超声波传播途径和测量原理

1、超声波局部放电测试原理

绝缘介质局部放电有2种类型；气泡内放电；介质在高场强作用下游离击穿。一些浇注，挤压的绝缘介质容易夹杂着气隙或气泡，空气的介电系数较固体介质较小，而场强与介电常数成反比。因此，介质中的气隙或气泡是第一种局部放电的发源地；当局部电场更高时，在绝缘薄弱环节处将引起介质的游离击穿。以上两种局部放电，在多数情况下往往同时发生或互相渗透。

变压器在试验电压（或工作电压）下出现局部放电时，伴随产生电脉冲，超声波，光，热和化学变化等物理现象。只要变压器内部存在局部放电，就一定会产生高频的电气扰动，并将向所有与其有连接的电气回路传播。利用连接到设备端子上的测试装置接到放电信号，可对变压器局部放电进行定量检测。同时只要存在局部放电，在放电过程中，随着放电的发生，伴随着爆裂状的声发射，产生超声波，且很快向四周介质传播，通过安装在变压器油箱外壁上的超声波传感器，将超声波信号转换为电信号，就能对变压器内的局部放电水平进行测量，此即为变压器超声波局部放电测量法。

在变压器内部发生局部放电时，伴随有声波能量的放出，超声波通过不同介质（油纸，隔板，绕组，油等）向外传播。这种超声波信号以某一速度通过绝缘纸板，绝缘油等介质向变压器油箱外传播，以球面波的形式向四周传播，超声波穿过绝缘介质到达变压器箱壁上的传感器有2条途径；一条直接传播，即超声波的纵向波穿过绝缘介质，变压器油等到油箱内壁，并透过钢板到达传感器；另一条是以纵向波

传到油箱内壁，后沿钢板按横向波传播到传感器，此波为复合波。

超声波具有很强的穿透能力，但是它在穿透各种介质时都会使波形发生某种程度的畸变，而这种畸变主要表现为幅值的衰减，表一是超声波在不同介质中的传播速度及其相对于变压器油的相对衰减率。

虽然超声波在钢板中的速度比在变压器油中快的多，但是超声波在钢板中的衰减很大，所以到达传感器的直接波的幅值比复合波大得多。超声波的传播波形见图；

尽管电力变压器内绝缘结构十分复杂，但是经绝缘油浸透的绝缘介质和变压器油的声阻抗十分接近，它们构成许多间隙声通道。所以，产生在电力变压器较外围的局部放电，其超声信号能够较强的传输到变压器箱体上的传感器。布置在油箱外壁上不同位置的超声传感器即检测探头相对于某一放电点之间的距离是不同的，放电产生的超声信号到达探头的时间也不同。通过超声接收传感器，测量超声波的大小及通过测量超声波传播的时延时间，即可确定局部放电源的空间位置。

2、检测频率的确定

当发生局部放电时，由于绝缘弱点中分子的激烈碰撞，气泡的形成和发展，液体的流动以及固体材料的微小开裂都会发出声波，通常由于局部放电在气体中产生的声波频率约为几KHZ，而在液体、固体中产生的声波频率约在几十到几百KHZ。变压器铁芯的噪声在低频领域，其噪声水平较高，机械振动的噪声大多在20KHZ以下。超声波局部放电的检测，应避开干扰频率范围而以高频率为对象。但频

率越高，声波在传输过程中的衰减越大，因此超声波局部放电检出的频率一般在数十到数百KHZ。测试频带应选用40~300KHZ.