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

论文摘要

大型电力变压器内部局部放电的检测是电气设备绝缘检测领域长期存在的难题,在过去的几十年中,出现了多种检测方法,但总体效果并不十分理想。原因之一是由于变压器内部绝缘结构复杂,电磁环境十分恶劣,严重制约了对放电信号的有效提取;原因之二是放电脉冲信号是一个时变的量,其幅度、相位以及频率是起伏的,单次或有限多次的测量无法完整反映放电信号的真实特性,因此根据局部放电脉冲传播特性原理建立起来的各种电气检测方法难以给出放电源的准确位置;原因之三是现有超声波检测方法在定位算法上是基于变压器内的单点放电,但实际上变压器内部往往存在多点同时放电的情形,因而基于声发射传播特性的超声波检测法难以有效分辨出各个放电信号的时延。为了解决电力变压器内部局部放检测的问题,提高局部放电检测的准确度,本文借助声学和矩阵知识,分析了局部放电产生超声波的物理过程及超声波的传播特性。变压器内部发生局部放电时将引起声发射,但目前人们对于局部放电中的电-声转换过程讨论较少。文章以变压器内部气泡放电为例,分析了气泡放电时的受力过程,利用声-电-力类比的方法,建立了基于气泡模型的局部放电产生超声波的力学等值电路模型,并且从声学角度和动力学角度分析了单个气泡振动以及声辐射规律,并加以实验验证,从原理上解释了局部放电激发超声波的机理;层状介质中声透射问题一直是应用声学的研究难题,文章通过模拟变压器内部绝缘结构,建立了变压器内部声传播路径的层状介质的数学模型,通过引入传递矩阵的概念,分析了层状介质中的声透射问题,并进一步通过实验验证了方法的有效性;构建了超声波传播特性的实验系统,分析了不同放电模型产生超声波的频谱范围,得出了变压器内部介质。变压器油对超声波传播影响较小,而变压器油箱影响较大等一系列结论,为超声波传感器的选型提供了可靠的实验数据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超声检测技术的研究背景
• 1.2 变压器局部放电监测的主要方法
• 1.2.1 脉冲电流法
• 1.2.2 超高频法
• 1.2.3 超宽频法
• 1.2.4 超声波法
• 1.2.5 化学检测法
• 1.2.6 光测法
• 1.3 局部放电超声波检测技术的研究现状
• 1.3.1 研究现状
• 1.3.2 超声波检测技术存在的问题
• 1.4 选题的目的和意义
• 1.5 论文的主要工作
• 第二章 局部放电基础理论
• 2.1 局部放电的概念
• 2.2 局部放电的产生原因
• 2.3 局部放电的形成过程
• 2.4 各类局部放电及其特点
• 2.4.1 内部放电
• 2.4.2 表面放电
• 2.4.3 电晕放电
• 2.5 局部放电的表征参数
• 2.6 影响局部放电的因素
• 第三章 局部放电产生超声波的机理
• 3.1 单气泡的振动及声辐射基本理论研究
• 3.1.1 基本方程
• 3.1.2 数值方法
• 3.1.3 计算结果及分析
• 3.1.4 小结
• 3.2 电-力-声类比
• 3.3 局部放电产生超声波的机理
• 第四章 局部放电超声频谱特性实验研究
• 4.1 实验系统的组成
• 4.2 变压器典型局放模型的设计
• 4.3 基于LABVIEW 的局部放电超声频谱特性分析系统的设计
• 4.3.1 原始数据的采集
• 4.3.2 虚拟频谱分析软件的设计
• 第五章 超声波在变压器内传播规律分析
• 5.1 超声波理论基础
• 5.1.2 超声场的基本特征量
• 5.1.3 超声波的波型
• 5.1.4 超声波的波动特性
• 5.1.5 超声波衰减原因及规律
• 5.2 声波的波动方程条件假设
• 5.3 变压器的层状介质模型
• 5.3.1 层状介质几何模型
• 5.3.2 层状介质模型的假设
• 5.4 层状介质中声透射问题的传递矩阵法
• 5.5 超声波在变压器内部传播的实验研究
• 5.5.1 油中超声波随距离的衰减
• 5.5.2 变压器箱体对超声波的衰减
• 结论
• 参考文献
• 致谢
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