劉榮海，馬朋飛，史騰飛，楊迎春，鄭 欣

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南昆明 650217；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003； 3. 華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司研究生工作站，云南昆明650217)

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電纜X射線檢測(cè)設(shè)備小型化研究

劉榮海1，馬朋飛2,3，史騰飛2,3，楊迎春1，鄭 欣1

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南昆明 650217；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003； 3. 華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司研究生工作站，云南昆明650217)

提出用一種小型化的X射線檢測(cè)設(shè)備對(duì)電力電纜進(jìn)行檢測(cè)的方法，以解決傳統(tǒng)X射線設(shè)備效率低下的問(wèn)題。為了驗(yàn)證這種方法的可行性，研究了小型X射線機(jī)的輻射劑量，利用小型X射線機(jī)和IP板的組合對(duì)電纜進(jìn)行了X射線透射能力和成像質(zhì)量的試驗(yàn)，并利用小型化X射線檢測(cè)設(shè)備對(duì)被模擬破壞的電纜進(jìn)行透照試驗(yàn)。結(jié)果表明：小型化脈沖X射線檢測(cè)設(shè)備輻射劑量比較小，成像效果比較理想，可以在適當(dāng)?shù)默F(xiàn)場(chǎng)用其提高工作效率。

輸配電工程；X射線；脈沖；小型化；電纜檢測(cè)

劉榮海，馬朋飛，史騰飛，等.電纜X射線檢測(cè)設(shè)備小型化研究[J].河北工業(yè)科技,2016,33(5):379-384.

LIU Ronghai，MA Pengfei，SHI Tengfei，et al. Research on small X-ray inspection equipment for cables[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(5):379-384.

電纜被應(yīng)用于電力傳輸已經(jīng)有上百年的歷史了，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，電纜在不同部門、不同領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是近年來(lái)由于地下電纜密布而且地上的電纜標(biāo)識(shí)物不夠明確等原因，導(dǎo)致在施工過(guò)程中電纜被損壞的事件時(shí)常發(fā)生,造成了巨大損失。因此， 當(dāng)電纜被損壞時(shí)需要及時(shí)查明其損壞的程度，以便工作人員設(shè)計(jì)維修方案和處理辦法，減少電纜損壞帶來(lái)的損失。

傳統(tǒng)的電纜故障檢測(cè)方法有測(cè)量電阻電橋法、低壓脈沖反射法、脈沖電壓取樣法、脈沖電流取樣法和二次脈沖法等[1-3]；電纜故障的定點(diǎn)方法有聲測(cè)法、聲磁同步法、音頻感應(yīng)法等[4-7]。但是這些方法僅僅找出電纜故障的位置和類型，不能清楚顯示電纜受損程度。近年來(lái)，由于X射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，利用X射線對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)可以清楚地查明設(shè)備的故障原因。所以利用X射線進(jìn)行設(shè)備的故障檢測(cè)越來(lái)越受到人們的重視[8-11]。

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司從2009年就在電網(wǎng)設(shè)備的檢測(cè)中，針對(duì)不同被檢測(cè)設(shè)備的焦距、管電壓的選擇等開始進(jìn)行X射線數(shù)字成像技術(shù)的應(yīng)用及系統(tǒng)研發(fā)工作。由于電纜一般位于地下，檢修空間狹小，適宜選擇小型的檢測(cè)設(shè)備對(duì)電纜進(jìn)行檢測(cè)，所以本文選擇脈沖X射線機(jī)和膠片相結(jié)合的技術(shù)對(duì)電纜進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。首先檢測(cè)了XRS-3脈沖X射線機(jī)的輻射劑量，結(jié)合膠片對(duì)普通電纜進(jìn)行了X射線照射，驗(yàn)證了脈沖X射線機(jī)發(fā)出的射線對(duì)電纜具有透射成像能力，并得到脈沖X射線機(jī)對(duì)電纜透照比較理想時(shí)的參數(shù)，比如焦距、管電壓、管電流等。之后在實(shí)驗(yàn)室對(duì)普通電纜進(jìn)行了模擬破壞，并利用之前得到的參數(shù)對(duì)模擬破壞后的電纜進(jìn)行了X射線透照，得到并分析了X射線的電纜透照?qǐng)D片，驗(yàn)證了脈沖X射線加膠片技術(shù)對(duì)電纜的缺陷進(jìn)行檢測(cè)的能力和可行性。

1 小型化X射線檢測(cè)系統(tǒng)

X射線的發(fā)現(xiàn)至今已逾百年，其在醫(yī)藥、航天、機(jī)械等行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)目前的代表方向?yàn)橹苯訑?shù)字成像，具體分為電腦直接成像技術(shù)(CR)和數(shù)字平板直接成像技術(shù)(DR)[12]。本研究對(duì)象為在施工過(guò)程中被破壞的地下電纜，電纜周圍的可操作空間狹小，所以筆者選用可于狹小空間進(jìn)行檢測(cè)的CR成像技術(shù)。

1.1 X射線數(shù)字成像技術(shù)原理

X射線在穿透物體過(guò)程中會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因吸收和散射而使其強(qiáng)度減弱[13],如果被照射物體的局部存在厚度差，則該局部區(qū)域透過(guò)射線強(qiáng)度就會(huì)與周圍產(chǎn)生差異[14-15]。這種射線強(qiáng)度差異照射在膠片或者成像板上，在底片上的相應(yīng)部位就會(huì)產(chǎn)生黑度差異[16]，最后在成像板上成像。

1.2 X射線檢測(cè)系統(tǒng)組成

利用云南電力科學(xué)研究院開發(fā)研制的基于X射線的電力設(shè)備CR成像系統(tǒng)對(duì)電纜進(jìn)行檢測(cè)，該系統(tǒng)由Golden Electric XRS-3 脈沖X射線機(jī)、IP板、電腦、附件等組成。IP板將含有微量元素銪的氟溴化鋇結(jié)晶體涂在支持體表面，當(dāng)X射線穿過(guò)物體后，穿透的射線能量不夠均勻，導(dǎo)致IP板感光并且形成潛影，這就是IP板成像的原理。

本文選用的Golden Electric XRS-3 脈沖X射線機(jī)，實(shí)物圖如圖1所示，其參數(shù)如表1所示，該設(shè)備的突出優(yōu)點(diǎn)有：1)質(zhì)量輕，只有5.4 kg; 2)使用充電電池，每塊電池可連續(xù)工作2 h，脈沖X射線機(jī)由脈沖功率驅(qū)動(dòng)源、螺旋高壓發(fā)射器、冷陰極閃光X射線管及鉛酸電池電源構(gòu)成。其工作原理是，脈沖功率驅(qū)動(dòng)源在控制信號(hào)的控制下產(chǎn)生直流高壓，為螺旋型高壓發(fā)生器充電，螺旋型高壓發(fā)生器產(chǎn)生的高壓脈沖加在冷陰極閃光X射線管的陽(yáng)極與陰極之間，使其產(chǎn)生脈沖X射線[17]。

圖1 XRS-3脈沖X射線機(jī)Fig.1 XRS-3 pulse X ray machine

表1 XRS-3脈沖X射線機(jī)基本參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

電纜出現(xiàn)故障的情況大致可以分為2種：1)施工過(guò)程中由于施工人員粗心大意導(dǎo)致電纜被破壞；2)電纜由于老化等原因在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障。本文所設(shè)計(jì)的小型化X射線檢測(cè)設(shè)備主要針對(duì)第1種情況進(jìn)行檢測(cè)。由于施工人員沒有注意到安全標(biāo)識(shí)，導(dǎo)致在挖掘機(jī)工作或者工人鏟土等過(guò)程中造成地下電纜被損壞。由于這時(shí)地下電纜周圍的土已經(jīng)被施工方挖開，所以檢測(cè)時(shí)可以在被損壞的地下電纜周圍進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，以提供布置檢測(cè)儀器的空間。

2.1 XRS-3脈沖源與連續(xù)發(fā)射源的輻射劑量比較

連續(xù)射線照射源照射電纜，最小輻射量的透照參數(shù)為80 kV，2 mA，4 s；脈沖射線源透照參數(shù)為270 kV，0.25 mA，3×10-7s，按照文獻(xiàn)[18]中的公式可以得到射線人員單位時(shí)間內(nèi)接收的射線劑量為

(1)

式中：u為管電壓；i為管電流；m為被照射人的質(zhì)量；S為被照射人的受照面積；R為射線人員與射線源之間的距離；B為積累因子；μ為光子在物質(zhì)中的線衰減系數(shù)；d為屏蔽層厚度；e為自然對(duì)數(shù)的底。在同樣作業(yè)半徑R處，將脈沖射線源透照參數(shù)和連續(xù)射線元透照參數(shù)代入式(1)得到電纜單次脈沖射線源透照的輻射劑量為

(2)

單次連續(xù)射線源透照的輻射劑量為

(3)

由式(2)和式(3)可知電纜單次脈沖射線源透照的輻射劑量?jī)H為連續(xù)射線源的1/(6.4×106)。

2.2 脈沖X射線機(jī)輻射劑量的測(cè)量

為驗(yàn)證脈沖X射線機(jī)的輻射劑量，筆者在實(shí)驗(yàn)室利用Golden Electric XRS-3 脈沖X射線機(jī)和輻射測(cè)量?jī)x進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。在以脈沖X射線機(jī)為圓心,半徑為r的圓上每隔90°分別選取a,b,c,d 4個(gè)點(diǎn)，在這4個(gè)點(diǎn)放置輻射測(cè)量?jī)x，測(cè)量脈沖X射線機(jī)工作時(shí)4個(gè)點(diǎn)的輻射劑量。試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 脈沖X射線機(jī)輻射劑量測(cè)量 Fig.2 Radiation dose measurement of pulsed X ray machine

測(cè)量結(jié)果如表2所示。由圖中的數(shù)據(jù)可以看出，在脈沖X射線機(jī)發(fā)出的X射線主要位于X射線機(jī)的正前方。在X射線機(jī)的側(cè)方和后方，X射線劑量率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正前方，并且隨著距離的增加，X射線強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)距離X射線機(jī)10m時(shí)，在X射線機(jī)的側(cè)方和后方已經(jīng)檢測(cè)不到X射線的強(qiáng)度，但是正前方的X射線強(qiáng)度依然比較強(qiáng)。

2.3 脈沖X射線源脈沖數(shù)的選取

不同電壓等級(jí)、不同脈沖時(shí)間時(shí)，脈沖機(jī)的脈沖數(shù)n的選擇(推薦焦距800～1 300 mm)應(yīng)滿足nut≥50×270×5×10-8=6.75×10-4(kV·s)，其中:u為脈沖射線機(jī)的管電壓;t為單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間。本試驗(yàn)中脈沖X射線機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)應(yīng)大于50。

表2 XRS-3脈沖X射線機(jī)劑量測(cè)量結(jié)果

2.4 試驗(yàn)

2.4.1 透照能力驗(yàn)證

為了驗(yàn)證脈沖X射線機(jī)對(duì)中低壓型號(hào)電力電纜的透照能力，利用Golden Electric XRS-3 脈沖X射線機(jī)和IP板對(duì)3～35 kV的電纜進(jìn)行了透照能力的檢驗(yàn)，其中對(duì)10 kV的電纜照射試驗(yàn)按照表3所示的參數(shù)進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖和X射線成像圖見圖3。

表3 透照能力試驗(yàn)X射線參數(shù)

圖3 2種X射線源對(duì)10 kV電力電纜照射試驗(yàn)圖Fig.3 Experiment of two kinds of X radio source on 10 kV power cable

從圖3中可以看出利用連續(xù)X射線源和脈沖X射線源對(duì)電力電纜進(jìn)行透照試驗(yàn)，透照的效果都比較理想，但是由于實(shí)際工況下，電力電纜都位于狹小的地方，連續(xù)X射線源的機(jī)體過(guò)于笨重，不適合在狹小的地方對(duì)電力電纜進(jìn)行透照檢測(cè)。而脈沖X射線源機(jī)體輕巧方便，適合在狹小的空間使用。所以在實(shí)際檢測(cè)電纜時(shí)應(yīng)使用脈沖X射線源更加方便，本試驗(yàn)說(shuō)明了利用脈沖X射線對(duì)電纜進(jìn)行透照的可行性。

2.4.2 對(duì)破損電纜進(jìn)行試驗(yàn)

在X射線無(wú)損檢測(cè)中參數(shù)的選擇至關(guān)重要[12]。在脈沖X射線試驗(yàn)中焦距的選擇和脈沖的個(gè)數(shù)對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果會(huì)有很大的影響，所以有必要對(duì)透照參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以得到優(yōu)質(zhì)圖像[19-22]。根據(jù)前期試驗(yàn)和設(shè)備基本參數(shù)設(shè)置橫截面積為300 mm2的單芯26/35 kV電力電纜，進(jìn)行脈沖X射線檢測(cè)。檢測(cè)的參數(shù)焦距為1 150 mm，脈沖個(gè)數(shù)為60，管電壓為270 kV，管電流為0.25 mA。下文對(duì)電纜的透照檢測(cè)均采用此參數(shù)。

試驗(yàn)前對(duì)電纜進(jìn)行了模擬破壞，破壞主要包括利用釘子、鋼鋸和鋤頭對(duì)電纜進(jìn)行不同程度的破壞，來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)施工的過(guò)程中由于工人操作不當(dāng)導(dǎo)致的地下電纜受到的損傷，比如：工人在用鐵鏟鏟土?xí)r，由于不清楚地下有電纜而鏟到電纜上造成的傷痕；工人利用挖掘機(jī)不小心碰傷電纜以及利用鐵鎬工作時(shí)造成的電纜損傷等。有時(shí)，由于工人所使用的工具較重，且并不鋒利，可能造成電力電纜雖然外表看來(lái)只有表皮破損，但實(shí)際上電纜內(nèi)部也被嚴(yán)重破壞，所以對(duì)表皮輕微破損的情況也進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，如圖4所示。

圖4 電纜受損情況Fig.4 Cable damage

圖4 a)、圖4 b)、圖4 c)分別表示電纜的防護(hù)層、絕緣層和電纜芯受損情況，其中每幅圖中的3個(gè)傷痕分別表示由鋤頭、鋼鋸和釘子進(jìn)行的模擬破壞情況。圖4 a)只是對(duì)電纜最外面的防護(hù)層進(jìn)行破壞，沒有破壞到絕緣層，這模擬的是施工過(guò)程中對(duì)電纜的輕度破壞；圖4 b)中將防護(hù)層全部破壞并破壞了部分絕緣層，這是模擬電纜受到比較嚴(yán)重破壞的情況；圖4 c)中防護(hù)層和絕緣層全部被破壞，電纜芯也部分被破壞，這是模擬電纜受到非常嚴(yán)重破壞的情況。圖5為脈沖射線源檢測(cè)布置圖。

圖5中f為檢測(cè)源到被檢測(cè)部件表面的距離，d為X射線源檢點(diǎn)尺寸，b為工件表面至射線接受轉(zhuǎn)換裝置的距離,1為X射線源，2為平板探測(cè)器。

圖6中可以清楚地看出電纜的受損情況，在圖6 a)中可以清楚地看出位于電纜最外層的防護(hù)層受到損壞，但是損壞程度比較小，沒有損傷到電纜的絕緣層部分；圖6 b)、圖6 c)都可以看出電纜的防護(hù)層被完全破壞，絕緣層也受到破壞，其中利用鐵絲作為

標(biāo)識(shí)物可以方便地看出受到損壞的深度；圖6 d)可以看出電纜芯受到嚴(yán)重的損傷。從成像質(zhì)量來(lái)說(shuō)連續(xù)X射線源數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)與脈沖X射線源數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)都很理想，可以明確地看出受損部位和受損程度。

圖6 脈沖X射線源檢測(cè)成像效果Fig.6 Imaging effect of pulsed X-ray source

3 結(jié) 論

利用脈沖X射線源和IP板的組合技術(shù)可對(duì)26/35 kV電力電纜外部以及內(nèi)部受到的損傷進(jìn)行檢測(cè)和診斷，可以了解26/35 kV電力電纜受到的損傷程度。得到了在進(jìn)行脈沖X射線源和IP板對(duì)受損26/35 kV電力電纜進(jìn)行射線透照時(shí)推薦的基本參數(shù)：焦距為850～1 200 mm，脈沖個(gè)數(shù)為50～80，透照焦距和脈沖個(gè)數(shù)應(yīng)根據(jù)不同的脈沖X射線機(jī)的電壓和實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以達(dá)到最好的效果。

脈沖X射線機(jī)在發(fā)射X射線時(shí)的輻射劑量較小，僅為連續(xù)X射線源的1/(6.4×106)，脈沖X射線機(jī)的側(cè)面的射線強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正面，而位于X射線后面的射線強(qiáng)度為0，并且輻射劑量隨著距離的增大而減小，當(dāng)距離為10 m時(shí)位于射線機(jī)側(cè)方的X射線強(qiáng)度為0，所以建議操作人員在進(jìn)行脈沖X射線檢測(cè)時(shí)站在脈沖X射線機(jī)的正后方10 m以外的位置。

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Research on small X-ray inspection equipment for cables

LIU Ronghai1, MA Pengfei2,3, SHI Tengfei2,3, YANG Yingchun1, ZHENG Xin1

(1.Electric Science Research Institute, Yunnan Electric Power Grid Corporation, Kunming, Yunnan 650217, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China;3.Graduate Workstation， North China Electric Power University & Yunnan Electric Power Grid Corporation, Kunming, Yunnan 650217,China)

In order to solve the problem of low efficiency of traditional X-ray detection equipments, the paper puts forward a method to detect the power cable with a miniaturized X-ray detection equipment. In order to verify the feasibility of this method, the radiation dose of a small X-ray machine is studied, and the X-ray transmission capability and imaging quality of the cable are carried out by using the combination of small X-ray machine and IP board, and the simulated damaged cable is irradiated by a miniaturized X-ray detection device. It is concluded that the radiation dose of small pulsed X-ray detection equipment is relatively small, and it's imaging effect is ideal, so it can be used to improve the working efficiency in the appropriate field.

transmission and distribution engineering； X-ray; pulse; miniaturization; cable detection

1008-1534(2016)05-0379-06

2016-04-17;

2016-06-28；責(zé)任編輯：李 穆

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院重點(diǎn)項(xiàng)目(K-NY15069)

劉榮海(1984—)，男，云南楚雄人，工程師，碩士，主要從事電力設(shè)備X射線檢測(cè)方面的研究。

E-mail:lrh19842004@163.com

TM595

A

10.7535/hbgykj.2016yx05004