Page 230 - 《应用声学》2025年第2期
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frequency drifting to low frequency; the discharge current pulse amplitude, sound pressure and peak frequency
are all positively correlated with the external voltage amplitude. The relevant results can better clarify the
relationship between electrical quantities and acoustic quantities, and provide certain help for quantitative
research on partial discharge ultrasonic detection methods.
Keywords: Partial discharge; Corona discharge; Sound generation mechanism; Simulation analysis; Fluid
dynamics model
础来进行后续的分析 [14] 。Fabris 等 [15] 研究了电晕
0 引言 放电的发声机理，将带电粒子所受电场力视为声波
产生的来源，并以此为依据仿真得到了声波波形。
局部放电是指导体间绝缘仅被部分桥接的电
上述研究方法均对局部放电中的声波产生机
气放电 [1] 。局部放电虽然不会直接造成电气设备的
理做了一定程度的简化，并未从微观机理层面深入
绝缘击穿，但往往伴随着带电粒子轰击、热效应、辐
探究放电与发声之间的联系。同时，对声波产生机
射效应和化学反应等一系列的物理效应和化学变
理的研究大多集中在气隙放电这一种类型，对其他
化，导致绝缘材料逐渐老化，绝缘性能出现下降 [2] 。
类型局部放电的声波产生机理则研究较少。本文主
因此，如果电力设备中的局部放电现象长期存在，在
要针对电晕放电这一类型探究其产生声波的机理，
一定条件下就会使得绝缘劣化加剧甚至最终造成
建立了空气中的针 -板负电晕放电模型，通过求解 3
电击穿，威胁电力系统的长期安全运行。按照引起
个耦合的连续性方程来仿真模拟放电的微观过程，
局部放电的绝缘缺陷类型不同，一般可将局部放电
得到了放电间隙内带电粒子数密度的时空分布，从
分为内部气隙放电、沿面放电、电晕放电和悬浮放
而计算出电场中带电物质在电场力作用下向中性
电等几种类型 [3] 。
气体的能量传递速率。再耦合包含热源的有源声波
作为高压电气设备存在绝缘缺陷的重要表现
方程，将上述仿真结果作为声波方程中的源项，通过
形式和早期征兆，局部放电已经发展出了多种检测
声场仿真计算得到声压的变化。根据仿真结果，讨
方法。这些检测方法可以对局部放电过程中所产生 论了声波与放电电流的关系、声波的衰减规律、不
的不同的物理量进行检测，常见的检测方法有脉冲
同方向的声波特征以及外接电压对仿真结果的影
电流检测法、特高频检测法、超声波检测法、光学检
响等。由于较少有理论模型从微观层面研究将放电
测法及化学检测法等 [4−8] 。其中，超声检测法由于 过程和发声过程联系起来，因此目前超声法检测局
其定位精准、抗电磁干扰、使用简便等优点具有良 部放电还停留在存在性检测阶段，难以建立完善的
好的应用前景 [9] 。 声学特征量和局部放电特征量的定量关系。本工作
超声波法检测局部放电的基本原理是利用超 为局部放电超声检测法的定量化研究提供一定的
声换能器检测局部放电时产生的声波，并可通过多 理论支撑，有望解决目前超声法难以定量的问题。
阵元联合使用并利用时差法实现放电源的定位 [10] 。
目前国内外的研究主要集中在超声波法的实际应 1 理论模型建立
用上，而对于局部放电产生超声波的具体机理探究
1.1 电晕放电理论
较少。李燕青 [11] 通过电 -力 -声类比法来分析气隙
电晕放电又称尖端放电，是一种典型的局部放
局部放电产生超声波的原理，将超声波视为气泡在
电类型。在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局
脉冲电场力作用下做衰减振荡而产生的。Pan等 [12]
部电场强度很大，超过了气体的电离场强，使气体发
利用热力学方法分析了气隙局部放电产生超声波
生电离和激励，从而出现电晕放电。电晕放电基本
的机理，认为超声波的来源是局部放电时温度变化
的反应式如式 (1)∼ 式 (4) 所示，分别是中性粒子的
导致的气隙中气体的膨胀与收缩。Wotzka等 [13] 在
电离反应、电子与中性粒子的吸附反应、电子与正
分析局部放电产生声波的传播时则是在模拟域内
离子及正负离子之间的复合反应：
人为设置了一个振荡衰减的能量流源，将之视为产
+
生声波的来源。还有一些研究直接将局部放电产生 A + e → A + 2e, (1)
的声波视为以放电点为中心的球面波，并以此为基 A + e → A , (2)
−
