[發(fā)明專利]用于變壓器局部放電定位的L形超聲陣列傳感器及其方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110182613.8
• 申請日: 2011-07-01
• 公開（公告）號: CN102253127A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅勇芬;紀(jì)海英;李彥明
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G01N29/36
• 分類號: G01N29/36;G01R31/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 王艾華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高電壓設(shè)備和試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體是電力變壓器內(nèi)部局部放電的檢測和定位技術(shù)。

背景技術(shù)

局部放電會(huì)產(chǎn)生電磁波、聲、光、熱等物理及化學(xué)現(xiàn)象，根據(jù)對這些量的分析處理可以得到局部放電源的位置。應(yīng)用陣列技術(shù)對局部放電進(jìn)行定位是近年來出現(xiàn)的一種新興的方法，該方法定位精度較高，并且能對同時(shí)發(fā)生的多個(gè)局部放電源進(jìn)行定位。

然而，目前研究一般都是基于矩形面的陣列傳感器，要保證陣列有足夠銳利的方向性，陣元數(shù)要取很多。尤其是使用局部放電的超高頻信號來檢測和定位，由于其速度和可測頻段，以及變壓器內(nèi)可布置空間的限制，均不允許采用很多陣元，因而超高頻信號一般用來獲取局部放電產(chǎn)生的時(shí)間基準(zhǔn)，以及用超高頻陣列進(jìn)行粗略定向以識別局部放電源。所以，對于使用陣列技術(shù)的局部放電定位，超聲波陣列的研究極其重要。另外從結(jié)構(gòu)上來說，矩形面的超聲波陣列給它和超高頻(陣列)之間的布置也帶來困難。這些都導(dǎo)致(復(fù)合)陣列傳感器的橫截面積大，以及后續(xù)硬件電路龐大、成本高。所以，陣列技術(shù)要在變壓器等電力設(shè)備上達(dá)到實(shí)用的目標(biāo)，必須對傳感器陣列微型化并降低后續(xù)硬件電路的復(fù)雜性和經(jīng)濟(jì)成本。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明的目的在于提供一種變壓器中局部放電定位的L形超聲陣列傳感器及其方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣解決的：

包括有超聲陣列傳感器以及超高頻傳感器，所述的L形超聲陣列傳感器由3-300個(gè)壓電晶體組成，且壓電晶體等間距緊密排列呈“L”形布置；超高頻傳感器位于L形超聲陣列所形成的直角內(nèi)側(cè)；超聲陣列傳感器和超高頻傳感器四周為金屬屏蔽，傳感器和金屬層之間和金屬層外側(cè)均有匹配層。

用于變壓器局部放電定位的L形超聲波陣列的定位方法：

(1)應(yīng)用高階累積量處理對L字形超聲陣列進(jìn)行虛擬擴(kuò)展，擴(kuò)展后的陣列為兩個(gè)面陣；

(2)計(jì)算陣列接收超聲波信號的四階累積量矩陣Rcum，即擴(kuò)展后陣列的互相關(guān)矩陣；

(3)對Rcum進(jìn)行特征分解，得到特征子空間En，并按譜估計(jì)公式進(jìn)行譜峰搜索，式中B(θ)為L形陣列的流型矢量，得到極大點(diǎn)所對應(yīng)的即為局放信號來波方向；

(4)在方向上分別對超聲信號和超高頻信號進(jìn)行波束合成，得到超聲陣列的輸出y(t)和超高頻傳感器輸出y₁(t)，兩個(gè)包絡(luò)峰值之間的時(shí)間差即為超聲波到達(dá)傳感器的時(shí)延τ，由θ、l即可完成變壓器中局部放電源的定位。

超聲陣列傳感器呈L形布置，且等間距排列，陣元(壓電傳感器)數(shù)為3-300個(gè)，超高頻傳感器位于L形超聲陣列所張成的直角內(nèi)側(cè)，四周為金屬屏蔽，底面有匹配層。利用高階累積量技術(shù)對L形陣列進(jìn)行虛擬擴(kuò)展，對擴(kuò)展后的虛擬陣列利用空間譜估計(jì)算法進(jìn)行方向估計(jì)，然后在估計(jì)出的方向上進(jìn)行波束合成，佐以局部放電產(chǎn)生的電脈沖或超高頻電磁波信號，可得到超聲波在變壓器中的傳播時(shí)延，從而進(jìn)行定位。

使用陣列技術(shù)對局部放電源進(jìn)行定位方法所用的陣列傳感器一般為矩形面陣列，然而它的陣元數(shù)太多，后續(xù)硬件處理電路復(fù)雜龐大，實(shí)用性較差。此外，這種平面陣列會(huì)影響超高頻傳感器陣列的布置，導(dǎo)致復(fù)合傳感器的尺寸過大，不利于實(shí)際應(yīng)用。采用了本發(fā)明后，擴(kuò)展后的超聲陣列的陣元數(shù)目大大增加，由兩個(gè)線陣變?yōu)閮蓚€(gè)平面陣(如圖2)，這極大地提高了陣列傳感器的孔徑。擴(kuò)展出的超聲陣列具有銳利的方向性能和角度識別能力，擴(kuò)展后的陣列的旁瓣電平更低，主瓣更窄(如圖3)，可以使原陣列以較少的陣元數(shù)目達(dá)到較多陣元的定位效果，而后續(xù)硬件電路可以極大的縮減，節(jié)約了制作成本；并且，能有效抑制高斯色噪聲，這種傳感器結(jié)構(gòu)由于超聲波和超高頻陣列可以較好的共形，復(fù)合傳感器尺寸較小，更利于陣列技術(shù)在局部放電檢測領(lǐng)域的實(shí)用化。

附圖說明

圖1是復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1(a)為傳感器俯視圖，

圖1(b)為傳感器側(cè)面剖視圖。

1為超聲陣列傳感器；2為金屬層；3為超高頻傳感器；4為超聲陣元(壓電晶體)；5為匹配層。

圖2是擴(kuò)展前后陣元位置示意圖。陣元位于X、Y軸上且等間距排列，P點(diǎn)為局部放電位置，θ和分別代表來波方向的俯仰角和方位角，實(shí)心圓為實(shí)際陣元位置，空心圓為虛擬陣元位置。

圖3是擴(kuò)展前后L形陣列方向圖切面比較圖。虛線和實(shí)線分別為L形陣列、擴(kuò)展后虛擬陣列的方向圖。

具體實(shí)施方式