پیشینه فیزیکی

تشخیص PD آکوستیک بر این واقعیت استوار است که تخلیه جزئی PD به عنوان منبع نقطه ای امواج صوتی ظاهر می شود. این امواج صوتی از طریق ساختار داخلی دستگاه فشار قوی تا رسیدن به سطح خارجی پخش می شود. انواع موج های مختلف با سرعت های انتشار متفاوت ظاهر می شوند و همچنین بازتاب ها و انکسارها در مرزها منجر به اثرات تضعیف، جذب و پراکندگی می شود. معمولاً امواج صوتی با استفاده از حسگرهای پیزوالکتریک، حسگرهای تشدید صدا، شتاب‌سنج‌ها، میکروفون‌های خازنی یا سنسورهای نوری آکوستیک شناسایی و به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌شوند. سیگنال‌های مربوط به PD صوتی نیز ممکن است از ذرات متحرک آزاد در دستگاه‌های عایق گاز (مانند GIS) تولید شوند.

برای تشخیص PD، معمولاً از محدوده فرکانس آلتراسونیک (تقریباً 20 کیلوهرتز تا 250 کیلوهرتز) استفاده می شود. و همچنین محدوده شنیداری (تقریباً 100 هرتز تا 20 کیلوهرتز). محدوده فرکانس مورد استفاده برای تشخیص صوتی بسته به سیستم عایق مورد استفاده (جامد، مایع و گاز) انتخاب می شود.

جنبه های مسیر انتقال

در قسمت های عایق مایع و گاز، میدان صوتی تابش شده به طور ایده آل به صورت یک موج فشار کروی (طولی) منتشر می شود. هنگام رسیدن به قطعات یا محفظه های عایق جامد. حالت های پیچیده تر و به اصطلاح مسیرهای انتشار ساختاری معمولاً مشاهده می شود. امواج صوتی در رسانه های مختلف سرعت های متفاوتی دارند. به همین دلیل، کوتاه‌ترین مسیر انتشار از نظر هندسی ممکن است لزوماً سریع‌ترین مسیر طی شده بین منبع و حسگر نباشد.

مسیر انتقال صوتی به طور معمول شامل ویژگی های بسیار مهم زیر است:

• تغییرات در سرعت انتشار بسته به مواد و شرایط مختلف (مثلاً برای روغن عایق: تغییرات سرعت نسبتاً زیاد با دما، فقط تغییرات جزئی سرعت با رطوبت)
• پراکندگی: وابستگی فرکانس سرعت انتشار
• تضعیف پالس های صوتی وابسته به فرکانس در ترکیبات و ساختارهای مختلف
• تطبیق امپدانس های صوتی در مرزهای مواد به عنوان مثال. المنت و مسکن دستگاه ولتاژ بالا
• فاصله از عنصر حسگر تا مبدأ PD

سیستم اندازه گیری

سیستم های اندازه گیری را می توان به دو دسته تماسی و غیر تماسی (یا فاصله ای) تقسیم کرد. برای تشخیص حساس PD در داخل دستگاه ولتاژ بالا، سیستم‌های اندازه‌گیری که از تماس مستقیم بین سنسورها و ساختارهای دستگاه استفاده می‌کنند، به‌عنوان مثال، محفظه عمدتاً استفاده می‌شود.

علاوه بر این، سیستم‌های اندازه‌گیری را می‌توان بر اساس اینکه آیا پردازش دامنه زمان یا فرکانس استفاده می‌شود، متمایز کرد.

حسگرها

سنسورهای موجود را می‌توان به حسگرهای پیزوالکتریک، میکروفون یا حسگرهایی با استفاده از جلوه‌های صوتی-اپتیکی تقسیم کرد.

دو نوع سنسور پیزوالکتریک نصب شده خارجی وجود دارد:

الف) شتاب سنج (سیگنال خروجی متناسب با شتاب) با مشخصه فرکانس مسطح

ب) حسگرهای انتشار صوتی (سیگنال خروجی متناسب با سرعت) که معمولاً تشدید غالب در مشخصه فرکانس خود را نشان می دهند

نوع و ویژگی

سنسورهای غیرفعال یا فعال (به معنی تقویت سیگنال در محفظه سنسور) وجود دارد. به طور کلی سطح قابل توجهی از تقویت سیگنال نزدیک به عنصر حسگر بسته به ویژگی های عنصر حسگر بسیار سودمند است.

مشخصات کلی یک سنسور عبارتند از:

• حساسیت
• ویژگی های فرکانس به عنوان یک محدوده کاری از فرکانس ها (نوع رزونانس یا پاسخ فرکانس تخت)
• ویژگی های دما به عنوان دمای محدوده کاری

با توجه به تضعیف سیگنال های صوتی، اغلب سنسورهایی از نوع تشدید با حساسیت بالاتر مشخصه آنها در محدوده فرکانسی خاص ترجیح داده می شوند.

سنسورهای پیزو الکتریک آکوستیک خارجی معمولاً باید در جایی قرار گیرند که بهترین شانس را برای دریافت سیگنال‌های صوتی تولید شده توسط PD داشته باشند، یعنی جایی که سازه ارتعاشات را به بهترین شکل منتقل می‌کند. بنابراین سنسورها را می توان نزدیک به مناطقی قرار داد که احتمالاً در آزمایشات قبلی مشکلاتی را نشان داده اند.

نکته GIS: سیگنال های صوتی توسط حسگرهایی که روی سطح خارجی محفظه GIS قرار می گیرند، دریافت می شوند. معمولاً سنسورها یا توسط نوارهای الاستیک یا نگهدارنده های مغناطیسی به محفظه چسبانده می شوند. از آنجایی که سیگنال صوتی ناشی از نقص(ها)، در طول GIS تحت تضعیف قرار می گیرد، به خصوص زمانی که به عنوان مثال فاصله بین منبع PD و پروب اندازه گیری وجود داشته باشد، سنسور معمولا در مکان های مختلف GIS قرار می گیرد. (معمولا حداقل یک نقطه اندازه گیری در هر محفظه).

ترانسفورماتورها: با مراجعه به طراحی ترانسفورماتور می توان اطلاعات ارزشمندی برای موقعیت یابی سنسورها به دست آورد. پرهیز از مکان‌هایی برای قرارگیری حسگر، به عنوان مثال نزدیک یا مستقیماً بالای دنده‌های سفت‌کننده محفظه ترانسفورماتور، و در عوض انتخاب مناطقی بین عناصر تقویت‌کننده مکانیکی محفظه ترانسفورماتور مفید است. هنگام قرار دادن سنسورها در قسمت بالایی مخزن ترانسفورماتور باید فواصل ایمنی را رعایت کرد. همچنین، حسگرها ممکن است در طول فرآیند تعیین محل PD در داخل محفظه حرکت کنند.

کمیت های ابزار

واحد اصلی برای تعیین کمیت فشار مکانیکی پاسکال است. با این حال، سنسورهای پیزو الکتریک که عمدتاً مورد استفاده قرار می‌گیرند، امواج صوتی ورودی را به سیگنال‌های خروجی ولتاژ مرتبط با ورودی مکانیکی تبدیل می‌کنند: از این رو مقدار اندازه‌گیری شده در اکثر ابزارها یا با ولت (V) یا دسی بل (dB) است.

علاوه بر این، مقادیر دیگر مشتق شده ممکن است برای تفسیر داده های صوتی استفاده شود، به عنوان مثال تعداد پالس یا تعداد پالس، هیستوگرام، الگوهای پالس هماهنگ با فاز ولتاژ بالا اعمال شده، اطلاعات حوزه فرکانس پالس‌های PD آکوستیک تک یا چندگانه، فاکتورهای همبستگی مختلف با فرکانس توان و موارد دیگر.

بررسی عملکرد و حساسیت

در مورد روش UHF، سیگنال های صوتی را می توان در زمان یا در حوزه فرکانس اندازه گیری کرد. تأیید حساسیت برای تأیید تجهیزات اندازه گیری خاص در نظر گرفته شده است و می تواند در یک روش دو مرحله ای انجام شود.

مرحله 1 – تست های آزمایشگاهی

همانند روش UHF، ابتدا تست های آزمایشگاهی برای تعیین طیف فرکانس و سطوح سیگنال از یک نقص واقعی PD انجام می شود. سطح سیگنال صوتی مربوط به یک سطح تخلیه شناخته شده در pC بار ظاهری از یک منبع PD واقعی با سنسور و ابزار مورد استفاده ثبت می شود. علاوه بر این، طیف فرکانس سیگنال شناسایی شده نیز باید اندازه گیری شود.

سپس، سیگنال یک فرستنده سیگنال صوتی مصنوعی توسط دستگاه اندازه گیری صوتی ضبط می شود. سیگنال را می توان توسط یک سنسور صوتی (پیزو کریستال) که در روش معکوس استفاده می شود (یعنی پالس شده توسط یک ولتاژ پله) تولید کرد. اگر طیف فرکانس و همچنین شدت سیگنال از منبع مصنوعی را بتوان به گونه‌ای تعیین کرد که مشابه با نقص واقعی باشد، مرجعی ایجاد می‌شود که می‌تواند برای تأیید حساسیت استفاده شود. برای پیزو کریستال، این ممکن است با استفاده از یک سنسور خوب انتخاب شده پالس شده با ولتاژ پله ای که بزرگی و زمان افزایش آن برای این هدف تطبیق داده شده است، به دست آید.

اگر مشخصه فرکانس سیگنال از منبع مصنوعی با نقص واقعی متفاوت باشد، باید یک فیلتر بین سنسور دریافت و واحد تنظیم و ضبط سیگنال قرار داده شود تا فرکانس‌های شناسایی شده را به محدوده مربوط به نقص واقعی محدود کند.

توجه: هنگام انجام اندازه‌گیری‌های صوتی، تغییر حساسیت 3 دسی‌بل معمولاً به‌دلیل برداشتن و تعمیر مجدد حسگر رخ می‌دهد. همچنین امواج صوتی بسیار پراکنده هستند. بنابراین چنین اندازه‌گیری‌هایی فقط برای تأیید و نه برای کالیبراسیون مناسب هستند.

به عنوان جایگزینی برای کریستال پیزو، یک توپ فولادی با قطری در محدوده میلی‌متر که فاصله ثابتی روی محفظه کاهش می‌یابد، ممکن است به‌عنوان یک قطره‌چکان استفاده شود. این روش سیگنال باند فرکانس وسیع تری را نسبت به روشی که از کریستال پیزوالکتریک پالسی استفاده می کند تحریک می کند. شکستن سرب مدادی روی سطح سازه نیز روش مناسبی بوده است.

مرحله 2 – آزمایشات در محل

برای بررسی حساسیت و یکپارچگی تجهیزات اندازه گیری در محل، محفظه باید به همان روشی که در آزمایشگاه انجام می شود تحریک شود. کل سیستم اندازه گیری باید همان چیزی باشد که در طول آزمایش آزمایشگاهی استفاده می شود.