CN114034723A

CN114034723A - 一种基于x射线的xlpe电缆微小电树枝缺陷的检测方法

Info

Publication number: CN114034723A
Application number: CN202111410780.3A
Authority: CN
Inventors: 吴诗优; 郑书生; 张宗衡
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2022-02-11

Abstract

本发明公开了一种基于X射线的交联聚乙烯（XLPE）电缆微小电树枝缺陷的检测方法，包括X射线机，X射线准直器，含微小电树枝缺陷的XLPE电缆试样（电树枝长度小于0.5mm），50Ω同轴电缆，变压器，检测阻抗和局部放电检测仪。该方法具体为：X射线机发射X射线，准直器将X射线准直，准直后的X射线照射至XLPE电缆，对电缆施加工频高压，采用脉冲电流法检测局部放电；通过X射线照射电缆的微小电树枝缺陷，观察局部放电的变化，当X射线照射无缺陷的电缆时无局部放电信号；当X射线照射含微小电树枝缺陷的电缆时出现局部放电信号，以此判断存在电树枝缺陷。本发明提出的方法具有检测灵敏度高、适用性强的优点，可为XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测提供一种新方法。

Description

一种基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法

技术领域

本发明涉及电缆缺陷检测领域，特别是涉及一种基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法。

背景技术

XLPE电缆具有众多的优点，在电力系统中被广泛应用，尤其是在城市、海岛配电系统，能大大缩减输电设备的占地面积。经过出厂、交接等试验后， XLPE电缆大部分的大尺寸缺陷都能被检测出来，而对于微小凸起毛刺很难检测出来。这些缺陷在运行过程中会导致局部电厂集中，形成高场强区域，最终会导致绝缘老化最终形成微小充满气体的放电微孔，进而发展为电树枝。对于微小的电树枝（长度小于0.5mm）缺陷，能够检测到的局部放电量非常小，只有 0.05～0.1pC左右的局部放电脉冲，由于XLPE电缆的运行环境存在噪声等干扰因素，很难从采集到的信号中分辨出局部放电信号，并且微小缺陷局部放电的统计时延非常大，在有限的检修时间内难以检测出来。存在微小的电树枝会持续生长，最终导致电缆的击穿。

常用X射线数字成像技术对电力设备进行拍摄，对照片进行分析找到缺陷的位置，但此方法通常对大尺寸的缺陷有效，微小电树枝成像难以辨别，并且成像效果受影响的因素较多。已有的研究表明X射线的光电离作用能够激励局放，缩短局部放电的统计时延和降低起始电压，对放电起加强作用。

X射线照射电树枝非导电气隙通道提供的初始电子数定量计算，由附图4说明，包括X射线机1，X射线束2，电缆铠装层3，XLPE绝缘4，电缆线芯5，微小电树枝缺陷6。

X射线照射到电树枝非导电通道的气隙所辐照的剂量为I₁：

其中：B为X射线散射的修正系数；I₀为X射线机发射孔处的剂量，与射线机的管电压、管电流、靶心材料有关；r₀为X射线靶心到发射孔的距离；r为X射线靶心至电树枝的距离；d₁为电缆铠装厚度；d₂为XLPE厚度；μ_Air为空气的线性衰减系数；μ_Fe为电缆铠装层的线性衰减系数（电缆铠装层材料一般为钢）；μ_E为XLPE的线性衰减系数。

因此，电树枝非导电气隙通道的电子数Ne可由下列公式导出:

式中：q [C/kg]为源发射的光子在周围空气中以单位质量产生的电荷；n为单位电荷电子数；R为空穴的半径；ρ_Branch电树枝非导电通道气隙的密度；V为过电压比，V定义为施加电压与PDIV之比；β为2。

电树枝非导电气隙通道放电的时间滞后是由L.Niemeyer在单位时间内产生的电子数Ne的倒数得出的。放电延迟时间t_inc（定义为向空隙空间提供一个电子所需的时间）表示为：

其中：t_inc为放电延迟时间。

X射线曾被国外公司应用在绝缘子的气隙缺陷检测，但却还未被应用在XLPE电缆，相比绝缘子XLPE电缆直径更小，检测灵敏度会受到限制。虽然XLPE电缆的结构较复杂，但X射线的穿透力强，即使经过铠装层对X射线能量的衰减，依然能够激发XLPE电缆中电树枝非导电气隙通道产生局部放电。X射线机发射的X射线散射很大，若不通过准直器准直，散射较大检测的灵敏度较差。此外X射线的泄露对操作者的安全造成威胁。

因此，在保证检测灵敏度的同时，还需要保证操作者的安全，对电缆中XLPE层的微小电树枝缺陷进行检测，及时更换有缺陷的电缆，避免击穿事故的发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法，以解决常规方法难以检测XLPE电缆内微小电树枝缺陷的问题，准确的对电缆内微小的电树枝缺陷进行检测，具有很强的灵敏度、环境适应能力和安全性。

为实现上述目的，本发明提供如下方案：

一种基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法，包括：通过准直器将X射线准直，准直器的出射孔小于1cm，将准直后的X射线照射在带有微小电树枝缺陷的XLPE电缆上。XLPE电缆线芯接高压，外半导电屏蔽层接地，通过工频变压器施加高压。照射装置带有10mm厚的铅屏蔽箱。将检测阻抗与耦合电容串联，两者串联后与电缆并联，局部放电检测仪检测脉冲电流。在施加高压时，X射线对电缆的进行照射，通过局部放电检测仪观察局部放电强度的变化。由于X射线对电树枝非导电树气隙通道放电具有增强的作用，随着X射线对XLPE电缆进行照射，放电最强的电缆即含有微小电树枝缺陷。

所述的X射线的产生通过便携式民用脉冲X射线机，其管电压为150kV。准直器的出射孔直径为1cm，准直器的长度为20cm，出射孔与XLPE电缆的距离为4cm；所述的局部放电检测仪的灵敏度为0.1pC，；所述的铅屏蔽箱，为了减少X射线向外泄露保护操作者，使用厚度为10mm的铅箱将X射线机封闭，只留直径为5cm的出射孔；所述的整套照射装置不需要额外的电能输入，均通过内部的电池供电。

所述的电缆为常用的35kV交联聚乙烯电缆，XLPE层带有长度小于0.5mm的微小电树枝缺陷，常规的检测方法在较低的电压下难以检测出来，若施加的电压很高会对电缆的绝缘性能造成永久性破坏；所述的准直器出射孔直径为1cm，长度为20cm，是为了保证准直器的准直效果；所述的准直器的出射孔与电缆的距离为4cm，距离尽量小是为了使照射的面积尽量小，提高检测的灵敏度。

可选的，所述的X射线机为脉冲式，60s内至少能够发射15个脉冲，管电压为150kV，管电流为0.5mA。产生的X射线能谱的峰值为100keV，X射线能谱的平均值为75keV，X射线的能量足够激发XLPE内部的电树枝非导电通道气隙通道放电。

可选的，所述的X射线机可通过长度超过10m信号线控制开、关，不需要近距离的操作。X射线机采用电池供电，每块电池充满至少能工作1小时。

可选的，所述的准直器主材质为铅，铅管的内壁为抛光的铝，提高铅管内壁的光滑度，使X射线在准直器内部全反射，准直效果更好。

可选的，所述的局部放电检测仪与检测阻抗的连接线均采用带屏蔽层的50Ω同轴电缆，为了避免外界电磁波对检测仪器带来较大的干扰。

可选的，所述的铅屏蔽箱，为了减少X射线向外泄露，保护操作者，使用厚度为10mm的铅箱将X射线机封闭，只留直径为5cm的出射孔，减少X射线的散射作用。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷得检测方法，包括X射线机，X射线校准装置，含微小电树枝缺陷的XLPE电缆试样，50Ω同轴电缆，变压器，检测阻抗和局部放电检测仪。该方法的具体为：X射线机发射X射线，使用准直器将X射线准直，将准直后的X射线照射在含微小电树枝的XLPE电缆，对电缆施加交流高压，采用脉冲电流法检测局部放电。照射电缆，观察局部放电强度的变化，由于X射线对电树枝非导电树气隙通道放电具有增强的作用，X射线对电缆进行照射，放电最强的即为含有微小电树枝缺陷。照射装置带有10mm的铅防护箱，防止X射线泄露危害使用者。该方法具有检测灵敏度高，操作较简单，适用性强的优点。能够对微小的电树枝缺陷进行检测，并且适应实际XLPE电缆的运行环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法的电路连接示意图；

图2为本发明实施例提供的X射线准直器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的试验操作流程图；

图4为本发明所用方法的检测原理图；

图5为本发明实施例提供的在XPDIV下，装置照射含微小电树枝缺陷的XLPE时，得到局部放电量和放电次数图；

图6为本发明实施例提供的在PDIV下，装置照射含微小电树枝缺陷的XLPE时，得到局部放电量和放电次数图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法，以解决常规试验难以检测XLPE电缆内的微小电树枝的问题，准确的对电缆内微小的电树枝缺陷进行检测，具有很强的环境适应能力和安全性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的一种基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法，其具体步骤如下：

步骤S1：首先获取背景噪声信号的大小，完成空载试验，用局部放电检测仪记录数据，得到噪声幅值的最大值。在以下步骤中对噪声进行滤除，防止误判；

步骤S2：逐级升高工频高压，每次升高0.5kV并保持5min；

步骤S3：若升高电压后，无局放信号。开启X射线机，照射XLPE电缆，若出现局放信号，此时电压记为X射线激励下的局部放电起始电压XPDIV（X-ray-induced partialdischarge inception voltage）并记录局放数据，关闭X射线机，重复步骤S2。开启X射线机，照射XLPE电缆，若未出现局放信号，关闭X射线机，进行步骤S2；

步骤S4：若升高电压后，有局放信号。此时电压记为局部放电起始电压PDIV（partial discharge inception voltage），开启X射线机，记录局放数据，关闭X射线机，在PDIV的基础上继续升高1kV，记录局放数据，开启X射线，记录局放数据，关闭X射线机，停止试验。进行步骤S5；

步骤S5：对局放数据进行分析，综合试样的XPDIV，PDIV、放电量、放电次数判断是否存在微小电树枝缺陷。通过以上步骤完成对微小电树枝缺陷的检测。

参见附图1，图1示出了本发明实例提供的基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法的电路示意图，包括X射线机1，X射线准直器2，铅屏蔽箱3，含微小电树枝缺陷的XLPE电缆试样4，局部放电检测仪5，检测阻抗6，耦合电容7，保护电阻8，50Ω工频变压器9和同轴电缆10。该方法具体为：X射线机发射X射线，使用准直器将X射线准直，将准直后的X射线照射带有微小电树枝的XLPE电缆，对电缆施加交流高压，采用脉冲电流法检测局部放电。

所述的便携式X射线机1发射X射线的角度为45°，若不对X射线进行准直，散射很强难以直射至XLPE电缆的上一个点；所述的准直器2的入射孔与X射线机1的发射口正对，减少X射线的反射；所述的局部放电检测仪5，与检测阻抗6的连接线均采用带屏蔽层的同轴电缆10，为了避免外界电磁波对检测的灵敏度造成影响；所述的准直器2主材质为铅，铅管的内壁材料未抛光的铝，提高内壁的光滑度使X射线在准直器内部反射，准直效果更好。

所述的X射线机1为脉冲式，60s内至少能够发射15个脉冲，管电压为150kV，管电流为0.5mA。产生的X射线能谱的峰值为100keV，X射线能谱的平均值为75keV，X射线的能量足够激发XLPE内部的电树枝非导电气隙通道放电。

由于X射线具有辐射性，长时间暴露在X射线的环境对人的身体影响很大，国家有相应的安全标准。为了保护操作者，使用铅屏蔽箱3厚度为10mm，各个面都是封闭的只在一个面预留一个直径为5cm的口。在除发射面外的其他几个面的2米之外，X射线的辐射剂量小于1μSv/h，满足国家的安全要求。并且X射线机可通过长度超过10m信号线控制开、关，不需要近距离的操作。

可选的，所述的X射线的能量足够激发XLPE内部的电树枝非导电气隙通道放电。

本发明所述的基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法安全性高，对X射线的防护屏蔽措施好。X射线经过准直后散射小，准直器2出射口与含微小电树枝缺陷的XLPE电缆试样4的距离较小，能够使X射线照射在一个很小的区域上，具有很高的检测灵敏度。X射线的传统性能很强，只需要对XLPE电缆的一面进行照射，不需要对背面进行照射，能够缩短检测的时间。

参见附图2，图2示出了本发明实施例提供的X射线准直器的结构示意图，入射孔的直径为4cm，出射孔的直径为1cm，两个孔大小差异的目的是使X射线能够尽量聚束，削减散射作用。射线在界面的折、反射满足菲涅尔公式，当界面越光滑时反射作用越强。为此，管子的内壁材料为抛光的铝，增强光滑度；外层材料为铅，减少X射线的透射。

参见附图3，图3示出了本发明实施提供的试验操作流程图。

参见附图4，图4示出了本发明所用方法的检测原理图，包括X射线机1，X射线束2，电缆铠装层3，XLPE绝缘层4，电缆线芯5，微小电树枝缺陷6。

具体实施例：

参见附图5，图5示出了本发明实施例提供的XPDIV下，装置照射XLPE电缆中微小电树枝缺陷时得到局部放电量和放电次数图。如图5所示，可以明显的看到在X射线照射下，含微小电树的XLPE电缆局部放电量和放电次数明显变大。

参见附图6，图6示出了本发明实施例提供的PDIV下，装置照射XLPE电缆中微小电树枝缺陷时得到局部放电量和放电次数图。如图6所示，可以明显的看到在X射线照射下，含微小电树的XLPE电缆局部放电量在照射X射线后明显变大，放电次数在照射X射线时明显变大。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法，其特征在于，X射线机发射X射线，通过准直器将X射线准直，准直器的出射孔小于1cm，将准直后的X射线照射在含有微小电树枝缺陷的XLPE电缆上；XLPE电缆线芯接高压，外半导电屏蔽层接地，通过工频变压器施加交流高压；将检测阻抗与耦合电容串联，两者串联后与电缆并联，局部放电检测仪检测脉冲电流信号；在施加高压时，X射线对XLPE电缆进行照射，通过局部放电检测仪观察局部放电强度的变化；由于X射线对电树枝缺陷非导电树的气隙通道放电具有增强的作用，随着X射线对微小电树枝缺陷进行照射，放电剧烈时即存在微小电树枝缺陷。

2.根据权利要求1所述的基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法，其特征在于，附图3说明，包括以下：

步骤S1：首先获取背景噪声信号的大小，完成空载试验，用局部放电检测仪记录数据，得到噪声幅值的最大值；在以下步骤中对噪声进行滤除，防止误判；

步骤S2：逐级升高工频高压，每次升高0.5kV并保持5min；

步骤S3：若升高电压后，无局放信号，开启X射线机，照射XLPE电缆，若出现局放信号，此时电压记为X射线激励下的局部放电起始电压XPDIV（X-ray-induced partial dischargeinception voltage）并记录局放数据，关闭X射线机，重复步骤S2；开启X射线机，照射XLPE电缆，若未出现局放信号，关闭X射线机，进行步骤S2；

步骤S4：若升高电压后，有局放信号，此时电压记为局部放电起始电压PDIV（partialdischarge inception voltage），开启X射线机，记录局放数据，关闭X射线机，在PDIV的基础上继续升高1kV，记录局放数据，开启X射线，记录局放数据，关闭X射线机，停止试验；进行步骤S5；

步骤S5：对局放数据进行分析，综合试样的XPDIV，PDIV、放电量、放电次数判断是否存在微小电树枝缺陷；通过以上步骤完成对微小电树枝缺陷的检测。

3.根据权利要求2所述的基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法，其特征在于，每次试验时，X射线的管电压、管电流、射线机与XLPE电缆的距离、X射线的照射时间和试验环境温度一致。

4.根据权利要求1所述的基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法，其特征在于，X射线的产生通过便携式民用脉冲X射线机，其管电压为150kV；准直器的出射孔直径为1cm，准直器的长度为20cm，出射孔与微小的距离为4cm。

5.根据权利要求1所述的基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法，其特征在于，局部放电检测仪的灵敏度为0.1pC，能够连续的对局部放电数据进行存储。

6.根据权利要求1所述的基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法，其特征在于，为了减少X射线向外泄露保护操作者，使用厚度为10mm的铅箱将X射线机封闭，只留直径为5cm的出射孔。

7.根据权利要求1所述的基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法，其特征在于，准直器的材质为铅，铅管的内壁为抛光的铝材料，使X射线在铅管内全反射效果更强，准直的效果更好。

8.根据权利要求1所述的基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法，其特征在于，局部放电检测仪与检测阻抗的连接线采用带屏蔽层的同轴电缆，以屏蔽外界电磁波噪声的干扰；现场的电磁干扰较大，为了避免噪声对检测灵敏度的影响，首先获得现场的噪声值，在测试时对小于此值的信号进行滤除。

9.根据权利要求1所述的基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法，其特征在于，X射线的透射强度大，XLPE电缆只需要对一面进行照射，背面的电树枝缺陷依然能够被激励出局部放电；虽然XLPE电缆的结构复杂，但是X射线均能够穿透。

10.根据权利要求1所述的基于X射线的XLPE电缆微小电树枝缺陷的检测方法，其特征在于，提出的方法检测灵敏度高、适用性强、可检测出XLPE电缆中长度小于0.5mm的电树枝缺陷。