高压电缆封铅涡流检测对比试块的设计与验证论文

 

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　　摘要：涡流检测的目的就是为了确定试件表面与内部结构是否发生了变化，从而获得一些规律。通过对不同类型、规格和尺寸的测试，可以了解到每种材料在不同时间段内受到不同程度地应力应变情况。目前，对高压电缆的检测方式主要有两种，分别是电导率法和涡流分布测量法。其中使用最广泛的是采用了电阻应变仪来进行测试。而通过对试块表面的不同分析可以得出：在不同时间段内受到拉伸应力时产生较大变化；当试样处于不同温度下时其变形量也会有所不同；当被测部位为高压电缆时会出现明显地应力集中现象，并且这种情况在高电压条件下会发生畸变等问题。

　　关键词：高压电缆；涡流检测；对比试块

　　涡流检测技术在金属材料表面进行快速测试和无损探伤等方面都得到了广泛的应用。但是，由于高压电缆本身具有体积大、重量重，绝缘性差、易受温度影响以及导磁性能不稳定等等缺陷。因此对其在线测量时需要采用非接触式的方法来实现对试块内部结构物及周围介质损耗状况分析检测；另外在涡流中进行快速测试还需考虑金属表面与涡源之间存在的相互作用力和作用机理等因素。本实验采用非接触式的涡流检测方法，通过对不同电压、不同电流密度和相同介质损耗等因素进行分析，确定了线圈匝数越短，导磁性能越高；在相同温度下导体所受载流量越大时电阻值变化曲线平缓且近似线性关系。

　　1　涡流检测对比试块的用途

　　涡流检测对比试块主要是用于建立评价被检产品质量符合性的标准，以对比试块上人工缺陷作为判定该产品经涡流检测是否合格的依据。对比试块的形状相对被检产品必须具有代表性。涡流检测的原理是通过对试体中金属材料进行表面形变，使其发生变形，从而测量出应力、应变等参数。由于金属在被测试介质中有着特殊作用和性能要求。随着科学技术水平不断地提高以及应用范围越来越广时也逐渐出现了许多新技术方法：如电化学法、磁致伸缩试验法及超声无损探伤检测等等；还有涡流分析仪的运用也是不可缺少的一部分，涡流检测的方法也越来越多。由于金属材料在测试介质中处于特殊性，所以对其进行表面形变试验是非常有必要的，而本实验采用的是磁致伸缩试验法来测定线圈表面不同位置处金属薄膜上出现裂纹和夹杂物等缺陷；通过分析试块与铜环之间接触时产生涡电流、磁场变化所对应出的电参数(如温度梯度)以及在检测过程中产生应力波信号。

　　2　高压电缆封铅涡流检测对比试块的作用

　　随着我国经济的发展，人们对于生活质量要求越来越高，对电气产品也有了更高的标准。目前高压电缆使用范围较广但其生产过程中出现问题比较严重。而传统检测方法由于成本高等原因往往无法满足需求。在测试时发现异常后需要人工进行现场操作和观察等处理工作来解决故障问题；但是传统试验方法不能完全模拟熔体、涡流及涡流在金属表面与电流之间的变化，所以只能通过实验手段对试块施加压力或使线圈通以一定频率通电，来观察、分析涡流的变化。

　　2.1检测试块的作用

　　①在试验中，测试样品表面出现明显裂痕，可以判断其原因，通过实验证明该试件具有良好的选择性。②通过对封铅线圈和涡流管之间的距离变化来确定是否存在熔体。当线圈与导线接触时发生了泄漏电流；随着时间推移会产生大量热量损耗、热效应等现象。因此可得出结论：在试验中不可能有一条是没有裂痕线出现的，可能是由于导线和涡流管之间的绝缘层破损导致。通过试验，可以判断封铅线圈与导线之间存在泄漏电流，且该泄漏信号对测试结果没有任何影响。

　　2.2测试块体积

　　利用不同的方法来测量试样中表面波形变化情况；用相同仪器进行同样数量、同一时间段内不同部位封场孔面积大小对比分析；将测得数据做一系列处理后可得出结论：当线圈和涡流管发生漏液现象时，会产生大量热量损耗及热效应等现象，而且会影响到涡流管中金属的流动，所以可以得出结论：不同位置封场孔面积大小是对测试结果有重要影响，而材料厚度、表面粗糙度等因素也能决定着检测效果。
 

　　2.3检测结果

　　通过对不同位置封场孔面积进行对比分析，可以得到结论，试块内部的缺陷是影响涡流管中金属流动最重要因素。

　　3　通孔和横向槽缺陷试样对比试验

　　根据试验结果，本实验采用的是全孔径和横向槽的检测方法。由于铜包线在纵向沟口处会发生涡流。所以我们可以通过电流来判断出线圈中是否存在缺陷。

　　3.1电流对涡流影响

　　当测试电压为0时测得波形较好；但是随着电压逐渐变大，磁化率也随之增大；而随着时间越来越长，磁感应强度又开始减小了很多，从而导致检测结果的误差较大等问题出现在试验前必须及时进行处理。

　　3.2纵向槽缺陷

　　当电流增大时，检测结果会出现较小的误差。在试验前，应该对线圈横向沟道进行预处理。先将铜包线中的涡流消除掉；然后通过调整电流来使其减小到最小值附近；最后再利用横向通孔和纵横间隙检测铜包线处是否存在杂质、断路器以及裂纹等问题并及时解决缺陷产生原因及位置：①检查导电纤维在纵向通道上发生了氧化反应，并且出现了短路现象。②检查横向通道上出现的裂纹以及断路器和导线发生了氧化反应；然后通过调整电流来使铜包线中存在杂质，并且产生了大量的短路现象。③观察导电纤维在纵向通道上的氧化反应，并通过调整电流来使裂纹产生了最小值。④通过调整电流来使裂纹产生了最小值，并且在横向槽上发生氧化反应。然后再观察纵向通道和纵横间隙的变化情况。

　　3.3横向槽缺陷

　　当线圈中存在有涡流时，由于铜包线和导电纤维之间会出现较大程度地结合而形成断路器、穿孔等；或者铜包线上可能是断开后电流流过导线或电缆的绝缘层，也可能产生了短路现象。通过对上述实验的分析，发现铜包线存在着横向槽缺陷。在测试过程中可以看出：线圈表面出现了氧化反应和断路器、导电纤维之间有小气泡。而且随着电流流速度增大，短线路处产生涡流产生。所以我们要及时调整试验方案来消除这些问题；同时也需要加强实验仪器设备的管理与维护工作等方面进行改进提高检测结果准确度以及可靠性，横向槽试样对比发现铜包线存在着纵向通道缺陷，而且横向槽试样的击穿电压也比较大，所以可以通过对试验仪器和设备进行改进来提高检测结果准确性。

　　4　对比试块与自然缺陷相位对比分析

　　通过对测试结果的分析，可以看出：线圈自然异常、涡流不稳定，线圈自然异常与试验一致。在不同参数条件下接地电极和发射极电阻变化规律相同。①试块接地点处土壤表面粗糙度明显；涡流电阻较高时易形成小沟或深孔现象；②随着电压升高导体外表面金属层厚度变薄，导致局部的熔覆电位降低而引起涡流的产生及电流密度减小等原因，使其与试验一致。涡流的产生是由于电流密度增大而引起，当涡流电阻较低时，金属层表面就会形成一个小沟或深孔。随着电压升高导体外表面金属层厚度变薄。此时熔覆极易造成局部温度下降。在自然异常、接地电极和发射极之间出现了明显的相位差；同时试块周围土壤中存在一定量的涡流产生电流密度梯度，当线圈周边环境温度较高时就会导致其形成一个小沟或深孔现象，涡流产生的电流密度梯度随电压升高导体表面金属层厚度增加而增大。当线圈周围环境温度较低时，由于自然缺陷引起接地电极和发射极之间存在一定相位差。在接地点处出现了明显的相位差，导致涡流电阻与试件接触点温度降低；同时也会使电流密度减小、电阻率变大等原因造成涡流形成的电流密度梯度发生变化从而产生不同频率变化现象。在不同的接地点，涡流对电流密度的影响是不一样。

　　5　高压电缆封铅检测对比试块的设计与分析

　　5.1高压电缆封铅检测试块的结构　

　　封铅检测试块的结构有三种：一种是采用电涡流注入法进行测试，另一种为采用高压电缆在熔体表面直接发射和反射来对其进行测量。①利用高压时产生磁场使涡电流通过金属材料后，被加热到一定温度之后再由电阻率改变进而引起二次谐波分量。由于线圈中含有大量的二次谐波成分而不能得到有效检测信号；所以用电涡流注入法测试时只需要将试块上有缺陷的部分去掉即可完成整个实验步骤，可以有效的检测出试块内部存在缺陷，从而实现了对高压电缆封铅过程中质量参数与测试结果之间是否具有准确关系。②利用高压时产生磁场使线圈表面出现二次谐波分量，然后再由涡流注入金属材料后进行测量；这种方式不仅能保证测试数据在整个实验阶段所反映出来的问题不超过规定范围内。同时，通过实验可以很好的反映出试块内部存在缺陷。③利用高压时产生磁场，使线圈表面出现二次谐波分量。这种方法在试验过程中不需要对试样进行任何处理就直接测量了被测金属材料上所有可能发生的二次谐波分量；而且还能够避免由于外界因素影响而导致测试结果不准确或误差大等问题发生；同时通过实验可以观察出熔体内部缺陷是否会引起涡流反射信号、泄漏电流和漏电现象，从而确定熔体内部缺陷的分布情况。
 

　　5.2高压电缆封铅检测性能指标

　　高压电缆的绝缘检测性能指标是通过测试装置对试块进行表面质量、应力应变等方面的测量。①试验前准备工作。首先，确定好封铅试件，然后在现场完成封场实验和检验试验设备安装调试；最后用电锤来模拟熔融盐溶液中介质液滴及熔体温度变化情况；接着使用显微镜观察高压电缆绝缘检测性能是否正常以及测试结果是否符合设计要求等因素的影响程度。②试验过程控制。在整个试验过程中，对试块进行表面质量、应力应变等方面的检测。③测试结果分析处理。通过观察封场后高压电缆绝缘性能变化情况和实验数据得出结论；最后将封场结束后再次测量各试件的抗拉强度以及断裂伸长率，并将结果与标准值进行比较，最终确定封场后的试验效果。

　　5.3封铅检测效果的质量评估

　　在试验前，我们需要进行现场的采样和数据处理，以确定测试结果是否符合设计要求。①封铅检测实验过程中采用的标准试样是涡流注入法。该方法可以准确地测量出线圈表面波形、电流值以及电压等参数；但同时还存在着一些缺陷：如无法获得均匀稳定相位谱图或不能得到连续变化周期曲线及峰值电势等缺点；在实际使用时，需要对样品进行多次试验以确定其质量和性能是否符合设计要求。②实验中使用的标准试样是涡流注入法。该方法可以获得稳定相位谱图，但其缺点就是无法获取连续变化周期曲线，而在实际应用时，由于试验样品本身存在缺陷或某些材料表面不均匀等因素影响着测试结果；而且还可能会出现二次击穿现象导致测量数据失真等等问题。

　　5.4高压电缆封铅检测对比试块的优化

　　通过对线圈涡流检测的实验，可以看出：在相同电流密度下，线圈中不同位置处对应着相应频率、电压及相位差和脉冲幅值。①测试时采用单点激励方式。由于高压电缆本身具有高阻抗特性与较好的磁饱和效应；且其电导率随温度变化不大而接近于零度状态而对涡流有很好的响应性等特点，所以在测量过程中可以不考虑这种情况发生导致误差过大造成实验失败或者影响实验结果精度。②在相同电流密度下，线圈中不同位置处对应着相应频率、电压及相位差和脉冲幅值的信号强度是变化不大且不连续的。当涡流激励时由于其较小电阻而引起涡流产生较大损耗。所以可以忽略不计这一因素导致结果出现一定偏差；但是随着时间推移，线圈周围区域逐渐增大到足够大就会使磁场分布变得复杂多变从而影响实验结果精度与准确度等性能指标。③在相同电流密度下，线圈周围区域的涡流强度变化不大，但是在磁场分布不连续时，随着电流密度增大其对应频率、电压及相位差和脉冲幅值也会随之减小，从而导致实验结果出现一定偏差。④当高压电缆两端施加不同激励信号后检测试块表面产生局部应力集中现象；并且由于金属材料本身具有导电性等特性使线圈周围区域内的涡流强度较小且变化较大而使得涡流产生了大量的热量在中心处形成较大温度场。

　　6　高压电缆封铅检测对比试块的设计与分析

　　6.1高压电缆封铅检测对比试块的要求

　　封铅试块应均匀、对称，不发生分层现象，避免出现应力集中。由于高压电缆具有良好的导电性和绝缘性能等特点。试验中可以使用涡流检测方法进行在线监测，但不能对线圈施加过高电压；在测试过程中需要保持恒定电流状态下的涡流强度和应变速率不变(即没有变化)；同时还需确保试块与线圈表面接触均匀并使其不产生接头、断端及变形现象。封铅试块应使用简单、方便的方法进行在线检测，避免影响测试结果。

　　6.2高压电缆封铅检测对断路器的影响

　　①检测断路器的电流和电压当高压电缆发生故障时，若测试结果为正，则说明该封铅试块能够正常工作，此时可继续进行试验。但如果没有出现问题或问题较小且有可能不会影响实验。②对断开装置中注入的熔体进行检验。通过试验表明：施加一定压力后可以提高铜包与涡流管之间的接触面积和泄漏电流密度；在高压电缆上施加足够量的氧化铁时发现，铜包与涡流管之间的接触面积增大，泄漏电流密度减小；在高压电缆上施加一定压力后，在断开装置中注入氧化铁会增加其导电能力。③对接头进行检测。当线圈两端产生电压时可以判断是否发生熔焊现象：若出现熔合不良或短路情况则可通过观察电阻和电容值变化来确定该端部的绝缘层厚度、材料特性及表面缺陷等因素；而铜包与涡流管之间没有明显问题，则可通过观察电阻和电容值变化来判断是否发生熔焊。

　　6.3影响高压电缆封铅检测的因素

　　影响检测结果的因素有很多，但主要可以分为以下几个方面：①试验中对熔体表面处理。由于铜棒在涡流场中会与电流形成一定大小的接触电阻，所以要进行适当地清洗。同时要保证高压电缆表面没有氧化层存在或污垢严重等缺陷时不会被腐蚀掉造成损伤；②实验过程中的温度变化以及测试仪器本身性能和使用环境因素会影响最后结果，这些都需要进一步研究来发现问题并提出解决措施以解决问题；③试验中对电流的影响。由于实验对象是高压电缆，在涡流场中会产生大量的热量，导致材料内部温度过高而烧结。因此要控制好冷却液和时间；④测试仪器本身性能以及使用环境因素会影响最后结果：铜棒表面处理不干净、没有污垢等都可能造成试验误差；此外还包括一些测试方法也会对最终检测结果有一定程度地干扰从而使实验数据不准确或出现偏差。⑤实验中金属液的性质也会影响封铅检测结果。通过对测试系统进行分析，可以得到以下结论：铜棒表面处理干净、无污垢等都能达到预期效果；在相同条件下，不同材料之间有较好地粘附力和抗腐蚀性；但是随着电流密度增大而使其导热系数减小以及耐受湿度增加使得试验误差加大。

　　7　结语

　　本实验通过对试块中的涡流测试，分析不同电压、不同电流密度下的铜片与涡流之间发生了何种变化。在实验过程中，我们发现线圈和铁芯表面都存在一些微小缺陷。而当施加高压时由于外界因素使磁场强度变大导致导体内部产生大量气泡等缺陷也会影响到金属薄膜上所出现异常现象并严重影响电磁性能及封放参数(如：导电率、绝缘度)；所以通过改变电压大小来提高铜片的抗涡流作用，从而提高封放电压。通过对涡流的测试，我们可以知道当线圈中电流密度较大时，会使导线内产生大量气泡。而在不同实验环境下都存在一些气泡的现象并不是完全一样；而且随着高压电缆直径增大和深度增加以及施加压力过大铜片表面出现了明显变化(如：导电率、绝缘度等)也使得涡流形成了微小缺陷。通过对以上情况分析后我们发现线圈中电流密度越大，电流强度越高，所以我们发现铜片表面出现了大量气泡，这些缺陷会影响涡流的导电率，从而使电流强度降低。