變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置及其制造方法
【專利摘要】一種變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置及其制造方法，所述定位裝置包括箱體，箱體內(nèi)鑲嵌有成直線型排列的至少三個超聲矢量陣元；所述超聲矢量陣元包括外殼，外殼內(nèi)設置有無線數(shù)據(jù)采集模塊、三個壓電式速度傳感器以及定位壓電式速度傳感器的懸掛桿和連接桿；所述三個壓電式速度傳感器通過連接桿上下依次連接，三個壓電式速度傳感器的中心軸線兩兩相互正交，居中的壓電式速度傳感器的中心位于外殼的球心。本發(fā)明可直接放置在變壓器油中，通過無線數(shù)據(jù)采集模塊獲得變壓器油中的局部放電超聲信號，進而完成對局部放電源的定位，具有結(jié)構簡單，體積小、指向性好等特點。
【專利說明】變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置及其制造方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及變壓器檢測【技術領域】，特別是一種用于檢測變壓器油中局部放電位置 的定位裝置及其制造方法。

【背景技術】
[0002] 隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，對電力系統(tǒng)可靠性的要求也越來越高，而變壓器作為電力系 統(tǒng)中的樞紐，其運行的可靠性直接關系到電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。在對變壓器實際故障的 統(tǒng)計分析過程中發(fā)現(xiàn)，絕緣故障是影響變壓器正常運行的主要原因，而變壓器的局部放電 則是造成絕緣故障的重要原因，因此局部放電的檢測成為絕緣狀況檢測的重要方面。
[0003] 當前，發(fā)展電力設備的狀態(tài)維修設備已成為一種必然技術趨勢，而準確的局部放 電定位不僅對局部放電的危害程度的評估有著重要的輔助作用，而且也可以為變壓器的狀 態(tài)維修提供科學指導，以便維護人員進行設備維修，有利于迅速排除故障和提高維修水平， 進而保障電力系統(tǒng)正常運行。
[0004] 自20世紀80年代以來，圍繞變壓器局部放電檢測已有大量的基礎研究和應用開 發(fā)工作。現(xiàn)有的變壓器局部放電定位方法主要有光定位法、電氣定位法、特高頻電磁波定位 法、X射線激勵定位法以及超聲波定位法等。其中超聲波定位法是根據(jù)局部放電產(chǎn)生的超 聲波傳播的方向和時間來確定放電源的空間位置，由于其原理簡單、抗電磁干擾能力強、成 本低、能實現(xiàn)直接幾何定位，因此應用較為廣泛。但是，傳統(tǒng)的超聲波定位法傳感器是運用 傳統(tǒng)的標量聲壓傳感器，靈敏度很低，無聲場的方位信息不能確定目標；在聲強處理中，各 向同性噪聲不能相互抵消，信噪比較低。目前對變壓器局部放電源進行定位中使用的普通 超聲定位裝置，由于干擾較多，噪聲影響較大，聲波可能發(fā)生反射，因此容易導致檢測出與 實際不相符的多個局放源的情況，造成定位失敗。
[0005] 并且，現(xiàn)有的用于檢測變壓器油放電位置的大多數(shù)局放檢測裝置都是安放在變壓 器的外側(cè)，通過在電氣設備外壁的不同位置固定多個超聲陣元的方法，實現(xiàn)局放超聲陣列 定位的目的，由于在進行定位時會有較多干擾，存在拆裝困難、陣元間距不固定等問題，從 而造成測量數(shù)據(jù)的不準確以及定位不準確等現(xiàn)象的發(fā)生，致使局放超聲陣列定位在現(xiàn)場應 用中受到限制。
[0006] 另外，現(xiàn)有的放電定位裝置都采用有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，在對變壓器油局部放?進行定位時，多采用有線傳輸方式進行數(shù)據(jù)的傳送，有線傳輸設備容易因為線路腐蝕而損 壞，并且定位裝置容易通過傳輸線受到外界力的作用而移位或偏轉(zhuǎn)，造成定位不準。
[0007] 矢量定位是一種新型的定位技術，被應用在水下探測定位【技術領域】，包括應用于 水聲警戒聲吶、拖拽線列陣聲吶、潛水器導航定向等，主要在低頻波段進行定位。而變壓器 油的局放屬于超高頻段，因此目前還沒有任何將超聲矢量陣列定位裝置用于局部放電定位

【技術領域】的相關報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中缺陷，提供一種能夠?qū)ψ儔浩饔途植糠烹娢恢?進行精確定位的定位裝置，同時，還要提供所述裝置的制造方法。
[0009] 為解決上述技術問題，本發(fā)明所采取的技術方案如下。
[0010] 一種變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置，包括放置在變壓器油中的箱體，箱 體內(nèi)鑲嵌有成直線型排列的至少三個超聲矢量陣元；所述超聲矢量陣元包括外殼，外殼內(nèi) 設置有無線數(shù)據(jù)采集模塊、三個壓電式速度傳感器以及定位壓電式速度傳感器的懸掛桿和 連接桿；所述三個壓電式速度傳感器通過連接桿上下依次連接，三個壓電式速度傳感器的 中心軸線兩兩相互正交，居中的壓電式速度傳感器的中心位于外殼的球心；所述懸掛桿的 一端垂直固定在居中的壓電式速度傳感器的表面，另一端伸出外殼表面并卡裝在箱體中， 所有懸掛桿均處在同一個與居中的壓電式速度傳感器軸線相垂直的平面內(nèi)，上下兩個壓電 式速度傳感器的軸線至懸掛桿所在的平面的距離相等。
[0011] 上述變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置，所述懸掛桿為細長型圓柱桿，所有 懸掛桿在所處平面內(nèi)呈中心對稱分布。
[0012] 上述變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置，所述箱體為直線型固定箱體，包括 對稱設置的上半箱體和下半箱體，上半箱體的下端面和下半箱體的上端面設置有容納超聲 矢量陣元的半圓孔凹槽，所述半圓孔凹槽的內(nèi)壁上設置有用于卡裝懸掛桿外端的長方體凹 槽。
[0013] 上述變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置，所述相鄰半圓孔凹槽的中心間距為 超聲波在變壓器油中波長的一半。
[0014] 上述變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置，所述無線數(shù)據(jù)采集模塊位于外殼內(nèi) 中心偏下的位置。
[0015] 上述變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置，所述外殼為球形外殼，球形外殼采 用環(huán)氧樹脂與玻璃微球的混合物填充制成；所述箱體采用鎂鋰合金材料制成；整個定位裝 置的整體平均密度與變壓器油的密度相近。
[0016] 一種變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置的制造方法，它包括以下步驟： 第一步，將三個壓電式速度傳感器通過連接桿上下依次連接設置在一個空心球體模具 的內(nèi)部，三個壓電式速度傳感器的中心軸線相互正交，分別對應Χ、ζ、γ三個坐標軸方向；使 居中的壓電式速度傳感器的中心位于空心球體模具的球心； 第二步，將懸掛桿的一端固定在居中的壓電式速度傳感器表面，另一端伸出空心球體 模具，并使所有懸掛桿呈中心對稱分布方式處在與居中的壓電式速度傳感器的軸線相垂直 的平面內(nèi)；上下兩個壓電式速度傳感器的軸線至懸掛桿所在平面的距離相等； 第三步，將無線數(shù)據(jù)采集模塊設置在空心球體模具的中心偏下的位置，用環(huán)氧樹脂與 玻璃微球的混合物對空心球體內(nèi)部進行整體灌封； 第四步，待環(huán)氧樹脂與玻璃微球的混合物凝固后，脫去空心球體模具就得到具有球形 外殼的超聲矢量陣兀； 第五步，采用涂有絕緣漆的鎂鋰合金材料制作上半箱體和下半箱體，分別在上半箱體 的下端面和下半箱體的上端面上開設對稱的半圓孔凹槽，相鄰半圓孔凹槽的中心間距為超 聲波在變壓器油中的波長一半；然后再在半圓孔凹槽的內(nèi)壁上開設長方體凹槽； 第六步，將超聲矢量陣元安放在到直線型箱體下半箱體的半圓孔凹槽中，并使懸掛桿 的外端卡裝在半圓孔凹槽內(nèi)壁的長方體凹槽中；最后將上半個箱體蓋裝在下半箱體上，力口 以密封固定即可。
[0017] 由于采用了以上技術方案，本發(fā)明所取得的技術進步效果如下。
[0018] 本發(fā)明可直接放置在變壓器油中，通過無線數(shù)據(jù)采集模塊獲得變壓器油中的局部 放電超聲信號，進而完成對局部放電源的定位，具有結(jié)構簡單，體積小、指向性好等特點。本 發(fā)明所述的超聲矢量傳感陣元能夠有效抑制各向同性噪聲，信噪比較高，實現(xiàn)了對目標全 空間無模糊定向，大大提高了放電源定位精度；工作頻帶較寬，達到50kHz?80kHz，中心頻 率為60kHz，可以實現(xiàn)速度矢量的輸出，測量數(shù)據(jù)精確，測量方法簡單，可以改善到達波方向 估計性能，提高估計精度。由超聲矢量傳感陣元構成的局部放電超聲矢量陣列定位裝置具 有更好的指向性，可提高空間增益，改善多信號源波達方向估計性能，提高估計精度，可以 實現(xiàn)空間降采樣，拓寬了頻帶，有效的抑制柵瓣。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明所述超聲矢量陣元的結(jié)構示意圖； 圖2為本發(fā)明所述超聲矢量陣元的截面結(jié)構示意圖(包含模具）； 圖3為本發(fā)明所述直線型固定體的結(jié)構示意圖； 圖4為圖3的C-C向剖視圖； 圖5為圖3的A-A向剖視圖； 圖6為本發(fā)明所述直線型固定體中圓孔凹槽的結(jié)構示意圖； 圖7為圖6的B-B向剖視圖。
[0020] 圖中各標號表不為：1.壓電式速度傳感器、2.連接桿、3.懸掛桿、4.外殼、5.空心 球體模具、6.圓孔凹槽、7.長方體凹槽，9.無線數(shù)據(jù)采集模塊。

【具體實施方式】
[0021] 下面將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0022] -種變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置，包括放置在變壓器油中的箱體，箱 體內(nèi)鑲嵌有至少三個超聲矢量陣元，所有超聲矢量陣元成直線型排列在箱體中，形成直線 陣列。在本實施例中超聲矢量陣元共設置九個。
[0023] 單個的超聲矢量陣元結(jié)構如圖1和圖2所示，包括外殼4,外殼內(nèi)設置有無線數(shù)據(jù) 采集模塊9、三個壓電式速度傳感器1、懸掛桿3以及連接桿2。本實施例中外殼為球形外 殼，球形外殼米用環(huán)氧樹脂與玻璃微球的混合物制備而成。
[0024] 本發(fā)明中的三個壓電式速度傳感器通過連接桿上下依次連接，三個壓電式速度傳 感器的中心軸線兩兩相互正交，分別對應X、Z、Y三個坐標軸方向，居中的壓電式速度傳感 器的中心位于外殼的球心。
[0025] 懸掛桿用于將壓電式速度傳感器定位在外殼內(nèi)，本實施例中共設置四根，懸掛桿 的形狀為細長型圓柱桿。懸掛桿的一端垂直固定在居中的壓電式速度傳感器的表面，另一 端伸出外殼表面并卡裝在箱體中，本實施例中懸掛桿伸出外殼表面的一端長度設置為3_。
[0026] 本實施例中的四個懸掛桿均處在XY平面內(nèi)，該XY平面與居中的壓電式速度傳感 器軸線相垂直，四個懸掛桿在所處平面內(nèi)呈中心對稱分布。在本發(fā)明中，四個懸掛桿均垂直 連接在居中的壓電式速度傳感器的中心，以使上下兩個壓電式速度傳感器的軸線至懸掛桿 所在的平面的距離相等。懸掛桿伸出外殼的一端卡裝在箱體內(nèi)，用于定位超聲矢量陣元。
[0027] 超聲矢量陣元中的無線數(shù)據(jù)采集模塊可以利用現(xiàn)有技術中實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集的 任何實施方式，其體積參數(shù)必須與本發(fā)明的超聲矢量陣元的內(nèi)部空間相適配，并且考慮整 個陣元的重心位置。在本實施例中，無線數(shù)據(jù)采集模塊優(yōu)選位于外殼內(nèi)中心偏下的位置。
[0028] 超聲矢量陣元中各部件的對稱設置尤為重要，因為三個壓電式速度傳感器的軸線 方向要對應X、Z、Y三個坐標軸方向，如果超聲矢量陣元的部件不是對稱設置的，其重心位 置可能偏離整個裝置的中軸線，造成在變壓器油的安放過程中會因為自身重力因素而發(fā)生 偏轉(zhuǎn)，三個壓電式速度傳感器的軸線偏離X、Z、Y三個坐標軸方向，造成定位信號不準。并 且，三個壓電式速度傳感器封裝在球形外殼內(nèi)部，封裝完畢后無法看見壓電式速度傳感器 軸線方向，因此需要通過突出球形外殼表面的四個懸掛桿進行定位，如果四個懸掛桿的安 裝位置存在誤差，也無法對本發(fā)明的超聲矢量陣元安裝位置進行正確定位。
[0029] 本實施例中，用于定位超聲矢量陣元的箱體為直線型固定箱體，其結(jié)構如圖3至 圖5所示。包括對稱設置的上半箱體和下半箱體，上半箱體和下半箱體采用涂有絕緣漆的 鎂鋰合金材料制成，上半箱體和下半箱體的長為150mm，寬為20mm，箱體深度為2. 05mm。鎂 鋰合金是目前結(jié)構金屬材料中密度最低者，其密度接近變壓器油的密度，鎂鋰合金阻尼大， 是鋁合金的十幾倍，也就是能吸收沖擊能量，減震降噪效果好。在屏蔽電磁干擾方面，鎂鋰 合金也有突出表現(xiàn)，并且還可以常溫塑性加工成型，具有高的比強度和比剛度，和良好的尺 寸穩(wěn)定性，優(yōu)良的抗震性能以及抗高能粒子穿透能力，符合本發(fā)明對箱體的要求。
[0030] 上半箱體的下端面和下半箱體的上端面設置有容納超聲矢量陣元的半圓孔凹槽， 上半箱體的半圓孔凹槽和下半箱體的半圓孔凹槽配裝成一個完整的圓孔凹槽6,用于安放 超聲矢量陣元，圓孔凹槽6的結(jié)構如圖6和圖7所示。在本實施例中，每個半圓孔凹槽的直 徑為4. 1mm，半圓孔深度為2. 05mm ;相鄰半圓孔凹槽的中心間距為超聲波在變壓器油中波 長λ的一半，即相鄰半圓孔凹槽的中心間距為12. 5mm。
[0031] 本發(fā)明半圓孔凹槽的內(nèi)壁上設置有長方體凹槽7,與半圓孔凹槽相通，用于卡裝懸 掛桿的外端，對超聲矢量陣元進行定位。本實施例中每個長方體凹槽長度為3mm，長方體凹 槽寬與四個懸掛桿寬度相匹配，長方體凹槽深度為l.〇25mm。
[0032] -種變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置的制造方法，具體包括以下步驟： 第一步，將三個壓電式速度傳感器1通過連接桿上下依次連接設置在一個空心球體模 具5的內(nèi)部，空心球體模具的內(nèi)徑為4. 1mm。三個壓電式速度傳感器的中心軸線相互正交， 分別對應X、Z、Y三個坐標軸方向；使居中的壓電式速度傳感器的中心位于空心球體模具的 球心。
[0033] 第二步，將懸掛桿的一端固定在居中的壓電式速度傳感器表面，另一端伸出空心 球體模具，伸出空心球體模具的長度為3mm。在安裝懸掛桿的過程中，應使所有懸掛桿呈中 心對稱分布方式處在與居中的壓電式速度傳感器的軸線相垂直的平面內(nèi)，即懸掛桿所在的 平面為XY平面。安裝完成后，保證上下兩個壓電式速度傳感器的軸線至XY平面的距離相 等。
[0034] 第三步，將無線數(shù)據(jù)采集模塊設置在空心球體模具的中心偏下的位置，用環(huán)氧樹 脂與玻璃微球的混合物對空心球體內(nèi)部進行整體灌封。整體灌封后，所述無線數(shù)據(jù)采集模 塊也被封裝在超聲矢量陣元的內(nèi)部。
[0035] 第四步，待環(huán)氧樹脂與玻璃微球的混合物凝固后，脫去空心球體模具就得到具有 球形外殼的超聲矢量陣兀。
[0036] 第五步，采用涂有絕緣漆的鎂鋰合金材料制成長為150mm、寬為20mm、深度為 2. 05mm上半箱體和下半箱體，分別在上半箱體的下端面和下半箱體的上端面上開設九個直 徑為4. 1mm、深度為2. 05mm的半圓孔凹槽，相鄰半圓孔凹槽的中心間距為超聲波在變壓器 油中的波長一半，本實施例中為12. 5mm。然后再在半圓孔凹槽的內(nèi)壁上開設長方體凹槽， 每個長方體凹槽長度為3mm，長方體凹槽寬與四個懸掛桿寬度相匹配，長方體凹槽深度為 1. 025mm〇
[0037] 第六步，將九個超聲矢量陣元安放在到直線型箱體下半箱體的半圓孔凹槽中，并 使懸掛桿的外端卡裝在半圓孔凹槽內(nèi)壁的長方體凹槽中；最后將上半個箱體蓋裝在下半箱 體上,加以密封固定即可。
[0038] 本發(fā)明制作完成后，變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置的整體平均密度與變 壓器油的密度相近，尺寸ka〈〈l，k=2Ji/A為波數(shù)，λ為超聲波波長， a為球形外殼的直徑。 在本實施例中整體平均密度為0. 895g/cm3,工作頻帶為50kHz-80kHz。
[0039] 本發(fā)明使用時，直接將其放置在變壓器油中，通過所述無線數(shù)據(jù)采集模塊獲得變 壓器油中的局放超聲信號，進而完成對變壓器油中局放源的定位。
[0040] 本發(fā)明的陣列有四路輸出，與陣元數(shù)相同的聲壓傳感器陣列相比，本發(fā)明可獲得 四倍數(shù)目的輸出信號，從而更加精確的估計陣元間的相位時延，并且單個陣元的輸出本身 已蘊含了空間目標的方向信息，因此用直線陣即可測量變壓器油中局放源的方位角和俯仰 角。
[0041] 對于直線陣，第η個陣元相對于第一個陣元的時延為_&。
[0042]

【權利要求】
1. 變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置，其特征在于：包括放置在變壓器油中的箱 體，箱體內(nèi)鑲嵌有成直線型排列的至少三個超聲矢量陣元； 所述超聲矢量陣元包括外殼（4)，外殼內(nèi)設置有無線數(shù)據(jù)采集模塊（9)、三個壓電式速 度傳感器（1)以及定位壓電式速度傳感器的懸掛桿（3 )和連接桿（2 );所述三個壓電式速度 傳感器通過連接桿上下依次連接，三個壓電式速度傳感器的中心軸線兩兩相互正交，居中 的壓電式速度傳感器的中心位于外殼（4)的球心； 所述懸掛桿的一端垂直固定在居中的壓電式速度傳感器的表面，另一端伸出外殼表面 并卡裝在箱體中，所有懸掛桿均處在同一個與居中的壓電式速度傳感器軸線相垂直的平面 內(nèi)，上下兩個壓電式速度傳感器的軸線至懸掛桿所在的平面的距離相等。
2. 根據(jù)權利要求1所述的變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置，其特征在于：所述 懸掛桿（3)為細長型圓柱桿，所有懸掛桿在所處平面內(nèi)呈中心對稱分布。
3. 根據(jù)權利要求2所述的變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置，其特征在于：所述 箱體為直線型固定箱體，包括對稱設置的上半箱體和下半箱體，上半箱體的下端面和下半 箱體的上端面設置有容納超聲矢量陣元的半圓孔凹槽，所述半圓孔凹槽的內(nèi)壁上設置有用 于卡裝懸掛桿外端的長方體凹槽（7)。
4. 根據(jù)權利要求3所述的變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置，其特征在于：所述 相鄰半圓孔凹槽的中心間距為超聲波在變壓器油中波長的一半。
5. 根據(jù)權利要求4所述的變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置，其特征在于：所述 無線數(shù)據(jù)采集模塊（9)位于外殼內(nèi)中心偏下的位置。
6. 根據(jù)權利要求5任一項所述的變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置，其特征在 于：所述外殼（4)為球形外殼，球形外殼采用環(huán)氧樹脂與玻璃微球的混合物填充制成；所述 箱體采用鎂鋰合金材料制成；整個定位裝置的整體平均密度與變壓器油的密度相近。
7. -種制備如權利要求1-6所述變壓器局部放電超聲矢量陣列定位裝置的方法，其特 征在于，它按如下步驟進行： 第一步，將三個壓電式速度傳感器（1)通過連接桿上下依次連接設置在一個空心球體 模具（5)的內(nèi)部，三個壓電式速度傳感器的中心軸線相互正交，分別對應X、Z、Y三個坐標軸 方向；使居中的壓電式速度傳感器的中心位于空心球體模具的球心； 第二步，將懸掛桿的一端固定在居中的壓電式速度傳感器表面，另一端伸出空心球體 模具，并使所有懸掛桿呈中心對稱分布方式處在與居中的壓電式速度傳感器的軸線相垂直 的平面內(nèi)；上下兩個壓電式速度傳感器的軸線至懸掛桿所在平面的距離相等； 第三步，將無線數(shù)據(jù)采集模塊設置在空心球體模具的中心偏下的位置，用環(huán)氧樹脂與 玻璃微球的混合物對空心球體內(nèi)部進行整體灌封； 第四步，待環(huán)氧樹脂與玻璃微球的混合物凝固后，脫去空心球體模具就得到具有球形 外殼的超聲矢量陣兀； 第五步，采用涂有絕緣漆的鎂鋰合金材料制作上半箱體和下半箱體，分別在上半箱體 的下端面和下半箱體的上端面上開設對稱的半圓孔凹槽，相鄰半圓孔凹槽的中心間距為超 聲波在變壓器油中的波長一半；然后再在半圓孔凹槽的內(nèi)壁上開設長方體凹槽； 第六步，將超聲矢量陣元安放在到直線型箱體下半箱體的半圓孔凹槽中，并使懸掛桿 的外端卡裝在半圓孔凹槽內(nèi)壁的長方體凹槽中；最后將上半個箱體蓋裝在下半箱體上，力口 以密封固定即可。
【文檔編號】G01R3/00GK104155586SQ201410414008
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月21日 優(yōu)先權日:2014年8月21日
【發(fā)明者】謝慶, 陶珺函, 王兵, 王亞運, 劉熊, 律方成 申請人:華北電力大學（保定）