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

（云南電網有限責任公司保山供電局，云南保山，678000）

0 引言

近年來，隨著我國經濟和科技的不斷發展，對電能的需求日益提高。電網的安全穩定運行與電網中電力變壓器、電抗器等設備的穩定運行有密切關系。其中電力變壓器作為能源的轉換和傳輸設備，是電網中不可替代的電氣設備之一。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是否可靠運行的關鍵。但是，在日常運行過程中，變壓器油會受到光、熱、氧、機械及各種環境因素的影響而導致各項性能指標逐步劣化，嚴重時還會造成變壓器設備損壞或燒毀等重大事故，危害整個供電系統的安全和可靠運行。因此，對變壓器油的擊穿電壓進行檢測，以便及時發現油質劣化和絕緣性能下降等問題，進而對變壓器油進行過濾或更換，對保證變壓器的安全穩定運行具有重大意義。

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，有以下特點與優點：

(1)頻率高、波長短、傳播速度小。因為超聲波在媒介中傳播時的聲波波長較短，不容易發生散射與衍射現象，聲波能量流失較少，導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據分析。

(2)可以實現非接觸式測量。超聲波可以適應相對惡劣的環境，測量時不必擔心測量介質對探頭的影響。

(3)無聲。因為超聲波頻率屬于人耳不能聽到的聲波頻率范圍，在利用超聲波進行測試時能保證測試環境的安靜，在一些高強度的工作場合就顯得更加重要。

(4)穿透能力較強等其他優點。由于超聲波的以上優點，使得其在科學研究、工農業等很多領域都有廣泛應用。

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是不變的。而當變壓器長期運行之后，變壓器油中的成分會發生改變，油液的各種參數也與初始參數相比有所不同，這也就導致了超聲波的傳播效果會受到影響。超聲波傳播特性參數受超聲波頻率的影響，可以通過調整發射器發出的超聲波的頻率，以獲取不同頻率的超聲波參數，以此可以分析變壓器油的擊穿電壓和其他參數的信息。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與變壓器油擊穿電壓之間的聯系。

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、密度、濕度等諸多參量影響，變壓器油中的任何雜質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系已經有了明確的理論表達式，例如，媒介的彈性模量可以根據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傳播距離L=傳播速度c×傳播時間t的原理得來的。

在現實情況下，超聲波在媒介中的傳播會遇到諸多不可預測的影響因素，我們設想超聲波的傳播媒介是理想介質，即假設：①介質為非粘性介質；②介質始終保持靜止，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動定律，質量守恒定律和描述溫度、壓強、體積等狀態參數的物態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動方程為：

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

根據質量守恒定律得到超聲波的連續性方程為：

式中，ρv表示能量密度。因為超聲波在媒介中傳播時會引起介質有略微伸張或壓縮，而導致介質參量發生變化，所以可以用描述物資狀態變化的關系式來表示介質參量的變化。

通過熱力學定理可知，質量不變時，介質的狀態方程可以用系統的嫡s、密度ρ和壓強P確定。因為我們假設的介質為理想介質，整個系統在進行超聲波測量時沒有熱量的增加或損失，整個系統的嫡保持不變，即壓強僅與介質密度有關：

考慮到通常情況下壓強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方程為：

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

將(4)對t求導得：

帶入(2)并再次對t求導得：

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中的傳播速度、介質的絕熱壓縮系數、介質密度?？傻弥暡ǖ膫鞑ニ俣葍H與介質的絕熱壓縮系數和質密度有關。對于變壓器油，其密度以及油液中其他物質的密度可用伍德方程測來。對于式(9)，根據伍德方程，，λi為復合成分第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分別為各成分的質量百分比、體積質量、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。

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，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 結語

通過對多頻超聲檢測技術的分析，得到了其獲取變壓器油擊穿電壓和其他參數的原理。首先對超聲波進行介紹，尤其突出了超聲波檢測的優點，再通對超聲波聲速、聲阻抗率和聲衰減的原理與應用范圍進行介紹，接著對超聲波在變壓器油中的波動和衰減特性進行分析，確定了超聲波的聲速和衰減系數均可作為反映變壓器油擊穿電壓及其他參數的聲學參量，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的技術原理。