張成， 李寧， 金春峰， 馬博翔， 楊麟， 姚林志， 李譞， 田崗

（1. 國(guó)網(wǎng)北京市電力公司電纜分公司；2. 中電投工程研究檢測(cè)評(píng)定中心有限公司）

1 引言

隨著我國(guó)城市電力隧道的快速發(fā)展，許多大中型城市形成短則幾十公里、長(zhǎng)則上千公里的城市電力隧道敷設(shè)網(wǎng)。城市電力隧道埋深一般相對(duì)較淺，極易受到人類活動(dòng)和自然環(huán)境的影響，時(shí)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損和滲漏現(xiàn)象，尤其是城市早期的磚混電力隧道，普遍存在抗?jié)B性差和結(jié)構(gòu)老化等問題[1-4]。加之當(dāng)前，我國(guó)城市地下市政管線與隧道工程密布，不可避免會(huì)與電力隧道形成空間交叉。當(dāng)一些燃?xì)饣蚪o排水管道出現(xiàn)破損而發(fā)生泄漏時(shí)，極易向附近的電力隧道擴(kuò)散，并在電力隧道內(nèi)逐漸匯集，如果電力隧道與變電室之間隔墻上的電纜管孔封堵不嚴(yán)或存在空隙，則可能會(huì)造成可燃?xì)怏w或積水進(jìn)入輸變電站，誘發(fā)燃爆或短路危險(xiǎn)，危及電力隧道的運(yùn)營(yíng)安全，從而將會(huì)嚴(yán)重影響城市電力的正常供應(yīng)。

目前，工程上暫時(shí)還沒有專門用于測(cè)試城市電力隧道電纜管孔封堵效果的檢測(cè)裝置，大多密閉性檢測(cè)裝置常用于機(jī)械密閉罐體的檢測(cè)，對(duì)電力隧道電纜管孔封堵效果的檢測(cè)并不適用?；诖?，本研究針對(duì)城市電力隧道電纜管孔的自身特點(diǎn)，根據(jù)氣體直壓法測(cè)試?yán)碚揫5-6]，設(shè)計(jì)和研制一套專門用于測(cè)試電纜管孔密封性能的測(cè)試裝備，并通過相關(guān)試驗(yàn)加以驗(yàn)證分析，以求為今后類似工程的開展和設(shè)備的研制提供一定的技術(shù)參考。

2 測(cè)試機(jī)理

2.1 直壓測(cè)試原理

根據(jù)實(shí)際電纜管孔自身結(jié)構(gòu)和封堵物的特點(diǎn)，通過分析各種測(cè)試原理的優(yōu)劣，本研究主要考慮采用直壓法原理進(jìn)行設(shè)備研制和測(cè)試工作。所謂直壓法就是將氣源與被測(cè)件之間用壓力傳感器進(jìn)行連接，直接測(cè)取注入氣體后一定時(shí)間內(nèi)被測(cè)件的氣壓變化，以此評(píng)估和判斷被測(cè)件的泄漏情況[7-8]。其測(cè)試原理如圖1 所示。此外，為了保證直壓法測(cè)試方法的可靠性和準(zhǔn)確性，一般會(huì)將直壓法測(cè)試設(shè)置成四個(gè)階段，即充氣階段、平衡階段、測(cè)試階段和排氣階段。其中，充氣階段就是向被測(cè)件內(nèi)注入氣體，逐步加載到測(cè)試壓強(qiáng)；平衡階段就是為了降低充氣階段結(jié)束后氣流擾動(dòng)對(duì)測(cè)試的影響，使之氣壓穩(wěn)定在要求的測(cè)試壓強(qiáng)范圍內(nèi)；測(cè)試階段就是通過關(guān)閉氣閥后，測(cè)試和記錄給定時(shí)間內(nèi)被測(cè)件的氣壓變化；排氣階段就是測(cè)試工作結(jié)束排除被測(cè)件內(nèi)的氣體。

圖1 氣體直壓測(cè)試簡(jiǎn)圖

2.2 測(cè)試壓力要求

電纜管孔位于電力隧道與變電站之間的隔墻上，在一般（無水）工況條件下，兩側(cè)氣壓是平衡的，均為大氣壓強(qiáng)，即管孔兩側(cè)相對(duì)壓強(qiáng)為零；而在特殊（積水）工況下，如電力隧道內(nèi)部積水，導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)水力壓強(qiáng)作用，即管孔兩側(cè)存在水力壓差。當(dāng)電力隧道積水深度為h時(shí)，電纜管孔所受水力壓強(qiáng)P為：

式（1）中：h為積水深度，m；g為重力加速度，m/s2；ρ水為水的密度，kg/m3。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，一些老舊電力隧道內(nèi)部積水最大可達(dá)2m，即通過換算其水壓最大可達(dá)20kPa。因此，為了保證電纜管孔封堵能夠滿足最不利水壓的要求，本研究被測(cè)件的測(cè)試壓強(qiáng)不應(yīng)低于20kPa。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

鑒于城市電力隧道的電纜管孔處主要涉及穿墻套管、絕緣電纜和封堵物三部分，三者形成了半封閉的空間結(jié)構(gòu)，可視為測(cè)試系統(tǒng)的被測(cè)件。為了測(cè)試穿墻套管、絕緣電纜、封堵物以及三者之間接縫的整體密閉性，必須營(yíng)造出封閉空間，對(duì)上述被測(cè)件進(jìn)行封堵的結(jié)構(gòu)，可視為測(cè)試系統(tǒng)的封堵件。為被測(cè)件與封堵件所構(gòu)成的密閉空間提供氣壓與測(cè)試氣壓的設(shè)備，可視為測(cè)試系統(tǒng)的注壓模塊。用于控制和記錄氣壓變化的系統(tǒng)，可視為測(cè)試系統(tǒng)的控制模塊。因此，本研究測(cè)試系統(tǒng)的組成主要包括被測(cè)件、封堵件、注壓模塊和控制模塊（見圖2）。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)組成

3 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

3.1 裝置組成

基于本研究的基本測(cè)試原理，將電纜管孔密閉性檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)為三個(gè)主要部分，包括密閉檢測(cè)儀、封堵工裝和供電電池（見圖3）。其中，密閉檢測(cè)儀采用一體式小型化設(shè)計(jì)思想，具有操作簡(jiǎn)單和可視化的特點(diǎn)，其內(nèi)部含有控制模塊和壓力模塊，一方面可以通過控制模塊調(diào)試和控制整個(gè)密閉性檢測(cè)儀的操作系統(tǒng)，設(shè)置充氣、平衡、檢測(cè)和排氣時(shí)間，顯示系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果和保存測(cè)試數(shù)據(jù)；另一方面可以通過壓力模塊為密閉性檢測(cè)工作提供壓縮空氣，滿足工件氣體加壓需求。封堵工裝是根據(jù)電纜、穿墻管孔和管孔封堵物三者之間的位置關(guān)系和尺寸大小，采用兩個(gè)半圓封堵板和硅膠墊等加工而成的封堵件，通過螺栓與電纜、穿墻管孔和管孔封堵物共同形成一個(gè)密閉性空間，輔助實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜管孔密閉性的檢測(cè)。供電電池采用箱體設(shè)計(jì)，內(nèi)部設(shè)置有多組鋰電池組，整體結(jié)構(gòu)小巧，便于攜帶，總重量不大于4kg，供電時(shí)間長(zhǎng)，一次充電可用8h。

圖3 電纜管孔密閉性檢測(cè)裝置

3.2 部件功能

密閉檢測(cè)儀主要部件包括：觸摸屏、數(shù)顯壓力表、操作按鍵、校準(zhǔn)接口、數(shù)據(jù)輸出接口、過濾器、調(diào)壓閥、檢測(cè)氣出口、充氣閥、排氣閥、直接傳感器、微型壓力泵、PLC等。

①觸摸屏可以設(shè)置充氣、平衡、檢測(cè)和排氣的時(shí)間，顯示測(cè)試結(jié)果和存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，并以聲光形式提示操作者；數(shù)顯壓力表可以實(shí)時(shí)顯示測(cè)試壓力；校準(zhǔn)接口可以外接標(biāo)準(zhǔn)漏孔，校準(zhǔn)測(cè)試的準(zhǔn)確性；數(shù)據(jù)輸出接口可以外接U盤，輸出測(cè)試的數(shù)據(jù)。

②在密閉檢測(cè)儀操作按鍵中，儀器自檢按鈕主要是測(cè)試密閉檢測(cè)儀的內(nèi)漏情況；氣泡模式按鈕主要是向被測(cè)件內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間充加氣壓，方便使用肥皂水查找封堵工裝與被測(cè)件交界處的漏氣點(diǎn)位置；單位切換按鈕主要是根據(jù)需要切換顯示單位，如kPa、Pa、Pa/s、mL/min等可進(jìn)行任意切換；本地遠(yuǎn)程按鈕中本地模式適用于儀器的單機(jī)操作使用，遠(yuǎn)程模式適用于儀器的遠(yuǎn)程控制使用。

③過濾器主要是過濾經(jīng)過微型壓力泵的壓縮空氣中的水分和雜質(zhì)，保護(hù)氣控閥和傳感器；檢測(cè)氣出口則可以通過膠皮管連接被測(cè)件；精密調(diào)壓閥主要是調(diào)節(jié)測(cè)試壓力的大小。

④微型壓力泵內(nèi)置在檢測(cè)儀內(nèi)部，是檢測(cè)儀加壓設(shè)備；充氣閥控制檢測(cè)氣路的通斷，檢測(cè)完成后，排氣閥打開，檢測(cè)件內(nèi)的氣體排出；PLC程序自動(dòng)控制儀器的動(dòng)作；精密調(diào)壓閥調(diào)節(jié)測(cè)試壓力的大小。

3.3 封堵工裝

如圖4 所示，電纜管孔封堵工裝（夾具）由兩個(gè)半圓形的封堵板組成，封堵板之間通過螺栓鎖緊，封堵板通過螺栓與電纜管孔的法蘭連接；充氣孔充入正壓氣體。半圓形封堵板加工有溝槽，內(nèi)嵌開模密封墊，密封墊為硅橡膠材質(zhì)，硬度較低，易于擠壓變形，以達(dá)到封堵的效果。

圖4 封裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 操作界面

3.4 操作界面

本密閉檢測(cè)儀操作界面主要包括主頁界面、參數(shù)界面、數(shù)據(jù)界面、曲線界面以及管理界面等五部分。其中，主頁界面的測(cè)試壓力框可以實(shí)時(shí)顯示被測(cè)工件內(nèi)的氣壓，中間框可以顯示測(cè)試結(jié)果值，測(cè)試單位可以人為設(shè)定為流量或壓力降；參數(shù)界面不僅可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定檢測(cè)時(shí)的充氣、平衡、檢測(cè)和排氣時(shí)長(zhǎng)，而且還可以設(shè)定壓力降的上限和下限，當(dāng)壓力降大于合格上限值時(shí)，則判斷為泄漏，反之，則無泄漏或滿足密閉性要求；數(shù)據(jù)界面可以查看歷史測(cè)試數(shù)據(jù)；曲線界面可以查看測(cè)試曲線數(shù)據(jù)；管理界面可以進(jìn)行用戶管理。

4 測(cè)試方法

4.1 封堵件安裝

①對(duì)電纜管孔和電纜進(jìn)行仔細(xì)檢查，并測(cè)試它們是否存在漏電現(xiàn)象。

②若電纜管孔和電纜一切正常，無漏電現(xiàn)象，需注意拭去它們表面的灰塵和油污。

③量取電纜管孔和電纜尺寸，選取與電纜管孔法蘭和電纜直徑匹配的封堵工裝，若電纜表面存在凹凸不平現(xiàn)象，則需對(duì)其表面進(jìn)行整平處理，一般可以通過纏繞一定量的生料帶加以實(shí)現(xiàn)。

④取一片封堵工裝通過螺栓與電纜管孔的法蘭相連，螺栓注意不要擰緊，余留一定的余量，同時(shí)封堵工裝內(nèi)側(cè)的橡膠墊壓緊電纜。

⑤取另一片封堵工裝通過螺栓與上一片封堵工裝相連，兩片封堵工裝間的螺栓注意不要擰緊。

⑥逐步擰緊兩片封堵工裝與電纜管孔法蘭之間的螺栓，最后擰緊兩片封堵工裝之間的螺栓，并接好封堵工裝與檢測(cè)儀之間的充氣管。

4.2 測(cè)試流程

①儀器開啟：將密閉檢測(cè)儀連接供電電池，調(diào)節(jié)供電電池電壓到合理的測(cè)試電壓，開啟檢測(cè)儀開關(guān)，根據(jù)測(cè)試要求，調(diào)節(jié)與設(shè)置檢測(cè)儀測(cè)試工作參數(shù)。

②自檢模式：檢測(cè)儀測(cè)試參數(shù)調(diào)好后，方可進(jìn)入檢測(cè)儀自檢模式，氣閥此時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，通過注壓實(shí)現(xiàn)對(duì)密閉檢測(cè)儀自身密閉性進(jìn)行檢測(cè)，該過程主要涉及充氣、平衡、檢測(cè)與排氣四個(gè)階段，當(dāng)儀器自檢滿足密閉性要求時(shí)，方可進(jìn)入下一步操作。

③氣泡模式：檢測(cè)儀自檢滿足要求后，進(jìn)入檢測(cè)儀氣泡模式，氣閥此時(shí)處于開啟狀態(tài)，通過不斷注壓實(shí)現(xiàn)封堵工裝與被測(cè)件之間接觸的密閉性檢測(cè)（噴灑肥皂水，觀測(cè)是否有氣泡生成），該過程主要涉及充氣階段，當(dāng)封堵工裝與被測(cè)件之間的接觸滿足密閉性要求時(shí)，方可進(jìn)入下一步操作。

④檢測(cè)模式：檢測(cè)儀氣泡測(cè)試滿足要求后，則正式進(jìn)入被測(cè)件密閉性檢測(cè)模式，氣閥此時(shí)處于開啟狀態(tài)，通過完成檢測(cè)儀設(shè)定的充氣、平衡、檢測(cè)與排氣四個(gè)階段，并觀測(cè)檢測(cè)儀最終測(cè)試結(jié)果，當(dāng)壓力降滿足要求時(shí)，即為合格，反之，即為不合格。

⑤儀器關(guān)閉：測(cè)試工作結(jié)束后，首先關(guān)閉檢測(cè)儀開關(guān)，之后關(guān)閉電池開關(guān)，最后拔出電源線，其他相關(guān)設(shè)備拆除并整理入箱。

4.3 評(píng)定方法

為了較為合理地對(duì)電纜管孔密閉性測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，本研究參考《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50268-2008 相關(guān)要求，同時(shí)考慮到電纜隧道滿水狀態(tài)時(shí)的水壓狀況，將電纜管孔密閉性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)制定如表1 所示。即根據(jù)滿足最大工作壓力20kPa 的要求，試驗(yàn)壓力取1.5 倍～2 倍最大工作壓力，測(cè)試穩(wěn)壓時(shí)間取3min，允許壓力降取0.75kPa～1.00kPa，當(dāng)試驗(yàn)壓力降小于允許壓力降時(shí)，則電纜管孔密閉性合格，反之，則為不合格。

表1 電纜管孔密閉性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

5 試驗(yàn)應(yīng)用

5.1 試驗(yàn)工況

某110kV 電力隧道的電纜管孔（法蘭）外徑為318mm，內(nèi)徑為222mm，法蘭上螺栓孔洞共12個(gè)，螺栓孔洞對(duì)側(cè)間距為290mm，電纜直徑105mm。電纜管孔與法蘭為鋼質(zhì)材料，外觀質(zhì)量良好；電纜外層為絕緣橡膠材料，表面存在凹凸不平現(xiàn)象；橡膠管塞是電纜管孔與電纜之間的封堵物，其材質(zhì)為絕緣橡膠材料，橡膠管塞與電纜接觸面狀態(tài)良好，橡膠管塞與電纜管孔接觸面存在縫隙。本次試驗(yàn)共檢測(cè)2個(gè)電纜管孔，分別為電纜管孔1#和電纜管孔2#，對(duì)它們分別采用封堵工裝封堵，并用密閉檢測(cè)儀加以檢測(cè)測(cè)試（見圖6、圖7）。

圖6 封堵安裝

圖7 試驗(yàn)測(cè)試

5.2 測(cè)試結(jié)果

本次試驗(yàn)測(cè)試的充氣時(shí)間為100s，平衡時(shí)間為20s，檢測(cè)時(shí)間為180s，排氣時(shí)間為5s，總試驗(yàn)測(cè)試時(shí)間為305s，測(cè)試氣壓為30kPa，允許壓力降為0.75kPa。最終測(cè)試結(jié)果由圖8和圖9 中曲線可以看出，電纜管孔1#和電纜管孔2#均在測(cè)試平衡階段氣壓就已降低為0kPa，反映出電纜管孔1#和電纜管孔2#存在明顯的泄漏現(xiàn)象，需及時(shí)對(duì)電纜管孔1#和電纜管孔2#加以堵漏處理，以降低電力隧道運(yùn)營(yíng)安全的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 電纜管孔1#測(cè)試曲線

圖9 電纜管孔2#測(cè)試曲線

6 結(jié)語

本研究針對(duì)電纜管孔自身特點(diǎn)，運(yùn)用直壓法測(cè)試?yán)碚?，開發(fā)研制出一套用于電纜管孔密閉性檢測(cè)的裝置，該裝置主要由密閉檢測(cè)儀、封堵工裝和供電電池三部分組成，具有小型化、易操作、易攜帶和可視化的特點(diǎn)。此外，本研究還以某110 千伏電纜管孔為例，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試研究，有效驗(yàn)證了電纜管孔檢測(cè)裝置的適用性和可行性。