用于变压器局部放电定位的十字形超声阵列传感器及方法

摘要

发明公开了一种变压器中局部放电定位的十字形超声阵列传感器及其方法。超声阵列传感器呈“+”形布置，且等间距排列，压电传感器数为5-300个，超高频传感器位于十字形超声阵列传感器四周，外部为金属屏蔽，底面为匹配层。利用高阶累积量技术对十字形阵列进行虚拟扩展，对扩展后的虚拟阵列利用空间谱估计算法进行方向估计，然后在估计出的方向上进行波束合成，佐以局部放电产生的电脉冲或超高频电磁波信号，可得到超声波在变压器中的传播时延，从而进行定位。这种传感器的后续硬件电路可以极大的缩减，节约了制作成本；并且，能有效抑制高斯色噪声，利于阵列技术在局部放电检测领域的实用化。

说明书

技术领域

本发明属于高电压设备和试验技术领域，具体是电力变压器内部局部放电的检测和定位技术。

背景技术

局部放电会产生电磁波、声、光、热等物理及化学现象，根据对这些量的分析处理可以得到局部放电源的位置。应用阵列技术对局部放电进行定位是近年来出现的一种新兴的方法，该方法定位精度较高，并且能对同时发生的多个局部放电源进行定位。

然而，目前研究一般都是基于矩形面的阵列传感器，要保证阵列有足够锐利的方向性，阵元数要取很多。尤其是使用局部放电的超高频信号来检测和定位，由于其速度和可测频段，以及变压器内可布置空间的限制，均不允许采用很多阵元，因而超高频信号一般用来获取局部放电产生的时间基准，以及用超高频阵列进行粗略定向以识别局部放电源。所以，对于使用阵列技术的局部放电定位，超声波阵列的研究极其重要。另外矩形面的超声波阵列给它和超高频(阵列)之间的布置也带来困难。这些都导致(复合)阵列传感器的横截面积大，以及后续硬件电路庞大、成本高。所以，阵列技术要在变压器等电力设备上达到实用的目标，必须对传感器阵列微型化并降低后续硬件电路的复杂性和经济成本。

发明内容

发明提供了一种变压器中局部放电定位的十字形超声阵列传感器及其方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

包括有超声阵列传感器以及超高频传感器，所述的十字形超声阵列传感器由5-300个压电晶体组成，且等间距紧密排列呈“+”形布置；超高频传感器位于十字形超声阵列四周；超声阵列和超高频传感器四周为金属屏蔽，接收面有匹配层。

用于变压器局部放电定位的十字形超声波阵列的定位方法，

(1)应用高阶累积量处理对十字字形超声阵列进行虚拟扩展，扩展后的阵列为面阵；

(2)计算阵列接收超声波信号的四阶累积量矩阵Rcum，即扩展后阵列的互相关矩阵；

(3)对Rcum进行特征分解，得到特征子空间En，并按谱估计公式进行谱峰搜索，式中B(θ)为十字形阵列的流型矢量，得到极大点所对应的即为局放信号来波方向；

(4)在方向上分别对超声信号和超高频信号进行波束合成，得到超声阵列的输出y(t)，和超高频阵列输出y₁(t)，两个包络峰值之间的时间差即为超声波到达传感器的时延τ，由θ、l即可完成变压器中局部放电源的定位。

超声阵列传感器呈十字形布置，且等间距排列，阵元(压电传感器)数为5-300个，超高频传感器位于十字形超声阵列四周(如图1)，四周为金属屏蔽，底面有匹配层。利用高阶累积量技术对十字形阵列进行虚拟扩展，对扩展后的虚拟阵列利用空间谱估计算法进行方向估计，然后在估计出的方向上进行波束合成，佐以局部放电产生的电脉冲或超高频电磁波信号，可得到超声波在变压器中的传播时延，从而进行定位。

使用阵列技术对局部放电源进行定位方法所用的阵列传感器一般为矩形面阵列，然而它的阵元数太多，后续硬件处理电路复杂庞大，实用性较差。此外，这种平面阵列会影响超高频传感器阵列的布置，导致复合传感器的尺寸过大，不利于实际应用。采用了本发明后，扩展后的超声阵列的阵元数目大大增加，由两个线阵变为平面阵(如图2)，这极大地提高了阵列传感器的孔径。扩展出的超声阵列具有锐利的方向性能和角度识别能力，扩展后的阵列的旁瓣电平更低，主瓣更窄(如图3)，可以使原阵列以较少的阵元数目达到较多阵元的定位效果，而后续硬件电路可以极大的缩减，节约了制作成本；并且，能有效抑制高斯色噪声，这种传感器结构由于超声波和超高频阵列可以较好的共形，复合传感器尺寸较小，更利于阵列技术在局部放电检测领域的实用化。

附图说明

图1是复合传感器布置示意图。1为十字形超声阵列传感器；2为外壳。

图2是扩展前后阵元位置示意图。阵元位于X、Y轴上且等间距排列，P点为局部放电位置，θ和分别代表来波方向的俯仰角和方位角，实心圆为实际阵元位置，空心圆为虚拟阵元位置。

图3是扩展前后十字形阵列方向图切面比较图。“———”、“———”和“----------”分别为十字形阵列扩展前后虚拟阵列、原十字形阵列对应的矩形面阵列的方向图。

具体实施方式

利用高阶累积量处理技术对原十字形阵列进行虚拟扩展，建立十字形超声阵列的数学模型，阵元位于X、Y轴上且等间距排列，P点为局部放电位置，θ和分别代表来波方向的俯仰角和方位角。各阵元坐标互减就可以得到虚拟阵元的坐标，扩展前后的位置如图2所示，实心圆为实际阵元位置，空心圆为虚拟阵元位置。由图2可以看出，扩展后阵元为面阵。

利用扩展的阵列对局部放电进行定位的步骤为：计算阵列接收超声波信号的四阶累积量矩阵Rcum；

对Rcum进行特征分解，得到特征子空间En，并按式(1)的谱估计公式进行谱峰搜索，得到极大点所对应的即为局放信号来波方向；

$>P\left(\theta \right)=\frac{1}{{\left|\right|B\left(\theta \right)E_n\left|\right|}^2}---\left(1\right)$>

在方向上分别对超声信号和超高频信号进行波束合成，得到超声阵列的输出y(t)，和超高频输出y₁(t)，两个包络峰值之间的时间差即为超声波到达传感器的时延τ。

根据超声波在油中的传播速度c，从而可以确定局部放电源和传感器之间的距离为l＝c×τ。结合θ、和l，可将放电源的柱坐标转换为笛卡尔坐标。

申请人对十字形阵列传感器的扩展前后的方向特性作了研究，分别仿真了扩展前后阵列的静态方向图，如图3所示。结果表明，虚拟阵列的半功率点波束宽度及旁瓣电平明显优于原十字形阵列，方向性更好。这是因为扩展后阵元数目大大增加，导致孔径变大和方向性变好。

此外，申请人对于变压器油中单个和两个局部放电源的情况在高斯色噪声背景下进行了仿真研究，结果表明对较少阵元利用高阶累积量处理技术可以达到较多阵元的定位效果，精度比较高。极大的减少了阵元数目，节约了后续电路的经济成本，并且能和超高频阵列较好的共形，复合传感器尺寸较小，为阵列技术在电力设备上的实用化提供了可能。