趙文君，欒崇彪，馮 藩，施 逸，蔣益強(qiáng)，蘭 浩

(1.國網(wǎng)四川省電力公司宜賓供電公司，四川 宜賓 644000；2.中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621000；3.國網(wǎng)四川省電力公司綿陽供電公司，四川 綿陽 621000)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的飛速推進(jìn)，城市電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力電纜作為城市清潔能源的主要傳輸通道，敷設(shè)數(shù)量增長(zhǎng)迅猛，其平均年增長(zhǎng)量高達(dá)35%[1]。與架空裸導(dǎo)線相比，電力電纜具有占用土地資源少、受自然條件限制小、不影響城市美觀、運(yùn)行效率高以及安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)電力電纜在生產(chǎn)或運(yùn)輸過程中存在局部缺陷時(shí)，容易導(dǎo)致其在運(yùn)行中局部電場(chǎng)不均勻，長(zhǎng)期下去引起電纜局部放電，造成安全隱患。尤其是電纜頭作為電氣連接關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其制作工藝不良或制作操作不規(guī)范，也往往給電纜線路的安全運(yùn)行帶來危害。因此，相應(yīng)的保障電力電纜安全運(yùn)行的局部放電檢測(cè)、診斷成像技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2-5]。

目前電力電纜現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)中，較為簡(jiǎn)便也較為成熟的主要包括紅外精確測(cè)溫、超聲波以及高頻電流局部放電檢測(cè)。但由于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境的干擾以及電力電纜頭內(nèi)部元件的不可視性，無法實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行或不解體情況下準(zhǔn)確找出缺陷原因。下面通過對(duì)一起35 kV單芯高壓電力電纜頭絕緣放電案例進(jìn)行詳細(xì)分析，利用紅外精確測(cè)溫、超聲波以及高頻電流局放檢測(cè)的有效性，創(chuàng)新性地引入X射線吸收襯度成像技術(shù)，輔助診斷、定性電纜頭缺陷。通過比對(duì)紅外精確測(cè)溫、超聲波和高頻電流局放、X射線吸收襯度成像的檢測(cè)結(jié)果，綜合診斷缺陷類型，分析缺陷原因。最后通過解體電纜頭，驗(yàn)收上述診斷及分析的準(zhǔn)確性。

1 X射線吸收襯度成像技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

X射線吸收襯度成像技術(shù)[6-7]如圖1所示。其中，X射線源為吸收色毫米級(jí)焦斑；源光柵為微米級(jí)寬線光源，其作用為增強(qiáng)橫向相干性；樣品為生物組織或低密度材料等；相位光柵作用為相位周期調(diào)制且自成像條紋；分析光柵作用是將偏折角轉(zhuǎn)為透射強(qiáng)度或相位掃描；二維探測(cè)器像素為數(shù)十微米。

圖1 X射線吸收襯度成像技術(shù)原理

吸收襯度成像原理是通過檢測(cè)非相干疊加的光柵自成像條紋的位置移動(dòng)和強(qiáng)度衰減等獲得樣品的吸收、相位和暗場(chǎng)襯度圖像。采用X射線吸收襯度暗場(chǎng)襯度成像技術(shù)，可將電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)以圖像形式顯示，能夠清晰準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)缺陷部位，為分析缺陷原因提供支撐。

2 案例檢測(cè)過程

在某110 kV變電站專業(yè)巡視過程中，發(fā)現(xiàn)某35 kV出線電纜C相出線電纜頭紅外圖譜特征異常，后經(jīng)超聲波及高頻電流局放檢測(cè)論證，確診其電纜頭內(nèi)部存在局部放電。為進(jìn)一步查找放電點(diǎn)，分析放電原因，對(duì)該電纜頭開展了X射線吸收襯度暗場(chǎng)襯度成像分析。

2.1 紅外精確測(cè)溫

紅外精確測(cè)溫采用常見的FLIR紅外測(cè)溫儀，其中該35 kV間隔出線電纜頭A、B兩相相同位置未發(fā)現(xiàn)紅外圖譜異常，C相電纜頭紅外熱成像[8]異常圖譜如圖2所示。

圖2 紅外熱成像檢測(cè)

其中圖2(a)為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下紅外熱成像圖譜，從圖中可以清晰看出該電纜頭發(fā)熱現(xiàn)象明顯，發(fā)熱點(diǎn)位于第一片傘裙與第二片傘裙之間(從下至上)。為更清晰了解其溫升情況，采集圖2(a)中A點(diǎn)到C點(diǎn)直線溫度變化曲線，如圖2(b)所示。圖2(b)中A點(diǎn)像素點(diǎn)為1，B點(diǎn)像素點(diǎn)為303，C點(diǎn)像素點(diǎn)為150(溫度最高點(diǎn))。圖2(b)中C點(diǎn)溫度為26.4 ℃，環(huán)境溫度小于8.3 ℃，則其同設(shè)備同材質(zhì)溫升大于18.1 K，依據(jù)DL/T 664—2016《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》，判斷該電纜存在“嚴(yán)重”以上的電壓致熱型缺陷。

2.2 超聲波檢測(cè)

利用型號(hào)為PDS-T90的局部放電測(cè)試儀進(jìn)行超聲波測(cè)試[9]，測(cè)試方法為：將傳感器正對(duì)圖2(a)中C點(diǎn)位置，并沿該電纜頭進(jìn)行360°局部放電測(cè)試，測(cè)試過程中應(yīng)與帶電部位保持足夠安全距離，與該電纜保持0.7 m的測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 超聲波檢測(cè)

圖3采集兩個(gè)運(yùn)行電壓周期下放電特性。從圖中可以看出，每個(gè)周期內(nèi)存在兩簇放電信號(hào)，放電幅值及相位較為穩(wěn)定，其中放電觸發(fā)幅值位于工頻交流正弦波上升沿上，其放電幅值在40 dB增益下高達(dá)17 mV。由此可以推斷該電纜頭存在較強(qiáng)的局部放電，放電類型為絕緣性放電。

2.3 高頻局部放電流檢測(cè)

用PDS-T90局部放電測(cè)試儀在該電纜屏蔽層接地軟銅線處進(jìn)行高頻電流局部放電檢測(cè)[10-11]。檢測(cè)結(jié)果表明，該電纜存在絕緣性放電，其放電幾乎覆蓋整個(gè)周期相位。局部放電相位分布(phase resolved partial discharge，PRPD)和脈沖序列相位分布(phase resolved pulse sequence，PRPS)圖譜如圖4所示。根據(jù)圖譜特征判斷為絕緣性放電，與超聲波檢測(cè)結(jié)果一致。

圖4 高頻局部放電電流檢測(cè)

2.4 X射線吸收襯度成像檢測(cè)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該電纜放電特征，研究局部放電作用下電纜絕緣層老化、放電通道形成機(jī)理，以及不良工藝情況下導(dǎo)致裂紋等缺陷的圖形成像特征，對(duì)該故障電纜頭進(jìn)行X射線吸收襯度(暗場(chǎng)襯度)成像檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 X射線吸收襯度成像檢測(cè)

圖5(a)為存在絕緣放電缺陷的35 kV電纜頭。根據(jù)紅外熱成像、超聲波以及高頻局放電流檢測(cè)結(jié)果，圖中黑色方框區(qū)域存在局部放電缺陷，并對(duì)該區(qū)域進(jìn)行X射線暗場(chǎng)襯度檢測(cè)。根據(jù)不同照射劑量，其成像結(jié)果不同，圖5(b)的照射劑量為15 mR，圖5(c)的照射劑量為30 mR。通過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)圖5(c)距離屏蔽層接地軟連接纏繞處朝左處存在明顯淡色區(qū)域，該區(qū)域形成主要是該處材料對(duì)X光吸收與周圍材料吸收程度不同而影像顯示差異。

根據(jù)該35 kV單芯電纜結(jié)構(gòu)可知，該淡色區(qū)域處應(yīng)為半導(dǎo)體應(yīng)力管覆蓋在電纜本體半導(dǎo)體層上，兩者材料相同，用于均勻電場(chǎng)，改善電場(chǎng)分布，避免局部放電發(fā)生。由于電纜頭在制作過程中未嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行安裝，導(dǎo)致設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生局部放電。

3 解體及分析

為確定放電位置，分析放電原因，對(duì)該故障電纜頭進(jìn)行解體，發(fā)現(xiàn)其半導(dǎo)體應(yīng)力管表面與護(hù)套絕緣之間存在放電，其表面有大量放電電痕，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)紅外精確測(cè)溫圖譜異常，見圖6(a)所示。對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)力管解體時(shí)，發(fā)現(xiàn)其半導(dǎo)體應(yīng)力管與電纜頭本體半導(dǎo)體層之間未直接相連，存在1～2 mm縫隙被填充膠填充，半導(dǎo)體應(yīng)力管未起到均勻電場(chǎng)作用產(chǎn)生絕緣放電，見圖6(b)所示。

圖6 放電(發(fā)熱)位置解體

4 結(jié) 論

綜上所述，此次絕緣放電原因?yàn)殡娎|頭半導(dǎo)體應(yīng)力管未覆蓋在電纜本體半導(dǎo)體層上，導(dǎo)致其電場(chǎng)分布不均，引起電纜頭絕緣放電。

紅外精確測(cè)溫、超聲波檢測(cè)以及高頻電流局部放電檢測(cè)是檢測(cè)高壓電纜頭缺陷的常用方法，能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過程中較為嚴(yán)重的絕緣性放電缺陷。X射線吸收襯度成像技術(shù)能夠有效輔助診斷，定性電纜頭缺陷，同時(shí)對(duì)電纜絕緣層孔洞、裂紋等微工藝缺陷進(jìn)行直觀檢測(cè)。所提方法成功實(shí)現(xiàn)了X射線吸收襯度成像技術(shù)對(duì)電纜頭內(nèi)部工藝性缺陷可視性診斷，為推進(jìn)X射線對(duì)運(yùn)行設(shè)備內(nèi)部可視性分析奠定基礎(chǔ)。