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射線檢測設(shè)備對電力電纜進行檢測的方法，以解決傳統(tǒng)X射線設(shè)備效率低下的問題。為了驗證這種方法的可行性，研究了小型X射線機的輻射劑量，利用小型X射線機和IP板的組合對電纜進行了X射線透射能力和成像質(zhì)量的試驗，并利用小型化X射線檢測設(shè)備對被模擬破壞的電纜進行透照試驗。結(jié)果表明：小型化脈沖X射線檢測設(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

劉榮海，馬朋飛，史騰飛，等.電纜X射線檢測設(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)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是近年來由于地下電纜密布而且地上的電纜標識物不夠明確等原因，導(dǎo)致在施工過程中電纜被損壞的事件時常發(fā)生,造成了巨大損失。因此， 當(dāng)電纜被損壞時需要及時查明其損壞的程度，以便工作人員設(shè)計維修方案和處理辦法，減少電纜損壞帶來的損失。

傳統(tǒng)的電纜故障檢測方法有測量電阻電橋法、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]；電纜故障的定點方法有聲測法、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，由于X射線無損檢測技術(shù)的發(fā)展，利用X射線對故障設(shè)備進行檢測可以清楚地查明設(shè)備的故障原因。所以利用X射線進行設(shè)備的故障檢測越來越受到人們的重視[8-11]。

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司從2009年就在電網(wǎng)設(shè)備的檢測中，針對不同被檢測設(shè)備的焦距、管電壓的選擇等開始進行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設(shè)備對電纜進行檢測，所以本文選擇脈沖X射線機和膠片相結(jié)合的技術(shù)對電纜進行檢測試驗。首先檢測了XRS-3脈沖X射線機的輻射劑量，結(jié)合膠片對普通電纜進行了X射線照射，驗證了脈沖X射線機發(fā)出的射線對電纜具有透射成像能力，并得到脈沖X射線機對電纜透照比較理想時的參數(shù)，比如焦距、管電壓、管電流等。之后在實驗室對普通電纜進行了模擬破壞，并利用之前得到的參數(shù)對模擬破壞后的電纜進行了X射線透照，得到并分析了X射線的電纜透照圖片，驗證了脈沖X射線加膠片技術(shù)對電纜的缺陷進行檢測的能力和可行性。

1 小型化X射線檢測系統(tǒng)

X射線的發(fā)現(xiàn)至今已逾百年，其在醫(yī)藥、航天、機械等行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)目前的代表方向為直接數(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]。本研究對象為在施工過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行檢測的CR成像技術(shù)。

1.1 X射線數(shù)字成像技術(shù)原理

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

1.2 X射線檢測系統(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)對電纜進行檢測，該系統(tǒng)由Golden Electric XRS-3 脈沖X射線機、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，實物圖如圖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射線機由脈沖功率驅(qū)動源、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)動源在控制信號的控制下產(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Fig.1 XRS-3 pulse X ray machine

表1 XRS-3脈沖X射線機基本參數(shù)

2 實驗測試及數(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行過程中出現(xiàn)故障。本文所設(shè)計的小型化X射線檢測設(shè)備主要針對第1種情況進行檢測。由于施工人員沒有注意到安全標識，導(dǎo)致在挖掘機工作或者工人鏟土等過程中造成地下電纜被損壞。由于這時地下電纜周圍的土已經(jīng)被施工方挖開，所以檢測時可以在被損壞的地下電纜周圍進行簡單的處理，以提供布置檢測儀器的空間。

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[18]中的公式可以得到射線人員單位時間內(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僅為連續(xù)射線源的1/(6.4×106)。

2.2 脈沖X射線機輻射劑量的測量

為驗證脈沖X射線機的輻射劑量，筆者在實驗室利用Golden Electric XRS-3 脈沖X射線機和輻射測量儀進行了實際測量。在以脈沖X射線機為圓心,半徑為r的圓上每隔90°分別選取a,b,c,d 4個點，在這4個點放置輻射測量儀，測量脈沖X射線機工作時4個點的輻射劑量。試驗過程如圖2所示。

圖2 脈沖X射線機輻射劑量測量 Fig.2 Radiation dose measurement of pulsed X ray machine

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

2.3 脈沖X射線源脈沖數(shù)的選取

不同電壓等級、不同脈沖時間時，脈沖機的脈沖數(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為脈沖射線機的管電壓;t為單個脈沖持續(xù)時間。本試驗中脈沖X射線機的脈沖個數(shù)應(yīng)大于50。

表2 XRS-3脈沖X射線機劑量測量結(jié)果

2.4 試驗

2.4.1 透照能力驗證

為了驗證脈沖X射線機對中低壓型號電力電纜的透照能力，利用Golden Electric XRS-3 脈沖X射線機和IP板對3～35 kV的電纜進行了透照能力的檢驗，其中對10 kV的電纜照射試驗按照表3所示的參數(shù)進行，現(xiàn)場試驗圖和X射線成像圖見圖3。

表3 透照能力試驗X射線參數(shù)

圖3 2種X射線源對10 kV電力電纜照射試驗圖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射線源對電力電纜進行透照試驗，透照的效果都比較理想，但是由于實際工況下，電力電纜都位于狹小的地方，連續(xù)X射線源的機體過于笨重，不適合在狹小的地方對電力電纜進行透照檢測。而脈沖X射線源機體輕巧方便，適合在狹小的空間使用。所以在實際檢測電纜時應(yīng)使用脈沖X射線源更加方便，本試驗說明了利用脈沖X射線對電纜進行透照的可行性。

2.4.2 對破損電纜進行試驗

在X射線無損檢測中參數(shù)的選擇至關(guān)重要[12]。在脈沖X射線試驗中焦距的選擇和脈沖的個數(shù)對試驗的結(jié)果會有很大的影響，所以有必要對透照參數(shù)進行優(yōu)化，以得到優(yōu)質(zhì)圖像[19-22]。根據(jù)前期試驗和設(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，進行脈沖X射線檢測。檢測的參數(shù)焦距為1 150 mm，脈沖個數(shù)為60，管電壓為270 kV，管電流為0.25 mA。下文對電纜的透照檢測均采用此參數(shù)。

試驗前對電纜進行了模擬破壞，破壞主要包括利用釘子、鋼鋸和鋤頭對電纜進行不同程度的破壞，來模擬現(xiàn)實施工的過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；工人利用挖掘機不小心碰傷電纜以及利用鐵鎬工作時造成的電纜損傷等。有時，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只有表皮破損，但實際上電纜內(nèi)部也被嚴重破壞，所以對表皮輕微破損的情況也進行了模擬試驗，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層、絕緣層和電纜芯受損情況，其中每幅圖中的3個傷痕分別表示由鋤頭、鋼鋸和釘子進行的模擬破壞情況。圖4 a)只是對電纜最外面的防護層進行破壞，沒有破壞到絕緣層，這模擬的是施工過程中對電纜的輕度破壞；圖4 b)中將防護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重破壞的情況；圖4 c)中防護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重破壞的情況。圖5為脈沖射線源檢測布置圖。

圖5中f為檢測源到被檢測部件表面的距離，d為X射線源檢點尺寸，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層被完全破壞，絕緣層也受到破壞，其中利用鐵絲作為

標識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重的損傷。從成像質(zhì)量來說連續(xù)X射線源數(shù)字成像檢測系統(tǒng)與脈沖X射線源數(shù)字成像檢測系統(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26/35 kV電力電纜外部以及內(nèi)部受到的損傷進行檢測和診斷，可以了解26/35 kV電力電纜受到的損傷程度。得到了在進行脈沖X射線源和IP板對受損26/35 kV電力電纜進行射線透照時推薦的基本參數(shù)：焦距為850～1 200 mm，脈沖個數(shù)為50～80，透照焦距和脈沖個數(shù)應(yīng)根據(jù)不同的脈沖X射線機的電壓和實際情況進行相應(yīng)調(diào)整，以達到最好的效果。

脈沖X射線機在發(fā)射X射線時的輻射劑量較小，僅為連續(xù)X射線源的1/(6.4×106)，脈沖X射線機的側(cè)面的射線強度遠遠小于正面，而位于X射線后面的射線強度為0，并且輻射劑量隨著距離的增大而減小，當(dāng)距離為10 m時位于射線機側(cè)方的X射線強度為0，所以建議操作人員在進行脈沖X射線檢測時站在脈沖X射線機的正后方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)研究院重點項目(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射線檢測方面的研究。

E-mail:lrh19842004@163.com

TM595

A

10.7535/hbgykj.2016yx05004