第二章在线监测故障信号采样

第二章：在线监测故障信号采样信号的获取与调理是测试系统中非常重要的组成部分，其性能直接影响测试系统的工作效能。在整个测试系统中，传感器承担着信号的获取功能，它是整个测量系统的首要环节，而其输出信号一般是很微弱的，需要进行某些调整和处理，并把信号转换成便于进行处理、接收和显示的形式。2.1传感器的定义：传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的器件或装置。2.1.1传感器的分类：1)按被测物理量分类:位移传感器,流量传感器,温度传感器等.(2)按传感器元件的变换原理分类:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.例如:水银温度计,压电测力计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.(3)按传感器的能量传递方式分类:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测.例如:超声波发生器和接受器.表2.1传感器的分类及结构类型按基本效应分类物理型化学型采用物理效应进行转换采用化学效应进行转换生物型采用生物效应进行转换按构成原理分类结构型物性型以转换元件结构参数变化实现信号转换以转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分类能量转换型能量控制型传感器输出量直接由被测量能量转换而来传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制按工作原理分电阻式电容式电感式压电式磁电式热电式光电式光纤式利用电阻参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换按输入量分类长度、角度、振动、位移、压力、温度、流量、距离、速度等以被测量命名（即按用途分类）按输出量分类模拟式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、……）输出量为数字信号（脉冲、编码、……）2.1.2几种常见传感器1．电学式传感器电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。（1）电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。（2）电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成。主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。（3）电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成。主要用于流量、转速和位移等参数的测量。（4）电涡流式传感器是利用金屑在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理制成。主要用于位移及厚度等参数的测量。2．磁学式传感器磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量。3．光电式传感器光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。4．电势型传感器电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成，主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。5．电荷传感器电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测量。6．半导体传感器半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。7．谐振式传感器谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要用来测量压力。8．电化学式传感器电化学式传感器是以离子导电为基础制成，根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。9.智能传感器智能传感器是一种以微处理器为核心单元，具有检测、判断和信息处理等功能的传感器。同一般传感器相比，智能传感器具有以下几个显著特点：a)精度高b)稳定、可靠性好c)检测与处理方便d)功能广另外，根据传感器对信号的检测转换过程，传感器还可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光敏电阻受到光照射时，电阻值会发生变化，直接把光信号转换成电信号输出；后者则要把输入给传感器的非电量先转换成另外一种非电量，然后再转换成电信号输出，如采用弹簧管敏感元件制成的压力传感器就属于这一类，当有压力作用到弹簧管时，弹簧管产生形变，传感器再把变形量转换为电信号输出2.1.3传感器的选择原则选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。1、灵敏度一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围。c)交叉灵敏度问题。2线性范围任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。3响应特性传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。4稳定性稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5精确度传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。6测量方式传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。名称采样元件输出量信号取出方法电流电流互感器CT模拟量经I/V变换器电压电压互感器PT模拟量经V/V变换器温度温度计、温度传感器模拟量经A/D变换器气体瓦斯继电器开关量开关量V/V变换器氢气氢的传感元件开关量经A/D变换器电流电流继电器开关量经I/V变换器电压电压继电器开关量经V/V变换器压力压力继电器开关量经A/D变换器变压器油油分析器、过滤机开关量经A/D变换器表3-2参数采样方法分类监测对象测量范围准确度最小分辨率测试项目氢气(H2)1-2000μL/L±10%1μL/L一氧化碳(CO)1-2000μL/L±1μL/L或±10%，取大者1μL/L甲烷(CH4)1-2000μL/L±10%1μL/L乙烷(C2H6)1-500μL/L±10%1μL/L乙烯(C2H4)1-500μL/L±1μL/L或±10%，取大者1μL/L乙炔(C2H2)0.1-500μL/L±1μL/L或±10%，取大者0.1μL/L总烃1-3500μL/L±1μL/L或±10%，取大者1μL/L总可燃气体1-7500μL/L±1μL/L或±10%，取大者1μL/L水（H2O)可选1-2000μL/L±2uL/L1μL/L其他项目环境温度误差±1℃环境温度灵敏度0.1℃序号参数关系故障1电流I大于IN温度t大于t限电压U小于95%UN与过载2电流I大于等于IN温度变化大电压U小于90%UN与外部电气短路（或不完全短路）3温度变化大电流I1大于I2电压U小于90%UN与内部短路（或不完全短路）4电流I小于IN温度t大于t限与连接电阻大,局部发热5绝缘值MΩ值低变压器油Oi小于耐压界值与油受潮，含杂质6功率因数cosφ小于0.5—无功功率大7无水、断风（外界条件）或介质故障表4-3变压器故障分析表1不同故障类型产生的油中溶解气体故障类型主要气体组分次要气体组分油过热CH4,C2H4H2,C2H6油和纸过热CH4,C2H4,CO,CO2H2,C2H6油纸绝缘中局部放电H2,CH4,C2H2,COC2H4,CO2油中火花放电C2H2,H2-油中电弧H2,C2H2CH4,C2H4,C2H6油和纸中电弧H2,C2H2,CO,CO2CH4,C2H4,C2H6自然老化CO,CO2进水受潮或油中气泡H2-2.3三比值法油中溶解气体的来源油中溶解气体是指变压器内部以分子状态溶解在油中的气体。油中含气量(总含气量)，为油中所有溶解气体含量的总和，用体积百分率表示。变压器油中溶解气体组分主要有：N2、O2、H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、C02等气体。上述气体来源主要出下而几个途径产生：一、空气的溶解变压器油在其炼制、运输和贮藏等过程中会与大气接触，可吸收空气。对于强油循环的变压器，因油泵的空穴作用和管路密封不严等会使空气混入。空气在绝缘油中的溶解量与变压器的密封有极大的关系，设备密封良好，运行中油的含气量可控制在标准数值范围之内。一般说变压器油中溶解气体的主要成分是O：和N2，它们都来源于空气。：、正常运行下产生的气体变压器在正常运行中，内部的绝缘油和固体绝缘材料由于受温度、电场、氧气及水分和铜铁等材料的催化作用，随运行时间延伸发生速度缓慢的老化和分解，除生成一定量的酸、脂、油泥等劣化物外，还产生少量的氢(H2)、低分子烃类气体(CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6、C3Hs)和碳的氧化物(CO、C02)等。其中，碳的氧化物成分最多，其次是氢和烃类气体。正常情况下变压器油中气体含量一般较低，且在较长的时间间隔内也难观察到油中气体增量的大小。若氢和烃类气体不超过表所列含量，则认为变压器正常气体组分H2CH4C2H6C2H4C2H2总烃(C1+C2)正常极限值(uL／L)1004535555100特征气体主要成分与变压器异常情况的关系主要成分异常情况具体情况H2主导型局部放电、电弧放电绕组层间短路、绕组击穿；分接开关接触点间局部放电，电弧放电短路CH4、C2H4主导型过热、接触不良分接开关接触不良，连接部位松动，绝缘不良C2H2主导型电弧放电绕组短路，分接开关切换器闪络变压器电抗器和套管油中溶解气体含量的注意值(uL／L)设备气体组分含量220KV及以下330KV及以上变压器和电抗器总烃150150乙炔51氢150150一氧化碳当CO＞300时，相对产气率＞10%二氧化碳可与CO结合计算，CO2/CO的比值作参考套管甲烷100100乙烷21氢500500电流互感器总烃100100乙炔21氢150150电压互感器总烃100100乙炔32氢1501501.乙炔是充油设备内部存在电性故障的特征气体。2.总烃是热性故障的特征气体，其中乙烯往往作为高温过热的特征气体，甲烷在其含量大于氢时，可作低温过热的特性气体。3.ppm为百万分率（10-6）1ppm=0.0001%。4.500kv电力变压器乙炔含量的注意值为1ppm。5.故障点温度较低时，油中溶解气体的组成主要是CH4，随着温度升高，产气率最大的气体依次为CH4、C2H6、C2H4、C2H2。通常油中的C2H6含量小于CH4，是由于C2H6不稳定，在一定温度下极易分解为C2H6（气）=C2H4（气）+H2（气），即C2H4和H2是相伴产生的。表2氢、烃气体含量限值判断表3判断故障性质的特征气体法组分含量μL/L（ppm）正常注意故障H2＜100100~200＞200CH4＜4545~80＞80C2H6＜3535~50＞50C2H4＜5555~100＞100C2H2＜55~10＞10C1+C2＜100100~200＞200序号故障性质特征气体的特点1一般过热性故障总烃较高，C2H2＜5ppm。气体特征随着故障