变压器局部放电超声矢量阵列定位装置及其制造方法

摘要

一种变压器局部放电超声矢量阵列定位装置及其制造方法，所述定位装置包括箱体，箱体内镶嵌有成直线型排列的至少三个超声矢量阵元；所述超声矢量阵元包括外壳，外壳内设置有无线数据采集模块、三个压电式速度传感器以及定位压电式速度传感器的悬挂杆和连接杆；所述三个压电式速度传感器通过连接杆上下依次连接，三个压电式速度传感器的中心轴线两两相互正交，居中的压电式速度传感器的中心位于外壳的球心。本发明可直接放置在变压器油中，通过无线数据采集模块获得变压器油中的局部放电超声信号，进而完成对局部放电源的定位，具有结构简单，体积小、指向性好等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及变压器检测技术领域，特别是一种用于检测变压器油中局部放电位置的定位装置及其制造方法。

背景技术

随着我国经济发展，对电力系统可靠性的要求也越来越高，而变压器作为电力系统中的枢纽，其运行的可靠性直接关系到电力系统的安全与稳定。在对变压器实际故障的统计分析过程中发现，绝缘故障是影响变压器正常运行的主要原因，而变压器的局部放电则是造成绝缘故障的重要原因，因此局部放电的检测成为绝缘状况检测的重要方面。

当前，发展电力设备的状态维修设备已成为一种必然技术趋势，而准确的局部放电定位不仅对局部放电的危害程度的评估有着重要的辅助作用，而且也可以为变压器的状态维修提供科学指导，以便维护人员进行设备维修，有利于迅速排除故障和提高维修水平，进而保障电力系统正常运行。

自20世纪80年代以来，围绕变压器局部放电检测已有大量的基础研究和应用开发工作。现有的变压器局部放电定位方法主要有光定位法、电气定位法、特高频电磁波定位法、X射线激励定位法以及超声波定位法等。其中超声波定位法是根据局部放电产生的超声波传播的方向和时间来确定放电源的空间位置，由于其原理简单、抗电磁干扰能力强、成本低、能实现直接几何定位，因此应用较为广泛。但是，传统的超声波定位法传感器是运用传统的标量声压传感器，灵敏度很低，无声场的方位信息不能确定目标；在声强处理中，各向同性噪声不能相互抵消，信噪比较低。目前对变压器局部放电源进行定位中使用的普通超声定位装置，由于干扰较多，噪声影响较大，声波可能发生反射，因此容易导致检测出与实际不相符的多个局放源的情况，造成定位失败。

并且，现有的用于检测变压器油放电位置的大多数局放检测装置都是安放在变压器的外侧，通过在电气设备外壁的不同位置固定多个超声阵元的方法，实现局放超声阵列定位的目的，由于在进行定位时会有较多干扰，存在拆装困难、阵元间距不固定等问题，从而造成测量数据的不准确以及定位不准确等现象的发生，致使局放超声阵列定位在现场应用中受到限制。

另外，现有的放电定位装置都采用有线数据传输的方式，在对变压器油局部放电进行定位时，多采用有线传输方式进行数据的传送，有线传输设备容易因为线路腐蚀而损坏，并且定位装置容易通过传输线受到外界力的作用而移位或偏转，造成定位不准。

矢量定位是一种新型的定位技术，被应用在水下探测定位技术领域，包括应用于水声警戒声呐、拖拽线列阵声呐、潜水器导航定向等，主要在低频波段进行定位。而变压器油的局放属于超高频段，因此目前还没有任何将超声矢量阵列定位装置用于局部放电定位技术领域的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中缺陷，提供一种能够对变压器油局部放电位置进行精确定位的定位装置，同时，还要提供所述装置的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种变压器局部放电超声矢量阵列定位装置，包括放置在变压器油中的箱体，箱体内镶嵌有成直线型排列的至少三个超声矢量阵元；所述超声矢量阵元包括外壳，外壳内设置有无线数据采集模块、三个压电式速度传感器以及定位压电式速度传感器的悬挂杆和连接杆；所述三个压电式速度传感器通过连接杆上下依次连接，三个压电式速度传感器的中心轴线两两相互正交，居中的压电式速度传感器的中心位于外壳的球心；所述悬挂杆的一端垂直固定在居中的压电式速度传感器的表面，另一端伸出外壳表面并卡装在箱体中，所有悬挂杆均处在同一个与居中的压电式速度传感器轴线相垂直的平面内，上下两个压电式速度传感器的轴线至悬挂杆所在的平面的距离相等。

上述变压器局部放电超声矢量阵列定位装置，所述悬挂杆为细长型圆柱杆，所有悬挂杆在所处平面内呈中心对称分布。

上述变压器局部放电超声矢量阵列定位装置，所述箱体为直线型固定箱体，包括对称设置的上半箱体和下半箱体，上半箱体的下端面和下半箱体的上端面设置有容纳超声矢量阵元的半圆孔凹槽，所述半圆孔凹槽的内壁上设置有用于卡装悬挂杆外端的长方体凹槽。

上述变压器局部放电超声矢量阵列定位装置，所述相邻半圆孔凹槽的中心间距为超声波在变压器油中波长的一半。

上述变压器局部放电超声矢量阵列定位装置，所述无线数据采集模块位于外壳内中心偏下的位置。

上述变压器局部放电超声矢量阵列定位装置，所述外壳为球形外壳，球形外壳采用环氧树脂与玻璃微球的混合物填充制成；所述箱体采用镁锂合金材料制成；整个定位装置的整体平均密度与变压器油的密度相近。

一种变压器局部放电超声矢量阵列定位装置的制造方法，它包括以下步骤：

第一步，将三个压电式速度传感器通过连接杆上下依次连接设置在一个空心球体模具的内部，三个压电式速度传感器的中心轴线相互正交，分别对应X、Z、Y三个坐标轴方向；使居中的压电式速度传感器的中心位于空心球体模具的球心；

第二步，将悬挂杆的一端固定在居中的压电式速度传感器表面，另一端伸出空心球体模具，并使所有悬挂杆呈中心对称分布方式处在与居中的压电式速度传感器的轴线相垂直的平面内；上下两个压电式速度传感器的轴线至悬挂杆所在平面的距离相等；

第三步，将无线数据采集模块设置在空心球体模具的中心偏下的位置，用环氧树脂与玻璃微球的混合物对空心球体内部进行整体灌封；

第四步，待环氧树脂与玻璃微球的混合物凝固后，脱去空心球体模具就得到具有球形外壳的超声矢量阵元；

第五步，采用涂有绝缘漆的镁锂合金材料制作上半箱体和下半箱体，分别在上半箱体的下端面和下半箱体的上端面上开设对称的半圆孔凹槽，相邻半圆孔凹槽的中心间距为超声波在变压器油中的波长一半；然后再在半圆孔凹槽的内壁上开设长方体凹槽；

第六步，将超声矢量阵元安放在到直线型箱体下半箱体的半圆孔凹槽中，并使悬挂杆的外端卡装在半圆孔凹槽内壁的长方体凹槽中；最后将上半个箱体盖装在下半箱体上，加以密封固定即可。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得的技术进步效果如下。

本发明可直接放置在变压器油中，通过无线数据采集模块获得变压器油中的局部放电超声信号，进而完成对局部放电源的定位，具有结构简单，体积小、指向性好等特点。本发明所述的超声矢量传感阵元能够有效抑制各向同性噪声，信噪比较高，实现了对目标全空间无模糊定向，大大提高了放电源定位精度；工作频带较宽，达到50kHz~80kHz，中心频率为60kHz，可以实现速度矢量的输出，测量数据精确，测量方法简单，可以改善到达波方向估计性能，提高估计精度。由超声矢量传感阵元构成的局部放电超声矢量阵列定位装置具有更好的指向性，可提高空间增益，改善多信号源波达方向估计性能，提高估计精度，可以实现空间降采样，拓宽了频带，有效的抑制栅瓣。

附图说明

图1为本发明所述超声矢量阵元的结构示意图；

图2为本发明所述超声矢量阵元的截面结构示意图（包含模具）；

图3为本发明所述直线型固定体的结构示意图；

图4为图3的C-C向剖视图；

图5为图3的A-A向剖视图；

图6为本发明所述直线型固定体中圆孔凹槽的结构示意图；

图7为图6的B-B向剖视图。

图中各标号表示为：1.压电式速度传感器、2.连接杆、3.悬挂杆、4.外壳、5.空心球体模具、6.圆孔凹槽、7.长方体凹槽，9.无线数据采集模块。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种变压器局部放电超声矢量阵列定位装置，包括放置在变压器油中的箱体，箱体内镶嵌有至少三个超声矢量阵元，所有超声矢量阵元成直线型排列在箱体中，形成直线阵列。在本实施例中超声矢量阵元共设置九个。

单个的超声矢量阵元结构如图1和图2所示，包括外壳4，外壳内设置有无线数据采集模块9、三个压电式速度传感器1、悬挂杆3以及连接杆2。本实施例中外壳为球形外壳，球形外壳采用环氧树脂与玻璃微球的混合物制备而成。

本发明中的三个压电式速度传感器通过连接杆上下依次连接，三个压电式速度传感器的中心轴线两两相互正交，分别对应X、Z、Y三个坐标轴方向，居中的压电式速度传感器的中心位于外壳的球心。

悬挂杆用于将压电式速度传感器定位在外壳内，本实施例中共设置四根，悬挂杆的形状为细长型圆柱杆。悬挂杆的一端垂直固定在居中的压电式速度传感器的表面，另一端伸出外壳表面并卡装在箱体中，本实施例中悬挂杆伸出外壳表面的一端长度设置为3mm。

本实施例中的四个悬挂杆均处在XY平面内，该XY平面与居中的压电式速度传感器轴线相垂直，四个悬挂杆在所处平面内呈中心对称分布。在本发明中，四个悬挂杆均垂直连接在居中的压电式速度传感器的中心，以使上下两个压电式速度传感器的轴线至悬挂杆所在的平面的距离相等。悬挂杆伸出外壳的一端卡装在箱体内，用于定位超声矢量阵元。

超声矢量阵元中的无线数据采集模块可以利用现有技术中实现无线数据采集的任何实施方式，其体积参数必须与本发明的超声矢量阵元的内部空间相适配，并且考虑整个阵元的重心位置。在本实施例中，无线数据采集模块优选位于外壳内中心偏下的位置。

超声矢量阵元中各部件的对称设置尤为重要，因为三个压电式速度传感器的轴线方向要对应X、Z、Y三个坐标轴方向，如果超声矢量阵元的部件不是对称设置的，其重心位置可能偏离整个装置的中轴线，造成在变压器油的安放过程中会因为自身重力因素而发生偏转，三个压电式速度传感器的轴线偏离X、Z、Y三个坐标轴方向，造成定位信号不准。并且，三个压电式速度传感器封装在球形外壳内部，封装完毕后无法看见压电式速度传感器轴线方向，因此需要通过突出球形外壳表面的四个悬挂杆进行定位，如果四个悬挂杆的安装位置存在误差，也无法对本发明的超声矢量阵元安装位置进行正确定位。

本实施例中，用于定位超声矢量阵元的箱体为直线型固定箱体，其结构如图3至图5所示。包括对称设置的上半箱体和下半箱体，上半箱体和下半箱体采用涂有绝缘漆的镁锂合金材料制成，上半箱体和下半箱体的长为150mm，宽为20mm，箱体深度为2.05mm。镁锂合金是目前结构金属材料中密度最低者，其密度接近变压器油的密度，镁锂合金阻尼大，是铝合金的十几倍，也就是能吸收冲击能量，减震降噪效果好。在屏蔽电磁干扰方面，镁锂合金也有突出表现，并且还可以常温塑性加工成型，具有高的比强度和比刚度，和良好的尺寸稳定性，优良的抗震性能以及抗高能粒子穿透能力，符合本发明对箱体的要求。

上半箱体的下端面和下半箱体的上端面设置有容纳超声矢量阵元的半圆孔凹槽，上半箱体的半圆孔凹槽和下半箱体的半圆孔凹槽配装成一个完整的圆孔凹槽6，用于安放超声矢量阵元，圆孔凹槽6的结构如图6和图7所示。在本实施例中，每个半圆孔凹槽的直径为4.1mm，半圆孔深度为2.05mm；相邻半圆孔凹槽的中心间距为超声波在变压器油中波长λ的一半，即相邻半圆孔凹槽的中心间距为12.5mm。

本发明半圆孔凹槽的内壁上设置有长方体凹槽7，与半圆孔凹槽相通，用于卡装悬挂杆的外端，对超声矢量阵元进行定位。本实施例中每个长方体凹槽长度为3mm，长方体凹槽宽与四个悬挂杆宽度相匹配，长方体凹槽深度为1.025mm。

一种变压器局部放电超声矢量阵列定位装置的制造方法，具体包括以下步骤：

第一步，将三个压电式速度传感器1通过连接杆上下依次连接设置在一个空心球体模具5的内部，空心球体模具的内径为4.1mm。三个压电式速度传感器的中心轴线相互正交，分别对应X、Z、Y三个坐标轴方向；使居中的压电式速度传感器的中心位于空心球体模具的球心。

第二步，将悬挂杆的一端固定在居中的压电式速度传感器表面，另一端伸出空心球体模具，伸出空心球体模具的长度为3mm。在安装悬挂杆的过程中，应使所有悬挂杆呈中心对称分布方式处在与居中的压电式速度传感器的轴线相垂直的平面内，即悬挂杆所在的平面为XY平面。安装完成后，保证上下两个压电式速度传感器的轴线至XY平面的距离相等。

第三步，将无线数据采集模块设置在空心球体模具的中心偏下的位置，用环氧树脂与玻璃微球的混合物对空心球体内部进行整体灌封。整体灌封后，所述无线数据采集模块也被封装在超声矢量阵元的内部。

第四步，待环氧树脂与玻璃微球的混合物凝固后，脱去空心球体模具就得到具有球形外壳的超声矢量阵元。

第五步，采用涂有绝缘漆的镁锂合金材料制成长为150mm、宽为20mm、深度为2.05mm上半箱体和下半箱体，分别在上半箱体的下端面和下半箱体的上端面上开设九个直径为4.1mm、深度为2.05mm的半圆孔凹槽，相邻半圆孔凹槽的中心间距为超声波在变压器油中的波长一半，本实施例中为12.5mm。然后再在半圆孔凹槽的内壁上开设长方体凹槽，每个长方体凹槽长度为3mm，长方体凹槽宽与四个悬挂杆宽度相匹配，长方体凹槽深度为1.025mm。

第六步，将九个超声矢量阵元安放在到直线型箱体下半箱体的半圆孔凹槽中，并使悬挂杆的外端卡装在半圆孔凹槽内壁的长方体凹槽中；最后将上半个箱体盖装在下半箱体上，加以密封固定即可。 

本发明制作完成后，变压器局部放电超声矢量阵列定位装置的整体平均密度与变压器油的密度相近，尺寸ka<<1,k=2π/λ为波数，λ为超声波波长，a为球形外壳的直径。在本实施例中整体平均密度为0.895g/cm³，工作频带为50kHz-80kHz。

本发明使用时，直接将其放置在变压器油中，通过所述无线数据采集模块获得变压器油中的局放超声信号，进而完成对变压器油中局放源的定位。

本发明的阵列有四路输出，与阵元数相同的声压传感器阵列相比，本发明可获得四倍数目的输出信号，从而更加精确的估计阵元间的相位时延，并且单个阵元的输出本身已蕴含了空间目标的方向信息，因此用直线阵即可测量变压器油中局放源的方位角和俯仰角。

对于直线阵，第n个阵元相对于第一个阵元的时延为                                                。

            式一

其中， n=1,2,3…….N，（本实施例中N为9）

d为各个阵元间距，

为俯仰角，

为方位角，

c 为波速，

通过本发明直线阵列中各个超声矢量阵元输出的数据信息估计出每个超声矢量阵元的时延，由（N-1）个式一构成方程组，便可求得局放源的方位角和俯仰角，进而对其定位。