第二章在线监测故障信号采样.docx

资源描述

第二章在线监测故障信号采样.docx

《第二章在线监测故障信号采样.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章在线监测故障信号采样.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第二章在线监测故障信号采样.docx

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

信号的获取和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:

从某种能量发生器和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

生物型

采用物理效应进行转换

采用化学效应进行转换

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使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、半导体和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）检测和处理方便

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。

在线性范围内输出和输入成比例关系，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和环境。

5精确度

传感器的精确度是表示传感器的输出和被测量的对应程度。

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，接触和非接触测量、破坏和非破坏性测量、在线和非在线测量等。

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/L

1μL/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

电流I大于IN

温度t大于t限

电压U小于95%UN

和

过载

电流I大于等于IN

温度变化大

电压U小于90%UN

和

外部电气短路（或不完全短路）

温度变化大

电流I1大于I2

电压U小于90%UN

和

内部短路（或不完全短路）

电流I小于IN

温度t大于t限

和

连接电阻大,局部发热

绝缘值MΩ值低

变压器油Oi小于耐压界值

和

油受潮，含杂质

功率因数cosφ小于0.5

—

无功功率大

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,C2H4

H2,C2H6

油和纸过热

CH4,C2H4,CO,CO2

H2,C2H6

油纸绝缘中局部放电

H2,CH4,C2H2,CO

C2H4,CO2

油中火花放电

C2H2,H2

油中电弧

H2,C2H2

CH4,C2H4,C2H6

油和纸中电弧

H2,C2H2,CO,CO2

CH4,C2H4,C2H6

自然老化

CO,CO2

进水受潮或油中气泡

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和大气接触，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

绝缘油中的溶解量和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

CH4

C2H6

C2H4

C2H2

总烃（C1+C2）

正常极限值（uL／L）

100

特征气体主要成分和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

150

乙炔

氢

150

一氧化碳

当CO＞300时，相对产气率＞10%

二氧化碳

可和CO结合计算，CO2/CO的比值作参考

套管

甲烷

100

乙烷

氢

500

电流互感器

总烃

100

乙炔

氢

150

电压互感器

总烃

100

乙炔

氢

150

1.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

组分

含量μL/L（ppm）

正常

注意

故障

＜100

100~200

＞200

CH4

＜45

45~80

＞80

C2H6

＜35

35~50

＞50

C2H4

＜55

55~100

＞100

C2H2

＜5

5~10

＞10

C1+C2

＜100

100~200

＞200

表3判断故障性质的特征气体法

序号

故障性质

特征气体的特点

一般过热性故障

总烃较高，C2H2＜5ppm。

严重过热性故障

总烃高，C2H2＞5ppm，但C2H2未构成总烃的主要成份，H2含量较高。

局部放电

总烃不高，CH4占总烃中的主要成份，H2＞100ppm。

火花放电

总烃不高，C2H2＞10ppm，H2较高。

电弧放电

总烃高，C2H2高并构成总烃中的主要成份，H2含量高。

裸金属过热

总烃高，CO、C2H2均在正常范围。

金属过热并涉及固体绝缘

总烃，开放式变压器，CO＞300μL/L，乙炔正常。

固体绝缘过热

总烃在100μL/L左右，开放式，CO＞300μL/L。

金属过热并有放电

总烃高，C2H2＞5，H2含量较高。

气体特征随着故障类型、故障能量及及其涉及的绝缘材料的不同而不同，即故障点产生烃类气体的不饱和度和故障源的能量密度之间有密切关系。

传感器种类

CO2

CH4

C2H4，C2H2，C2H6

半导体

能

不能

能

接触燃烧

能

不太好

不能

能

电化学

能

不能

导热

能

不能

能

表42各种气敏传感器性能比较

半导体

接触燃烧式

电化学式

导热式

灵敏度

非常好

好

非常好

差

测量精度

好

非常好

好

选择性

好

不太好

好

差

响应速度

非常好

好

不太好

好

长期稳定性

好

差

好

维修性

非常好

好

差

好

经济性

非常好

好

本文对传感器要求是灵敏度反应速度维修性等均有较高的要求电化学传

感器的优点是灵敏度高选择性好但它长期工作稳定性差需要维护不能选用

导热式传感器易于维护可以长期稳定工作缺点是灵敏度偏低而且不能测CO

难以满足需要接触燃烧式传感器的各项性能基本上符合本系统的要求线性度好

精度高但它的燃烧反应需要氧气助燃SnO2半导体型气敏传感器可以测量

H2,CO,CH4,C2H2,C2H4,C2H2六种气体灵敏度高响应速度快使用方便适合测量

低浓度气体是比较理想的选择[33][34]我们对几种有代表性的气敏传感器进行了对比

和试验之后认为河南汉威电子有限公司的MQ7型（对一氧化碳CO敏感）和MQ8型

（对氢气H2敏感）半导体气敏传感器的各方面性能相对来说适合我们的要求

4.4半导体气敏传感器的结构和检测原理

气敏传感器结构如图41所示,它是由塑料底座电极引线气敏元件加热器

双层不锈钢网防爆用组成一般情况下它的引线是6个，其中两个A及两个B

各自相连后成为气敏元件的引线H两端为加热器引线其符号图41所示,H接加

热电压5VA或者B接回路电压5V它们之间为气敏电阻特性曲线如图4-3图

中给出了不同气体不同浓度时Rs/R0值的变化规律其中R0为元件在洁净空气中的电阻值Rs为元件在不同气体不同浓度下的电阻值

图4-1半导体气敏传感器的结构

图42传感器工作电路原理图

当敏感元件接触到所检测的气体时,其电阻值Rs发生变化,气体浓度C越高,Rs值越低,其变化规律是:

lgRs=-mlgC+n（4-1）

mn为系数,m在1/5~1/1.2之间由

（1）式可得:

RS=10n*C-m（4-2）

根据欧姆定律和

（2）式可得:

Vout=VHRL/（RL+10n/Cm）（4-3）

从上式可以看出,取样电阻RL的取值很关键,我们希望输出电压Vout变化范围大

气敏元件在空气中的电阻值和气体中的电阻值相差很大,只要测出Vout就可以计算出

Rs=（VH-Vout）/Vout*RL（4-4）

图42是传感器的工作电路原理图传感器的表面电阻Rs是通过和其串联的

负载电阻RL上的有效电压信号Vout输出而获得的二者之间的关系为

Rs\RL=（Vc-Vout）/Vout

通过测得的传感器输出的电压信号Vout分别算出不同浓度下的电阻值Rs和在洁

净空气中的电阻值R0再查传感器的灵敏度曲线图43即可得到氢气的浓度

图43氢气传感器灵敏度特性曲线

三比值法的基本原理及方法

1．三比值法的原理

热力动力学研究结果表明，随着故障点温度的升高，变压器油裂解产生烃类

气体按CH4-C2H6-C2H4-C2H2的顺序推移，H2是低温时由局部放电的离子碰碰撞游离所产生

三比值浊的原理是：

根据变压器绝缘材料在故障下裂解产生气体组分含量的

相对浓度和温度的相互依赖关系，从5种特征气体中选用两种溶解度和扩散系数

相近的气体组分组成三对比值，以不同的编码表示；根据表3-9的编码规则和表

3-10的故障类型判断方法作为诊断故障性质的依据。

实践证明采用三比值法判断

变压器故障的准确性相当高。

三比值法的编码规则

气体比值范围

比值范围的编码

C2H2/C2H4

CH4/H2

C2H4/C2H6

<0.1

≥0．1～<1

≥l～<3

≥3

故障类型判断方法

编码组合

故障类型判断

故障实例（参考）

C2H2/C2H4

CH4/H2

C2H4/C2H6

低温过热（低于150℃）

绝缘导线过热，注意CO2/CO值

低温过热（150~300℃）

分接开关接触不良，引线夹件螺丝松动或接头焊接不良，涡流引起铜过热，铁芯漏磁，局部短路，层间绝缘不良，铁芯多点接地等

中温过热（300~700℃）

0,1,2

高温过热（高于700℃）

局部放电

高湿度、高含气量引起油中低能量密集的局部放电

0,1

0,1,2

低能放电

引线对电位未固定的部件之间连续火花放电，分接抽头引线和油隙闪络，不同电位之间的油中火花放电或悬浮电位之间的火花放电

0,1,2

低能放电兼过热

0,1

0,1,2

电弧放电

线圈匝间、层间短路，相间闪络，分接头引线间油隙闪络、引起对箱壳放电、线圈熔断、电弧放电兼过热分接开关飞弧、固环路电流引起电弧、引线对其他接地体放电等

0,1,2

电弧放电兼过热

3.4油中溶解气体的计算方法

变压器故障所产生的气体能溶解于油中也有释放到油面上每种气体在一定的

温度压力下达到溶解和释放的动态平衡即最终将达到溶解的饱和或接近饱和状态.

油中气体溶解度可以用奥斯特瓦尔德系数Ki表示当气液两相达到平衡时对某种

特定气体:

Cli=KiCgi（3-7）

式中:

Cli平衡条件下,液相中组分的浓度,ppm;

Cgi平衡条件下,气相中组分的浓度,ppm;

Ki组分的奥斯特瓦尔德系数

气体组分

20℃

50℃

0.05

0.12

0.90

CH4

0.43

0.40

C2H6

2.40

1.80

C2H4

1.70

1.40

C2H2

1.20

0.90

CO2

1.08

1.00

0.09

0.17

展开阅读全文