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声波的传输特性分析
点击次数:1218 发布时间:2017-10-10

局部放电发生时,放电区域内分子间会剧烈撞击,以及介质内放电发热导致体积改变,都会产生脉冲压力波。超声波就是其中频率大于20KHZ,人耳无法识别的声波分量。可将局部放电源看作点脉冲声源,遵循机械波的传播规律,声波以球面波的形式向四周传播,在不同介质中传播速度不同,不同介质交界处会产生反射和折射现象。在开关柜等设备外部安装换能器,可将超声波信号转换为电压信号,然后经过分析处理,得到表征设备局部放电信息的各种特征量。通过分析这些特征量,就可以有效地对介质的绝缘缺陷情况进行判断。

 

声波的传输特性分析

 

在绝缘结构内部,局部放电发出的声波,经常要经过多种介质才能传单接收声波的换能器上来。例如变压器内固体介质中的气隙发生局部放电时所发出的声波要通过固体介质、液体介质和金属外壳才能到达置于外壳表面上的换能器。传播过程中,声波会发生折射、反射和衰减。

 

1.1 折射和反射

 

声波在各种介质中传播的速度是不同的,表中列出几种常用电工材料的声波传播速度。因此声波在传播过程遇到不同的介质时,就会在介质的分界面上产生折射或反射。入射角θa与折射角θb之间的关系是决定于下式:

 

各种材料中的声波传播速度

材料变压器油油纸油浸电工纸板硅钢片
速度(m/s)14001420230035806000 

公式1

式中Ca为入射的声波速度,Cb为折射的声波速度。当θa>90°时,入射的声波全部都反射回来,这时声波被阻塞而不能继续传播。这种情况在用超声波检测法来确定局部放电发生的部位和大小时应充分考虑到。

 

超声波通过两种介质的分界面造成的损失可以用反射系数RO来表示。在垂直入射时

公式2

式中ρ1, ρ2各为两种介质材料的密度(kg/m³);而C1,  C2为两种介质中声波的速度(m/s)。

 

介质材料的密度ρ与声速度的乘积称为特性阻抗,只有当两种介质的特性阻抗相等时,声波通过这两种介质的分界面才不会损失。特性阻抗相差愈大,造成的损失也愈大。钢、蓖麻油、空气的特性阻抗分别为39.4X10^6,1.143X10^6,0.0004X10^6(kg/m2/s)。

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