在高壓輸電設(shè)備中，氣體絕緣金屬封閉線路(GIL)與氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(GIS)因占地面積小、絕緣性能優(yōu)異而被廣泛應(yīng)用，但內(nèi)部局部放電引發(fā)的故障可能導(dǎo)致大面積停電。超聲波檢測(cè)技術(shù)憑借對(duì)局部放電的高靈敏度，成為故障定位的核心手段。一套精準(zhǔn)的超聲波定位方案，需兼顧信號(hào)采集的全面性、干擾排除的有效性與定位算法的精確性，最終實(shí)現(xiàn) “厘米級(jí)” 故障定位，為設(shè)備檢修提供決定性依據(jù)。

　　超聲波檢測(cè)的原理優(yōu)勢(shì)：捕捉局部放電的 “聲學(xué)指紋”

　　局部放電本質(zhì)是絕緣缺陷處的電荷擊穿現(xiàn)象，會(huì)伴隨高頻機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生 20kHz-200kHz 的超聲波信號(hào)。與傳統(tǒng)的電測(cè)法相比，超聲波檢測(cè)具有兩大優(yōu)勢(shì)：一是抗電磁干擾能力強(qiáng)，GIL/GIS 運(yùn)行環(huán)境中存在強(qiáng)電磁場(chǎng)，超聲波信號(hào)通過金屬殼體傳播時(shí)幾乎不受電磁噪聲影響;二是具有空間指向性，不同類型的故障(如放電、沿面放電)會(huì)產(chǎn)生不同頻率的超聲波 —— 放電的主頻多在 80kHz-120kHz，沿面放電則集中在 40kHz-60kHz，這種 “聲學(xué)指紋” 可輔助判斷故障類型。

　　某 500kV 變電站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng) GIS 內(nèi)部出現(xiàn) 0.5pC 的微弱局部放電時(shí)，超聲波傳感器即可在 1 米外檢測(cè)到信號(hào)，而此時(shí)電測(cè)法仍未響應(yīng)。這種高靈敏度使超聲波檢測(cè)能在故障萌芽階段發(fā)現(xiàn)隱患，為檢修爭取時(shí)間窗口。

　　多維度傳感器布置：構(gòu)建空間定位的 “聲學(xué)坐標(biāo)系”

　　精準(zhǔn)定位的前提是建立完整的信號(hào)采集網(wǎng)絡(luò)。針對(duì) GIL 的線性結(jié)構(gòu)與 GIS 的模塊化布局，傳感器布置需采用 “分層布點(diǎn) + 重點(diǎn)覆蓋” 策略：在 GIL 直線段，每隔 2 米布置 1 組超聲波傳感器(每組含 2 個(gè)正交安裝的傳感器，分別捕捉軸向與徑向振動(dòng));在 GIS 的斷路器、隔離開關(guān)等易發(fā)生放電的部件，采用 “360° 環(huán)形布點(diǎn)”，每個(gè)模塊安裝 4-6 個(gè)傳感器，確保無信號(hào)盲區(qū)。

　　傳感器的安裝方式直接影響采集效果。采用磁吸式安裝座可實(shí)現(xiàn)快速部署，同時(shí)保證傳感器與設(shè)備殼體緊密貼合 —— 接觸間隙每增加 0.1mm，信號(hào)衰減可達(dá) 15%。某電網(wǎng)公司的實(shí)踐表明，通過在法蘭接縫、絕緣盆等薄弱部位加密布點(diǎn)，局部放電的檢出率提升了 32%，漏檢率控制在 0.5% 以下。

　　信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)：從噪聲中提取有效信息

　　現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的機(jī)械振動(dòng)、設(shè)備運(yùn)行噪聲會(huì)干擾超聲波信號(hào)，需通過三級(jí)處理機(jī)制提純有效信號(hào)。級(jí)為硬件濾波，采用帶通濾波器保留 40kHz-150kHz 的目標(biāo)頻段，濾除低頻機(jī)械噪聲;第二級(jí)為波形分析，通過比較不同傳感器的信號(hào)時(shí)差(Time Difference of Arrival，TDOA)，剔除同步出現(xiàn)的環(huán)境噪聲(如風(fēng)扇振動(dòng));第三級(jí)為特征值提取，提取信號(hào)的峰值因子、脈沖寬度等 12 個(gè)特征參數(shù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型區(qū)分放電信號(hào)與干擾信號(hào)，模型識(shí)別準(zhǔn)確率需達(dá)到 95% 以上。

　　某換流站的案例顯示，采用上述處理方法后，信號(hào)信噪比從 20dB 提升至 45dB，成功識(shí)別出被泵體振動(dòng)掩蓋的局部放電信號(hào)，最終定位到 GIS 母線筒內(nèi)的金屬微粒缺陷。

　　定位算法的優(yōu)化：實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)的精準(zhǔn)映射

　　當(dāng)多組傳感器捕捉到同一放電信號(hào)時(shí)，需通過算法將時(shí)間差轉(zhuǎn)化為空間坐標(biāo)。針對(duì) GIL 的線性結(jié)構(gòu)，采用 “雙傳感器時(shí)差定位法”：設(shè)兩個(gè)傳感器間距為 L，信號(hào)到達(dá)時(shí)差為 Δt，超聲波在 SF6 氣體中的傳播速度為 v(約 134m/s)，則故障點(diǎn)與近端傳感器的距離為(L - v×Δt)/2，定位誤差可控制在 ±5cm。

　　對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的 GIS，需采用 “多傳感器聯(lián)合定位” 算法，通過至少 3 個(gè)非共線傳感器的信號(hào)時(shí)差，建立空間方程組求解故障坐標(biāo)。為消除傳感器安裝誤差，算法中引入 “坐標(biāo)校準(zhǔn)因子”，利用已知位置的校準(zhǔn)聲源(如 100kHz 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器)定期修正傳感器坐標(biāo)偏差。某省級(jí)電力公司的測(cè)試表明，該算法在 GIS 中的定位誤差可控制在 ±10cm，檢修需求。

　　方案落地的閉環(huán)驗(yàn)證：從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)場(chǎng)的全流程校準(zhǔn)

　　一套可靠的定位方案需經(jīng)過嚴(yán)格驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)室階段，在模擬 GIS 腔體中設(shè)置已知位置的人工缺陷(如預(yù)埋電極)，通過對(duì)比定位結(jié)果與實(shí)際位置，優(yōu)化算法參數(shù);現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前，采用 “脈沖注入法”—— 在設(shè)備端口注入標(biāo)準(zhǔn)超聲波信號(hào)，驗(yàn)證傳感器響應(yīng)的一致性與算法穩(wěn)定性。

　　某特高壓變電站的應(yīng)用實(shí)例印證了方案的有效性：超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn) GIS 間隔存在局部放電后，通過多傳感器聯(lián)合定位鎖定故障點(diǎn)在 C 相母線筒距左端法蘭 1.2 米處。解體檢查顯示，該位置存在一枚直徑 0.3mm 的金屬碎屑，與定位結(jié)果吻合。此次故障的精準(zhǔn)定位使檢修時(shí)間從傳統(tǒng)方法的 48 小時(shí)縮短至 12 小時(shí)，減少停電損失超 200 萬元。

　　在電力設(shè)備向高電壓、高集成度發(fā)展的趨勢(shì)下，超聲波檢測(cè)的 GIL/GIS 局部放電定位方案成為保障電網(wǎng)安全的關(guān)鍵技術(shù)。其核心價(jià)值不僅在于 “找到故障”，更在于 “精準(zhǔn)找到故障”—— 通過聲學(xué)信號(hào)的捕捉與解析，將抽象的放電現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為具體的空間坐標(biāo)，讓隱蔽的絕緣缺陷無所遁形。這種 “從信號(hào)到位置” 的精準(zhǔn)映射能力，正是現(xiàn)代電力設(shè)備狀態(tài)檢修體系的核心競(jìng)爭力。