三支柱绝缘子作为超/特高压气体绝缘输电管道（GIL）关键组部件，会因浇注装配安装等工艺产生潜伏性缺陷，受多场耦合应力作用易发生劣化放电炸裂等风险，故实现绝缘件早期微缺陷探测识别成为当务之急。

 

华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室李庆民教授团队聚焦三支柱绝缘子微缺陷检测技术，提出了一种由中心导杆内壁向支腿外侧发射的新型声探测方法。采用横/纵波互联方式分别沿体内/表面传播形成检测通路，建立复杂结构波传导的统一正则化模型，获得了不同参数的波传导规律与回波信号特征，设计检测系统并验证，为实现GIL三支柱绝缘子微缺陷探测提供有效方法。

研究背景

我国超/特高压输电技术蓬勃发展，逐渐在全世界实现“中国创造”与“中国引领”，但GIL绝缘故障仍是造成设备失效的首要原因。受生产和长期运行影响，三支柱绝缘子的微缺陷在复合交织应力作用下放电劣化，现有方法检测精度不足导致漏检，致使绝缘件结构薄弱引起放电故障，已成为危害运行的关键因素。

现有研究多聚焦于规则绝缘件缺陷检测，受限于缺陷尺寸与放电量大小，探伤设备检测精度难以满足要求，新型检测方法抗干扰能力较弱，适用场景较简单，具有一定局限性，故对于小范围、微距离、复杂环境下的绝缘件探测仍缺少理论成果。此外，复杂曲面轮廓使得探头放置存在难度，折反射复杂且杂波干扰多，接收信号特征不清。因此，亟需针对待役三支柱绝缘子内部微缺陷进行高灵敏探测方法与特征识别研究。

论文所解决的问题及意义

为解决GIL绝缘检测领域的传统检测方法灵敏度不足、难以适配复杂曲面轮廓，易造成三支柱绝缘子潜伏性缺陷漏检形成隐患等问题。本文建立了基于特征结构的临界体-纵波耦合正则化仿真算法，提出三支柱绝缘子中心内壁到支腿表面纵波与体波联合检测模式，分析原始波形在复杂轮廓曲面的基本传播规律并进行试验验证。该研究成果可为实现直流输电管道内三支柱绝缘子的出厂、运行过程健康监测与微缺陷检出及故障预警技术提供相关方法基础和科学依据，对保障GIL运行绝缘可靠性具有工程意义与研究价值。

论文方法及创新点

本文针对GIL中的三支柱绝缘子微缺陷难以检测且易诱发绝缘故障的问题，建立了临界体-纵波耦合正则化仿真算法，分析原始超声多类型波在复杂轮廓曲面的基本传播规律，提出三支柱绝缘子中心内壁到支腿表面纵波与体波联合检测模式并进行试验验证。由此设计了探测装置，优化发射频率为柱腿500 kHz/腹部2 MHz，临界入射角为9°，曲率半径为15 mm，可探测缺陷尺寸范围达0.41 mm以上，灵敏度为5.8 dB/mm，实现了三支柱绝缘子微缺陷的高精度探测。

图1 基于临界横/纵波分区探测的三支柱绝缘子微缺陷检测方法

研究发现，三支柱绝缘子含裂纹缺陷应变能密度呈双峰分布，纵波缺陷波增大且回波能量衰减27.5%，接近支腿处信号衰减越高，裂纹偏移角度、厚度增加均会导致波形衰减与时延，探测不同长度裂纹时存在极性效应，并对特征峰进行拟合；气隙缺陷的体波反射回波呈双尖峰分布，幅值升高50%以上。证实了临界纵波与体波对界面微缺陷对敏感程度最高，为绝缘监测设计提供了理论支撑。

图2 三支柱绝缘子特征曲面临界纵波传导的仿真模拟

结论

本研究建立了三支柱绝缘子曲面轮廓的临界波动传导模型，基于中心嵌件-柱腿波传导机制推导了应力场参数的正则化关联方程，提出了中心向外侧发射临界纵波与体波的缺陷协同探测模式。测量系统设计为楔块入射角9°、环氧层界面入射角25°、曲率半径15 mm、发射频率柱腿500 kHz/腹部2 MHz。

通过针对不同类缺陷的对比试验，分析了柱腿与腹部缺陷的波传导衰减特性：回波相对提升22.9%，柱腿厚度与波长呈现频域极值效应；体波在气隙界面反射显著，回波幅值提高59.8%。临界纵波对支腿裂纹敏感，角度与厚度增大引起能量延时衰减，长度为截面半径17.6%时衰减最高；建立了波峰幅值、延时等参数与缺陷的定量关系，最终实现了微缺陷识别误差≤5%，为绝缘子状态评估提供依据。