应用于电力行业局部放电检测的各类传感器.doc

目录浅谈应用在电力行业局部放电检测中的传感器21引言21.1在线监测与状态维修的意义21.2传感器技术促进在线监测技术的发展31.3在线监测技术在我国的基本应用情况41.4局部放电监测42超声传感器52.1超声传感器（ultrasonic sensor）的简介与原理52.2超声波传感器在局部放电故障监测中的应用82.2.1变压器局部放电超声定位92.2.2真空开关真空度超声检测102.2.3电力变压器绕组变形的超声检测103红外传感器技术123.1红外传感器的分类与原理123.2红外传感器应用于高压电力设备温度的测量144气体传感器164.1气体传感器的分类与原理164.2 新型燃料电池气体传感器在油中气体监测的应用185光学传感器225.1光纤传感器的分类与原理225.2光纤传感器在局部放电监测中的应用226.参考文献22浅谈应用在电力行业局部放电检测中的传感器1引言1.1在线监测与状态维修的意义电气设备是组成电力系统的基本元件，是保证供电可靠性的基础。无论是大型关键设备如发电机、变压器，还是小型设备如电力电容器、绝缘子等，一旦发生失效，必将引起局部甚至全部地区的停电。大量资料表明，导致设备失效的主要原因是其绝缘性能的劣化1。例如我国1984-1986年，110kv及以上等级电力变压器事故的统计分析表明，由于绝缘劣化引起的事故的台次占总事故台次的68%和总事故容量的74%。而1990年的统计分别为76%和65%。1971-1974年，我国6kv及以上的电机事故的统计分析表明，绝缘损坏事故占事故总台次的66%。1980年，电力部对36台故障电流传感器进行分析，结果是绝缘事故占92%。1990年，全国110kv及以上等级互感器中，绝缘故障占总事故台次的55%。国外的统计结果也类似。例如，北美电力系统曾因绝缘故障引起至少三个电力局的230kv电流互感器爆炸。对美国某4.8kv配电系统在1980-1989年失效电容器的统计分析表明，其中92%是因绝缘劣化引起失效等等事故。由以上论述可见，电气设备的多数故障时绝缘性故障。不仅是电应力作用引起绝缘劣化，导致绝缘故障，而且机械力或热的作用，或者和电场的共同作用，最终页会发展为绝缘性故障。例如，变压器短路故障产生的巨大电磁力会引起绕组变形，也使绝缘受损伤而导致发生匝间击穿；变压器内部过热可导致油温上升，使绝缘过热而发生裂解，最后发展为放电性绝缘故障。电力设备，特别是大型设备故障会造成巨大的经济损失。有些非大型设备虽自身价值不昂贵，但故障后果严重，例如，以往互感器、电容器、避雷器常因绝缘故障发生爆炸和起火，不仅会波及临近设备，且由于故障的突发性，会因爆炸而造成人员伤亡。鉴于绝缘故障在故障检测中所占得比重及后果的严重性，电力运行部门历来十分重视电气设备的绝缘监督，并规定每年春天对设备进行一次全面的绝缘性能检查。对电气设备进行绝缘监督的主要手段，以往是一直采用定期进行绝缘预防性试验，即根据电力部所颁发的电力设备预防性试验规程，对不同设备所规定的项目和相应的试验周期，定期在停电状态下进行绝缘预防性试验。这无疑在预防设备事故的发生，保证供电安全可靠方面，起着很好的作用，但是长期工作经验表明，这样一个维修体系有着一定得局限性。从经济学角度来看，定期试验和大修均需停电，不仅会造成很大的直接和间接的经济损失，而且增加了工作安排的难度。加以定期大修和更换部件也需要投资，而这种投资是否必要尚不好确定。因为设备的实际状态可能完全不必作任何维修，而仍能够继续长时间运行。若维修水品不高，反而可能使设备维修越坏，从而产生新的经济损失。其次，虽然绝缘的劣化和缺陷的发展是有统计特性的，绝缘劣化发展速度有快有慢，但总有一定的潜伏和发展时间。20世纪70年代以来，随着世界上装机容量的迅速增长，对供电可靠性的要求越来越高。考虑到原有预防性维修体系的局限性，为降低停电和维修费用，提出预知性维修和状态维修这一新概念。气具体内容是对运行中的电力设备的绝缘状况进行连续的在线监测，随时获得能反映绝缘状况的信息。在进行分析处理后，对设备的绝缘状况作出诊断，并根据诊断的结论安排必要的维修，也即是做到有的放矢进行维修。故状态维修应包括三个步骤，即在线监测-分析诊断-预知性维修。状态维修有以下优点：1） 可更有效的使用设备，提高设备的利用率2） 降低维修费用3） 有目标的进行维修，可以提高维修水平，使设备运行更安全可靠4） 可系统地对设备制造部门反馈设备的质量信息，用以提高产品的可靠性1.2传感器技术促进在线监测技术的发展 传感器技术是信息获取科学与技术的核心技术2。信息获取科学与技术又是构成信息技术的三大支柱之一，是信息的源头和基础。但是传感器技术，现在又是信息技术发展的瓶颈，仍然是拖后腿的角色。信息获取技术（传感/监测技术）大大落后于信息处理技术（计算机技术）与信息传输技术（通信、网络技术），所以传感器仍然是称为推动科学技术进步的关键和基础，是吸引众多科学技术工作者攻坚的热点。那么，我们就回顾一下，传感技术在电力行业局部放电在线监测中的历史进程，以分析传感器技术在现在行业中的重要应用和对工程应用领域的巨大作用。 20世纪60年代，美国最先使用可燃性气体总量（TCG）监测装置，来测定变压器储油柜油面上的自由气体，以判断变压器的绝缘状态。但是在潜伏故障阶段，分解气体大部分溶于油中，故这种装置对潜伏性故障无能为力。 针对这一局限，日本研究了使用气相色谱仪，在分析自由气体的同时，分析油中溶解气体，这有利于发现早期故障。其缺点是要取油样，需在实验室进行分析，试验时间长，故不能在线连续监测。20世纪70年代中期，能使油中气体分离的高分子塑料渗透膜的发明和应用，解决了在线连续监测问题。气相色谱仪技术日趋成熟，并为长期的实践所证明，是一种行之有效的监测和诊断技术。其局限性事气体的生成有一个发展的过程，故对突发性故障不灵敏，这就要借助于局部放电监测。 近20年来，由于压电元件灵敏度的提高和低噪声集成放大器的应用，大大提高了超声传感器的信噪比和监测灵敏度，使其得以广泛用于局部放电的在线监测。传感器技术、信号处理技术、电子和光电技术、计算机技术的发展，提高了局部放电监测的灵敏度和抗干扰水平。20世纪70年代末，日本先后研究了油中气体传感器，研制了油中H2、三组分气体（H2、CO、CH4）和六组分气体（H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6）的油中气体监测装置。随后研制了变压器局部放电自动检测仪。那么，这些传感监测技术的发展，使得在线连续监测系统监测精度越来越高、故障检测率也越来越高，在工程中的应用也越来越广泛。1.3在线监测技术在我国的基本应用情况我国开展电力设备在线监测技术的开发应用已有10多年了，对提高电力设备的运行维护水平，及时发现事故隐患，减少停电事故的发生起到了积极作用。我国从50年代开始，几十年来一直是根据电力设备预防性试验规程的规定，对电力设备进行定期的停电试验、检修和维护。定期试验不能及时发现设备内部的故障隐患，而且停电试验施加低于运行电压的试验电压，对某些缺陷反映不够灵敏。 随着电力系统朝着高电压、大容量的方向发展，如何保证电力设备的安全运行就更为重要，一旦发生停电事故，将给生产和生活带来巨大的影响和损失。因此迫切需要对电力设备运行状态进行实时或定时的在线监测，及时反映电力设备如绝缘等的劣化程度，以便采取预防措施，避免停电事故发生。进入80年代，特别是近10多年来，在线监测技术发展很快，绝大多数变电站设备及发电机、电缆、线路绝缘子等都有在线监测的项目。随着电子技术的进步，传感器技术、光纤技术、计算机技术、信息处理技术的发展和向各领域的渗透，系统的监控技术中广泛应用了这些先进的科研成果，使在线监测技术逐步走向实用化阶段。与预防性试验相比，在线监测系统采用高灵敏度的传感器采集运行中设备绝缘劣化的信息，信息量的处理和识别依赖于丰富的软件支持的计算机网络，不仅可以把某些预试项目在线化，而且还引进了一些新的更真实反映设备运行状态的特征量，从而实现对设备运行状态的综合诊断，促进电力设备向状态检修过渡的进程。1.4局部放电监测对电力设备进行在线监测和故障诊断，是实现设备预知性维修的前提，是保证设备安全可靠运行的关键，也是对传统的离线预防性试验的重大补充和拓展。局部放电信号的监测仍是以伴随放电产生的电、声、光、温度和气体等各种理化现象为依据，通过能代表局部放电的这些物理量来测定。测量的方法大体分为电测法和非电测法。电测法利用局部放电所产生的脉冲信号，即测量因放电时电荷变化所引起的脉冲电流，称为脉冲电流法。脉冲电流法是离线条件下测量电气设备局部放电的基本方法，也是目前在线监测局部放电的主要手段。脉冲电流法的优点是灵敏度 。如果监测系统频率小于1000khz（一般 500khz一下），并且按照国家标准进行放电量的标定后，可以得到变压器的放电量指标。其缺点是由于现场存在严重的电磁干扰，将会大大降低监测灵敏度和信噪比。非电测法有油中气体分析、红外监测、光侧法和声测法。其中应用最广泛的是声测法，它利用变压器发生局部放电时发出的声波来进行测量。其优点是基本不受现场磁场干扰的影响，信噪比高，可以确定放电源的位置；缺点是灵敏度低，不能确定放电量。声测法和脉冲电流法配合使用，是局部放电的重要监测手段。广泛应用在局部放电监测中的传感器就根据电测法和非电测法分为两大类：电测法传感器 脉冲电流法 超高频法3（在此文不做详细介绍）非电测法传感器1超声传感器 2红外传感器3新型燃料电池气体传感器4光学传感器2超声传感器2.1超声传感器（ultrasonic sensor）的简介与原理定义：利用超声波检测技术，将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器。简介：超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。结构与工作原理人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ 范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。超声传感器超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。 由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测.而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或 一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动 时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。如超声波传感器，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一 个结合体。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。对应用于工业机器人的超声波传感器而言，要求其精确度要达到1mm，并且具有较强的超声波辐射。利用常规双压电晶片元件振动器的弯曲振动，在频率高于70kHz的情况下，是不可能达到此目的的。所以，在高频率探测中，必须使用垂直厚度振动模式的 压电陶瓷。在这种情况下，压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就变得十分重要。压电陶瓷的声阻抗为2.6107kg/m2s，而空气的声阻抗为 4.3102kg/m2s。5个幂的差异会导致在压电陶瓷振动辐射表面上的大量损失。一种特殊材料粘附在压电陶瓷上，作为声匹配层，可实现与空气的声阻 抗相匹配。这种结构可以使超声波传感器在高达数百kHz频率的情况下，仍然能够正常工作。超声波距离传感器技术原理与应用超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便，防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。1、超声波测距仪：超高能声波测距技术使超声波测距技术有了重大的突破，它不仅拓宽了超声波测距技术的应用场合（适用极恶劣的工作环境），而且使用智能调节技术，大大提高了超声波产品的可靠性及性能指标，让用户无后顾忧。优秀的回波处理技术，550KHZ的超高强波频率使物位计最大量程可达到120米，适用介质温度为20+175。智能的全自动调节发波频 率，自动的温差补偿功能使其工作更加稳定可靠。HpAWK系列产品还拥有灵活多变的工作方式（供电电源可为12VDC、24VDC、110VAC、 220VAC;二/三/四线制同一仪表中可随意组合。它还拥有先进的远程GSM、CDMA、互联网调试功能，使得用户随时可以得到技术支持。2.2超声波传感器在局部放电故障监测中的应用目前对电气设备进行状态检测和故障诊断通常采用电气量测量法。由于电气量所包含的故障信息一般性不明显、难以检测且无先兆性，使得准确地故障诊断十分困难。实际上在电气设备故障前，尽管电气量还没有明显改变，设备尚能工作，但有些非电气量的变化信息（如各种气体的含量、温度、压力和机械变形等或者伴随故障出现的发声、发光、发热等）却包含了故障将要发生或者已经发生的信息。因此，与电气量测量法相比，利用非电气量检测法对电气设备进行故障诊断更为有效。结合长期从事电气设备故障诊断的研究，介绍了超声传感技术在电力系统电气设备故障诊断中的主要应用成果4 。超声传感器结构及原理简介超声检测技术涉及到超声波的发射和接收，这一功能主要由超声传感器来实现。超声传感器主要由传感器外壳、压电晶片、前置电路、吸附用磁铁以及输出端子等组成，其结构如图1所示。超声传感器结构传感器的核心元件是压电晶片，一般采用锆钛酸铅压电陶瓷（PZT-5）。这种压电晶片具有较高的机电耦合常数，能有效地发射和接收超声波。超声传感器的原理是基于压电晶片的逆压电效应（承受电场时产生应力和应变）和压电效应（受到应力在材料中产生电场）。用适当的发射电路可以将电能施加到压电晶片上使其作机械振动而发射超声波（逆压电效应）；反之，超声波作用于传感器的压电晶片，由压电晶片将其转换成电信号（压电效应），再经前置电路中的带通滤波器滤波和放大器放大，对压电晶片输出的微弱电信号就近进行放大处理，以提高超声传感器的信噪比，同时有效地解决超声传感器与检测仪器信号匹配的问题。2.2.1变压器局部放电超声定位局部放电是在电场作用下，绝缘体中只有局部区域发生的、尚未贯穿于施加电压的导体之间放电现象。大型电力变压器中，对局部放电量的测量是检测变压器绝缘特性的有效方法。测量局部放电量同时准确判断局部放电点的位置，有利于对变压器绝缘缺陷的发现和及时维修。大型变压器绝缘结构内部发生的局部放电现象通常采用测量局放产生的电脉冲或者检测局放现象产生的溶解于变压器油中的化学裂解产物来判断。同时，局部放电发生时，必然伴随超声波信号发射，即所谓超声发射。由文献5可知，大型变压器局部放电时发射的超声波信号的频谱分布约为60-300khz，其中心频率约为90khz。通过检测此超声波信号可实现局部放电量的测量及定位。需要特别指出的是，尽管目前超声传感器的输出信号与局部放电量在数值上还不成比例关系，但是传感器的输出信号的幅值仍然可以定性的反映出局部放电量的大小及其突变情况。此外，局部放电超声定位方法简述如下：将超声波传感器分别安装在变压器油箱外壳的不同位置上，并在变压器外壳接地线上接入电流传感器；当变压器内部发生局部放电时，安装在变压器油箱外壳上的超声波传感器接收到局部放电点发射的超声波信号并将其转换为电信号。经运算处理后与设定值比较，即可判定变压器正常与否。通过多个超声传感器测得的局部放电的超声波信号，由计算机对所采集的数据进行处理和分析，根据球面定位法、双曲面定位法以及多点放电定位法计算出放电点的位。由于用于电力变压器局部放电超声定位系统的超声传感器的性能指标直接影响定位的结果，因此，必须严格选择超声传感器的频带宽度、灵敏度、增益以及信噪比等特性，例如文献6选用0-1（高频段超声传感器）。此外，超声波在电力变压器内部传播途径及媒介和温度对定位结果的影响是一个十分复杂的问题，有待于进一步深入研究。2.2.2真空开关真空度超声检测真空开关（真空断路器、真空接触器和真空负荷开关等）以高真空作为灭弧介质和绝缘介质，其触头与灭弧系统简单，具有使用寿命长、检修间隔时间长、易于维护、适合频繁操作、体积小、质量轻等优点，在电力系统得到了广泛应用。但是，当其真空度降低后，若不及时发现，在带负荷拉闸时，由于不能灭弧很可能会发生爆炸，造成大面积停电，严重威胁电力系统的安全运行和现场人员生命安全。因此，目前迫切需要一种适合于现场使用的真空开关真空度检测装置。常见的电压检测、放电电流检测、放电干扰检测、中间电位变化检测、直接检测（用离子泵磁控元件传感器），包括外壳玻璃内壁表面的钡吸气计颜色变化粗略判定!等方法尚不能满足现场要求。通常要求真空灭弧室内真空度高于5*10-6Pa，一般在10-710-9Pa之间。当真空度符合要求时，其电极与中间保护屏之间有足够的绝缘强度，不会发生放电现象；而真空度严重降低时（低于10E-5Pa），真空灭弧室内电极与中间保护屏之间会发生连续击穿或持续放电。在此击穿或放电的过程中，必然伴随着发光、发热以及发声等物理现象。检测击穿或放电时产生的超声波，即可实现对真空度的检测。真空开关结构及检测原理示意图如图*所示Schematic diagram of the vacuum breaker structure and its detecting principle当其真空度降低时，系统电压通过电极与中间保护屏之间发生放电现象，产生超声波。与真空开关外壳紧密接触的超声传感器感受到超声信号后，将其转换为电脉冲信号送至检测仪器。通过输出电路输出接点信号送至控制室报警，提示值班人员采取相应处理措施。该检测方法具有以下优点：检测装置与真空开关之间无电气联接，且操作人员不需接近真空开关，安全性好；无需停电操作；可巡回检测变电站真空开关，易于实现现场检测诊断。2.2.3电力变压器绕组变形的超声检测电力变压器在运输或系统故障等情况下，通常会受到较大的外力冲击，使其绕组发生位移或变形。其结果可能会使绕组绝缘损伤，引起变压器故障，进而威胁电力系统的安全运行。图& 为电力变压器绕组变形超声检测装置的电气原理框图。电气原理框图检测装置的工作原理如下：将超声传感器置于变压器油箱外侧，用高压电脉冲激励传感器中的压电晶片发射超声波；该超声波穿过变压器箱体钢板，进入变压器，在油与绕组的交界面处发生反射后返回超声传感器；传感器接收到该反射超声信号，再将其转换为电脉冲信号。此电脉冲信号经上述电路处理，即可在示波器荧屏上显示出发射超声脉冲波和反射超声脉冲波随时间变化的波形，供操作人员进行监视诊断。检波电路输出的另一路信号经放大整形，再由脉冲 方波变换电路将其转换为方波信号。此方波的宽度对应超声波在变压器油箱外壳与绕组表面之间传播往返所用的时间。方波信号经接口电路送至单片机，由单片机根据发射波和对应的反射波在箱体表面与绕组之间总的传播时间和超声波在油中已知的传播速度即可计算出该绕组与箱体表面的实测距离L. 式中L为油箱外壳与绕组表面之间的实际测量距离；c为超声波在油中传播速度；t为发射波和对应的反射波在箱体表面与绕组之间总的传播时间。绕组变形检测的具体步骤如下：首先将超声传感器辐射面涂上耦合剂（如黄油等），保持传感器与模拟变压器油箱表面紧密接触，以绕组上端为起始位置沿纵向缓慢等间隔向下移，每移动一个间隔就测量一次，直至沿纵向测完一条线；然后将传感器沿水平方向移动一个间隔，再沿纵向从绕组上端向下慢慢移动并逐点测量完纵向各点；依此类推，直至扫完绕组全部表面，即可获得绕组表面各点相对于油箱体表面距离的数据。这些数据经计算机处理后，可在显示器上绘出绕组表面形状展开的平面图形。比较各点实测距离与变压器出厂时各点初值，就可以得出绕组变形情况。图) 给出了对一变压器绕组模拟变形（人为使绕组纵向上若干饼线圈向内凹陷发生变形）进行检测得出的结果，由图可以清楚地看出绕组变形的部位（图 中对应的突出部分）及程度（线圈饼凹陷的幅度愈大，对应的测量距离L愈大）。理论分析和实验结果表明，这种检测方法的测量绝对误差小于1mm，能准确地检测绕组变形程度及部位，且具有直观性、能带电操作。在进一步研究完善后，将成为一种新型检测手段。8 结束语随着电力系统规模和容量的不断扩大，电力系统的稳定与安全运行显得越来越重要，对电气设备的要求也越来越高。常见的大型电气设备故障直接威胁着电力系统的稳定和安全运行，并且影响供电质量。而解决这一问题最有效的手段就是对电气设备进行状态检测。超声传感技术综合利用了新材料、微电子和微机械加工技术，与先进的信号处理技术相结合后，不仅具有高可靠性，高灵敏度和高精度等优点，而且经济安全、安装方便，是设备状态检测和故障诊断的一种重要手段。特别是在电力系统电气设备故障检测和诊断方面，超声传感技术不仅可实现目前电气诊断方法已经进行或尚难进行的工作，而且具有更优良的性能和更高的可靠性，是电气设备预防性维修和故障诊断的有效手段。所以，在进一步实验研究后，将超声传感技术用于电力系统电气设备状态检测和故障诊断的研究工作不仅十分有意义，而且有着广泛的应用前景。参考文献：超声传感技术在电气设备故障诊断中的应用舒乃秋，胡芳，周粲（武汉大学电气工程学院，湖北武汉!#$%）3红外传感器技术3.1红外传感器的分类与原理任何物体只要其温度高于绝对零度，随着原子或分子的热运动，都会以电磁波形式释放能量，称为热辐射。物体温度不同，其辐射出的能量和波长都不同，但总是包括红外线的波普在内，且峰值波长将随温度的降低而增加。红外线所占电磁波波谱范围的波长为0.76um1000um，当它在大气中传播时，大气会有选择地吸收红外辐射而使之衰减，仅有三个较小的波段（12.5um，35um，814um）能穿透大气，这三个波段称为红外线的大气投射窗口。红外线传感器可接受这些波段的红外辐射，并转化为相应的电信号，从而测得物体的温度。故红外线测温是一种非接触式的温度测量，它不存在热接触和热平衡带来的缺点和应用范围的限制。它的测温速度快、范围广，测量的灵敏度高；对被测物体温度场没有干扰，课测量各种物体的温度，包括液面和微笑的、运动的、远距离的目标。故红外线传感器特别适用于在线监测。红外线传感器又称为红外探测器，它的主要技术参数为：1响应度，即灵敏度，是探测器的输出信号电压与入射到探测器的辐射功率之比。2响应时间，指传感器受辐射照射时，输出信号上升到稳定值的63%时所需的时间3噪声等效功率，当辐射小到它在探测器上产生的信号完全被探测器的噪声淹没时的功率，它代表了探测器的探测极限4探测率，当探测器的敏感元件具有单位面积，放大器的测量宽带为1Hz时，单位辐射功率所能获得的信号电压噪声比5光谱效应，指传感器的响应度随入射波长的变化红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类。1热探测器热探测器的测量机理是热效应，即利用敏感元件因接受红外辐射而使温度升高，从而引起一些参数变化，以达到测量红外辐射的目的。它的响应时间一般较长，在毫秒级以上，探测率也低于光子探测器23个数量级。但热探测器的光谱响应宽，可在室温下工作，使用方便，故仍有广泛的应用。常用的热探测器有以下两种，热敏电阻型探测器和热点偶型探测器。（1） 热敏电阻型探测器（2） 热电偶型探测器（3） 热释电探测器 热释电探测器是一种新型红外探测器，与其他热探测器相比，响应时间短，甚至可制成响应时间小于微秒级的快速热释电探测器。与光子探测器相比，虽然其灵敏度较低，但光谱响应宽，可从可见光到亚毫米区（响应的波长为0.41000um），且可在室温下工作。故改探测器颇受重视，发展迅速。热释电探测器根据热释电效应工作，所用材料是热电晶体中的铁电体。这种极性晶体由于其内部晶胞的正、负电荷重心不重合，在外电场作用下，会出现类似磁滞回线那样的电滞回线。其极化强度会随电场强度而增大，但在外加电压去除后，仍有一定的极化强度，称为自发极化强度。它是温度的函数，随温度升高而降低，相当于释放了一部分面电荷。当温度高于居里温度时，则将为零。居里温度是铁电相转变为顺电相时的温度。由于自发极化。热电晶体表面上应出现束缚电荷，平时这些束缚电荷常被晶体内和外来的自由点和所中和，故晶体并不显示存在有电场。但由于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间较长，约为数秒至数小时。而晶体自发极化的弛豫时间极短，约为皮秒级。故当热电晶体温度以一定频率发生变化时，由于面束缚电荷来不及中和，晶体的自发极化强度或面束缚电荷，依然以同样的频率出现周期性变化，而在垂直于极化强度的两端面间，产生一个交变电场，这种现象就是热释电效应。利用热释电材料的自发极化强度随温度而变化的效应制成的一种热敏型红外探测器。热释电材料是一种具有自发极化的电介质,它的自发极化强度随温度变化,可用热释电系数p来描述,p=dP/dT（P为极化强度，T为温度）。在恒定温度下，材料的自发极化被体内的电荷和表面吸附电荷所中和。如果把热释电材料做成表面垂直于极化方向的平行薄片，当红外辐射入射到薄片表面时，薄片因吸收辐射而发生温度变化，引起极化强度的变化。而中和电荷由于材料的电阻率高跟不上这一变化，其结果是薄片的两表面之间出现瞬态电压。若有外电阻跨接在两表面之间，电荷就通过外电路释放出来。电流的大小除与热释电系数成正比外，还与薄片的温度变化率成正比，可用来测量入射辐射的强弱。1938年就有人建议利用热释电效应制造红外探测器,直到1962年,J.库珀才对此效应作了详细分析，并制成红外探测器。热释电型红外探测器都是用硫酸三甘酞(TGS)和钽酸锂 (LiTaO3)等优质热释电材料(p的数量级为10-8C/K.cm2)的小薄片作为响应元，加上支架、管壳和窗口等构成。它在室温工作时，对波长没有选择性。但它与其他热敏型红外探测器的根本区别在于，后者利用响应元的温度升高值来测量红外辐射，响应时间取决于新的平衡温度的建立过程，时间比较长，不能测量快速变化的辐射信号。而热释电型探测器所利用的是温度变化率，因而能探测快速变化的辐射信号。这种探测器在室温工作时的探测率可达 D12109厘米赫/瓦。70年代中期以来,这种探测器在实验室的光谱测量中逐步取代温差电型探测器和气动型探测器。2光子探测器(1) 光电导探测器（光敏电阻）(2) 光伏探测器(3) 多元阵列探测器3.2红外传感器应用于高压电力设备温度的测量基于红外辐射原理, 研制开发用于高压电力设备温度在线监测的非接触式传感器；重点研究探测距离、外界热源、被测物体表面状况以及探测器本体温度等因素对传感器工作可靠性和精度的影响，给出提高传感器工作性能的措施，这些措施包括确定合适的探测距离、采用热源屏蔽筒屏蔽外界热源的干扰以及采用特殊涂料消除表面状况的影响等。本研究对提高基于红外辐射的非接触式传感器工作可靠性和精度方面有一定的创新，对提高高压电力设备运行可靠性乃至电力系统运行可靠性都有一定的实用价值。电力工业中的许多设备，都在高电压、大电流的状态下运行，与热度有着极其密切的联系。在众多的停电事故中，因设备局部过热引起的停电检修时有发生1。因此，对电力设备温度的监测管理是国内外一直进行的工作。电力系统中，存在着数量众多的接头，为保证连接的可靠性，过去常采用“测直阻法”和“贴温度标签法”。随着电压等级的提高，这两种方法表现出明显的局限性。近年来，红外热成像仪在电力系统中得到了广泛的应用，但其价格昂贵且需要人工操作，不适宜在线监测和自动化控制。由于被监测对象处于高电位，沿用通常的接触式测温方法是很困难的，因此近几年来，国内外开发了一些新的非接触型监测装置。例如ABB 公司研制的Safe Guard装置2，主要用于配电开关柜中关键部位温度的在线监测，该装置采用石英晶体声表面波元件作为温度敏感元件，将其粘贴在待测部位，由其组成的振荡回路输出与温度有关的频率信号，采用红外调制发射技术，将高电位处温度值发送到低电位处的红外接受器上。日本电力工业研究中心通过监测由于异常接触引起电流路径改变而导致的磁场畸变，直接判断接头处的异常接触。一些学者提出一种非接触式智能激光温度计，它采用不导电的石英晶体传感器解决了高电压隔离问题，利用石英晶体旋光性和温度的关系，对采集到的电压信号进行处理, 得到对应的温度3。还有学者提出了采用电工功能材料作为热敏元件的测温方案4。上述各种方法，都有各自优缺点, 如ABB的方案结构较复杂，成本较高；其它或因工作可靠性低或因成本较高等原因，未在现场大面积推广。本文基于红外辐射原理，研制开发了用于高压电力设备温度在线监测的非接触式传感器；重点研究了探测距离、外界热源、被测物体表面状况以及探测器本体温度等因素对传感器工作可靠性和精度的影响，给出了提高传感器工作性能的措施。本研究对提高基于红外辐射的非接触式传感器工作可靠性和精度方面有一定的创新。所开发的测温传感器具有较强的通用性，可用于各种高电压电力设备中接头或其它部位温度的在线监测。对提高电气设备运行可靠性乃至电力系统运行可靠性都有一定的实用价值7。2.1 红外测温基本原理凡存在于自然界的物体均会向外辐射能量，这一能量主要决定于物体的温度。而对于“黑体”物质而言，也就是对波长没有选择性吸收和发射的物体，辐射的光谱就完全决定于该物体的温度。黑体的光谱辐射特性可以通过理论计算得出，图1 为黑体辐射的波谱图，记录了黑体在不同温度下向外发射的各段波长及其强度。在图中可以明确看出，曲线互不相交，这意味着辐射强度在每一个波长下是严格的温度函数，通过测定辐射强度即可确定物体的温度。对于黑体物质而言, 在单位时间、单位面积上发射的全部能量M(W/m2)与温度T 之间满足Stefan-Boltzmann 定律5M =esT 4 (1)式 中 为被测物体的表面发射率； 为Stefan-Boltzmann 常数，Wm-2K-4；T 为物体的绝对温度，K。一般工程材料的辐射光谱是连续的，而且其辐射强度曲线和同一温度下绝对黑体的辐射强度曲线相似，组成这种材料的物质称为灰体。根据基尔霍夫定律：a+b+c=1 （2）式中 a 为吸收率；b 为反射率；c 为穿透率。对于灰体，c=0, 故有a=1-b, 在同一温度下，其发射率跟吸收率相等，即e =1-b。对于金属而言,其反射率较高，故发射率较低，尤其对抛光或有镀层的表面，更是如此。由式(1)可以看出，对于较低的发射率，在同样的温度下，物体辐射的能量大大减小。这会增加传感器探测难度并影响测量精度。例如，开关柜的接头通常是有镀层的铜，其发射率低于0.5, 因此必须采取措施提高其发射率。因为黑体的红外辐射中含有各种波长的分量,各波长段的能量大小不同，辐射能量最大的波长峰值波长lmax(mm)与黑体温度T 有如下关系lmax=a/T (3) 式中 a =2897.8mm K；随着绝对温度的升高，峰值波长向短波方向移动。测量范围在273473K, 对应的峰值波长为6.1310.61mm。由于红外辐射能量微弱，为防止在大气传输中的损失，考虑到大气窗口(大气对某些波段的红外线吸收甚少)存在22.6mm， 35mm，814mm三个波段，结合被测温度的要求，选取814mm 的频带宽度。4气体传感器4.1气体传感器的分类与原理定义：能感受气体(组分、分压)并转换成可用输出信号的传感器。 气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置！气体传感器一般被归为化学传感器的一类，尽管这种归类不一定科学。气体传感器包括：半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器等。气体检测仪的关键部件是气体传感器。气体传感器从原理上可以分为三大类：A、利用物理化学性质的气体传感器：如半导体式（表面控制型、体积控制型、表面电位型）、催化燃烧式、固体热导式等。B、利用物理性质的气体传感器：如热传导式、光干涉式、红外吸收式等。C、利用电化学性质的气体传感器：如定电位电解式、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解质式等。 根据危害，我们将有毒有害气体分为可燃气体和有毒气体两大类。由于它们性质和危害不同，其检测手段也有所不同。1可燃气体可燃气体是石油化工等工业场合遇到最多的危险气体，它主要是烷烃等有机气体和某些无机气体：如一氧化碳等。可燃气体发生爆炸必须具备一定的条件，那就是：一定浓度的可燃气体，一定量的氧气以及足够热量点燃它们的火源，这就是爆炸三要素（如上左图所示的爆炸三角形），缺一不可，也就是说，缺少其中任何一个条件都不会引起火灾和爆炸。当可燃气体（蒸汽、粉尘）和氧气混合并达到一定浓度时，遇具有一定温度的火源就会发生爆炸。我们把可燃气体遇火源发生爆炸的浓度称为爆炸浓度极限，简称爆炸极限，一般用%表示。实际上，这种混合物也不是在任何混合比例上都会发生爆炸而要有一个浓度范围。如上右图所示的阴影部分。当可燃气体浓度低于LEL（最低爆炸限度）时（可燃气体浓度不足）和其浓度高于UEL（最高爆炸限度）时（氧气不足）都不会发生爆炸。不同的可燃气体的LEL和UEL都各不相同，这一点在标定仪器时要十分注意。为安全起见，一般我们应当在可燃气体浓度在LEL的25%或以下和50%时发出警报，这里，25%LEL称作低限报警，而50%LEL称作高限报警。这也就是我们将可燃气体检测仪又称作LEL检测仪的原因。需要说明的是，LEL检测仪上显示的100%不是可燃气体的浓度达到气体体积的100%，而是达到了LEL的100%，即相当于可燃气体的最低爆炸下限，如果是甲烷，100%LEL=5%体积浓度（VOL）。检测可燃性气体可使用半导体、催化燃烧式（抗中毒型）、热传导式和红外式传感器。2.毒气体的检测目前，对于特定的有毒气体的检测，我们使用最多的是专用气体传感器。检测毒气的传感器主要有半导体式，电化学式和电解电池式三种。定电位电解式、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解质式等。半导体式传感器的灵敏度高，分辨率低。此种原理的传感器几乎已被淘汰，用户在选用此种传感器时要极为慎重。电解电池式传感器固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子，从而形成电动势，测量电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。如测量H2S的YST-Au-WO3、测量NH3的NH+4CaCO3等。电化学式传感器是目前被广泛应用的检测毒气的传感器。它利用氧化还原反应，通过不同的电解质可检测几十种有毒气体。根据电解质的质量，其寿命一般为24年。电化学传感器的构成是：将两个反应电极-工作电极和对电极以及一个参比电极放置在特定电解液中（如上图如示），然后在反应电极之间加上足够的电压，使透过涂有重金属催化剂薄膜的待测气体进行氧化还原反应，再通过仪器中的电路系统测量气体电解时产生的电流，然后由其中的微处理器计算出气体的浓度。目前，电化学传感器是被广泛应用的检测无机有毒气体的传感器，可以检测到特定气体的电化学传感器包括：一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨气、氯气、氰氢酸、环氧乙烷、氯化氢等等。3.挥发性有机化合物的检测对挥发性有机化合物的检测还有一种光离子化检测器(photo-ionization detector 简称PID)，它可以测量低至ppm(并万分之一)的有机有毒气体和蒸气浓度。PID 可以检测大多数的挥发性有机化合物（volatile organic compound ，简称VOC），简单地讲，PID可以测量含碳数从1（比如，CH2Cl2）一直到10（比如萘）的挥发性有机化合物。 PID可用于各类使用、生产、存储、运输各类有机化合物企业的安全卫生。同时，它也可以用于环保行业的应急事故、工业卫生咨询、公安检查、防化等等各个领域。4.氧气检测仪氧气也是在工业环境中，尤其是密闭环境中需要十分注意因素。一般我们将氧气含量超过23.5%称为氧气过量(富氧)，此时很容易发生爆炸的危险；而氧气含量低于19.5%为氧气不足（缺氧），此时很容易发生工人窒息、昏迷以至死亡的危险。正常的氧气含量应当在20.9%左右。氧气检测仪也是电化学传感器的一种。4.2 新型燃料电池气体传感器在油中气体监测的应用新型燃料电池气体传感器在变压器油中的应用在线监测是状态维修的重要组成部分。长期以来，变压器油中气体在线监测的重要性和必要性在电力系统运行和维护人员中形成共识。应用中，监测设备的自身故障较多，其中，传感器和测量单元占了较大的比例另外，用户在选用在线监测装置时，往往忽视了有些监测装置本身固有的维护量要求。燃料电池是一种通过电化学反应直接把化学能(气体或液体燃料)转换成电能，而无需通过热能或机械能转换的高效能量转换装置。其主要特点是节能和环保。燃料电池气体传感器通过检测燃料电池两电极之间的电流信号(电流强度与气体浓度成正比)监测变压器油中气体的变化。燃料电池气体传感器成功应用于变压器油中气体在线监测已有近30年的历史，但由于传感技术的瓶颈，效果一直不理想。2003年，深圳市奥特迅传感技术有限公司自主开发了具有国际先进水平的复合型燃料电池气体传感器，在随后的几年中又陆续开发了国际首创的选择性氢气和乙炔燃料电池气体传感器，使变压器油中气体在线监测装置的低维护、高可靠性得以实现。1一般燃料电池传感器的特点及存在的问题1.1特点(1)能监测与变压器故障有关的特征组分，即氢气、一氧化碳、乙炔和乙烯(这几种组分的增长几乎伴随着所有的故障机理)原理及构件简单，技术成熟，无消耗材料(消耗材料是空气中的氧气)，无易损件。(2)对气体灵敏度高，响应速度快，动态测定范围大，重复性好。1.2存在的问题燃料电池型油中气体在线监测装置是全世界范围内用户最广、使用数量最多的在线监测装置(近3万套安装使用)