在线监测系统及其组成.ppt

第二章在线监测系统及其组成 复习 概述 本课程的研究对象电气设备的绝缘故障及其危害性电气设备维修机制的发展和状态维修的必要性在线监测技术的国内外研究现状及发展趋势 第二章在线监测系统及其组成 在线监测系统的分类和组成常用传感器简介信号处理系统数据采集系统数据处理故障诊断抗干扰技术 第一节在线监测系统的分类及组成 1 在线监测系统的分类 发展方向 固定式 多参数综合自动监测 诊断系统 第一节在线监测系统的分类及组成 1 在线监测系统的分类 上图为便携式 单参数型在线检测装置右图为固定式 多参数综合型在线监测系统 第一节在线监测系统的分类及组成 2 在线监测系统的组成 固定式在线监测系统的组成 固定式在线监测系统可归纳为3个子系统 1 被检测设备和传感器 在设备现场 2 信号预处理和数据采集子系统一般在被监测设备附近 也在现场 3 信号处理和诊断系统 实则是一台微型计算机和监测系统专用软件 位置位于在距离现场约十至数百米的主控室内 第一节在线监测系统的分类及组成 第一节在线监测系统的分类及组成 便携式在线监测系统的组成 不论监测系统是什么类型 均应包括以下基本单元 信号变送 由相应的传感器从电气设备上检测出那些反映设备状态的物理量 并将其转换为合适的电信号 传送到后续单元 信号处理 对传感器变送来的信号进行预处理 对干扰信号进行抑制 数据采集 对经过处理的信号进行采集 A D转换和记录 信号传输 将采集到的信号传送到后续单元 数据处理 对所采集到的数据进行处理和分析 故障诊断 对历史数据和当前数据分析 比较后诊断 第二节常用传感器简介一 概述 1 在线监测系统对传感器的基本要求 可靠性好 寿命长 静态特性 灵敏度 线性度 分辨率 准确度 稳定度 迟滞 能检测出反映设备状态的特征量信号 有良好的静态特性和动态特性 对被测设备无影响或很微弱 动态特性 频率响应特性 第二节常用传感器简介一 概述 2 传感器的分类 根据变换过程中是否需要外加辅助能量的支持来分 有源传感器无源传感器 根据传感器技术的发展阶段来分 结构型传感器 目前应用最广 电阻应变式 电容式 电感式 电涡流式 物性型传感器 目前发展最快 新品种最多的 压阻 压电 光电 智能型传感器 传感元件与信号处理电路集成很小模块 代表发展方向 第二节常用传感器简介一 概述 3 在线监测系统常用的传感器 温度传感器红外线传感器振动传感器电流传感器电压传感器气敏传感器 第二节常用传感器简介二 温度传感器 固体温度传感器热电偶式温度传感器热电阻式温度传感器半导体温度传感器热敏电阻温敏二极管和温敏晶体管集成电路温度传感器光纤温度传感器 二 温度传感器 一 固体温度传感器 1 热电偶式温度传感器 工作原理 塞贝克效应将两种不同成分的均质导体两端连接起来构成回路 当两端存在温差时 就会在回路中产生热电流 那么两端之间就会存在Seebeck热电势 即塞贝克效应 热电势随着测量端温度升高而增加 热电势的大小只和热电偶导体材质以及两端温差有关 和热电偶导体材质的长度 直径无关 特点 属于点接触式温度计 结构简单 对待测物体影响小 响应时间快 但灵敏度低 重复性不好 线性度很差 适用范围 快速变化的温度测量测量范围 273 3000 二 温度传感器 一 固体温度传感器 1 热电偶式温度传感器 二 温度传感器 一 固体温度传感器 2 热电阻式温度传感器 工作原理 利用高强度金属丝的稳定的正温度系数的特性来测量温度 主要采用铂金 镍和铜等金属 结构上分薄膜式和金属丝绕制两种 属于面接触式温度计 特点 线性度好 准确度高 但灵敏度低 价格贵 有漂移和滞后适用范围 缓慢变化的温度测量或稳态温度测量范围 600 二 温度传感器 二 半导体温度传感器 1 热敏电阻 工作原理由MnO CoO NiO等金属氧化物为基本成分制成的陶瓷半导体 其电阻值是温度的函数 特点 灵敏度高 响应快 体积小 成本低 但线性度差适用范围 不能用作精密测量测量范围 60 300 或最高到600 甚至1000 二 温度传感器 二 半导体温度传感器 热敏电阻 二 温度传感器 二 半导体温度传感器 2 温敏二极管和晶体管 结型半导体温敏器件 温敏二极管原理 在恒定电流条件下 PN结的正向电压与温度在很宽的范围内有良好的线性关系 温敏晶体管特性 在恒定集电极电流条件下 发射结上的正向电压随温度上升而近似线性下降 特点 线性度好 价格低适用范围 低温测量测量范围 1K 400K 二 温度传感器 二 半导体温度传感器 温敏晶体管基本电路及其输出特性 二 温度传感器 二 半导体温度传感器 3 集成电路温度传感器 基本原理 将温敏晶体管及外围电路集成在同一集成电路晶片上 构成集成电路温度传感器 由于电压与温度之间的关系存在本征非线性 加之不同晶体管的分散性 因此线性关系不完全 因此采用对管差分电路 可以给出直接正比于绝对温度的理想线性输出 优点 小型化 使用方便 成本低 是半导体温度传感器的发展方向 二 温度传感器 二 半导体温度传感器 3 集成电路温度传感器 AD590集成温度传感器 AD590测量热力学温度时的典型应用电路 二 温度传感器 三 光纤温度传感器 二 温度传感器 三 光纤温度传感器 基本原理 光强调制型的半导体光吸收型光纤温度传感器由半导体光吸收器 光纤 发射光源和包括光控制器在内的信号处理系统等组成 它的敏感元件是一个半导体光吸收器 光纤用来传输信号 光源 发光二极管 发出的光经过光纤通过温敏元件 当温度变化时 透射光的强度随温度上升而下降 具有较好的线性度 用用光探测器测定透射光的强度即可测定温度 二 温度传感器 三 光纤温度传感器 特点 线性度好 体积小 抗电磁干扰性能强准确度 1 3 适用范围 适于测量高电位或设备内部温度 由于光线绝缘性能好 测温范围 10 300 第二节常用传感器简介三 红外线传感器 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 热辐射能 电磁辐射是传递信息的媒介 设备发出的辐射或经由设备的辐射都携带着有关设备的内在或表面状态的大量信息 工作原理 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谱 波长为0 76 m 1000 m 而且峰值波长将随温度的降低而增加 红外检测器 即红外线传感器 接受被测物体红外辐射的能量并转换为相应的电信号 从而测定物体的温度 第二节常用传感器简介三 红外线传感器 特点 属于非接触式测温器 不存在热接触和热平衡带来的缺点和应用范围的限制 测温速度快 范围广 测量灵敏度高对被测温度场无干扰 可测量各种温度物体的温度 包括微小的 运动的 远距离的目标 适于在线监测系统 第二节常用传感器简介三 红外线传感器 主要技术特性 响应度 V W 即灵敏度 探测器的输出信号电压与入射到探测器的辐射功率之比 响应时间 传感器受到辐射照射时 输出信号上升到稳定值的63 时所需的时间 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音所淹没时的功率 它代表探测器的探测极限 探测率 当探测器的敏感元具有单位面积 放大器的测量带宽为1Hz时 单位辐射功率所能获得的信号电压噪声比 光谱响应 传感器的响应度随入射波长的变化 分类 热探测器和光子探测器 三 红外线传感器 一 热探测器 原理 热效应 即利用物体因接受红外辐射而温度升高 从而引起一些参数变化以达到测量红外辐射的目的 特点 响应时间较长 ms级以上 探测率也低于光子探测器2 3个数量级光谱响应宽 可在室温下工作 使用方便 三 红外线传感器 一 热探测器 分类 热敏电阻型 响应时间 1 10ms 热电偶型 响应时间 30 50ms 气动型 响应时间 约20ms 热释电型 响应时间快 达到us级 热敏电阻探测器一般由锰 钴 镍金属氧化物按照一定比例混合 压制成型 经高温烧制而成 原理 两个相同的热敏片构成一个热敏电阻 一个为工作片 一个为补偿片 工作时分别作为电桥电路的两臂 红外辐射透过热敏电阻的红外窗口 射到工作片的热敏电阻上使之温度升高 则其电阻亦随之改变 并引起桥路对角线输出电压改变 当温度电压达到稳定值时 就代表红外辐射功率的大小 热敏电阻型探测器 热电偶型探测器 美国EXERGEN公司IRTA系列红外测温仪 原理 热电堆 由许多热电偶串联而成 可增加探测器的输出 测量温度 20 500 距离系数2 1 10 1 30 1输出信号 4 20mA信精度 1 100 热电偶型探测器 热释电型检测器 材料 热释电材料 属于极性晶体 铁电体 工作原理 热释电效应 特点 响应时间快 灵敏度高 使用前要先进行极化 并且只有温度变化才有输出信号 三 红外线传感器 二 光子探测器 原理 利用某些物体中的电子因吸收红外辐射而改变其运动状态这一原理进行检测 特点 响应时间短 s级 三 红外线传感器 二 光子探测器 分类光电导型 即光敏电阻 其电导率受红外辐射而猛增 且随入射功率而变化 探测率高 高出热敏型检测器二到三个数量级 光伏探测器 即光电池 其受红外辐射即有电压输出 其响应时间比光电导型还短 多元阵列探测器 利用足够多像素保证红外成像的清晰度 三 红外线传感器 二 光子探测器 光电池 光敏电阻 第二节常用传感器简介四 振动传感器 电气设备振动的在线监测领域 旋转电机因转动引起的机械振动 因静电力或电磁力作用引起的微弱震动 测量振动的三个参数 位移 速度 加速度 四 振动传感器 一 位移传感器 工作原理 用一高频电源在探头上产生电磁场 当被测物表面与探头之间发生相对位移时 使该系统上能量发生变化 以此来测量相对位移 灵敏度 10mV m应用 广泛用于测量大型电机机座的振动和偏心度 在低频区最有效 四 振动传感器 二 速度传感器 工作原理 将一永久磁铁块放在一绕制的线圈内 将此线圈再牢牢地贴在传感器外壳上 传感器再和探头一起安装在被测物体的表面上 一旦发生振动 传感器外壳和线圈与磁铁块之间会发生相对位移 线圈中产生感应电势 由电势的大小来测定振动的速度 特点 输出信号大 但不够坚固 应用 常用于测量各类电机振动的总均方值 适用频率范围 10Hz 1kHz 四 振动传感器 三 加速度传感器 工作原理 压电效应整个传感器紧贴在待测设备表面 加速度a通过质量块m产生力F ma 将力传到压电片上 产生电荷 再经电荷放大器进行放大 其输出信号的大小即正比于加速度 特点 灵敏度高 高于前面两种 稳定性好 线性度好 刚性好 好于速度传感器 应用 常用于测量较高频率的振动 1 8kHz 四 振动传感器 三 加速度传感器 四 振动传感器 振动传感器实例 四 振动传感器 三 声发射传感器 工作原理 压电效应一般也采用压电晶片作换能元件 与压电式加速度传感器的差别在于 它利用压电晶片自身的谐振特性工作 分类 宽带型 带宽700kHz 但灵敏度低 窄带型 带宽200kHz 被在线监测系统采用 应用 用于监测比加速度传感器监测频率更高的振动 加速度传感器 20kHz以下 超声传感器 20 60kHz 声发射传感器 60kHz 100MHz 四 振动传感器 三 声发射传感器 第二节常用传感器简介五 电流传感器 电流互感器型 CT型 电流传感器宽带型电流传感器窄带型电流传感器低频电流传感器磁敏电流传感器霍尔器件磁敏管光纤电流传感器 OCT 传光型 无源 电流传感器功能型 有源 电流传感器 五 电流传感器 一 电流互感器型电流传感器 基本结构 一般为环形铁芯 原边为一匝或多匝 副边数百 数千匝 测量时一般将被测设备接地线穿过电流传感器即可 五 电流传感器 一 电流互感器型电流传感器 磁芯材料的选择低频测量 如介损 坡莫合金 50Hz 相对磁导率为105 价格贵高频或脉冲电流 如局部放电 铁氧体 500kHz 1MHz 相对磁导率为2000微晶磁芯 40Hz 500kHz 灵敏度高 相对磁导率大于10000 加工成型方便 价格适中 五 电流传感器 一 电流互感器型电流传感器 基本原理 五 电流传感器 一 电流互感器型电流传感器 罗果夫斯基线圈测量冲击大电流 数十至数百千安 空芯线圈 灵敏度低 电流互感器型电流传感器测量小电流 微安至毫安级 磁芯材料 灵敏度高 注意 与罗果夫斯基线圈的测量原理相同 区别在于 1 宽带型电流传感器 自积分式 K R N 灵敏度 五 电流传感器 一 电流互感器型电流传感器 1 宽带型电流传感器 自积分式 五 电流传感器 一 电流互感器型电流传感器 实际上积分电阻R总并联有一定的杂散电容C0 例如输出端并接的信号电缆等 在考虑宽带传感器时应计入C0 则其幅频特性和上下限频率分别为 实际应用中 R一般取数百 数千欧 R越大 灵敏度越高 但R太大就不能满足积分条件 由表可得 K与R成正比与N成反比随R增加而增加 随N增加而下降随R和Co增加而降低 2 窄带型电流传感器 外积分式或谐振型 五 电流传感器 一 电流互感器型电流传感器 2 窄带型电流传感器 外积分式或谐振型 五 电流传感器 一 电流互感器型电流传感器 实际应用中 为保证传感器监测脉冲分辨时间 应在C上并接阻尼电阻Rd 以放掉C上的电荷 此时等值电路的构成和宽带型等值电路完全相同 所不同者是具体参数的选取 其谐振频率和灵敏度分别为 实际应用中 脉冲分辨时间 局放监测时应取100 s以下 2 窄带型电流传感器 外积分式或谐振型 五 电流传感器 一 电流互感器型电流传感器 应用 宽带型与窄带型 应用领域 局部放电的在线监测 铁芯材料 铁氧体要求 灵敏度及信噪比尽量高 具有较强的抗工频磁饱和能力 五 电流传感器 一 电流互感器型电流传感器 3 低频电流传感器 应用用于监测电容性设备介损和氧化锌避雷器阻性电流 测量工频电流及其谐波 频率低 50Hz 50Hz 数值较小 数百微安至数百毫安 角差 介损测量要求传感器的准确度较高 特别是角差 电流变化对角差影响较小 不影响在线监测精度 3 低频电流传感器 原理 自积分式 因为L大幅增加 所以负载电阻RL可取到5k甚至10k 仍能满足积分条件 3 低频电流传感器 减小误差措施 N1 N2分别为初次级线圈匝数 Z2为阻抗 忽略线圈的电阻和漏抗后 引起的误差主要原因是铁芯的激磁电流 故应选用高磁导率的坡莫合金作铁芯 适当增加铁芯截面 增加N1或N2的匝数 减小激磁电流在总电流中的比例 可见小测量误差 减小负载中的电阻分量也可降低角差 五 电流传感器 一 电流互感器型电流传感器 上例中 最大角差4 75 s tan 4 75 s 20000 s 0 0004 I1不同时 灵敏度不变 但角差在I1为额定值时极小 且随I1减小而增大 五 电流传感器 一 电流互感器型电流传感器 五 电流传感器 二 磁敏电流传感器 原理利用半导体材料的磁敏特性 霍尔效应 通过测量其磁感应强度推算出待测的电流值 分类霍尔器件 磁敏管 原理 霍尔效应当将其置于磁场中时 在元件的一对侧面 a b 上通以控制电流I 则在另一对侧面上 c d 会产生霍尔电势UH 1 霍尔器件 1 霍尔器件 灵敏度 提高灵敏度的关键 材料和厚度 特点补偿式霍尔电流传感器的优点 磁通相互补偿 铁芯体积很小 交直流均可用 既可做成铁芯固定的贯穿式结构 也可做成钳式结构 可作为大电流传感器 例如可测高达5000安的电流 响应时间很短 可用于高达109Hz的高频测量中 缺点 对温度变化很敏感 故多数器件都与集成电路相结合 制成霍尔电流传感器 需在结构和电路上采取补偿措施 价格较贵 1 霍尔器件 原理 半导体材料的霍尔效应和磁阻效应 分类 磁敏二极管 响应时间为数微秒 工作频率可高于100kHz 磁敏三极管 响应时间为0 4微秒 截止频率可达2 5MHz 特点 灵敏度高 比霍尔器件高数百倍以上 对温度变化较敏感 与霍尔器件一样 也需采取补偿措施 2 磁敏管 五 电流传感器 二 磁敏电流传感器 五 电流传感器 三 光纤电流传感器 1 传光型 有源 电流传感器原理 将处于高电位的电流传感器输出信号经频率调制为光信号 而后用光纤将光信号传到地面 再解调还原为电信号 分类 传光型 有源 电流传感器功能型 无源 电流传感器 五 电流传感器 三 光纤电流传感器 特点光纤不作为敏感元件 而只是作为信号传输介质 在信号发送端高电位处的发光器件的驱动电源由高压端附加的分压器提供 结构较复杂 误差 10倍额定值时 0 1 30倍时优于 0 5 2 功能型 无源 电流传感器 原理 法拉第效应特点光纤本身作为敏感元件 测大电流50 2000A时 室温下准确度为 0 24 缺点 光纤的偏转稳定性差 易受弯曲 振动等外界干扰 第二节常用传感器简介六 电压传感器 电磁隔离式电压传感器 即传统电压互感器 PT 霍尔隔离型电压传感器 原理同霍尔电流传感器 只是先将电压变换成电流进行测量 第二节常用传感器简介六 电压传感器 3 电场传感器 即光纤电压传感器 OPT 原理 泡克尔效应 Pockels效应 即电光效应 在外电场作用下 当线性偏振光射入电光晶体后 出射光即变成椭圆偏振光 运用检偏镜可测定其偏振特性的变化 而这一变化与外加电场强度成正比 故可测定外电场强度 若晶体上直接加上电压 即可直接测定外加电压 误差 15 70 范围内准确度优于 3 优点 线性关系好 频率特性好 对被测电场无影响 可测量从直流到脉冲的各种波形电压 第二节常用传感器简介六 电压传感器 电场传感器 即光纤电压传感器 OPT 举例 GCD 100型光纤场强电压表 西北电力试验研究院研制 已用于在实验室条件下检测绝缘子和避雷器的电压分布 第二节常用传感器简介七 气体传感器 应用领域 油中溶解气体的在线监测基本要求 足够的灵敏度 能够检测出气体的允许浓度 选择性好 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 响应时间快 重复性好 恢复时间短 从脱离被测气体到恢复正常状态所需时间 性能长期稳定性好 维护方便 价格便宜 具有较强的抗环境影响的能力 第二节常用传感器简介七 气体传感器 基本要求 足够的灵敏度 能监测出气体的允许浓度 选择性好 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 响应时间快 重复性好 恢复时间快 指气敏器件从脱离被测气体到恢复正常状态所需的时间 性能的长期稳定性好 维护方便 价格便宜 有较强的抗环境干扰能力 第二节常用传感器简介七 气体传感器 分类 干式气体传感器接触燃烧式 半导体式 固体电解式 红外线吸收式 导热率变化式 湿式气体传感器 使用方便 价格便宜 可将气体浓度作为电信号取出 七 气体传感器 一 接触燃烧式气体传感器 工作原理 当可燃性气体与传感器表面的加热用的催化剂接触时 由于催化剂的催化作用引起氧化反应 使气体燃烧而导致传感器温度上升 铂丝电阻变大 该变化与气体浓度呈正比 以此来监测气体的浓度 七 气体传感器 一 接触燃烧式气体传感器 工作原理 测量电阻用惠更斯电桥如图所示 F1为气敏元件 F2为温度补偿元件 均为铂电阻丝 由F1 F2 R3 R4组成惠更斯电桥 不存在可燃性气体时 电桥平衡 存在可燃性气体时 F1电阻增大 电桥失去平衡 输出与可燃性气体成正比的电信号 七 气体传感器 一 接触燃烧式气体传感器 优点 不受可燃性气体周围其它气体的影响 可用于高温 高湿环境下 对气体选择性好 线性好 响应快 缺点 催化剂长期使用易劣化和中毒 使器件性能下降或失效 传感器阻值随气体浓度的变化量较小 需设置放大电路 导致成本增加 七 气体传感器 二 半导体式气敏传感器 优点 与接触燃烧式气敏传感器相比 灵敏度高 待测气体引起器件阻值的变化较大 结构简单 使用方便 价格便宜 分类 电阻型气敏器件 根据传感器阻值的变化来测量气体的浓度 多数是由氧化物半导体材料制造 例如 SnO2气敏传感器 非电阻型气敏器件 根据除阻值以外的电学参数来测量气体 例如 Pd MOSFET气敏传感器 工作原理 SnO2气敏传感器在空气中会吸附气体 当半导体表面吸附气体时 一般它们之间会有电子迁移 由于氧气的吸附能力很强 SnO2气敏器件在空气中放置时 表面总是会吸附氧的 而氧是电负性强的气体 故氧吸附到SnO2表面后 半导体表面就会丢失电子 而被氧气俘获成为负电荷 对于N型半导体 形成电子势垒 使器件表面电阻升高 1 SnO2气敏传感器 工作原理 当SnO2气敏器件接触还原性气体如H2 CO等时 待测气体同吸附氧发生反应而生成H2O CO2等 为氧气所俘获的电子就被释放出来 减少了氧的负离子 降低了势垒高度 从而降低器件的表面电阻 器件表面电阻的大小能反映出被测气体的浓度 1 SnO2气敏传感器 七 气体传感器 二 半导体式气敏传感器 1 SnO2气敏传感器 烧结型 加热丝3 4和测量丝1 2都直接埋在SnO2烧结体内 故称为 直热式器件 特点 合金线中添加不同的贵金属比例及品种 对各种气体反应灵敏度不同 从而检测到不同的气体 气体反应灵敏度受加热温度的影响 某一温度时传感器对某气体最敏感 利用此特性可实现不同气体的选择性监控 1 SnO2气敏传感器 优点 灵敏度较高 响应和恢复时间短 工作寿命长 器件电阻变动小 性能长期稳定可靠 抗振动和冲击能力强 1 SnO2气敏传感器 七 气体传感器 二 半导体式气敏传感器 2 Pd MOSFET气敏传感器 Pd MOSFET气敏传感器用金属Pd薄膜替代铝作为栅电极 SiO2绝缘层的厚度比普通的MOSFET薄 底层仍是P型Si衬底 工作原理 阈值电压随气体浓度而变化 Pd具有只允许H2通过而阻挡其它成分通过的特殊选择性 灵敏度高 5ppm的H2能产生36mV阈值电压变化 也称氢敏器件 七 气体传感器 二 半导体式气敏传感器 八 湿敏传感器 1 湿敏传感器主要特征参数 湿度量程 一般以相对湿度RH表示 感湿特征量 一般指湿敏器件的等效电阻值或电容值 灵敏度湿度温度系数响应时间湿滞回线和温滞回差 八 湿敏传感器 2 感湿材料 高分子化合物感湿材料制成的化学感湿膜电解质感湿材料半导体材料制成的烧结型和涂覆型陶瓷湿敏传感器多孔金属氧化物半导体材料 固定式在线监测系统的组成 第三节信号处理系统 第三节信号处理系统 经传感器出来的信号一般先经信号预处理 信号传输 信号处理部分再到数据采集部分 因此 信号处理部分主要是对模拟信号进行处理 提高抗干扰能力和传送能力 第三节信号处理系统一 信号预处理 目的 增强信号的传输能力和抗干扰能力 位置 紧靠传感器 仍在现场被监测设备附近 若能省略信号预处理单元是最佳选择 如tg 泄漏电流监测等均可省略 但局部放电等小信号的监测还难以省去 信号预处理单元一般包括以下几部分 测量放大 滤波 特殊抗干扰处理 驱动 1 测量放大 对微小电信号 经高共模抑制比测量放大电路后 可提高抗干扰能力 常用精密测量放大器 如AD524 组成 第三节信号处理系统一 信号预处理 2 滤波 目的 提高抗干扰能力 分类 低通 高通 带通 带阻 全通等 对幅频特性要求较高时可采用 二阶压控有源滤波器 如巴特沃斯滤波器 对相频特性要求较高时可采用 贝塞尔滤波 3 特殊抗干扰处理 根据需要可有可无 例如 局放监测中的差动平衡抗干扰技术 目的是抑制共模干扰 第三节信号处理系统一 信号预处理 4 驱动 信号要经长电缆传送 须经阻抗变换 提高驱动能力 常用电路为射极跟随器 若采用光传送信号 此时还需进行电 光转换 发光二极管 1 电信号传送 电信号传送一般采用同轴射频电缆 实用中可采用多芯合一的方法增大直径 提高电缆的机械强度 为提高电信号传送的抗干扰能力 可采用光电隔离等抗干扰措施 第三节信号处理系统二 信号传输 分类 电信号传送 光纤信号传送 2 光纤信号传送 光信号的传送用光纤来完成 特别适用于远距离的信号传输 抗干扰能力强 组成部分 第三节信号处理系统二 信号传输 信号调制 电光转换 光纤传送 光电转换 信号解调 1 信号调制 调幅式调制 由模拟信号直接对光载波进行光强度调制 电信号的大小由光的强度反映 将信号调制与电光转换合二为一 又称为振幅调制 光强调制 AM IM 调频式调制 将电信号调制为振幅不变而频率随调制信号的幅度而变化的调频波 又称为频率调制 光强调制 FM IM 脉码调制 光强调制 PCM IM 将模拟信号通过模数转换器转换为数字信号 再通过LED将数字信号转换为数字光信号后经光纤传送 与上述两种模拟光信号传输方式相比较 可以长距离传送 抗干扰能力强 对信噪比的要求低 动态范围宽 准确度好 省去了调制 解调 滤波等诸多部件 使信号传输系统大为简化 2 电光转换 半导体发光二极管 LED 发光功率不大 发散角大 出纤功率小 结构工艺简单 寿命长线性度好 适宜于短波长 短距离 小容量的光纤信号传输 激光二极管 LD 发光功率大 出纤功率大 耦合效率高 工作寿命短 适用于中 长距离和大 中容量的通信 第三节信号处理系统二 信号传输 第三节信号处理系统二 信号传输 3 光纤传送 多模光纤 纤芯直径较大 60微米 适用于发散角大的LED光源 可保证较好的耦合效率 损耗大 带宽小 适合中容量 中 短距离的传输 单模光纤 纤径较小 3微米 要求光源发散角小 适合于LD光源 带宽极大 适合于长距离 大容量传输 第三节信号处理系统二 信号传输 4 光电转换 PIN型光电二极管 输出功率小 线性关系好 雪崩光电二极管 APD 输出功率大 内部有放大作用 易受温度 偏压的影响 适用于要求高灵敏度的场所 5 信号解调 对于调幅 调频调制方式 分别确定相应的解调电路 对于脉码调制方式 信号接收后即可进行数字信号处理 第三节信号处理系统三 信号处理 程控放大或衰减 对传送过来的信号进行自动放大或衰减 以满足计算机A D转换幅值的需要 可采用程控放大集成电路 滤波 对在传输过程中可能带来的干扰再次滤波 信号变换 对信号进行方波变换或锁相倍频跟踪等特殊处理 以便进行A D转换 数据处理 固定式在线监测系统的组成 第四节数据采集系统 第四节数据采集系统 主要功能 将模拟信号数字化组成 第四节数据采集系统一 多路转换 多路转换器可对各单元信号进行切换 多路开关接通时 其导通电阻一般有几十 几百欧姆 举例 ADG406 第四节数据采集系统二 采样保持 功能 A D转换从开始到结束需要一定的时间 采样保持电路使输入信号在A D转换周期内保持不变 工作状态 保持状态 采样状态举例 LF198 第四节数据采集系统三 A D转换 功能 A D转换器用于将模拟量转换成相应的数字量 常用的转换方法 计数式 逐次逼近法和双积分法 分辨率 A D转换器能测量的最小模拟输人量 转换速度 采样速度或采样率 单位时间 每秒 完成A D转换的次数 量化误差 等于 1 2LSB 位数 A D转换完成后数字量的位数 N 各参数之间的换算关系 设A D转换器允许的最大模拟量输入信号为Vim 第四节数据采集系统三 A D转换 举例 AD574A位数 12转换时间 10 35us 传感器 数据处理 信号预处理 数据采集 信号传输 诊断 运行技术措施 监测设备 信号变送单元 数据处理和诊断单元 信号处理单元 固定式在线监测系统的组成 主控室 现场 信号处理 设备附近 主控室 第五节数据处理 第五节数据处理 数据处理是对监测到的数字信号进行分析 更准确地获得反映设备绝缘状态的特征量 内容 去伪存真 抑制干扰 提高信噪比 以防止对故障作出 误报 或 漏报 关键是要完善抗干扰措施 由表及里 对采集到的数字信号进行特征量分析 使所能反映的信息更好地显示出来 第五节数据处理一 抗干扰数字处理技术 干扰的分类平均技术逻辑判断软件开窗数字滤波技术 第五节数据处理一 抗干扰数字处理技术 1 干扰的分类 不同特征和性质的干扰信号 需采取不同的措施抑制 第五节数据处理一 抗干扰数字处理技术 2 平均技术 目的 抑制随机性干扰 脉冲型干扰 方法 随机性噪声一般遵从正态分布 故将数据样本多次代数和相加并取其平均值 即可减弱随机性干扰影响而提高信噪比 若样本数为N 则信噪比的改善为 样本数越大 效果越好 第五节数据处理一 抗干扰数字处理技术 3 逻辑判断 从逻辑推理上设定一些判据去判断测得的是真实信号还是干扰信号 根据信号特征 舍去一些不合逻辑的数值 例如监测过程中仅测得一次幅值很高的信号 那么该信号很可能是一个随机干扰信号 可在数据处理时舍弃 4 软件开窗 对一些已知的且相位固定的干扰 可运用软件方法对这些信号不予采集或显示 或置零 第五节数据处理一 抗干扰数字处理技术 5 数字滤波技术 数字滤波是对数字信号按一定要求进行运算 处理 而后以数字形式输出 宜安排在数据采集之后 数字滤波是一个计算程序 运用软件的方法来抑制干扰 主要是连续的周期性干扰 应用 可用于局部放电放电脉冲信号的监测中 优点 可任意改变滤波阶数 中心频率和带宽 举例 理想滤波器 自适应数字滤波 第五节数据处理一 抗干扰数字处理技术 5 1 数字滤波技术 理想滤波器 基本原理 对时域信号采用FFT频域化 在频域内将不合理的突出的干扰谱去掉 再IFFT反变换即测得时域内去除干扰后的信号 流程 5 1 数字滤波技术 理想滤波器 举例 局部放电信号的数字滤波技术 时域信号波形 经FFT变换后在频域的信号 数字滤波后在频域的信号 经数字滤波和IFFT后在时域的信号波形 5 2 数字滤波技术 自适应数字滤波 S为信号 脉冲信号 n0为连续的周期性干扰 与信号不相关 故原始输入为S n0 n1是来自同一干扰源通过不同传输途径得到的干扰信号 与n0相关 和S不相关 n1经自适应滤波器输出为yn 自适应滤波器的作用在于使yn非常接近于n0 送入减法器后 系统的输出为 若yn n0 则en S 干扰完全消除 第五节数据处理二 数字信号的特征量分析 时域分析频域 频谱分析相关分析统计分析 通过数学分析得到反映监测设备绝缘状态的特征量 第五节数据处理二 数字信号的特征量分析 比较简单 如波形重现 相差分析 时差分析等 1 时域分析 信号经FFT变换后某些特征在频域上的变化 如幅度谱 相位谱 能量谱 功率谱等 在线监测目前用得较多的是幅度谱即幅频特性 基本方法是将时域波形经采样 A D变换后变成一组有相同时间间隔的离散值 再经过FFT变成一组有相同频率间隔的频域内的离散值 从而根据不同的频谱特征来识别干扰或故障的性质 举例 tg 的谐波分析法 MOA的谐波分析法 2 频域分析 频谱分析 第五节数据处理二 数字信号的特征量分析 相关分析是在时域上研究两个信号间或信号自身间的相互关系 前者称为互相关 后者称为自相关 所谓相互关系指的是波形的相似性 相关分析可用于抑制干扰以鉴别信号是否存在 自适应数字滤波器 估计两个相似信号间的时延 电缆的放电故障的定位 3 相关分析 第五节数据处理二 数字信号的特征量分析 目的 对监测到的随机性信号进行统计分析可以了解故障的严重程度或发展阶段以及故障的性质和模式 主要内容 均值计算 不仅可了解信号取值的集中程度而且可提高其信噪比 直方图 以局部放电的监测为例 可统计其放电量Q随时间t或相位 分布的直方图 即Q 图 或者放电次数N随放电量Q分布的直方图 即N Q图 三维图 例如局部放电的N Q 图 4 统计分析 传感器 数据处理 信号预处理 数据采集 信号传输 诊断 运行技术措施 监测设备 信号变送系统 数据处理和诊断系统 信号处理系统 固定式在线监测系统的组成 主控室 现场 信号处理 设备附近 主控室 第六节故障诊断 第六节故障诊断 故障诊断就是根据监测系统提供的信息 包括监测到的数据和数据处理的结果 对设备所处的状态进行分析 确定该设备可否继续运行 是正常运行还是要加强监测 是安排计划检修还是立即停机检修等等 故障诊断是状态维修的重要内容 第六节故障诊断 判断设备有无故障 判断故障的性质 类型和原因 判断故障的状况和预测设备的剩余寿命 判断故障的部位 即故障定位 作出全面的诊断结论和相应的反事故对策 故障诊断的一般内容 第六节故障诊断 阈值诊断 模糊诊断 时域波形诊断 频率特性诊断 指纹诊断 基于人工神经网络的诊断 专家系统在故障诊断中的应用 故障诊断的常用方法 第六节故障诊断一 阈值诊断 方法 在各种国家标准 规程和导则上 规定了反映设备绝缘状况或其它状况的某些特征参数的正常值和注意值 如色谱分析的总烃150ppm 乙炔5ppm 氢气150ppm 以此作为阈值诊断的参照标准 根据已经数据处理后的监测到的真实数据与之比较 功能 一般用阈值诊断来判断设备是否有故障 也可判断故障的严重程度以及故障类型和原因 1 是应用最广泛的一种基本而重要的诊断方式 优点 简单方便缺点 第六节故障诊断一 阈值诊断 分类 误报 相当于统计检验中的第一类错误 取伪 即虚假故障 其后果将增加检修工作量和昂贵的维修费用 漏报 相当于统计检验中的第二类错误 弃真 即存在故障而末被发现 这将引起设备严重的事故损坏而造成巨大的经济损失 2 诊断错误 检测方法不完善或存误差 1 准确可靠的结果2 第一类错误 虚假故障 3 第二类错误 未发现故障 第六节故障诊断一 阈值诊断 发生这两类错误的概率常常是相互联系的 发生第二类错误的概率的降低必将导致发生第一类错误的概率的增加 第六节故障诊断一 阈值诊断 原因之一 监测方法不完善 2 诊断错误 x是能反映某种设备绝缘状况的参数 f1 x f2 x 分别代表绝缘正常和存在故障的概率密度分布曲线 一般遵从正态分布 x xc的部分区域不一定有故障 误报 P1x xc的部分区域不一定无故障 漏报 P2 原因之一 监测方法不完善 2 诊断错误 a 图为理想情况 但实际上f1和f2总是相交的 有一个共同的范围 如图 b 这时由于阀値诊断方法不完善会产生错误 若取x1为设备不可用时的参数Xc 则设备故障未能发现故障的概率对应于隐形部分的P2 而发现故障的概率对应于隐形部分的P1 若取x2为设备不可用时的参数 可降低第二类错误发生的概率P2 但会增加第一类错误发生的概率P1 第六节故障诊断一 阈值诊断 原因之二 监测误差 2 诊断错误 概率密度曲线f1 x 包含了所有该类设备的参数x 若x1 xc 即设备有故障 监测系统有随机误差y 其概率密度为f2 y 大多数情况下x和y均遵循正态分布 故监测结果z也遵循正态分布 实际上去和规程的标准值作比较的不是参数值x而是监测结果z 若因测量误差使监测值zl zc 则故障将不能发现而发生 漏报 的错误 08有不同 第六节故障诊断一 阈值诊断 对策 2 诊断错误 规程所规定的标准值是长期经验的积累和理论分析的结果 具有普遍的指导意义 要严格执行 另一方面 不能将标准值作为唯一判据 不能死扣标准 超过标准值不一定100 有故障 低于 或接近 标准值不一定没有故障 将监测值与规程的标准值作比较 将监测值与该设备历史上历次试验结果作比较 纵比 将监测值与其他同类设备的监测结果作比较 横比 结合其他反映绝缘状况的参数的监测结果 全面综合分析 举例 举例分析 1 2号设备均为明显漏报 1号中 电流互感器tan 虽未超标但是一年内增加了2 4倍 且电容值增加10 说明有受潮的可能 因为做其他实验 运行10小时后发生爆炸 事故后进行油色谱分析找到故障原因 端部密封不良进水后引起绝缘劣化 导致电流互感器电容屏间击穿 最后发生爆炸 该设备如果及时进行色谱分析或其它检查 可避免发生事故 2号电流互感器tan 虽未超标 但已经接近标准值 当时死扣标准 认为设备合格 结果一年中tan 迅速增加 说明已经受潮 悲剧最后运行10个月终于发生 举例分析 3号设备绝缘电阻明显下降 tan 已超标 Cx剧增 综合分析后认为设备进水 严重受潮 4号套管的tan 合格 且无明显变化 但Cx下降了9 4 已明显超标 故判断为缺油 总结 阀値诊断简单易行 但存在判断不够全面 准确性不是很高的缺点 需工程技术人员根据实际情况进行纵向和横向的对比分析 或借助于逻辑判断 或对于多个监测参数进行综合分析 以作出正确诊断 阀値诊断是电力设备故障诊断的主要方式 第六节故障诊断二 模糊诊断 集合 具有某种特定属性的对象的全体 一个集合可用特征函数表示 其取值为集合 0 1 经典集合论 阈值诊断在阈值附近存在 非此即彼 的关系 但在实际诊断工作中却存在 亦此亦彼 的模糊性 1 基本概念 第六节故障诊断二 模糊诊断 模糊集合的特征函数称为隶属函数 或从属函数 其取值为 0 1 区间所有值 模糊集合论 隶属函数的确定是进行模糊诊断的关键 通常它是在诊断经验或故障统计的基础上确定的 近似地反映了专家对该情况的理解 故带有一定的主观性 函数的形式及特征参数的选择还可在以后的实践中通过 学习 作进一步调整和改善 1 基本概念 第六节故障诊断二 模糊诊断 模糊推理是指根据某些故障现象或某些反映故障的证据 前提 去推断设备有无故障或故障的性质 结论 模糊推理有一定的模糊性或不确定性 对结论的不确定性进行演算 称之为不精确推理 一般用置信度CF来表示模糊推理的结果 CF 1完全肯定 CF 1完全否定 CF 0无法判断 CF 0判断倾向于成立 CF 0判断倾向于不成立 2 模糊不精确推理 实际诊断中 往往是多个因素同时影响诊断结论 且各因素影响程度各不相同 例如油中气体的分析 不仅要考虑某气体成分是否超标 而且还要考虑其增长速度 又如多个不同故障原因可能引起相同的或不同的多个故障现象等 因此可运用模糊综合评判方法 第六节故障诊断二 模糊诊断 3 模糊综合评判 原理 引起故障的因素集为 U u1 u2 un 各因素对故障的影响程度即权重由U的模糊子集表示 ai表示第i个因素ui的权重 也就是模糊集合的隶属度 一般均要求 判断结果即评价集或决断集 V v1 v2 vm 它由其模糊子集表示 bj表示第j种决断vj的隶属度 即第j种故障的可能性 第六节故障诊断二 模糊诊断 3 模糊综合评判 原理 建立模糊关系矩阵 单因素评判矩阵 它表示故障原因与故障判断结果之间的模糊关系 中各元素值的确定 a由大量已知的正确的故障样本数确定 b由模糊不精确推理 隶属函数共同确定 可见 中因素值是实践经验与数学运算相结合的结果 计算 构成模糊关系方程 为算子符号 代表某种合成运算 取大 取小或其合成 的求取 通过 专家 估测法 频数统计法 层次分析法 模糊逆方程法等求取 这样 与已知 只要确定 算子 就可求得 第六节故障诊断二 模糊诊断 3 模糊综合评判 3 模糊综合评判 模糊算子与普通矩阵的乘法步骤类似 但不是行 列对应项的乘与加 而是先取小 再取加 上述算法虽是模糊数学的特色 但该法采用取小取大的运算 对于某些问题可能丢失太多的信息 因此实际中的模糊判断算法采用加权平均算法 因只需判断有无故障 决定集V和模糊子集只有一个元素 根据诊断经验 给出以下模型 b1 故障 气体含量较高a1 产气速度较高a2 模糊关系R的元素r11 0 3 r21 0 7因为 气体含量较高a1 H2含量较高 或 C2H2含量较高 或 可燃性气体总量TGG含量较高 所以 产气速度较高a2 绝对产气速率Ra较高 相对产体速率Rr较高 Ra和Rr的置信度为0 5 0 5所以a2 0 5Ra 0 5Rr 举例 根据油中气体含量和产气速率较高来判断变压器有无故障 举例 根据油中气体含量和产气速率较高来判断变压器有无故障 3 模糊综合评判 实例 二 模糊诊断 变压器故障征兆集 K 引起故障的因素集U K1 铁芯绝缘电阻过低 K2 绕组直流电阻三相不平衡 K3 乙烯 甲烷 总烃含量特别高 乙炔略高于正常值 但不是总烃主要成分 K4 甲烷 乙烯迅速增加 CO CO2增长较少 K5 气相各组分都趋上升 甲烷 氢气较明显 K6 油中烃类组分含量正常 但氢气含量异常偏高 K7 主要特征气体含量未超过标准 但CO CO2含量较高 K8 总烃 乙炔含量较高或明显增长 K9 变压器未过载 上层油温约在80 以上 K10 电气试验无异常 K11 变压器空载试验异常 K12 油中微水分析异常 变压器故障原因集 D 评价集或决断集V D1 铁芯多点接地及局部短路故障 D2 分接开关及引线故障 D3 冷却装置故障 D4 绝缘受潮 第六节故障诊断 模糊综合评判就是根据模糊关系矩阵 R 及故障征兆向量 K 各元素的隶属度 求得故障原因向量 D 各元素的隶属度 3 模糊综合评判 实例 模糊关系矩阵R 在总结专家经验的基础上 依据模糊理论知识推导出故障征兆Ki会导致故障原因Dj的可能性 故障征兆与故障原因之间的模糊关系矩阵R 3 模糊综合评判 实例 二 模糊诊断 某变电站一主变于1969年10月投入运行 1991年10月25日色谱分析异常 发现各特征气体产气速率较高 甲烷和乙烯占总烃的84 9 停电测试绕组直流电阻发现三相在分接头处的直流电阻不平衡 C相直流电阻偏高 试判断该变压器的故障 现象分析 甲烷和乙烯含量偏高 这与故障征兆集中K4相一致 绕组直流电阻测试与故障征兆集中K2相吻合 因此确定K2 0 9 K4 0 9 由于无其它故障现象故其它元素为0 根据模糊关系方程计算得 D1 0 D2 0 9 D3 0 D4 0从而可以初步判断为分接开关故障 实际吊芯结果为A B C三相分接开关处均有不同程度的损伤 A B相包缠的绝缘纸被烧焦 第六节故障诊断 第六节故障诊断三 时域波形诊断 方法 由设备监测到的某特征量随时间变化的曲线与事先已测到的标准曲线进行对照 以判断设备的状态 举例 高压开关操作机构的诊断 电磁操作线圈的电流波形 t0为命令下达时间 t1电流足以驱动铁芯运动时间 即铁芯开始移动时间 t2开关触点运动时间t3为开关辅助接点切断 即电磁线圈回路断开时刻 第六节故障诊断三 时域波形诊断 举例 高压开关操作机构的诊断 第六节故障诊断四 频率特性诊断 方法 由设备上测得的频率特性或频谱和已知的标准频谱进行对比 以诊断设备是否存在故障 举例 变压器绕组变形的诊断 变压器绕组是由电感 电容组成的分布参数的网络 当频率超过1kHz时 网络可以认为是无源 线性的两端口网络 可用传递函数 频率响应 描述其特性 绕组发生变形后 单位长度的电感 电容将会变动 其频响特性随之改变 故可通过比较变压器绕组的频响特性来诊断绕组是否存在变形 第六节故障诊断五 指纹诊断 方法 由设备监测到的数据进行处理分析后 可得到一些特殊的谱图 如三维或二维图 将其分析或和已知的标准图形对比来判断设备的状态 举例 电气设备的局部放电图谱识别 目测或参数诊断 第六节故障诊断六 基于人工神经网络的诊断 人工神经网络模拟了脑神经元的基本特性 它按不同的权重接收其他神经元传递来的信号 而输出则是这些权重和输入信号的非线性函数值 无需数学公式 只需要足够的诊断结果作为先念知识 就能训练网络 达到正确诊断的目的 人工神经网络模型简图 第六节故障诊断六 基于人工神经网络的诊断 输入层 监测得到的信息 输出层 输出结果 故障类型 隐含层 如同神经元 由此形成含信号及权值的非线性函数关系 教师信号 已有的正确的先验知识 可用于训练网络 改变权值V W 第六节故障诊断六 基于人工神经网络的诊断 人工神经网络训练工作流程 正向传播的输出过程 误差计算和反向调整权值 再正向计算的反复过程 对于训练好的网络 只要输入监测值就可得到输出结果 若出现新的教师信号 重新训练网络后就可用于新的故障类型的诊断 第六节