激光超声无损检测 识别毫米级缺陷——山西电科院研发GIS盆式绝缘子断层扫描成像装置

转自：中国科技网

通讯员 徐玉东 李慧勇 科技日报记者 韩荣

7月17日，在山西太原220千伏解放变电站内，国网山西省电力公司电力科学研究院技术人员使用GIS盆式绝缘子断层扫描成像装置，成功检测了220千伏南母A相盆式绝缘子。结果显示，反射回波信号正常，技术人员判断盆式绝缘子状态良好。

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）在电力系统中广泛应用，盆式绝缘子是其中的重要部件。为了及时发现盆式绝缘子内部隐患，山西电科院研发了GIS盆式绝缘子断层扫描成像装置。

国网山西省电力公司电力科学研究院技术人员介绍，GIS盆式绝缘子断层扫描成像装置应用激光超声快速检测成像方法，能准确识别、定位盆式绝缘子内部缺陷，缺陷识别率达95%以上，为提升GIS设备运行可靠性提供技术支撑。

传统盆式绝缘子内部缺陷检测方式存在不足

GIS具有占地面积小、可靠性高、集成化好、维护工作少等优势，被广泛应用于电力系统中。盆式绝缘子是GIS中的重要部件，具有电气绝缘、隔离气室、支撑导体的作用。盆式绝缘子主要由环氧树脂有机材料组成，出现结构损伤时，会引起局部放电现象，甚至导致绝缘击穿。同时，不同厂家生产的盆式绝缘子部件互换性差，发生绝缘故障后修复时间长。因此，及时发现盆式绝缘子内部隐患对保障GIS安全稳定运行至关重要。

2019年起，国网山西省电力公司电力科学研究院配网中心主任王伟带领带电检测技术团队开展盆式绝缘子隐患排查研究。

王伟介绍，盆式绝缘子出现裂纹、气泡、杂质、毛刺等缺陷是诱发局部放电的主要因素。以往，检测盆式绝缘子内部潜在缺陷有三种方法，但在应用中存在各种问题：特高频、超声等局部放电检测方法灵敏度高，但难以识别潜伏性缺陷，精准定位难度大；X射线检测方法易受绝缘子安装位置影响，实施难度大、成像效果差，且对非金属杂质、气泡等微小缺陷不敏感；压电超声探伤、渗透检测方法穿透能力弱，仅适用于发现绝缘子表面缺陷。上述现状导致大量盆式绝缘子检测后仍“带病”运行，给电网运维带来了重大隐患。为此，他们决定探索一种新的盆式绝缘子检测方法。

激光超声作为一种新型无损检测技术，可规避以上三种传统检测方法的弊端，但此前主要应用于金属材料探伤，在环氧树脂有机材料领域的应用尚属空白。如何将激光超声技术应用到环氧树脂有机材料上？研究人员开始了探索。

激光超声检测技术使缺陷识别精度达毫米级

国网山西省电力公司电力科学研究院依托国家自然科学基金和国家电网有限公司科技项目，联合中国电力科学研究、江苏方天电力技术有限公司、南京理工大学等7家单位组成攻关团队，开始研究GIS盆式绝缘子激光超声无损检测技术。

为探究激光超声对环氧树脂材料的适应性问题，攻关团队首先开始寻找试验对象。他们搜集了有缺陷的退役盆式绝缘子22个，定制了有人工模拟缺陷的盆式绝缘子15个、试验试块42个，总共涉及不同大小、不同位置的4类缺陷1000个。随后，攻关团队对这些缺陷开展试验研究，统计得出了GIS盆式绝缘子激光激励最优检测参数。

针对裂纹、气泡、杂质和毛刺四类典型缺陷识别问题，攻关团队建立盆式绝缘子“温度场-固体位移场-声场”多物理耦合模型，总结了盆式绝缘子出现四种典型缺陷后的超声波传输规律，用于确定缺陷类型、位置和大小。

针对缺陷类型和回波信号的特征，攻关团队建立了盆式绝缘子缺陷自动识别数据库。攻关团队利用该数据库来训练缺陷识别算法，实现了对盆式绝缘子200毫米深度内缺陷的自动识别，缺陷识别精度达毫米级，缺陷分类成功率超过92%。

经过现场调研、数据统计分析、最优化检测参数研究、装置试验、样机研制、全工况模拟测试、识别算法训练、型式试验检测等一系列开发流程，2020年年底，GIS盆式绝缘子断层扫描成像装置实现定型与量产。

王伟介绍，2021年12月22日，国网科技部组织公司系统内相关专家对GIS盆式绝缘子激光超声无损检测技术进行验收。专家一致认为，该技术满足GIS盆式绝缘子无损检测需求，为提升GIS设备运行可靠性提供了有效的技术手段。

不仅如此，在2023年中国电力企业联合会组织召开的项目成果鉴定会上，鉴定组表示，山西电科院提出GIS盆式绝缘子激光超声无损检测技术效果显著。鉴定委员会认为，该技术在GIS盆式绝缘子激光超声检测方面达到国际领先水平。