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局部放电产生声波的传播特性
点击次数:1165 发布时间:2017-11-02

局部放电经常发生在电力设备内部,在测量局部放电声波时,传感器一般布置在设备的外壳上,所以,声波到达检测点的过程中会发生衰减,并且由于介质界面的不一致,还会发生反射,在不同的介质中传播速度也不同。例如在液体介质和气体介质中,由于没有横向运动的弹力,声波主要以纵波形式传播:然而在固体中,横波和纵波是都有的。因此应用超声检测法检测局部放电时,在气体和液体介质中主要测量得到的是纵波。在固体介质中,得到的一般横波。假如在GIS设备内部发生了局部放电,则纵波会通过SF6气体传播到金属外壳,zui后又会在外壳上进行传播。

 

(1)传播速度

 

在检测时,使用超声波zui大的好处就是能够进行局部放电的定位,在进行定位的过程中,首先需得到在不同温度的情况下不同介质中超声波的传播速度。如图1所示,在变压器中存在矿物质的油层,随着油温的升高,超声波的传播速度反而减慢。具体来说,超声波的频率越高,传播速度越快,见图1和2。此外,横波和纵波的传播速度也不是相同的,纵波的传播速度是横波的两倍。

 

矿物油中超声波传播速度与温度变化的曲线

              图1 矿物油中超声波传播速度与温度变化的曲线

 

矿物油中超声波传播速度与频率变化的曲线

            图2   矿物油中超声波传播速度与频率变化的曲线

 

(2)传播过程中的衰减

 

超声波在传播过程中,传播距离越大,声波的能量会逐渐减小,这样的现象叫衰减。在空气中衰减速率随着频率的1-2次方增加;固体介质中声波能力衰减速率和频率f成正比;液体中衰减速率正比于频率的2次方,具体如下表所示:

 

纵波的衰减情况

材料测量频率温度衰减(dB/m)
空气50Hz20-280.98
SF640Hz20-2826.0
10Hz259.0
钢/铁10Hz2521.5

 

 

从表中可以发现,对不同的材料,声波的衰减速度也是差别很大的,以40 kHz的声波为例,和在空气中出现的衰减速度相比,声波在SF6气体当中发生的衰减速度至少是前者的20倍,而声波衰减zui快的就是在橡胶和海绵等软性的材料中,所以在对局部放电进行检测时,为了能够在较远距离对声波进行检测,声波传感器必须具有足够高的前置放大设备增益。

 

 


(3)传播中的反射情况

 

在介质中进行传播时,超声波不仅会出现一定程度的衰减,而且具有非常强的方向性,所以在传播的过程中,超声波会在两种介质的交界处发生反射,这种反射现象的发生会进一步较少声波传播过程中的声能。一般来说,超声波在空气中的反射临界角为26°,当超声波的入射角超过了该值时,超声波会就产生全反射,从而导致传感器无法接收到任何信号。所以,在实际检测过程中,需要将传感器安装在合适的位置,保证声波的入射角度小于其反射临界角。

 

对不同的介质而言,其具有的声阻抗是不尽相同的,而声波在不同介质之间的传递也会出现不同程度的衰减,对某一固定介质而言,其声阻抗等于声波在此其中传播的速度ν乘以其密度ρ,即ρν,声波在两个介质的交界处会产生衰减,其反射时的系数如下:

 

R=ρ₁ν₁-ρ₂ν₂/ρ₁ν₁+ρ₂ν₂

 

式中,ρ₁ν₁、ρ₂ν₂分别表示的是两种材料不同,但互相接触的介质所具有的声阻抗,从上式能够看出,声波在发生反射时导致的衰减程度和两种接触的介质具有的声阻抗差的大ρν小成正比。

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