九元圆形超声阵列传感器固定装置的研究与设计

□赵明曦 王睿豪 童格格 陶珺函 谢 庆

局部放电简称局放，是指当外加电压在电气设备中产生的场强，足以使绝缘部分区域发生放电，但在放电区域内未形成固定放电通道的一种放电现象。电气设备的故障多数是由局部放电所引起的。局部放电会使绝缘材料的物理、化学性质逐渐发生变化，引起电气设备的机电性能下降，当发展到一定程度时，就会造成绝缘材料损坏。因此对电气设备的局部放电进行准确的定位是十分必要的。

局放超声阵列定位法的原理是利用超声阵列传感器接收目标信号并估计各单个传感器阵元的时延，然后通过阵列信号处理技术对其进行运算，从而得到局放源信息的方法。目前市场上缺乏平面超声阵列传感器的成品。因此，有必要设计一种简便且实用的适用于电气设备局放检测的平面超声阵列传感器固定装置。

平面超声阵列传感器固定装置是用于解决平面超声阵列传感器的安装问题的一种装置。该装置不仅可保证平面超声阵列传感器阵元间距的一致性，而且拆装难度低，可大大提高电气设备局部放电的检测效率。

基于上述分析，本文主要设计一种电气设备局部放电故障定位固定装置。

图1 压电陶瓷阵元

一、九元圆形超声阵列传感器的阵元简介

超声阵列传感器阵元的结构主要包括:压电元件、吸声背衬、声匹配层、电极引线、外壳等，如图1 所示。

选用压电陶瓷作为超声传感器的压电元件。并在超声传感器中加入以钨粉和环氧树脂为材料的吸声背衬以防止进入背衬中的声波在压电阵列中反射并减少各阵元间的声耦合。采用两层声匹配，第一匹配层的材料主要为石英单晶，第二匹配层材料主要为硅橡胶。9 个超声阵列传感器阵元，其参数见表1。

表1 超声传感器阵元参数

二、九元圆形超声阵列传感器固定装置设计方案

(一)结构设计方案。九元圆形超声阵列传感器装配体上的圆柱孔呈圆形排列，在装配体的左右两侧分别装有条形磁铁槽。

图2 九元方形超声阵列传感器固定装置三视图

(二)材质设计方案。超声阵列传感器的装配体主要是用于固定接收电气设备局放的超声信号的传感器阵元。考虑到大部分电气设备都处于露天环境下，因此，所选超声阵列传感器的装配体材料要能够适应外部环境、昼夜温湿度等条件的变化及恶劣天气和空气污染带来的酸碱盐腐蚀和其他污秽。鉴于上述情况，超声阵列传感器装配的材料选用航空铝材，航空铝材是一种铝合金，主要化学成分是:铝、铜、锌、镁、硅等，由于其耐油和抗酸、碱、盐及化学试剂等性能良好，同时也可以在一定程度上耐受有机溶剂的溶解，并且具有良好的机械性能和成型性，加工产品表面光洁，耐磨性好，易于加工，可以使用机械、粘合等法进行二次加工，质量较轻，便于携带，虽然它的耐高温强度较低，但是完全能够满足在正常环境下的实验要求。由于其综合性能优良，所以比较适宜作为超声阵列传感器装配体的材料。

三、九元圆形超声阵列传感器装配体实物图及使用

图3 九元圆形超声阵列传感器装配体实物图

使用时先将各传感器阵元依次固定至装置中，然后将该装置耦合于电气设备外壁，利用磁铁吸住外壁同时固定住固定装置，信号传输线接入多通道同步数据采集器，即可实时采集局放超声数据，如需更换检测位置，只需将装置取下耦合于其他位置即可，操作简单。

四、结语

局部放电是电气设备绝缘劣化和电力系统事故发生的重要原因，对其进行准确定位可以及时准确判断局放源的位置，有利于检修，具有重要意义。本文研制了一种九元圆形超声阵列传感器固定装置，它长50mm、宽40mm，装配体上圆柱孔的直径为5.2mm、圆柱孔深度为5mm。该超声阵列传感器固定装置与传感器可以灵活组合，起到很好的固定作用。

［1］谢庆，律方成，李成榕等.超声相控阵与宽带阵列信号处理相结合的油中局部放电定位方法［J］.中国电机工程学报，2009

［2］李成榕，李卫国，罗日成.基于阵列信号处理的变压器内局部放电源多目标定位方法［J］.电网技术，2006