用于电力变压器局部放电定位的超声波相控阵传感器的研制

第４５卷第４期　西安交通大学　学报　Ｖｏ１．４５　Ｎｏ．４　Ａｐｒ．２０１１　２０１１年４月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＸＩ　ＡＮ　ＪＩＡＯＴＯＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　用于电力变压器局部放电定位的超声波　相控阵传感器的研制　李继胜Ｌ。，李军浩　，罗勇芬　，李彦明　（１．西安交通大学电气工程学院，７１００４９，西安；２．陕西师范大学物理学及信息技术学院，７１００６２，西安）　摘要：针对电力变压器中局部放电的准确定位问题，将超声波相控阵技术引入局部放电定位中．基　于超声波相控阵理论，考虑在运行变压器中的应用环境，在对传感器各个组成部分的材料及特性进　行综合分析的基础上，研制成功了１６×１６阵元的平面超声波相控阵传感器．该传感器具有阵元数　多、尺寸小、定位精度高及可适用于高温液体中的优点，适合于放入变压器内部进行信号的接收，传　感器单个阵元中心频率为１５０　ｋＨＺ，带宽为１００　ｋＨｚ．使用压电声源和油间隙放电等模拟实验对阵　元的性能进行了实测，结果表明，该传感器能够对局部放电产生的超声波信号进行灵敏接收．实验　室中的模拟定位实验结果表明，该传感器适用于对变压器中局部放电的定位．　关键词：局部放电；超声波；相控阵；局部放电定位　中图分类号：ＴＭ８５５　文献标志码：Ａ文章编号：０２５３—９８７Ｘ（２Ｏ１１）０４—００９３—０７　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｐｈａｓｅｄ－Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ－Ｐｌａｎａｒ　Ａｒｒａｙ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ｆｏｒ　Ｐａｒｔｉａｌ　Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　Ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ＬＩ　Ｊｉｓｈｅｎｇ　，ＬＩ　Ｊｕｎｈａｏ　，ＬＵＯ　Ｙｏｎｇｆｅｎ　，ＬＩ　Ｙａｎｍｉｎｇ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ　ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００４９，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００６２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｔｏ　ｌｏｃａｔｅ　ｔｈｅ　ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ（ＰＤ）ｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ｐｈａｓｅｄ－ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ－　ｐｌａｎａｒ　ａｒｒａｙ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｍａ—　ｔｅｒｉａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ａ　１　６×１　６　ｐｈａｓｅｄ－ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ－ｐｌａｎａｒ　ａｒｒａｙ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ｉｓ　ｄｅ—　ｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈｅｒ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｂｉｌｉ—　ｔｙ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｌｉｑｕｉｄ．Ｔｈｅ　ｃｅｎｔｅｒ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｂａｎｄ　ｗｉｔｈ　ｒｅａｃｈ　ｔｏ　１５０　ａｎｄ　１００　ｋＨｚ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｓｏｕｒｃｅ　ａｎｄ　ｏｉｌ　ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ａｒｅ　ｅｘａｍｉｎｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎ　ｌａｂ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｅｃｔ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；ａｒｒａｙ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　局部放电是导致电力变压器绝缘劣化的重要原　因，也是绝缘监测的重要内容．通过对变压器内部局　部放电的准确定位，可以为故障的排除和进一步的　维修提供科学的指导和建议［　．　光以及一些新的生成物，并引起局部过热等物理和　化学反应，因而原理上这些现象若能检测，都可以作　为局部放电缺陷的指示嘲．已发展出来的变压器定　位方法有电气定位、超声波定位、电磁波定位、光定　局部放电时会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、　位、热定位和油中溶解气体分析（ＤＧＡ）定位等．对　收稿日期：２０１０—１０—１１．　作者简介：李继胜（１９７７－－），男，在职博士生，讲师；李彦明（联系人），男，教授，博士生导师．　基金　项目：国家自然科学基金资助项目（５０８７７０６４）；陕西省自然科学基金资助项目（２００９Ｋ０９—２３）．　网络出版时间：２０１１～０１—１７　网络出版地址：ｈｔｔｐ：∥、＾ｒ、ｖｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／６１．１０６９．Ｔ．２０１１０１１７．１０５３．０６１．ｈｔｍｌ　西安交通大学学报　第４５卷　局部放电定位法的分类可以归纳为多种方式．根据　被测变压器的工作状态，可以分为工频或冲击电压　有较大的幅值．超声波传感器的频带选择应避开磁　致伸缩噪声和机械振动噪声，研究显示局部放电辐　射声信号的功率频谱的密集区约在１５０　ｋＨｚ［１　”］．　许多变压器中局部放电的超声波检测的频率范围都　选择在７０～１５０　ｋＨｚ，并且ＩＥＥＥ关于油浸变压器　下的局部放电定位法［６］．除外施电压外，若局部放电　还受到外界激励，如受到Ｘ或７射线照射的方　法Ｌ７　］，这也是一种定位方法．虽然发生局部放电的　设备工作状态不同，但目前对局部放电的检测和定　位等处理，都是在被动接收情况下进行的，即仍然是　的局部放电声检测的试行标准中推荐的超声检测工　作频带为１２Ｏ～１６０　ｋＨｚ．对于相控阵传感器，工作　频率越高，阵元数相同的传感器尺寸越小．综合各种　因素，这里传感器的工作中心频率选择在１５０　ｋＨｚ，　带宽为１００　ｋＨｚ．　根据局部放电辐射信号或信号变化来处理的．所以，　虽然有各种形式的检测信号用来进行定位，但电气　法、超声波法和电气一超声波法仍是最基本的．　超声波相控阵技术最早应用在军事领域，随着　技术的发展，在雷达、声纳和医学超声诊断等领域也　超声波相控阵传感器有两种基本形式：一种是　线阵列，所有阵元都排在一条直线上；另一种是面阵　列，所有阵元排列在一个平面上．直线阵不能改进传　感器在垂直于阵直线的平面内的方向性，即不能实　得到了广泛应用．与传统的单个传感器相比，超声相　控阵传感器具有灵活的波束控制、较高的信号增益、　极强的干扰抑制能力及较高的空间分辨能力等优　点，利用相控阵技术对变压器内的局部放电定位，可　以做到定位准确，并可对多个局部放电源进行定位．　现空间定位，而平面阵则可实现在方向角和仰角两　个方向上的同时扫描，即可实现空间定位．因此，本　文选择平面相控阵传感器．　超声波相控阵传感器采用平面阵，其基本结构　主要包括：　超声波相控阵定位局部放电中的关键技术是传感　器，即超声波相控阵传感器．传感器性能的好坏直接　影响到信号的提取，进而影响到局部放电定位的准　确性．本文使用相控阵理论分析了所研制的传感器　的特性，并在实验室中进行了实测，为变压器局部放　电的超声波相控阵定位奠定了基础．　（１）压电晶体平面阵列；　（２）吸声背衬；　（３）声匹配层；　（４）其他如电极引线、外壳等．　１　超声波相控阵传感器的设计与分析　一上述４部分在传感器中起着各自的作用，形成　一个有机的整体．超声波相控阵传感器的结构如图　般变压器局部放电超声波定位系统，其压电　１所示．　传感器通常紧贴在油箱壁外，而相控阵传感器对于　阵面前信号的传播要求很严格，即对相位有严格要　求，若放置在油箱外壁，箱壁中通常包含纵波、剪切　波、瑞利波和拉姆波等多种模式波，且超声波在厚度　规格不一的箱壁中的传播将导致定位的复杂度大大　增加，所以相控阵传感器放置在油箱内更合适．对于　油箱内置超声波传感器，它的优势在于先检测到直　达波，避免了其他非直接路径信号的破坏，而且不必　再考虑箱壁这个波导产生的影响．但是，运行中的变　压器，如Ｅ级绝缘，它的油温高达１２０。Ｃ，一般的压　１，２：匹配层；３：压电阵元；４：电极引线；５：背衬；６：封装　图１超声波相控阵传感器的结构图　电材料此时的压电效应消失或变得很差，因而伸人　高温矿物油中的超声波传感器应采用特别设计的耐　高温压电材料．所以，相控阵传感器也需要采用耐高　温的压电材料，并能在高温的变压器油中保持良好　的压电性能．　传感器中的主要部件是压电晶体阵列，压电晶　体阵列是声电转换器件，由压电材料如压电陶瓷、压　电薄膜或复合压电材料等制成，按设计要求排列成　阵列．对压电晶体的设计要考虑阵元自身的振动模　式、几何形状和排列方式，以得到预期的指向性等性　已有的研究表明，可接收到的变压器中局部放　电辐射出的超声波频率约为６０～３００　ｋＨｚ，超声波　信号幅值为０～８０　ｄＢ，而且低频带信号更丰富并具　能指标［地　．　吸声背衬是增加传感器探头带宽的一种结构．　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｄｘｂ．ｃｎ　第４期　李继胜，等：用于电力变压器局部放电定位的超声波相控阵传感器的研制　由于局部放电辐射的声波为脉冲波，而脉冲波的频　率覆盖范围非常广．为了不失真地接收脉冲声波，理　论上要求传感器探头有无穷频带宽度，但这在实际　上是不可能也是不必要实现的，为了得到失真小的　脉冲波，希望探头的频带越宽越好，这就需要在压电　晶片后加上吸声背衬，使两者的声阻抗接近．背衬吸　声的目的是为了使进人背衬中的声波不反射到压电　晶体阵列上来，并减少阵元问的声耦合，然而这样会　使得探头的接收灵敏度大大降低．可见，宽带和高灵　敏度是一对矛盾，在设计探头时应根据具体情况综　合考虑，寻找到一种适合具体探头要求的背衬结构．　仅靠一种最佳背衬构成来解决这对矛盾是不可能　的，还需要采用声匹配层来配合解决．　声匹配层是能提高接收灵敏度、同时也有益于　增加带宽的一种结构．它的实质性作用在于大大增　加探头与变压器油之间的透声效果．对于声匹配层　图２相控平面阵及其坐标系示意图　的定位误差为ｔｇ　一１．６　，即若存在一个５　ｍ距　离外的放电，则定位点与实际放电有８　ｃｍ的距离，　这在工程上是可接受的．另外，当Ｎ一２０时，可计算　出Ａ０＝０．７。，与Ｎ一１６时相差不大．　由于传感器置人油箱中，局部放电位置相对传　感器平面的仰角０近似达到９０。，为保证波束在扫描　范围内不出现栅瓣，阵元中心距应满足　材料的要求是声衰减小、声阻抗满足一定关系、厚度　按具体要求选定．声匹配层可以是单层也可以是多　层．虽然一般的相控阵超声波传感器都配有声透镜，　这里传感器的设计不考虑加装声透镜．其原因在于　本传感器是用来接收局部放电辐射的超声波信号，　局部放电源距离传感器较远，而且主要是对局部放　孚≤　（２）　式中：ｄ为阵列中的相邻阵元间隔中心距；　为波　长，所以ｄ取０．５Ａ．在油中（ｓ　一２．２）传播的１５０　ｋＨｚ的超声波，其速度取１　５００　ｍ／ｓ，阵元间隔０．５Ａ　取为５　ｍｍ，因而压电阵列边长为８　ｃｍ，加上外壳封　电源进行定位，若采用声透镜，则定位计算过程变得　复杂，而且声透镜不能保证各个方向的聚焦一致．　装，整个传感器边长不超过ｌＯ　ｃｍ．该尺寸的传感器　放置在变压器中对变压器的运行基本无影响．　２相控超声波传感器的阵列结构设计　根据相控阵理论，传感器尺寸越大阵元数可布　置得越多，角分辨率越高，不用经过超分辨率数据处　理，所以对局部放电定位的精度就越准确Ｅ１５－２ｏ］．对于　３超声波换能器的设计与分析　３．１超声波换能器的结构设计　根据以上分析，超声波相控阵由１６×１６共２５６　变压器的内部结构，为了不影响其运行，对相控阵传　感器的尺寸要求越小越好．另外，阵元间距越大，阵　元的截面积就可选得更大，等效电容越大，对超声波　信号的接收越灵敏，就可能产生栅瓣，这将导致定位　错误．　个阵元组成，每个阵元是独立的超声波换能器．阵元　的设计包括合理选择阵元尺寸及压电材料．　为保证传感器在长度和宽度方向信号的一致　性，取阵元的长度和宽度相等．阵元长度Ｌ的选择　主要考虑以下几个方面：　（１）Ｌ（ｄ，即阵元长度要小于阵元间隔中心距；　所以定位精度与实际能安装的传感器尺寸、阵　元数是有矛盾的，应对如何合理选择进行研究．经综　合考虑，传感器阵列取１６×１６阵元的方阵．两个方　向的阵列数一致，是为了保证传感器在两个方向的　性能参数一致．相控平面阵及其坐标系示意图如图　２所示．　（２）若要声耦合尽可能小，Ｌ越小越好；　（３）从调制效果明显即抑制旁瓣效果好的角度　考虑，Ｌ越大越好；　（４）从灵敏度来考虑，Ｌ越大越好，因为面积越　大，等效电容值越大；　（５）从工艺上考虑，Ｌ越大越好．　这时在．Ｚ＇ＯＺ平面且无偏转的定向准确度为　△０—１４。　Ｎ—ｌ（Ｎ２一１）　／。　１　Ｎ　（１）　综合以上因素，选定阵元的长、宽均为４　ｍｍ．　超声波检测中换能器的频率是由压电晶体的厚　度决定的．当某一交变电压加至压电材料上时，压电　当Ｎ一１６时，可计算出Ａ０＝０．９３。，则由分辨率引起　ｈｔｔｐ：／／ｗ、）ｌ】ｗ．ｊｄｘｂ．ｃｎ　西安交通大学学报　第４５卷　晶体表面发出一个振动，并向与之接触的介质中辐　射能量．辐射能量与边界处的特性有关．除非特性阻　抗相等，否则在一般情况下，总有一部分能量被压电　而需要寻找适合探头要求的背衬结构．　目前，通常的背衬均采用钨粉和环氧树脂制作　的复合材料，因为这种复合材料比较容易满足以下　条件：　（１）声阻抗适中，在保证传感器探头带宽的同　时，还能满足一定的灵敏度；　晶体表面反射回来，向压电晶体反方向传播．如果从　压电晶体的前表面发出的振动，被反射后经压电晶　体传至背表面时，它会和背表面产生的振动互相叠　加．根据声波的叠加原理，只有当两个分振动同相　（２）声衰减大；　（３）可减小阵元间的声耦合．　时，其和振幅为最大，才能发射强的超声波．　若希望换能器两个表面都能自由振动，当晶体　因而，本文也采用这种复合材料，但需要另外研　究它的配比和构成．　厚度正好等于半个波长时，产生谐振，即这两个振动　在表面形成同相，应力相互加强，振动具有最大振　（１）钨粉环氧树脂配比与声阻抗的关系．复合材　料的密度为　幅．对应于半波长的频率称为换能器的基本谐振频　率．如果某压电材料中纵波传播速度为７ｄ，材料的厚　度为ｈ，则ｆｏ　ｈ—　／２，即某种压电材料的基频和厚　度的乘积是一个常数，声学上称为频率常数．假如在　１０一　筋Ｇ—ｐ２／ｐ．　　）　式中：ｐ　为环氧树脂的密度，取１．１　ｇ／ｃｍ。；ｐ２为钨　换能器后表面粘上一块硬材料，其声阻抗率比换能　器要高得多，那么可认为背表面是被夹住不动的，前　面与声阻抗低得多的矿物油相接触，即前面几乎能　自由振动，这种情况下为单面辐射，这时谐振发生的　厚度ｈ满足ｆ。ｈ＝ｖ／４．　粉的密度，取１８．７　ｇ／ｃｍ。；钨粉在复合材料中的比　复合材料的声速随着Ｇ的增加（在Ｇ＜８０　时），纵波速度逐渐减小，当Ｇ＞８０　时，纵波速度开　始迅速回升．　超声换能器选用的压电陶瓷为钛酸铅陶瓷　（ＰｂＴｉｏ。），其频率常数在理论上为２．１　ＭＨｚ・ｍｍ，　（２）复合材料的声衰减．对复合材料的超声波传　但应以实际生产检定的参数为准．在压电陶瓷中，钛　酸铅陶瓷的居里温度可达４００。Ｃ以上，在常用压电　陶瓷中仅次于偏铌酸铅，适于工作在１２０℃的变压　器油中，且机电耦合系数是　和是。。很小，用其作主轴　播特性的研究发现，复合材料的声衰减的原因是由　其中的金属颗粒散射所引起的［２¨．根据理论和实验　曲线可知，声衰减常数ａ随着频率增加而增加，并趋　于最大值，然后有下降的趋势．声衰减常数ａ随着　（钨粉在复合材料中的体积分数）增加先增加，然后　方向振动的振子，易于得到近似的纯模，其压电常数　ｇ。。大，适于作接收换能器．　趋于平坦，达到最大值后有下降的趋势．　取是　一２ｎｆ／ｖ　为声波在环氧树脂中的波束，ａ　为金属颗粒的半径．另外，在　一５　９／６和　＝＝＝１５　时，　铅粉环氧树脂复合材料声衰减的最大值约在是　ａ—　Ｅｏ．３，０．５］区域，且随　从５　增加到１５　，声衰减　明显减小．　选取钛酸铅材料作为超声换能器，在两个表面　都能自由振动且基频为１５０　ｋＨｚ的情况下，厚度应　选１４　ｍｍ，在一个表面能自由振动时，厚度应选　７　ｍｍ．在本文的实际条件下，加有增加探头带宽的　吸声背衬，其声阻抗中等，综合各种因素，换能器的　厚度选为１２　ｍｍ．　３．２背衬的设计　（３）背衬的设计．根据上面的结论，取是　ｎ一　０．３，所以选择钨粉颗粒半径为　以一　怠１　背衬的声阻抗越大，其频带越宽，接收灵敏度也　一０．３×　么７ｃ＿，　（４）　会下降越多，因此背衬设计时要综合考虑换能器的　接收灵敏度和频带宽度等性能指标．通过对超声波　若选固化后的环氧树脂声速　＝＝＝２　１５０　ｍ／ｓ，ｆ一　１５０　ｋＨｚ，则ａ一６８０　ｇｍ．　换能器进行理论计算可以得到其传递函数的频率特　性，进一步可分析出背衬的声阻抗大小对压电换能　器接收性能的影响．背衬吸声的目的是为了防止进　入背衬中的声波反射回压电阵列和减少阵元间的声　耦合，不过这样会导致发射效率和接收灵敏度大大　降低．可见，带宽和高效率、高灵敏度是一对矛盾，因　背衬的声阻抗、声速和声衰减，通过调节环氧树　脂与钨粉的配比来改变．如果钨粉与环氧树脂的质　量比过高，则在背衬制作过程中环氧树脂富余，即形　成了没有钨粉的环氧树脂层，因而需要加入ＰｂＴｉＯ。　粉末．在制作过程中，对钨／ＰｂＴｉＯ。复合粉末真空浇　注环氧树脂，在制作完成的背衬中，钨、压电陶瓷、环　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｄｘｂ．ｃｎ　第４期　李继胜，等：用于电力变压器局部放电定位的超声波相控阵传感器的研制　氧树脂的质量比约为９：７：１，声阻抗为１７．３×　１０　ｋｇ／（ｍ。・ｓ），声衰减系数约为１７　ｄＢ／ｃｍ．　３．３匹配层的设计　增加背衬的声阻抗能展宽换能器的频带，但同　时也会降低换能器的接收灵敏度，为了解决这个问　题，可采用匹配层＿１６　删．　设入射波为平面波，对于单匹配层，为了使透射　系数最大，应满足　图４超声波接收单元频率响应特性　Ｚｌ—Ｚｏ　ＺＪ｜　（５）　式中：Ｚ０为ＰｂＴｉＯ。的声阻抗，其值为３３．４×１０　宽为３肚ｓ的高压脉冲，用以驱动压电发射探头辐射　ｋｇ／（ｍ　・ｓ）；ＺｆＪ为变压器油的声阻抗，其值为１．１　出超声波信号；另一种是采用油纸绝缘中常见的油　×１０。ｋｇ／（ｍ。・ｓ）；Ｚ　为匹配层１的声阻抗．　间隙模型，当对模型施加一定电压时，会产生局部放　对于双匹配层，同样可得透射系数最大时，声匹　电，进而产生超声波信号．　配层的阻抗值需要满足　采用相控阵中的（１，１）阵元作为接收传感器，高　一Ｚ　Ｚ　｝＼　　㈣　压脉冲下压电发射源辐射出的超声波信号见图５．　Ｚ２　式中：Ｚ２为匹配层２的声阻抗．　对于无声衰减的理想材料的声匹配层，匹配层　——～　数越多，匹配效果越好．实际上声匹配层材料有衰　减，最佳匹配的声阻抗材料不易得到，且层数增加，　工艺难度加大．系统要求的中心频率为１５０　ｋＨｚ，采　用双匹配层即可达到带宽覆盖１００￣２００　ｋＨｚ的信　号范围．各匹配层的厚度均为０．２５Ａ　．　硅橡胶材料作为第１匹配层，声阻抗为２．５×　（ａ）接收到的压电发射源时域信号　１０　ｋｇ／（ｍ　・ｓ），居里温度为２５０℃以上．石英单晶　材料作为第２匹配层，声阻抗为１３．８×１０　ｋｇ／　（ｍ２・ｓ），居里温度为５７６℃．　研究制作的相控超声波接收阵传感器的半成品　和成品如图３所示，超声波接收单元的频率响应特　性如图４所示．　■●　（ｂ）接收到的压电发射源频域信号　图５压电发射源超声波信号　从图５可看出，信号幅值并不大，单次加压产生　的超声波信号单一且时延清晰．通过对时域信号进　（ａ）传感器半成品　（ｂ）传感器成品　行快速傅里叶分析变换到频域可以看出，超声波的　图３相控接收阵传感器的半成品和成品照片　频率主要分布在９０～１３５　ｋＨｚ范围内，最大幅值频　４传感器的性能测试与分析　率为１２９　ｋＨｚ．油间隙模型下接收到的局部放电超　声波信号如图６所示．　为了对制作的超声波相控阵阵元性能进行测　从图６可看出，油间隙一次放电的能量大，放电　试，采用两种放电源进行实验．一种是压电发射源，　产生的超声波信号单一、时延清晰．通过频域图可以　通过自制的高压脉冲发生器输出幅值为４．５　ｋＶ、脉　看出，放电的频率主要分布在３０～１４０　ｋＨｚ范围　ｈｔｔｐｔ　｝　ｄｘｂ．ｃｎ　西安交通大学学报　第４５卷　行条件及局部放电超声波的特性对传感器的结构及　材料的选取进行了讨论，研制成功的传感器具有　墨　。　……——……．　一一一一ｌｌ　１５０　ｋＨｚ的中心频率、１００　ｋＨｚ的带宽．　（２）在实验室中，利用该传感器进行了放电信号　的测量及分析，实测表明，传感器可以灵敏接收局部　放电产生的超声波，其频带可满足将来在变压器中　接收超声波的要求，可用于变压器中局部放电的　定位．　（ａ）油间隙放电的超声时域信号　参考文献：　３　２　２　［１］李军浩，司文荣，杨景冈，等．电力变压器局部放电特　高频信号外部传播特性研究［Ｊ］．西安交通大学学报，　２００８，４２（６）：７１８—７２２．　董　ｌ　Ｉ　Ｉ　Ｊｕｎｈａｏ，ＳＩ　Ｗｅｎｒｏｎｇ。ＹＡＮＧ　Ｊｉｎｇｇａｎｇ．Ｐｒｏｐａｇａ　ｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｕｌｔｒａ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅ　＾　ｑｕｅｎｃｙ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｏｕｔｓｉｄｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　０　５０　ｌＯ０　１５０　２００　２５０　３００　Ｘｉ　ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００８，４２（６）：７１８—７２２．　ｆ／ｋＨｚ　（ｂ）油间隙放电的超声频域信号　图６油间隙放电的超声波信号　［２］　李军浩，司文荣，李彦明．油／纸绝缘沿面局部放电特　性研究［Ｊ］．西安交通大学学报，２００９，４３（６）：１０８—　１１２．　ＬＩ　Ｊｕｎｈａｏ，ＳＩ　Ｗｅｒｎｒｏｎｇ，ＬＩ　Ｙａｎｍｉｎｇ．Ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓ　ｃｈａｒｇｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｖｅｒ　ｏｉｌ／ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ［Ｊ］．　内，最大幅度的频率为９７　ｋＨｚ．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉ　ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００９，４３（６）：１０８　—通过传感器单元的频率响应特性及实验可以看　出，传感器的频带设计为１００～２００　ｋＨｚ，中心频率　为１５０　ｋＨｚ，传感器的设计是合理的．使用该传感器　进行了局部放电的定位实验，放电源为油间隙模型，　１１２．　［３］　孙振权，赵学风，李彦明．雷电冲击电压下油纸绝缘　气隙模型的局部放电测量与分析［Ｊ］．两安交通大学　学报，２００９，４３（２）：７５—８Ｏ．　ＳＵＮ　Ｚｈｅｎｑｕａｎ，ＺＨＡＯ　Ｘｕｅｆｅｎｇ，ＬＩ　Ｙａｎｍｉｎｇ．Ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｇａｐ　ｉｎ　ｏｉｌ　ｐａｐｅｒ　尺寸为１　ｍＸ１　ｍＸ　１．２　ｍ、充满矿物油的油箱模拟　变压器箱体，定位结果如表１所示．　表１传感器定位结果　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｕｎｄｅｒ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｉｍｐｕｌｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉ　ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００９，４３（２）：７５—　８０．　．Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　［４］　ＦＵＨＲ　Ｊ，ＨＡＥＳＳＩＮＧ　Ｍ，ＢＯＳＳ　Ｐ，ｅｔ　ａ１ａｎｄ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉ—　ｃａｌ　Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，１９９３，２８（６）：１０５７－１０６７．　司文荣，李军浩，李彦明．局部放电脉冲群的实用快　速分类技术及应用Ｉ－Ｊ］．西安交通大学学报，２００８，４２　从表１可以看出，采用本文研制的传感器定位　误差小于３　，但由于采用的是空箱体，在实际变压　器中的定位效果还有待于进一步研究．　（８）：１０２１—１０２５．　ＳＩ　Ｗｅｎｒｏｎｇ，ＬＩ　Ｊｕｎｈａｏ，ＬＩ　Ｙａｎｍｉｎｇ．Ｆａｓｔ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉ　ｃａｌ　ｇｒｏｕｐｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｐｕｌｓｅ　ｓｅ　ｑｕｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ＥＪ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉ　ａｎ　Ｊｉａｏ　ｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００８，４２（８）：１０２１—１０２５．　５结论　［６］　孙志培．变压器局部放电采用操作波电压超声法定位　（１）为了实施基于超声波相控接收原理的局部　放电定位法，根据超声波相控阵的原理，研制了１６　×１６阵元的平面超声波相控阵传感器．根据实际运　口］．高电压技术，１９８６，４０（２）：１９—２２．　ＳＵＮ　Ｚｈｉｐｅｉ．Ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｆｏｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ　ｕｓｉｎｇ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　ｕｎｄｅｒ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｄｘｂ．ｃｎ　第４期　李继胜，等：用于电力变压器局部放电定位的超声波相控阵传感器的研制　９９　ｓｕｒｇｅｓ［Ｊ］．Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９８６，４０（２）：１９　４６４—４’／５．　－２２．　［１５］ＬＡＫＥ　ＡＮＩ　Ｆ，ＢＡＢ０ｕｘ　Ｊ　Ｃ，ＦＬＥＩＳＣＨＭＡＮＮ　Ｐ．　［７］　ＫＲＥＵＧＥＲ　Ｆ　Ｈ．Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　Ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ，ＵＫ：Ａ　Ｈｅｙｗｏｏｄ　Ｂｏｏｋ，　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅｓ［Ｊ］．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，１９７５，　１９６４：１－１０．　１３（２）：１７６－１８０．　．　［８］赵卫东，郭琳，何敏，等．基于准直的ｘ射线进行油间　［１６］ＧＯＬＬ　Ｊ　Ｈ．Ｔ‘ｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｂｒｏａｄ　ｂａｎｄ　ｆｌｕｉｄ　ｌｏａｄｅｄ　ｕｌ—　隙受激放电的定位［Ｊ］．高压电器，２００６，３６（６）：１９－２２．　ｔｒａｓｏｎｉｃ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｓｏｎｉｃｓ　ＺＨＡＯ　Ｗｅｉｄｏｎｇ，ＧＵ０　Ｌｉｎ，ＨＥ　Ｍｉｎ，ｅｔ　ａ１．Ｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，１９７９，２６（６）：３８５—３９３．　ｏｆ　ｅｘｃｉｔｅｄ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｉｎ　ｏｉｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｘ－ｒａｙ［Ｊ］．　［１７］ＳＩＬＫ　Ｍ　Ｇ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　ｆｏｒ　ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ，２００６，３６（６）：１９—２２．　ｔｅｓｔｉｎｇ［Ｍ］．Ｂｒｉｓｔｏｌ，ＵＫ：Ａｄａｍ　Ｈｉｌｇｅｒ　Ｌｔｄ．，１９８４：　［９］黄兴泉，郭琳，李成榕，等．基于ｘ射线激励下的局部　１２４—１８９．　放电定位［Ｊ］．华北电力大学学报，１９９９，２６（４）：１—５．　［１８］ＫＩＮＯ　Ｇ　Ｓ，ＤＥＳＩＩ　ＥＴｓ　ｃ　Ｓ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｌｏｔｔｅｄ　ｔｒａｎｓ—　ＨＵＡＮＧ　Ｘｉｎｇｑｕａｎ，ＧＵＯ　Ｌｉｎ，ＬＩ　Ｃｈｅｎｇｒｏｎｇ，ｅｔ　ａ１．　ｄｕｃｅｒ　ａｒｒａｙｓ　ｗｉｔｈ　ｍａｔｃｈｅｄ　ｂａｃｋｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｏＬｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｂｙ　Ｘ－ｒａｙ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ［Ｊ］．　Ｉｍａｇｉｎｇ，１９７９，１（２）：１８９—２０９．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　［１９］ｓＡＹＥＲｓ　ｃ　Ｍ，ＳＭＩＴＨ　Ｒ　Ｌ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　１９９９，２６（４）：１－５．　ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａｎ　ｅｐｏｘｙ　ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　ｌｅａｄ　ｉｎｃｌｕ—　［１Ｏ］ＬＵＮＤＧＡＡＲＤ　Ｌ　Ｅ．Ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：ＸＩＶ　Ａｃｏｕｓ—　ｓｉｏｎｓ［Ｊ］。Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｄ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，　ｔｉｃ　ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ：ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　１９８３，１６（７）：１１８９－１１９４．　［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　Ｍａｇａｚｉｎｅ，１９９２，８　［２０］ＶＯＮ　ＲＡＭＭ　０　Ｔ，ｓＩＭＴＨ　ｓ　ｗ＿Ｂｅａｍ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｗｉｔｈ　（５）：３４—４３．　ｌｉｎｅａｒ　ａｒｒａｙｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ　［１１］ＨＯＷＥＬＬＳ　Ｅ，ＮＯＲＴＯＮ　Ｅ　Ｔ＿Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐａｒｔｉａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９８３，３０（８）：４３８—４５２．　ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓ　ｉｎ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ　ｕｓｉｎｇ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　［２１］ＫＡＶＥＮ　Ｈ　Ｅ　Ａ　ｐｈａｓｅｄ　ａｒｒａｙ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｐｐａｒ＆Ｓｙｓｔ，　ｆｏｒ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｕｓｅ口］．Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ　Ｉｍａｇｉｎｇ，１９８０，１０（１）：　１９７８，９７（５）：１５３８－１５４９．　４７－６３．　［１２］冯若．超声手册［Ｍ］．南京：南京大学出版社，１９９９：２９—　［２２　３　ＬＡＷＲＥＮＣＥ　Ｃ　Ｌ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　４５．　ｆｒｏｍ　ｓｏｌｉｄｓ　ｔｏ　ｇａｓｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｓｏｎｉｃｓ　［１３］ＺＩＯＭＥＫ　Ｌ　Ｊ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　ｏｆ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，１９６６，１２（１）：３７—４８．　ａｎｄ　ｓｐａｃｅ－ｔｉｍｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ［Ｍ］．Ｂｏｃａ　Ｒａｔｏｎ，　［２３］ＤＥｓＩＬＥＴｓ　ｃ　ｓ，ＦＲＡｓＥＲ　Ｊ　Ｄ，ＫＩＮ０　Ｇ　ｓ．Ｔｈｅ　ｄｅ—　ＵＳＡ：ｃＲＣ　Ｐｒｅｓｓ　Ｉｎｃ．，１９９５：１０—２０．　ｓｉｇｎ　ｏｆ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｂｒｏａｄ－ｂａｎｄ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　［１４］ＴＵＲＮＢＵＬＬ　Ｄ　Ｈ，ＦＯＳＴＥＲ　Ｆ　Ｓ．Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｓｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎ—　１９７８，２５（３）：１１５—１２５．　ｓｉｏｎａｌ　ａｒｒａｙｓ　ｆｏｒ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　ｉｍａｇｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　Ｕｌｔｒａｓｏｎ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔ，Ｆｒｅｑ　Ｃｏｎｔｒ，１９９２，３９（３）：　（编辑杜秀杰）　（上接第７６页）　ｈｔｔｐ　ｔ　ｆ　ｉｐｈｏｍｅ．ｈｈｉ．ｄｅ／ｓｕｅｈｒｉｎｇ／ｔｍｌ／ｄｏｗｎｌｏａｄ／ｏｌｄ—　［１３］ＣＨＩＡＮＩ　Ｍ，ＤＡＲＤＡＲＩ　Ｄ，ＳＩＭＯＮ　Ｍ　Ｋ．Ｎｅｗ　ｅｘｐｏ—　ｊｍ／ｊｍ１５．１．ｚｉｐ．　ｎｅｎｔｉａｌ　ｂｏｕｎｄｓ　ａｎｄ　ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　［１５］ＥＲＣＥＧ　Ｖ，ＨＡＲＩ　Ｋ　Ｖ　Ｓ，ＳＭＩＴＨ　Ｍ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ｃｈａｎ—　ｏｆ　ｅｒｒｏｒ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　ｆａｄｉｎｇ　ｃｈａｎｎｅｌｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　ｎｅｌ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｆｉｘｅｄ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［ＤＢ／ＯＬ］．　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００３，２　（２００３—０６—２７）［２０１０—０５—２３］．ｈｔｔｐ　｝｝　ｉｅｅｅ８０２．ｏｒｇ／　（４）：８４０—８４５．　１６／ｔｇ３／ｃｏｎｔｒｉｂ／８Ｏ２１６３ｃ－Ｏｌ一２９ｒ４．ｐｄｆ．　［１４］Ｈｅｉｎｒｉｃｈ　Ｈｅｒｔｚ　Ｉｎｓｔｉ’ｔｕｔｅ．　ＶＣＥＧ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｖｅｒｓｉｏｎ　ＪＭ１５．１［ＣＰ／ＯＬ］．　（２０Ｏ９—７—７）［２ＯＬＯ一０５—２３］．　（编辑刘杨）　ｈｔｔｐ　｝　ｄｘｂ．ｃｎ