摘要：电力变压器的部分可靠性关乎整个电力系统的安全稳定运行，因此电力变压器局部放电的在线检测是一项必要的工作。在局部放电的检测方法中，超声波检测方法抗干扰能力强、定位精确、易于实现在线检测，具有很大的实用价值。本文以电力变压器为研究对象，主要研究探讨了电力变压器中局部放电产生超声波在油中传播特性。
关键词：电力变压器；局部放电；超声波；定位；传播特性
1 引言
超声波检测法用固定在电气设备上的超声波传感器可以接收到电气设备内部局部放电产生的超声波 [1]。超声波检测法受电气干扰影响小，对局部放电定位的精度高，应用广泛，可以实现在线检测，对改方法的研究也比较深入。但是由于电气设备内部介质种类多、结构复杂，超声波在其中传播的路径、速度等参数都是很难确定的，传播过程很复杂，目前尚无法利用超声波信号判断局部放电的模式[1]。
综上所诉，局部放电产生的超声波包含了大量能反映局部放电性质的信息，超声波检测法在局部放电的测量方面有其独到的特点和优势。对于超声波检测法的深入研究是非常值得的，很可能会得到有价值的发现，推动电气设备局部放电测量技术的发展[2]。
2 超声波在油中的传播特性试验
局部放电产生的超声波包含了很多有用的信息，为了挖掘这些信息我们首先要探究局部放电产生的超声波的性质[3]。
本文设计了如下的实验，示意图如图2-1所示。超声波传感器安置于容器的外表面，保持传感器的位置不变，通过改变局放源和超声波传感器之间的距离d，在每个位置上测量并记录脉冲电压和超声波的波形，将这些数据进行分析对比。其中缺陷模型采用油纸板气隙，油纸板半径为50mm，气隙直径为1mm，气隙厚度为1mm，变压器油温度保持在24℃不变。
图2-1 超声波传播规律实验示意图
（1）局部放电产生超声波的频谱特性
图2-2 d=8.0cm时测得的超声波信号及其频谱图
取d=8.0cm时测得的一组超声波波形，并对该波形进行傅里叶分析得到频谱图，超声波信号波形和该波形的频谱如图2-2所示。在超声波波形图中可以看到在零时刻局部放电发生后，并没有立即接收到明显的超声波信号，而是在经过了一定的时延后超声波信号幅值才开始增大并到达峰值，随后超声波的幅值开始缓慢的下降，其频率也明显减小，最终消失；在频谱图中可以清楚的看到一个低频带和一个高频带。其中低频带又包含中心频率为35kHz和60kHz的两个小频带。高频带的中心频率约为145kHz。局部放电所产生的超声波的频率大部分都集中在30-300kHz的频率段。
（2）超声波的衰减特性
超声波在介质中传播时，能量的衰减取决于超声波的扩散、散射和吸收。声波中的高频分量衰减得比低频分量快；声音在密度越大的材料中衰减的越慢，传播的越远，在空气中的衰减是最快的，因此声波在空气中的传播距离最近。
在实验中，介质的密度保持不变，局放产生的超声波的频率也基本一致，因此超声波的衰减应基本符合指数衰减规律。
经过多次实验分析，验证了超声波的衰减规律，如图2-3。
图2-3 超声波随距离增大衰减情况
（a）所有点；（b）符合指数衰减规律的4个点
3 结论
本文以实验结果为依据,通过设计实验，研究了超声波的性质以及局部放电超声波检测法的特点，对局部放电的超声波检测法进行了实验测量，主要分析了局部放电产生的超声波的频率特性，以及超声波传播过程中的衰减特性[4]。得到了以下结论：
（1）局部放电产生的超声波在频谱上具有一定的规律；
（2）超声波在单一介质传播过程中的衰减基本上符合指数规律。
4 建议
本文仅研究了超声波的部分传播规律，后续可以继续研究：
（1）超声波在电气设备中的传播路径，进一步研究超声波的传播规律；
（2）结合其他局放检测方法，实现对电气设备的局部放电在线监测和局放源定位。
参考文献：
[1]严璋．电气绝缘在线检测技术［M］．北京:中国电力出版社,2005.
[2]邱昌容,曹晓珑．电气绝缘测试技术［M］．第3版．北京:机械工业出版社,2011.
[3]李燕青．超声波法检测电力变压器局部放电的研究［D］．北京:华北电力大学,2003.
[4]杨宏．大型变压器内局部放电激发超声波的机理及其传播特性研究［D］．长沙:长沙理工大学,2011.
论文作者:王庆涛,石碧薇,苏轶超,郭宁辉,姚荃
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/2/15
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