好。

图6 不同曝光量（曝光时间）下电缆的射线透照图

2.4 管电流

管电流是X射线仪阴极加热丝的电流，电流越大产生的电子越多，打到阳极靶的电子也越多，曝光量就越大。因此调节管电流可改变曝光量。

取固定焦距为750 mm，管电压为70 kV，曝光时间15 s。调节管电流从0.5～0.9 mA进行射线检测。其中0.5 mA、0.7 mA和0.9 mA的透照图如图7所示，3种管电流条件下均能检测出电缆缓冲层缺陷，区别不大。

图7 不同曝光量（管电流）条件下电缆的射线透照图

2.5 X射线仪射线参数选择建议

基于以上的试验结果和实际检测情况，对于高压电缆的射线检测，可以按照以下几点进行射线参数选择。

（1）由于电缆管廊空间较大，可在检测时适当加大透照焦距，而电缆沟井等空间狭小，检测时可减少透照焦距，因此透照焦距可以在500～1 000 mm之间选择。

（2）在保证曝光量的前提下，现场透照宜选择较低的管电压。

（3）在满足图像质量、检测速率和检测效率的前提下，现场透照宜选择较低的曝光量。

（4）对于试样电缆，根据现场的工况，推荐如下的透照参数：1）焦距500 mm，管电压60 kV，曝光量为 15 s×0.5 mA；2）焦距 750 mm，管电压 70 kV，曝光量为 15 s×0.5 mA；3）焦距 1 000 mm，管电压80 kV，曝光量为 15 s×0.5 mA。

3 两次射线检测夹角研究

由于检测缺陷所用的管电压较低，无法穿透铜芯，若高压电缆阻水缓冲层缺陷部位在X射线穿过铜芯区域，则缺陷无法检出，其余部位缺陷可检出，见图8和图9。也就是说，如果只进行一次射线检测，则可能出现缺陷电缆漏检。因此需要对电缆进行第二次射线检测，与初次射线检测呈一定夹角，以保证两次检测的范围覆盖到整个可能存在缺陷的阻水缓冲层。

图10、图11分别为两次射线检测的最小、最大夹角示意图。图中直线为X射线；小圆为电缆导体，半径为d；大圆为阻水缓冲层，半径为D；Af，Ab分别代表单次照射无法检测区段；α1代表两次射线检测最小夹角，α2代表两次射线检测最大夹角。由相切易知：

图8 高压电缆射线检测缺陷可检出部位示意图

图9 高压电缆射线检测缺陷不可检出部位示意图

试样电缆铜导体半径d为14.95 mm，阻水缓冲层最内层半径D为33.8 mm，计算得α1为52.5°，α2为127.5°，也就是说理论上两次射线检测的夹角在52.5°～127.5°范围就可检出缺陷。试验论证了当初次检测缺陷在0°时，第二次检测与初次检测呈60°和120°夹角时都可检出缺陷，如图12中白色缺陷影像所示。

图10 两次射线检测最小夹角示意图

图11 两次射线检测最大夹角示意图

4 结束语

本文通过理论分析和试验研究了高压电缆阻水缓冲层缺陷的射线检测工艺参数。一方面，通过正交试验研究，给出了X射线仪各射线参数选择建议，推荐焦距取500～1 000 mm，管电压60～80 kV，曝光量取0.5 mA×15 s。另一方面，研究了两次检测夹角对缺陷检出的影响，给出了夹角范围为2×arcsin（d／D）至 180°-2×arcsin（d／D），并通过了试验验证。在本文推荐的工艺参数下，可规范高效地检出电缆本体阻水缓冲层烧蚀缺陷，建议加快该工艺参数的规范化标准制定，保障电网的安全稳定运行。

图12 不同射线检测夹角下的电缆的射线透照图