九元圓形超聲陣列傳感器固定裝置的研究與設(shè)計

□趙明曦 王睿豪 童格格 陶珺函 謝 慶

局部放電簡稱局放，是指當外加電壓在電氣設(shè)備中產(chǎn)生的場強，足以使絕緣部分區(qū)域發(fā)生放電，但在放電區(qū)域內(nèi)未形成固定放電通道的一種放電現(xiàn)象。電氣設(shè)備的故障多數(shù)是由局部放電所引起的。局部放電會使絕緣材料的物理、化學性質(zhì)逐漸發(fā)生變化，引起電氣設(shè)備的機電性能下降，當發(fā)展到一定程度時，就會造成絕緣材料損壞。因此對電氣設(shè)備的局部放電進行準確的定位是十分必要的。

局放超聲陣列定位法的原理是利用超聲陣列傳感器接收目標信號并估計各單個傳感器陣元的時延，然后通過陣列信號處理技術(shù)對其進行運算，從而得到局放源信息的方法。目前市場上缺乏平面超聲陣列傳感器的成品。因此，有必要設(shè)計一種簡便且實用的適用于電氣設(shè)備局放檢測的平面超聲陣列傳感器固定裝置。

平面超聲陣列傳感器固定裝置是用于解決平面超聲陣列傳感器的安裝問題的一種裝置。該裝置不僅可保證平面超聲陣列傳感器陣元間距的一致性，而且拆裝難度低，可大大提高電氣設(shè)備局部放電的檢測效率。

基于上述分析，本文主要設(shè)計一種電氣設(shè)備局部放電故障定位固定裝置。

圖1 壓電陶瓷陣元

一、九元圓形超聲陣列傳感器的陣元簡介

超聲陣列傳感器陣元的結(jié)構(gòu)主要包括:壓電元件、吸聲背襯、聲匹配層、電極引線、外殼等，如圖1 所示。

選用壓電陶瓷作為超聲傳感器的壓電元件。并在超聲傳感器中加入以鎢粉和環(huán)氧樹脂為材料的吸聲背襯以防止進入背襯中的聲波在壓電陣列中反射并減少各陣元間的聲耦合。采用兩層聲匹配，第一匹配層的材料主要為石英單晶，第二匹配層材料主要為硅橡膠。9 個超聲陣列傳感器陣元，其參數(shù)見表1。

表1 超聲傳感器陣元參數(shù)

二、九元圓形超聲陣列傳感器固定裝置設(shè)計方案

(一)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。九元圓形超聲陣列傳感器裝配體上的圓柱孔呈圓形排列，在裝配體的左右兩側(cè)分別裝有條形磁鐵槽。

圖2 九元方形超聲陣列傳感器固定裝置三視圖

(二)材質(zhì)設(shè)計方案。超聲陣列傳感器的裝配體主要是用于固定接收電氣設(shè)備局放的超聲信號的傳感器陣元。考慮到大部分電氣設(shè)備都處于露天環(huán)境下，因此，所選超聲陣列傳感器的裝配體材料要能夠適應外部環(huán)境、晝夜溫濕度等條件的變化及惡劣天氣和空氣污染帶來的酸堿鹽腐蝕和其他污穢。鑒于上述情況，超聲陣列傳感器裝配的材料選用航空鋁材，航空鋁材是一種鋁合金，主要化學成分是:鋁、銅、鋅、鎂、硅等，由于其耐油和抗酸、堿、鹽及化學試劑等性能良好，同時也可以在一定程度上耐受有機溶劑的溶解，并且具有良好的機械性能和成型性，加工產(chǎn)品表面光潔，耐磨性好，易于加工，可以使用機械、粘合等法進行二次加工，質(zhì)量較輕，便于攜帶，雖然它的耐高溫強度較低，但是完全能夠滿足在正常環(huán)境下的實驗要求。由于其綜合性能優(yōu)良，所以比較適宜作為超聲陣列傳感器裝配體的材料。

三、九元圓形超聲陣列傳感器裝配體實物圖及使用

圖3 九元圓形超聲陣列傳感器裝配體實物圖

使用時先將各傳感器陣元依次固定至裝置中，然后將該裝置耦合于電氣設(shè)備外壁，利用磁鐵吸住外壁同時固定住固定裝置，信號傳輸線接入多通道同步數(shù)據(jù)采集器，即可實時采集局放超聲數(shù)據(jù)，如需更換檢測位置，只需將裝置取下耦合于其他位置即可，操作簡單。

四、結(jié)語

局部放電是電氣設(shè)備絕緣劣化和電力系統(tǒng)事故發(fā)生的重要原因，對其進行準確定位可以及時準確判斷局放源的位置，有利于檢修，具有重要意義。本文研制了一種九元圓形超聲陣列傳感器固定裝置，它長50mm、寬40mm，裝配體上圓柱孔的直徑為5.2mm、圓柱孔深度為5mm。該超聲陣列傳感器固定裝置與傳感器可以靈活組合，起到很好的固定作用。

［1］謝慶，律方成，李成榕等.超聲相控陣與寬帶陣列信號處理相結(jié)合的油中局部放電定位方法［J］.中國電機工程學報，2009

［2］李成榕，李衛(wèi)國，羅日成.基于陣列信號處理的變壓器內(nèi)局部放電源多目標定位方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006