通讯员 马亚运 科技日报记者 韩荣
虽然已经出伏，但“秋老虎”威力不减，我国多地仍维持着较高用电负荷。从城市楼宇的清凉新风到工厂车间的全速运转，在这背后变电站中的关键装备气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）为每一度电的稳定供应提供了重要保障。然而，GIS内部一旦出现故障，就可能影响电力可靠供应。因此，它的“健康”状况直接关系着电网安全稳定运行。
国网山西省电力公司电力科学研究院（以下简称山西电科院）研发的“GIS盆式绝缘子激光超声断层扫描成像技术”，如同给GIS设备的关键绝缘部件——盆式绝缘子做“超声体检”，能够发现隐藏在材料内部的缺陷。不久前，该成果斩获第51届日内瓦国际发明金奖。
山西电科院配网中心科室主管徐玉东介绍，作为变电站里的关键设备，GIS既承担了电能汇集、传输、分配的作用，又能在电力系统发生故障时迅速隔离故障，防止事故影响扩大。在迎峰度夏期间，用电负荷持续攀升，对设备连续可靠运行提出了更高要求。如果把GIS比作一个密闭的金属舱体，盆式绝缘子就像舱体内部的“绝缘隔板”和“支撑骨架”：既要支撑高压导体、保证导体与金属外壳之间可靠绝缘，又要将GIS内部划分为相对独立的气室。其绝缘或机械性能一旦出现问题，都可能影响整套设备安全稳定运行。
“盆式绝缘子主要由环氧树脂材料制成，一旦内部出现裂纹、气泡、杂质或毛刺等毫米级缺陷，就可能诱发局部放电，严重时甚至造成绝缘击穿，引发设备跳闸乃至停电。”徐玉东说，过去面对这类隐藏在材料内部的潜伏性缺陷，运维人员常常陷入“看不清、测不准、难定位”的困境。
不仅如此，在制造、装配及长期运行过程中，受工艺控制、机械应力和材料老化等因素影响，盆式绝缘子内部可能逐渐形成各类缺陷。由于这些隐患早期往往没有明显外部表征，如何在故障发生前准确发现并定位缺陷，一直是设备检测中的难题。
山西电科院配网中心副主任王伟介绍，此前盆式绝缘子检测主要采用三类方法，但各有局限：特高频、超声波等局部放电检测法灵敏度较高，却难以发现尚未产生放电信号的潜伏性缺陷，也难以对缺陷进行精确定位；X射线成像法受绝缘子安装角度和位置限制，现场操作难度较大，对非金属杂质、微小气泡等缺陷的识别能力也有限；压电超声探伤法穿透能力有限，主要适用于较浅层缺陷检测。受这些因素影响，部分潜伏性缺陷仍可能被遗漏，给设备安全运行留下隐患。
针对这一检测难题，2019年起，山西电科院技术团队依托国家自然科学基金和国家电网公司科技项目，联合中科院电工所、南京理工大学等7家单位开展技术攻关。
“激光超声技术此前主要应用于金属材料探伤，在环氧树脂这类非金属有机材料的检测领域尚属空白。”徐玉东回忆，研究从“摸清家底”起步。
团队搜集了22个存在真实缺陷的退役盆式绝缘子，定制了15个含人工模拟缺陷的绝缘子和42个试验试块，覆盖裂纹、气泡、杂质、毛刺4类典型缺陷，以及不同尺寸和不同位置的缺陷情形，共形成1000个缺陷样本。依托这批试验样本，团队开展大量反复测试，确定了激光超声在环氧树脂材料中的最优激励参数，为后续缺陷检测奠定了基础。
在此基础上，团队进一步构建“温度场—固体位移场—声场”多物理耦合模型，系统揭示裂纹、气泡、杂质、毛刺4类典型缺陷不同的超声波传播特征，为根据回波信号识别缺陷提供了机理支撑。
“就像医生根据回声判断病灶一样，技术人员可以通过回波信号反推出缺陷的类型、位置和大小。”王伟表示，在掌握不同缺陷的回波特征后，研究团队进一步建立缺陷自动识别数据库，并通过算法训练持续优化识别能力，实现对裂纹、气泡、杂质、毛刺等典型缺陷的自动分类、定位和成像判读，降低对人工经验的依赖。
2021年12月，国家电网有限公司科技部组织专家验收，认为该技术满足GIS盆式绝缘子无损检测需求，为提升设备运行可靠性提供了有效技术手段。2023年3月，在中国电力企业联合会组织的成果鉴定会上，专家组一致认为，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。
目前，该技术能够探测盆式绝缘子内部深度达200毫米的缺陷，缺陷定位精度达到毫米级，缺陷分类准确率超过92%，整体识别率达到95%以上。
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