电力设备金属部件无损伤检测的声阻抗成像技术研究进展

电力设备是电网安全运行的核心支撑，其金属部件（如变压器油箱、输电线路铁塔、断路器触头）因长期受腐蚀、疲劳、电磁力等作用，易产生裂纹、腐蚀、松动等缺陷，严重威胁电网可靠性。无损伤检测（NDT）是保障金属部件安全的关键技术，其中声阻抗成像技术凭借“可视化内部结构+定量评估缺陷”的优势，成为近年来的研究热点。本文围绕该技术在电力场景的原理适配、信号采集优化、算法迭代、复杂结构应对等方面，梳理其研究进展，为电力设备的智能检测提供参考。

声阻抗成像技术的基础原理与电力场景适配逻辑

声阻抗是介质对声波传播的阻碍特性，定义为介质密度（ρ）与声速（c）的乘积（Z=ρc）。当金属部件存在缺陷时，缺陷区域的密度或声速会发生突变——如裂纹处空气替代金属，ρ和c大幅降低，导致声阻抗差异显著。声阻抗成像技术通过向金属部件发射声波，接收反射/透射信号，计算不同位置的声阻抗值，进而重建缺陷的二维或三维图像。

相较于传统超声检测（如单点测厚），声阻抗成像的核心优势在于“可视化”——能直观显示缺陷的位置、形状、深度，而非仅提供数值结果。对电力设备而言，这一特性尤为重要：例如变压器油箱壁的腐蚀是面状缺陷，单点测厚无法全面评估腐蚀程度，而声阻抗成像可呈现整个油箱壁的腐蚀分布，为维修提供精准依据。

此外，声阻抗成像的无损伤性契合电力设备“不停机检测”的需求。传统检测如射线检测需停机，且有辐射风险；而声阻抗成像用超声或激光作为探测源，无辐射、非接触，可在设备运行中实施检测，大幅降低检修成本。

信号采集系统的优化：从传感器到前端电路的针对性改进

电力设备金属部件的“现场特性”（表面粗糙、高温、电磁干扰）是信号采集的主要挑战，需从传感器与前端电路两方面优化。

传感器的频率选择需适配缺陷类型：表面微裂纹需高频（5-10MHz）传感器以提高分辨率，深层腐蚀需低频（0.5-2MHz）传感器以穿透更深。针对电力设备“多缺陷类型”的需求，宽频带传感器（如1-5MHz）成为研究重点——其通过发射宽频脉冲，可覆盖浅、深缺陷的检测需求。

耦合方式的改进解决了“高温+粗糙表面”的问题。传统甘油耦合剂在100℃以上会失效，研究人员开发了硅基高温耦合剂（200℃下仍保持粘性），或采用干耦合传感器（如铌酸锂换能器）——无需涂抹耦合剂，直接贴合金属表面即可采集信号，已在输电线路接头检测中应用。

前端电路的低噪声设计应对电磁干扰。电力现场的工频磁场会干扰超声信号，研究中采用“同轴电缆屏蔽+低噪声前置放大器”方案：传感器与放大器间用屏蔽电缆连接，放大器选用AD8221等低温漂芯片，将噪声电压控制在10nV/√Hz以下，有效减少电磁干扰对信号的影响。

成像算法的迭代：从定性到定量的精度提升

早期声阻抗成像算法（如B扫描、C扫描）仅能定性显示缺陷位置，无法满足电力设备对“缺陷精准评估”的需求。随着技术发展，算法向定量方向迭代。

频域分析是定量成像的早期尝试。其原理是：不同频率的声波在缺陷处的反射系数不同，通过提取脉冲回波的频域特征（如中心频率偏移），可计算缺陷的声阻抗值。例如，针对变压器油箱壁的腐蚀缺陷，用5MHz换能器采集信号，通过频域分析得到腐蚀区的声阻抗值，进而换算出腐蚀深度——误差仅为超声测厚的1/3。

逆问题算法解决了“复杂波场”的难题。声波在金属中传播时会发生衍射、散射，传统算法难以准确重建声阻抗分布。共轭梯度法、ART等逆问题算法通过建立“声阻抗分布-测量信号”的数学模型，逆向求解声阻抗分布。某研究用共轭梯度法重建断路器触头的烧蚀缺陷，成功区分了“烧蚀坑”与“表面氧化层”，分辨率提升至0.2mm。

机器学习算法提升了小缺陷检测能力。CNN等深度学习模型可直接从原始超声信号中提取缺陷特征，无需人工设计特征。例如，针对发电机转子的键槽裂纹（深度<1mm），用1000组裂纹样本训练CNN模型，模型可从超声信号中预测声阻抗分布，检测精度较传统算法高40%——即使裂纹深度仅0.3mm，也能清晰显示。

金属部件复杂结构的成像挑战与解决方案

电力设备金属部件常具有复杂结构（如变压器绕组的“焊缝+螺栓”、断路器灭弧室的“隔板+触头”），这些结构会导致声波多次反射、散射，形成“图像阴影”，掩盖缺陷信号。针对这一问题，研究聚焦“空间采样增强”与“信号聚焦”两类方案。

多阵列传感器增强空间采样。传统单传感器或线阵传感器的采样点有限，无法覆盖复杂结构的所有方向。面阵传感器（如16×16阵元）通过增加采样点数量，可捕捉不同方向的声波信号，减少阴影效应。例如，检测断路器灭弧室的隔板裂纹时，16阵元面阵传感器采集的信号，比线阵传感器多包含3倍的空间信息，裂纹图像的清晰度提升了50%。

合成孔径聚焦技术（SAFT）实现信号聚焦。其原理是对多通道信号进行延迟叠加，将声波聚焦到感兴趣区域（ROI），增强ROI的信号强度。某电厂用SAFT技术检测变压器绕组的机械变形，成功显示了“绕组位移2mm”的缺陷——而传统B扫描仅能看到模糊的变形区域。

自适应滤波消除结构干扰。针对变压器油箱壁的“加强筋”干扰，研究人员用自适应滤波器提取“加强筋的反射信号”，并从原始信号中减去该成分，清晰显示了加强筋下方的腐蚀缺陷。

典型电力设备金属部件的应用案例

变压器油箱壁的腐蚀检测是声阻抗成像的经典场景。某电网公司用该技术检测110kV变压器的油箱壁，成像结果清晰显示了“直径50mm、深度2mm”的腐蚀坑，而传统超声测厚仅检测到“单点厚度减薄”——该技术使腐蚀缺陷的检测效率提升了4倍，避免了油箱泄漏事故。

输电线路铁塔的螺栓松动检测是另一重要应用。螺栓松动会导致连接处的声阻抗降低，声阻抗成像可快速识别松动螺栓。某供电局用该技术检测220kV线路铁塔的螺栓，1小时内完成50根铁塔的检测，发现12颗松动螺栓——而传统扭矩扳手检测需5小时，且易漏检。

发电机转子的在线检测是高难度场景。转子高速旋转（3000r/min），传统检测需停机，而声阻抗成像用激光超声传感器可在运行中检测。某电厂用该技术检测转子的键槽裂纹，成功发现“长度2mm、深度0.5mm”的裂纹，避免了转子断裂事故——检测周期从“每年1次停机”变为“每月1次在线”。

与其他无损检测技术的融合应用

单一技术存在局限性，融合其他无损检测技术可弥补缺陷。例如，声阻抗成像适合深层缺陷，但对表面微裂纹灵敏度不足；涡流检测适合表面缺陷，但无法检测深层缺陷。

声发射（AE）与声阻抗成像融合，实现“动态+静态”评估。AE检测缺陷扩展的动态信号（如裂纹扩展的弹性波），声阻抗成像显示缺陷的位置和大小。某研究用该融合技术检测变压器绕组的机械变形，AE检测到变形的动态信号（波幅>100dB），声阻抗成像显示变形的位置（绕组上端）和程度（变形量1.5mm），比单一技术更准确。

涡流检测（ECT）与声阻抗成像融合，覆盖“表面+深层”缺陷。ECT检测表面和近表面缺陷（深度<1mm），声阻抗成像检测深层缺陷（深度>1mm）。某供电局用该融合技术检测输电线路的导线断股，ECT检测到表面的“断股毛刺”，声阻抗成像检测到内部的“断股裂纹”，全面评估了断股的严重程度。