[發明專利]用于變壓器局部放電定位的十字形超聲陣列傳感器及方法

有效

• 申請號: 201110182614.2
• 申請日: 2011-07-01
• 公開（公告）號: CN102279354A
• 公開（公告）日: 2011-12-14
• 發明（設計）人: 羅勇芬;紀海英;李彥明
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01R31/12
• 分類號: G01R31/12;G01R31/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

技術領域

本發明屬于高電壓設備和試驗技術領域，具體是電力變壓器內部局部放電的檢測和定位技術。

背景技術

局部放電會產生電磁波、聲、光、熱等物理及化學現象，根據對這些量的分析處理可以得到局部放電源的位置。應用陣列技術對局部放電進行定位是近年來出現的一種新興的方法，該方法定位精度較高，并且能對同時發生的多個局部放電源進行定位。

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生的時間基準，以及用超高頻陣列進行粗略定向以識別局部放電源。所以，對于使用陣列技術的局部放電定位，超聲波陣列的研究極其重要。另外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。這些都導致(復合)陣列傳感器的橫截面積大，以及后續硬件電路龐大、成本高。所以，陣列技術要在變壓器等電力設備上達到實用的目標，必須對傳感器陣列微型化并降低后續硬件電路的復雜性和經濟成本。

發明內容

發明提供了一種變壓器中局部放電定位的十字形超聲陣列傳感器及其方法。

本發明的技術方案是這樣實現的：

包括有超聲陣列傳感器以及超高頻傳感器，所述的十字形超聲陣列傳感器由5-300個壓電晶體組成，且等間距緊密排列呈“+”形布置；超高頻傳感器位于十字形超聲陣列四周；超聲陣列和超高頻傳感器四周為金屬屏蔽，接收面有匹配層。

用于變壓器局部放電定位的十字形超聲波陣列的定位方法，

(1)應用高階累積量處理對十字字形超聲陣列進行虛擬擴展，擴展后的陣列為面陣；

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

(3)對Rcum進行特征分解，得到特征子空間En，并按譜估計公式進行譜峰搜索，式中B(θ)為十字形陣列的流型矢量，得到極大點所對應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行波束合成，得到超聲陣列的輸出y(t)，和超高頻陣列輸出y₁(t)，兩個包絡峰值之間的時間差即為超聲波到達傳感器的時延τ，由θ、l即可完成變壓器中局部放電源的定位。

超聲陣列傳感器呈十字形布置，且等間距排列，陣元(壓電傳感器)數為5-300個，超高頻傳感器位于十字形超聲陣列四周(如圖1)，四周為金屬屏蔽，底面有匹配層。利用高階累積量技術對十字形陣列進行虛擬擴展，對擴展后的虛擬陣列利用空間譜估計算法進行方向估計，然后在估計出的方向上進行波束合成，佐以局部放電產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延，從而進行定位。

使用陣列技術對局部放電源進行定位方法所用的陣列傳感器一般為矩形面陣列，然而它的陣元數太多，后續硬件處理電路復雜龐大，實用性較差。此外，這種平面陣列會影響超高頻傳感器陣列的布置，導致復合傳感器的尺寸過大，不利于實際應用。采用了本發明后，擴展后的超聲陣列的陣元數目大大增加，由兩個線陣變為平面陣(如圖2)，這極大地提高了陣列傳感器的孔徑。擴展出的超聲陣列具有銳利的方向性能和角度識別能力，擴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目達到較多陣元的定位效果，而后續硬件電路可以極大的縮減，節約了制作成本；并且，能有效抑制高斯色噪聲，這種傳感器結構由于超聲波和超高頻陣列可以較好的共形，復合傳感器尺寸較小，更利于陣列技術在局部放電檢測領域的實用化。

附圖說明

圖1是復合傳感器布置示意圖。1為十字形超聲陣列傳感器；2為外殼。

圖2是擴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，實心圓為實際陣元位置，空心圓為虛擬陣元位置。

圖3是擴展前后十字形陣列方向圖切面比較圖?！啊?、“———”和“----------”分別為十字形陣列擴展前后虛擬陣列、原十字形陣列對應的矩形面陣列的方向圖。

具體實施方式