王　坤,劉榮海,楊迎春,李亞寧,萬(wàn)書(shū)亭

(1.華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系,保定 071003；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217；3.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站,昆明 650217)

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基于X射線數(shù)字照相技術(shù)的電力電纜缺陷的CR與DR檢測(cè)對(duì)比

王坤1,3,劉榮海2,楊迎春2,李亞寧1,3,萬(wàn)書(shū)亭1

(1.華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系,保定 071003；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217；3.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站,昆明 650217)

概述了CR與DR兩種X射線數(shù)字照相系統(tǒng)的組成和工作原理,介紹了電力電纜的故障缺陷類(lèi)別，并在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬了三種缺陷，在兩種不同的X射線源下進(jìn)行了CR與DR兩種照相技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果證明了CR與DR兩種X射線數(shù)字照相技術(shù)均可有效檢測(cè)電力電纜缺陷，并對(duì)比了二者的優(yōu)缺點(diǎn)，以為電力電纜缺陷檢測(cè)提供參考依據(jù)。

X射線;數(shù)字成像;電力電纜;缺陷檢測(cè)

電力電纜輸送電能容量較大且多敷設(shè)于地下,大致可分為隧道、溝道、管道和直埋(包括水下直埋敷設(shè))等幾種方式,部分區(qū)域如發(fā)電廠、橋梁等采用架空敷設(shè)[1]，其在整個(gè)電網(wǎng)中有著極為重要的作用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)中電力電纜的使用量也不斷增加，但電纜故障也隨之增加，電纜故障的缺陷問(wèn)題相對(duì)集中在外力破壞、電纜線路施工工藝以及設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量上[2-4]。除受貫穿性外力破壞外，電纜從缺陷出現(xiàn)到故障發(fā)生，是需要一個(gè)過(guò)程的。如非貫穿性表層損傷和外部壓力導(dǎo)致的損傷，電纜的中間及兩端接頭是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行中最薄弱環(huán)節(jié)，因此，急需一種有效的檢測(cè)手段在不破壞電纜的情況下對(duì)其進(jìn)行快速檢測(cè)，從而為后續(xù)的處理提供可靠的依據(jù)。

目前電纜故障點(diǎn)定位與檢測(cè)方法主要有人耳聽(tīng)法、高頻感應(yīng)法和紅外診斷法等。國(guó)內(nèi)對(duì)于高頻感應(yīng)法的研究包括電橋法、低壓脈沖反射法、直流高壓閃絡(luò)法、沖擊高壓閃絡(luò)法、二次脈沖法、三次脈沖法等[4-9]。紅外診斷技術(shù)自從應(yīng)用于電力電纜的缺陷檢測(cè)以來(lái)，取得了良好的效果[10]。然而，這些檢測(cè)方法無(wú)法直觀地檢測(cè)出電纜缺陷的精確位置以及缺陷損傷程度。由于X射線的穿透物質(zhì)的特性，X射線數(shù)字照相技術(shù)可以應(yīng)用于電力電纜及附件檢測(cè)，可在不破壞電纜設(shè)備的基礎(chǔ)上，檢查電纜的內(nèi)部情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜的潛在運(yùn)行隱患，如外力破壞傷及電纜主絕緣、電纜應(yīng)力錐移位、半導(dǎo)電處理不良、銅帶處接觸不良等，避免電纜設(shè)備意外擊穿造成的停電事故。

1　X射線數(shù)字照相系統(tǒng)簡(jiǎn)介

X射線檢測(cè)技術(shù)作為一種常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域已有近百年的歷史。傳統(tǒng)的X射線檢測(cè)以膠片照相為主要檢測(cè)方法，膠片照相技術(shù)由于原理簡(jiǎn)單、操作靈活而廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。但該技術(shù)存在速度慢、成本高、不宜存儲(chǔ)和圖像處理等缺點(diǎn)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了X射線數(shù)字照相技術(shù)，標(biāo)志著X射線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)入了全新的一代。

X射線數(shù)字照相系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：靈敏度高、分辨率較低、能夠有效降低射線劑量；檢測(cè)時(shí)間短，檢測(cè)效率高；具有較大的寬容度；一次投入成本高，但無(wú)需暗室的洗片環(huán)節(jié)，大幅降低了環(huán)境污染。直接數(shù)字照相系統(tǒng)可分為計(jì)算機(jī)射線照相系統(tǒng)(CR)和數(shù)字化射線照相系統(tǒng)(DR)兩類(lèi)：IP影像板代表CR技術(shù)，平板探測(cè)器代表DR技術(shù)。

IP板可彎曲且重量輕，攜帶較為方便，更能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的狹小空間等復(fù)雜的工作條件，但I(xiàn)P板透照成像后，需置入CR掃描儀中進(jìn)行精細(xì)掃描讀取，然后再由計(jì)算機(jī)處理得到數(shù)字化圖像，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，最終在監(jiān)視器熒光屏上顯示出灰階圖像，即CR成像要經(jīng)過(guò)影像信息的記錄、讀取、處理和顯示等步驟；并且，CR技術(shù)每?jī)纱螜z測(cè)之間均要對(duì)IP板進(jìn)行洗片，檢測(cè)步驟繁瑣費(fèi)時(shí)且由于光照的影響，成像會(huì)出現(xiàn)曝光過(guò)度的問(wèn)題。DR技術(shù)可通過(guò)平板探測(cè)器俘獲與轉(zhuǎn)換X射線能量直接成為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、處理而獲得數(shù)字化圖像并在顯示器上顯示，曝光完成后，即可在顯示器上觀察到成像結(jié)果，全過(guò)程均可自動(dòng)完成，效率更高，能夠做到實(shí)時(shí)在線檢測(cè)；但是平板探測(cè)器重量大且無(wú)法彎曲，適用場(chǎng)合有一定的局限性。

CR與DR技術(shù)原理對(duì)比示意，如圖1所示。

圖1　CR與DR技術(shù)原理對(duì)比

2　電纜缺陷X射線模擬檢測(cè)

為更清楚地對(duì)比 CR與DR技術(shù)的成像效果，對(duì)電纜進(jìn)行X射線透照試驗(yàn)。試驗(yàn)所用的X射線源有兩種，包括便攜式工業(yè)X射線機(jī)(0.3 MeV,焦點(diǎn)尺寸為3.0 mm，1.0 mm)和XRS-3型小型脈沖X射線機(jī)(270 keV，2.6～4.0 mR/次)；成像探測(cè)器件包括IP影像板和非晶硅平板探測(cè)器(成像面積410 mm×410 mm，圖像分辨率2.5 Lp·mm-1)。試驗(yàn)材料為YJV 22-26/35-1*300型銅芯電纜樣品，電力電纜由電纜線芯(導(dǎo)體)、絕緣層、屏蔽層和外護(hù)層四部分組成，其截面示意如圖2所示。

圖2　電纜截面示意

試驗(yàn)首先使用尖頭錘、手工鋸和鋤頭對(duì)電纜制造了不同程度的損害缺陷，用來(lái)模擬電纜外力損傷形成的缺陷。缺陷按照損害程度共分為外護(hù)層破損、絕緣層破損和電纜芯破損三種，缺陷外觀見(jiàn)圖3，各分圖中三處缺陷從左到右依次為鋤頭、手工鋸和尖頭錘所致。最后，在上述兩種X射線源下分別進(jìn)行了IP影像板和平板探測(cè)器的成像結(jié)果對(duì)比試驗(yàn)。

圖3　電纜樣品不同缺陷的外觀

2.1工業(yè)X射線機(jī)下IP板和平板探測(cè)器成像結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)檢測(cè)前首先使用工業(yè)X射線機(jī)作為X射線源，經(jīng)過(guò)多次對(duì)電纜樣品的透照，最終確定的工業(yè)X射線機(jī)檢測(cè)參數(shù)為：管電壓 60 kV；管電流 2.0 mA;焦距 800 mm;CR和DR曝光時(shí)間分別為10 s,4×2 s(4幀×每幀2 s)。然后采用上述檢測(cè)參數(shù)，對(duì)含模擬缺陷的電纜樣品進(jìn)行X射線透照檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置圖片見(jiàn)圖4。

圖4　便攜X射線機(jī)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置圖片

(1) 外護(hù)層破損缺陷模擬檢測(cè)

電力電纜結(jié)構(gòu)組成中的外護(hù)層直接與外界環(huán)境接觸，材料多為塑料類(lèi)、橡膠類(lèi)，其作用是保護(hù)電力電纜免受外界雜質(zhì)和水分的侵入，防止外力直接損壞電力電纜。對(duì)電纜樣品外護(hù)層的破損缺陷進(jìn)行透照試驗(yàn)，得到的數(shù)字成像結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5　外護(hù)層破損成像結(jié)果

圖5(a),(b)均清晰地呈現(xiàn)了外護(hù)層的破損缺陷，缺陷位置如圖中線框所示，缺陷為電纜外護(hù)層破損，而未對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際模擬缺陷相符。

(2) 絕緣層破損缺陷模擬檢測(cè)

絕緣層是電力電纜結(jié)構(gòu)中不可缺少的組成部分，其將電纜線芯與大地以及不同相的線芯間在電氣上彼此隔離，防止電流泄漏，保證電能輸送。對(duì)電纜樣品的破損缺陷進(jìn)行透照試驗(yàn)，得到的數(shù)字成像結(jié)果如圖6。

圖6　絕緣層破損成像結(jié)果

圖6(a),(b) 兩圖均清晰地呈現(xiàn)了絕緣層的破損缺陷，缺陷位置如圖中線框所示；可看出缺陷破損加深至電纜絕緣層，未對(duì)最內(nèi)部的電纜線芯結(jié)構(gòu)造成破壞，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際模擬缺陷相符。

(3) 電纜芯破損缺陷模擬檢測(cè)

線芯是電力電纜結(jié)構(gòu)中用來(lái)輸送電能的導(dǎo)電部分，也是電纜中的主要部分。線芯的組成材料主要有銅與鋁，其一旦破損，極易引起漏電停電事故。對(duì)樣品的電纜芯破損缺陷進(jìn)行透照試驗(yàn)，得到的數(shù)字成像結(jié)果如圖7(為更清楚地判斷尖頭錘造成的缺陷深度，試驗(yàn)前在尖頭錘缺陷孔處插入一截鐵絲)。

圖7　電纜芯破損成像結(jié)果

圖7(a),(b) 兩圖均清晰地呈現(xiàn)了電纜線芯的破損缺陷，缺陷位置如圖中線框所示;可看出缺陷破損加深至電纜線芯，缺陷孔插入的鐵絲末端明顯深入至電纜芯層，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際模擬缺陷相符。

由圖5～7的3組成像結(jié)果可看出，在相同的X射線機(jī)檢測(cè)參數(shù)下，IP板與平板探測(cè)器透照結(jié)果均能較為清晰地呈現(xiàn)電纜的破損缺陷，證明了X射線數(shù)字照相技術(shù)檢測(cè)電纜缺陷的可行性和有效性；但平板探測(cè)器成像質(zhì)量略強(qiáng)于IP板，成像結(jié)果能夠更好地展現(xiàn)電纜樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷細(xì)節(jié)，如缺陷的位置以及損害程度。

2.2脈沖X射線機(jī)下IP板和平板探測(cè)器成像結(jié)果對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證CR與DR技術(shù)的成像效果對(duì)比結(jié)論，將X射線源更換為脈沖X射線機(jī)，成像探測(cè)器件仍為IP影像板和平板探測(cè)器，電纜樣品及模擬缺陷均與工業(yè)X射線機(jī)時(shí)相同。同樣,經(jīng)過(guò)多次對(duì)電纜樣品的透照試驗(yàn)，最終確定的脈沖X射線機(jī)檢測(cè)參數(shù)為：管電壓270 kV；管電流0.25 mA;焦距1 150 mm;CR和DR的脈沖數(shù)分別為60,30；CR和DR的曝光時(shí)間分別為10,4×2 s?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置圖片如圖8。

圖8　脈沖X射線機(jī)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置圖片

后續(xù)試驗(yàn)采用上述檢測(cè)參數(shù)，對(duì)含模擬缺陷的電纜試件進(jìn)行X射線透照檢測(cè)，得到的數(shù)字成像結(jié)果如圖9～11所示。缺陷位置如圖中線框所示。

圖9　外護(hù)層破損成像結(jié)果

由圖9～11可看出：在適當(dāng)參數(shù)下，IP影像板與平板探測(cè)器成像質(zhì)量基本相同，均能較清晰地呈現(xiàn)電纜樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及模擬缺陷的位置和損傷程度，與實(shí)際模擬缺陷相符；與IP影像板相比，平板探測(cè)器僅需30個(gè)脈沖即可達(dá)到良好的成像效果，證明平板探測(cè)器的靈敏度更高。

圖10　絕緣層破損成像結(jié)果

圖11　電纜芯破損成像結(jié)果

2.3檢測(cè)方式推薦

根據(jù)上述試驗(yàn)情況以及X射線源與成像探測(cè)器件的各自特點(diǎn)，針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)工況建立了檢測(cè)方式推薦，為X射線數(shù)字照相技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用提供基本的參考依據(jù)，如表1所示。

表1　不同工況時(shí)推薦的檢測(cè)方式及檢測(cè)參數(shù)

3　結(jié)論

(1) 試驗(yàn)結(jié)果證明了X射線數(shù)字檢測(cè)技術(shù)對(duì)電纜缺陷檢測(cè)的有效性和可行性，為電纜內(nèi)部缺陷檢測(cè)提供了新方法。CR與DR技術(shù)均可為檢測(cè)人員提供豐富可靠的缺陷細(xì)節(jié)信息，為后續(xù)的分析工作提供支持。

(2) 針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)工況，推薦了不同的檢測(cè)方式，可為X射線數(shù)字照相技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用提供基本的參考。

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The CR and DR Detection Contrast of Power Cable Defects Based on X-ray Digital Radiography

WANG Kun1，3,LIU Rong-hai2,YANG Ying-chun2,LI Ya-ning1,3,WAN Shu-ting1

(1.Department of Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China;2.Electricity Science Research Institute,Yunnan Power Grid Co.,Ltd.,Kunming 650217,China;3.Graduate Workstation of North China Electric Power University &Yunnan Electric Power Grid Corporation,Kunming 650217,China)

This paper summarized the digital imaging system composition and working principle of CR and DR. By using three artificial defects under laboratory conditions,the detected results by CR and DR were compared under two different X-ray sources. The experimental results show that both CR and DR can effectively detect power cable defects and present finding is hoped to provide reference basis for the defect detection of power cable.

X-ray;Digital imaging;Power cable;Defect detection

2016-03-05

王坤( 1992-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)闋顟B(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、無(wú)損檢測(cè)。

王坤，E-mail: 1043611963@qq.com。

10.11973/wsjc201608007

TG115.28

A

1000-6656(2016)08-0030-04