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聲波的傳輸特性分析
點擊次數(shù):4622 更新時間:2017-10-10

局部放電發(fā)生時,放電區(qū)域內(nèi)分子間會劇烈撞擊,以及介質(zhì)內(nèi)放電發(fā)熱導(dǎo)致體積改變,都會產(chǎn)生脈沖壓力波。超聲波就是其中頻率大于20KHZ,人耳無法識別的聲波分量。可將局部放電源看作點脈沖聲源,遵循機械波的傳播規(guī)律,聲波以球面波的形式向四周傳播,在不同介質(zhì)中傳播速度不同,不同介質(zhì)交界處會產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。在開關(guān)柜等設(shè)備外部安裝換能器,可將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,然后經(jīng)過分析處理,得到表征設(shè)備局部放電信息的各種特征量。通過分析這些特征量,就可以有效地對介質(zhì)的絕緣缺陷情況進行判斷。

 

聲波的傳輸特性分析

 

在絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部,局部放電發(fā)出的聲波,經(jīng)常要經(jīng)過多種介質(zhì)才能傳單接收聲波的換能器上來。例如變壓器內(nèi)固體介質(zhì)中的氣隙發(fā)生局部放電時所發(fā)出的聲波要通過固體介質(zhì)、液體介質(zhì)和金屬外殼才能到達置于外殼表面上的換能器。傳播過程中,聲波會發(fā)生折射、反射和衰減。

 

1.1 折射和反射

 

聲波在各種介質(zhì)中傳播的速度是不同的,表中列出幾種常用電工材料的聲波傳播速度。因此聲波在傳播過程遇到不同的介質(zhì)時,就會在介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生折射或反射。入射角θa與折射角θb之間的關(guān)系是決定于下式:

 

各種材料中的聲波傳播速度

材料變壓器油油紙油浸電工紙板硅鋼片
速度(m/s)14001420230035806000 

公式1

式中Ca為入射的聲波速度,Cb為折射的聲波速度。當θa>90°時,入射的聲波全部都反射回來,這時聲波被阻塞而不能繼續(xù)傳播。這種情況在用超聲波檢測法來確定局部放電發(fā)生的部位和大小時應(yīng)充分考慮到。

 

超聲波通過兩種介質(zhì)的分界面造成的損失可以用反射系數(shù)RO來表示。在垂直入射時

公式2

式中ρ1, ρ2各為兩種介質(zhì)材料的密度(kg/m³);而C1,  C2為兩種介質(zhì)中聲波的速度(m/s)。

 

介質(zhì)材料的密度ρ與聲速度的乘積稱為特性阻抗,只有當兩種介質(zhì)的特性阻抗相等時,聲波通過這兩種介質(zhì)的分界面才不會損失。特性阻抗相差愈大,造成的損失也愈大。鋼、蓖麻油、空氣的特性阻抗分別為39.4X10^6,1.143X10^6,0.0004X10^6(kg/m2/s)。

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