基于多頻超聲的變壓器油擊穿電壓傳播特性研究

李秀明，蘇陽，張際明，張連聰，楊華昆，王星耀

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保山供電局，云南保山，678000）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，對電能的需求日益提高。電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行與電網(wǎng)中電力變壓器、電抗器等設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行有密切關(guān)系。其中電力變壓器作為能源的轉(zhuǎn)換和傳輸設(shè)備，是電網(wǎng)中不可替代的電氣設(shè)備之一。而變壓器油起著絕緣、消弧和散熱冷卻作用，是電力變壓器甚至電網(wǎng)是否可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。但是，在日常運(yùn)行過程中，變壓器油會受到光、熱、氧、機(jī)械及各種環(huán)境因素的影響而導(dǎo)致各項(xiàng)性能指標(biāo)逐步劣化，嚴(yán)重時還會造成變壓器設(shè)備損壞或燒毀等重大事故，危害整個供電系統(tǒng)的安全和可靠運(yùn)行。因此，對變壓器油的擊穿電壓進(jìn)行檢測，以便及時發(fā)現(xiàn)油質(zhì)劣化和絕緣性能下降等問題，進(jìn)而對變壓器油進(jìn)行過濾或更換，對保證變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義。

1 超聲波概述

超聲波是一種頻率范圍在10-4～1014Hz之間的機(jī)械波。大于20kHz的聲波則為超聲波。聲波的頻率圖如圖1所示。

圖1 聲波頻率圖

超聲波作為可以在氣體液體固體上中媒介中縱向振動傳播的聲波，有以下特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)：

(1)頻率高、波長短、傳播速度小。因?yàn)槌暡ㄔ诿浇橹袀鞑r的聲波波長較短，不容易發(fā)生散射與衍射現(xiàn)象，聲波能量流失較少，導(dǎo)致超聲波具有較好的指向性。較小的傳播速度則讓超聲波在相同的傳播距離的情況下，能有更長的傳播時間，利于超聲回波的采集和數(shù)據(jù)分析。

(2)可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測量。超聲波可以適應(yīng)相對惡劣的環(huán)境，測量時不必?fù)?dān)心測量介質(zhì)對探頭的影響。

(3)無聲。因?yàn)槌暡l率屬于人耳不能聽到的聲波頻率范圍，在利用超聲波進(jìn)行測試時能保證測試環(huán)境的安靜，在一些高強(qiáng)度的工作場合就顯得更加重要。

(4)穿透能力較強(qiáng)等其他優(yōu)點(diǎn)。由于超聲波的以上優(yōu)點(diǎn)，使得其在科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)等很多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

2 多頻超聲波在變壓器油中的傳播特性研究

通常情況，即當(dāng)壓力、溫度等不變時，頻率不變的超聲波在同一變壓器油中傳播的速度和衰減等參數(shù)是不變的。而當(dāng)變壓器長期運(yùn)行之后，變壓器油中的成分會發(fā)生改變，油液的各種參數(shù)也與初始參數(shù)相比有所不同，這也就導(dǎo)致了超聲波的傳播效果會受到影響。超聲波傳播特性參數(shù)受超聲波頻率的影響，可以通過調(diào)整發(fā)射器發(fā)出的超聲波的頻率，以獲取不同頻率的超聲波參數(shù)，以此可以分析變壓器油的擊穿電壓和其他參數(shù)的信息。以下通過分析超聲波在變壓器油中的波動和衰減特性獲取超聲波參數(shù)與變壓器油擊穿電壓之間的聯(lián)系。

2.1 多頻超聲波在變壓器油中的波動特性

超聲波在媒介中的傳播速度受媒介的狀態(tài)、密度、濕度等諸多參量影響，變壓器油中的任何雜質(zhì)以及變壓器油氧化都會影響超聲波在其中的傳播速度。有研究表明，超聲波聲速與媒介參量的關(guān)系已經(jīng)有了明確的理論表達(dá)式，例如，媒介的彈性模量可以根據(jù)媒介密度和超聲波在其中的傳播速度求出。超聲波測距也是根據(jù)傳播距離L=傳播速度c×傳播時間t的原理得來的。

在現(xiàn)實(shí)情況下，超聲波在媒介中的傳播會遇到諸多不可預(yù)測的影響因素，我們設(shè)想超聲波的傳播媒介是理想介質(zhì)，即假設(shè)：①介質(zhì)為非粘性介質(zhì)；②介質(zhì)始終保持靜止，不受外界影響；③超聲波在傳播時沒有熱量和能量損失。超聲波在這種媒介中傳播能始終滿足牛頓第二運(yùn)動定律，質(zhì)量守恒定律和描述溫度、壓強(qiáng)、體積等狀態(tài)參數(shù)的物態(tài)方程這幾個基本物理理論。

由牛頓第二定律可得超聲波在媒介中的運(yùn)動方程為：

式中，ρ、P、v、x分別為介質(zhì)密度、介質(zhì)壓強(qiáng)、超聲波速度、超聲波接受處距離聲源的距離。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律得到超聲波的連續(xù)性方程為：

式中，ρv表示能量密度。因?yàn)槌暡ㄔ诿浇橹袀鞑r會引起介質(zhì)有略微伸張或壓縮，而導(dǎo)致介質(zhì)參量發(fā)生變化，所以可以用描述物資狀態(tài)變化的關(guān)系式來表示介質(zhì)參量的變化。

通過熱力學(xué)定理可知，質(zhì)量不變時，介質(zhì)的狀態(tài)方程可以用系統(tǒng)的嫡s、密度ρ和壓強(qiáng)P確定。因?yàn)槲覀兗僭O(shè)的介質(zhì)為理想介質(zhì)，整個系統(tǒng)在進(jìn)行超聲波測量時沒有熱量的增加或損失，整個系統(tǒng)的嫡保持不變，即壓強(qiáng)僅與介質(zhì)密度有關(guān)：

考慮到通常情況下壓強(qiáng)P越大時密度ρ也越大，即恒大于零，所以用c2表示得到聲波的物態(tài)方程為：

當(dāng)方程(2)、(3)、(4)相互獨(dú)立時，其組成的方程組可以消去P、ρ、v中的任意兩個。

將(4)對t求導(dǎo)得：

帶入(2)并再次對t求導(dǎo)得：

將(1)帶入上式得：

上式就是超聲波一維波動方程，式中：

或

式中，c、β0、ρ分別是超聲波在介質(zhì)中的傳播速度、介質(zhì)的絕熱壓縮系數(shù)、介質(zhì)密度?？傻弥暡ǖ膫鞑ニ俣葍H與介質(zhì)的絕熱壓縮系數(shù)和質(zhì)密度有關(guān)。對于變壓器油，其密度以及油液中其他物質(zhì)的密度可用伍德方程測來。對于式(9)，根據(jù)伍德方程，，λi為復(fù)合成分第i個成分的容積率。即超聲波傳播速度特性可表為：

式中，λi、ρi、βi分別為各成分的質(zhì)量百分比、體積質(zhì)量、絕熱壓縮率。變壓器油的絕熱壓縮率β可由油液密度ρ和超聲波傳播速度c表達(dá)。

通過以上分析得知，超聲波在變壓器油中的傳播速度c與油液中各種成分含量相關(guān)，而油液中的不同成分的含量會直接影響變壓器油的擊穿電壓，所以傳播速度c可用于表征變壓器油擊穿電壓。

3 結(jié)語

通過對多頻超聲檢測技術(shù)的分析，得到了其獲取變壓器油擊穿電壓和其他參數(shù)的原理。首先對超聲波進(jìn)行介紹，尤其突出了超聲波檢測的優(yōu)點(diǎn)，再通對超聲波聲速、聲阻抗率和聲衰減的原理與應(yīng)用范圍進(jìn)行介紹，接著對超聲波在變壓器油中的波動和衰減特性進(jìn)行分析，確定了超聲波的聲速和衰減系數(shù)均可作為反映變壓器油擊穿電壓及其他參數(shù)的聲學(xué)參量，并得出了影響超聲波聲速的主要因素。最后，得出多頻超聲檢測變壓器油擊穿電壓和其他參數(shù)的技術(shù)原理。