Устройство для обнаружения частичных разрядов акустическим методом состоит из первичного преобразователя (датчика) и измерительного прибора.
Импульс давления, возникший в месте разряда, распространяется в масле и через стенку бака воздействует на датчик» на выходе которого появляется электрический импульс.
Акустический датчик преобразует импульс давления в электрический сигнал. Обычно применяются датчики с пьезоэлектрическим преобразователем. При эксплуатационном контроле датчики устанавливаются на поверхности бака маслонаполненного объекта (трансформатора).
Измерительное устройство по своей структурной схеме практически не отличается от устройства для измерения частичных разрядов электрическим методом (см. рис. 35). Для акустического контроля обычно применяют частоты, превышающие 30 кГц, поэтому такие устройства часто называются ультразвуковыми. Фильтр обеспечивает подавление помех от шумов, возникающих при работе трансформатора. В качестве индикаторов применяются вольтметры пиковых (квазипиковых) значений, а также осциллографы или измерители интервалов времени.
Поскольку, как уже указывалось, количественная оценка интенсивности разрядов невозможна, основная область применения акустических методов — определение (локация) места разрядов, в изоляционной конструкции. Наиболее разработанные методы локации основаны на измерении времени распространения сигнала (импульса давления) от места дефекта до датчика. Применяется также измерение интервалов времени между приходом сигнала к датчикам, установленным в разных точках бака.
В первом случае схема измерений состоит из устройства, воспринимающего электрический импульс, возникающий при частичном разряде, и нескольких (не менее трех) акустических датчиков, установленных на баке. Отсчет времени начинается с момента возникновения электрического импульса и заканчивается в момент прихода акустического сигнала к соответствующему датчику. Относительно каждого датчика источник разрядов находится на поверхности сферы с радиусом, равным расстоянию, которое проходит акустический сигнал за измеренный интервал времени. Пересечение трех сфер, соответствующих данным измерений в трех точках, определяет место дефекта.
Во втором случае используются лишь акустические датчики (не менее трех пар). Для каждой пары датчиков определяется интервал между моментами прихода акустического сигнала от разряда. По этим данным рассчитывается разность расстояний между местом разряда и датчиком пары. Относительно каждой пары датчиков источник разрядов находится на поверхности гиперболоида вращения, фокусы которого совмещены с точками установки датчиков. Область, образуемая пересечением трех гиперболоидов, и определяет место дефекта.
При практической реализации рассмотренных методов локации возникают значительные трудности [39]. Для определения места разрядов необходимо весьма точно фиксировать момент поступления сигнала (импульса давления) на вход датчика. Сигнал проходит от места дефекта к датчику разными путями: прямой волной в масле, а также по маслу до ближайшей точки бака, а затем по стенке бака. По стенке бака сигнал распространяется в виде продольных и поперечных колебаний. Скорость распространения этих составляющих сигнала различна и определяется скоростью распространения звуковых волн в данной среде (скорость волны в масле около 1400 м/с; в стали — скорость продольной составляющей около 5600 м/с, а поперечной — около 2100 м/с). Различно и затухание волн, распространяющихся этими путями. Поэтому в общем случае сигнал, воспринимаемый датчиком, содержит три составляющие разной интенсивности, пришедшие разными путями.
Для целей локации может быть использована лишь прямая волна, однако выделить ее на осциллографе даже при отсутствии внешних помех часто бывает очень сложно. Акустические помехи, которые всегда возникают при работе трансформатора, еще более усложняют локацию разрядов. Помехи также существенно снижают чувствительность метода при выявлении наличия разрядов.
Ввиду особенностей явления прохождения прямой волны сквозь, стенку бака, она может быть обнаружена лишь в зоне, практически ограниченной конусом с вершиной, расположенной) в месте разрядов, и с углом при вершине около 30°. Поэтому необходимо предварительно найти область стенки бака, находящуюся в зоне прохождения прямой волны, и лишь после: этого производить в ней измерения.
Практикуется запись сигналов акустических датчиков на видеомагнитофоне с последующей обработкой для снижения влияния помех, однако это, существенно усложняя методику контроля, не всегда обеспечивает выявление прямой волны.
Для целей локации может быть использовано еще одно явление, заключающееся в том, что при прохождении звуковой волны из масла сквозь стенку бака каждому углу падения волны на стенку соответствует определенное значение частоты колебаний, при которой коэффициент прохождения волны близок к единице, т. е. между углом падения и частотой волны, при которых стенка бака акустически полностью проницаема, существует функциональная связь [40]. Поэтому при прохождении звука сквозь стенку бака из широкого спектра частот, излучаемого источником разрядов, в данной точке стенки автоматически выделяются колебания, частота которых зависит от угла падения волны и толщины стенки бака. Акустический сигнал на наружной поверхности стенки бака в радиальном направлении от эпицентра источника разрядов оказывается как бы разложенным: в частотный спектр.
На основании этого явления может быть реализовано несколько методом локации источника разрядов. Один из них заключается в определении частоты максимума акустического сигнала в точке установки датчика и последующем расчете по этой частоте и толщине стенки бака угла падения звуковой волны. Относительно датчика источник разрядов находится на поверхности конуса с вершиной в точке контроля и углом при вершине, определяемым углом падения волны. Пересечение поверхностей трех конусов, соответствующих результатам измерений в трех точках, определяет место дефекта.
На плоской поверхности бака зоны с одинаковой частотой колебаний образуют узкие кольца, центром которых является эпицентр источника разрядов. Поэтому, выявив путем измерений эти кольца, можно определить и эпицентр, что вполне достаточно для установления места дефекта.
Можно также, не измеряя частоту максимумов, регистрировать их наличие в различных точках. В результате будет найдена зона прохождения прямой волны; центр этой зоны является эпицентром источника разрядов.
Для контроля рассматриваемым способом необходимо узкополосное измерительное устройство. Это одновременно обеспечивает и высокую помехозащищенность прибора, ибо акустический сигнал на стенке бака от разрядов узкополосный, а помеха — широкополосная. Поэтому чем уже полоса пропускания измерительного устройства, тем выше отношение сигнал/помеха на выходе этого устройства.
Следует указать еще на одну особенность рассматриваемого способа контроля — возможность четкой идентификации сигналов, воздействующих на измерительное устройство. Обнаружение максимума показаний прибора при изменении частоты его настройки свидетельствует о наличии частичных разрядов, слабая монотонная зависимость показаний от частоты — о помехах.
