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揚(yáng)州國(guó)浩電氣有限公司

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局部放電產(chǎn)生聲波的傳播特性

2017-11-2 閱讀(3350)

局部放電經(jīng)常發(fā)生在電力設(shè)備內(nèi)部,在測(cè)量局部放電聲波時(shí),傳感器一般布置在設(shè)備的外殼上,所以,聲波到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的過程中會(huì)發(fā)生衰減,并且由于介質(zhì)界面的不一致,還會(huì)發(fā)生反射,在不同的介質(zhì)中傳播速度也不同。例如在液體介質(zhì)和氣體介質(zhì)中,由于沒有橫向運(yùn)動(dòng)的彈力,聲波主要以縱波形式傳播:然而在固體中,橫波和縱波是都有的。因此應(yīng)用超聲檢測(cè)法檢測(cè)局部放電時(shí),在氣體和液體介質(zhì)中主要測(cè)量得到的是縱波。在固體介質(zhì)中,得到的一般橫波。假如在GIS設(shè)備內(nèi)部發(fā)生了局部放電,則縱波會(huì)通過SF6氣體傳播到金屬外殼,zui后又會(huì)在外殼上進(jìn)行傳播。

 

(1)傳播速度

 

在檢測(cè)時(shí),使用超聲波zui大的好處就是能夠進(jìn)行局部放電的定位,在進(jìn)行定位的過程中,首先需得到在不同溫度的情況下不同介質(zhì)中超聲波的傳播速度。如圖1所示,在變壓器中存在礦物質(zhì)的油層,隨著油溫的升高,超聲波的傳播速度反而減慢。具體來說,超聲波的頻率越高,傳播速度越快,見圖1和2。此外,橫波和縱波的傳播速度也不是相同的,縱波的傳播速度是橫波的兩倍。

 

礦物油中超聲波傳播速度與溫度變化的曲線

              圖1 礦物油中超聲波傳播速度與溫度變化的曲線

 

礦物油中超聲波傳播速度與頻率變化的曲線

            圖2   礦物油中超聲波傳播速度與頻率變化的曲線

 

(2)傳播過程中的衰減

 

超聲波在傳播過程中,傳播距離越大,聲波的能量會(huì)逐漸減小,這樣的現(xiàn)象叫衰減。在空氣中衰減速率隨著頻率的1-2次方增加;固體介質(zhì)中聲波能力衰減速率和頻率f成正比;液體中衰減速率正比于頻率的2次方,具體如下表所示:

 

縱波的衰減情況

材料測(cè)量頻率溫度衰減(dB/m)
空氣50Hz20-280.98
SF640Hz20-2826.0
10Hz259.0
鋼/鐵10Hz2521.5

 

 

從表中可以發(fā)現(xiàn),對(duì)不同的材料,聲波的衰減速度也是差別很大的,以40 kHz的聲波為例,和在空氣中出現(xiàn)的衰減速度相比,聲波在SF6氣體當(dāng)中發(fā)生的衰減速度至少是前者的20倍,而聲波衰減zui快的就是在橡膠和海綿等軟性的材料中,所以在對(duì)局部放電進(jìn)行檢測(cè)時(shí),為了能夠在較遠(yuǎn)距離對(duì)聲波進(jìn)行檢測(cè),聲波傳感器必須具有足夠高的前置放大設(shè)備增益。

 

 


(3)傳播中的反射情況

 

在介質(zhì)中進(jìn)行傳播時(shí),超聲波不僅會(huì)出現(xiàn)一定程度的衰減,而且具有非常強(qiáng)的方向性,所以在傳播的過程中,超聲波會(huì)在兩種介質(zhì)的交界處發(fā)生反射,這種反射現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)進(jìn)一步較少聲波傳播過程中的聲能。一般來說,超聲波在空氣中的反射臨界角為26°,當(dāng)超聲波的入射角超過了該值時(shí),超聲波會(huì)就產(chǎn)生全反射,從而導(dǎo)致傳感器無法接收到任何信號(hào)。所以,在實(shí)際檢測(cè)過程中,需要將傳感器安裝在合適的位置,保證聲波的入射角度小于其反射臨界角。

 

對(duì)不同的介質(zhì)而言,其具有的聲阻抗是不盡相同的,而聲波在不同介質(zhì)之間的傳遞也會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減,對(duì)某一固定介質(zhì)而言,其聲阻抗等于聲波在此其中傳播的速度ν乘以其密度ρ,即ρν,聲波在兩個(gè)介質(zhì)的交界處會(huì)產(chǎn)生衰減,其反射時(shí)的系數(shù)如下:

 

R=ρ?ν?-ρ?ν?/ρ?ν?+ρ?ν?

 

式中,ρ?ν?、ρ?ν?分別表示的是兩種材料不同,但互相接觸的介質(zhì)所具有的聲阻抗,從上式能夠看出,聲波在發(fā)生反射時(shí)導(dǎo)致的衰減程度和兩種接觸的介質(zhì)具有的聲阻抗差的大ρν小成正比。



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