0 引言

随着电网规模的不断扩大，大量高参数、大容量、结构复杂的设备应用于输变电工程中，这些设备的可靠性直接影响电网的安全稳定运行。电网输变电设备具有结构复杂、解体难和检修周期短等特点，设备检测困难，因此探索可靠、高效的无损检测新方法，对保障电网设备安全稳定运行具有十分重要的意义^[1-2]。

超声相控阵技术具有多角度扫查、聚焦方式可变、直观的A扫和C扫以及扇扫成像形式等优势，可有效检出焊接接头中的各种面状缺陷和体积状缺陷，且检测结果以图像形式显示，为缺陷定位、定量及定性评级提供了可靠信息，是1种可记录的新兴无损检测方法^[3]。本文采用超声相控阵检测技术对输变电设备进行无损检测，验证了方法的可行性。

1 超声相控阵技术的优势

与普通脉冲超声波技术相对比，相控阵超声波技术优势明显，具体如下。

（1）可控制超声波束的合成、偏转和聚焦，解决了在受限空间和复杂结构工件检测中存在的声束可达性差的问题。

（2）声束的聚焦深度、聚焦方式、焦点尺寸及声束的方向性可利用软件进行控制和优化，从而改善分辨力、灵敏度和信噪比等性能。

（3）缺陷的定量及定性检测更加准确。

（4）超声相控阵技术使用的探头不是单一探头，而是采用阵列式晶片，相当于多个探头同时扫查，探头尺寸较小，可以实现多角度扫查。

（5）图形化显示界面，可以A、B、C、S等扫描形式显示检测结果，并利用专用软件对检测数据进行复杂分析。

2 GIS罐体焊缝检测

封闭式组合电器（Gas InsulatedSwitchgear，GIS）罐体一般由5083铝合金板卷板对焊而成，罐体上开若干手孔，手孔封头与筒体采用角焊缝连接。焊接方法一般使用MIG焊（熔化极惰性气体保护焊）、TIG（惰性气体钨极保护焊）或MIG+TIG。由于铝的导热率较大，在筒体厚度较大时，焊接过程中大量热能迅速传导，易在罐体焊缝坡口侧形成未熔合缺陷。当焊缝根部清理不彻底或根部间隙设置不合理时，易形成根部未焊透缺陷。由于铝合金独特的理化性能，厚壁铝合金罐体焊缝还可能出现气孔、热裂纹等缺陷，因此GIS罐体焊缝在出厂前要进行X射线检测。设备服役后，由于GIS很难解体，故无法进行射线检测，而超声相控阵技术为该类设备的在役无损检测提供了可能。

对某110 kV变电站GIS罐体环焊缝进行了超声相控阵检测。检测仪器采用多浦乐PHASCAN相控阵检测仪，探头选用多浦乐10S16-0.5×10晶片自聚焦线阵相控阵探头，楔块选用多浦乐SD10-N60S-IH楔块。检测之前，采用铝合金标准试块校准仪器声速、延迟、探头前沿以及系统灵敏度，通过对GIS罐体纵、环焊缝人工缺陷模拟试块的检测，制订GIS罐体焊缝相控阵检测工艺。该GIS罐体壁厚8 mm，焊缝余高2 mm，为消除焊缝余高对超声波多次反射的影响，根据实际回波将壁厚修正为8.2 mm。根据焊缝设计图纸，坡口形式为V形，焊缝宽度12 mm，钝边高2 mm，坡口角度35°。在仪器中建立焊缝模型，开启“焊缝图示”功能，对GIS罐体对接环焊缝进行40°~70°的扇形覆盖扫查检测。经检测，该焊缝存在整圈未焊透缺陷，缺陷波形见图 1。

3 管母线焊缝检测

管母线材质一般采用纯铝或铝合金，焊接方法多采用TIG和MIG。焊接方法及质量检验执行DL/T 754—2013 《母线焊接技术规程》 ^[4]。采用超声相控阵检测技术代替传统射线检测，可以使管母线焊缝检测工作更加高效、环保。

某变电站220 kV输变电工程管母线材质为6063铝合金，内外直径分别为250 mm、230 mm，对该管母线进行了超声相控阵检测。检测仪器采用多浦乐PHASCAN相控阵检测仪，探头选用多浦乐10S16-0.5×10晶片自聚焦线阵相控阵探头，楔块选用多浦乐SD10-N60S-IH楔块。管母线设计厚度10 mm，焊缝余高4 mm，由于焊缝余高对超声波多次反射的影响，根据实际回波将线厚修正为10.4 mm。设置焊缝尺寸，开启“焊缝图示”功能，经超声相控阵检测，焊缝存在未焊透缺陷，长度1/2周长。将该管母线解剖破坏，内部焊缝形貌如图 2，可见焊缝根部未焊透缺陷。缺陷波形见图 3。根据DL/T 754—2013《母线焊接技术规程》，该焊缝质量评定为Ⅳ，不合格。

4 GIS高压直线导体检测

GIS高压直线导体是变电站的重要设备，近年来，电网公司相继发生多起由焊缝开裂失效引发的事故。GIS高压直线导体焊缝结构复杂，焊缝较薄，使用常规超声检测时，螺纹处的回波、焊缝边缘回波与缺陷波同时出现，难以区分，对检测结果的判定产生严重的干扰和影响，使缺陷难以检出。由于高压直线导体较长，且经常处于户外，采用射线检测无法进行有效防护，检测极为不便^[5]。

分析该类设备结构，取付台侧空间较小，采用超声相控阵方法检测时，将相控阵探头反装，可以实现从取付台侧进行环焊缝检测。由于圆管声束扩散严重，需采用晶片自聚焦相控阵探头，定制特殊曲率楔块。检测方法见图 4。

5 铝制线夹检测

电网铝制设备线夹是连接导线和电气设备的重要金具，由紧固导线部分和连接电气设备部分组成，前者为管型结构，后者为端子板结构。铝制设备线夹成型方式通常为焊接或整体铸造，管型结构和端子板连接处是1个薄弱环节，如果存在缺陷，易在运行过程中扩展直至失效^[6]。

电网铝制线夹有很多不规则圆弧面，常规超声探头及普通相控阵探头均无法检测，而柔性相控阵探头的阵列晶片可随工件表面形状任意弯曲，可变曲率。探头厚度仅3 mm，可进入检测空间受限的狭窄区域进行检测（如图 5所示），为电网铝制线夹无损检测提供了1种新方法。

6 结语

超声相控阵技术作为一种新型高效、可靠的无损检测技术，与其他无损检测方法相比优势突出，在GIS罐体焊缝、大直径铝管母线、GIS直线导体和铝制线夹等输变电设备检验中的成功应用，对于提高技术监督水平、保障输变电设备安全稳定运行具有极其重要的意义。在实际应用中，受被检工件结构形式复杂、标准不完善和检测结果分析与质量评定困难等条件限制，目前该技术仍存在很多亟待解决的问题，但随着相控阵技术的发展极其在输变电设备检测方面研究的不断深入，相控阵检测技术的应用范围将更加广泛。