电器的测量基础

1、第二章 电器的测量(cling)基础 2.1 电器(dinq)的测试系统2.2 传感器2.3 故障诊断与专家系统共四十六页2.1 电器测试(csh)系统2.1.1 测试系统的组成与分类 1 现代测试系统的基本组成单元 在线监测系统的组成参见图2-1，它由信号变送系统，数据采集系统以及处理和诊断系统构成。信号的变送：安装在电器设备上的传感器，获取反映电器设备状态的物理量，例如电流、电压、电阻、速度、行程、温度、压力等，并将其转换为测量所需的电信号，传送到后续单元。它为测试系统提供(tgng)初始数据。信号处理：对传感器变送来的信号进行适当的预处理，对混叠的干扰进行抑制以提高信噪比。数据采集：对经

2、过处理的信号进行采集、A/D转换和记录。共四十六页 信号传输：将采集到的信号传送到后续单元，对固定型的监测系统，因数据处理单元远离现场故需配置专门的信号传输单元。对便携型监测装置只需对信号进行适当的变换和隔离。数据处理：对所采集到的数据进行处理和分析，例如读取特征值。作时域分析、频谱分析，进行平均处理等等。为诊断提供(tgng)有效的数据和信息。诊断：对处理后的数据和历史数据、判据及其它信息进行比较、分析后，对设备的状态或故障部位作出诊断，必要时要采取进一步措施，例如安排维修计划，是否需要退出运行等。共四十六页 信号变送系统 | 数据采集(cij)系统 |信号传送| 处理和诊断系统 图2-1在

3、线监测系统框图共四十六页2测试系统的分类监测系统按其使用场所分为(fn wi)： 1便携式 整个系统构成较简单，便于携带可以在不同地点进行监测。常用数字仪表或示波器显示监测结果，也可配备便携式或笔记本式微机进行数据处理、显示、存贮和诊断。属于通用性装置，故其针对性较差，抗干扰水平和灵敏度不会很高。且一般不可能连续监测，它只能在线检测。 2固定式 针对某处或某种设备配置有针对性的专用的监测系统，固定装在某处某设备上，其抗干扰能力和监测灵敏度比通用性系统要高。可对设备实现连续监测，功能强成本高，适合于重要场所重大设备的监测。 共四十六页按监测功能可分为： 1单参数 选择某类或某个能反映绝缘状态的物

4、理量进行监测，例如局部放电量，介质损耗等。其监测功能比较单一，是当前广泛使用的机型。 2多参数综合性监测系统 可以(ky)监测能反映设备状态的各类参数，对设备进行全面的状态监测，这是发展方向。按诊断方式可分： 1人工诊断 目前多数监测系统的诊断还是根据运行经验由试验人员最后作出诊断。 2自动诊断 由监测系统自动地进行诊断，这也是系统发展趋势。共四十六页2.1.2 信号的变送 1电压与电流转换 电压与电流的相互转换实质上是恒压源与恒流源的相互转换4，一般说来，恒压源的内阻远小于负载电阻，恒流源内阻远大于负载电阻。因此，将电压转换为电流应采用输出阻抗高的电流负反馈电路，而将电流转换为电压则应采用输

5、出阻抗低的电压负反馈电路。 （1）V/I转换器 随着微电子技术(jsh)及加工技术(jsh)的发展，在实现05V，010V与010mA，420mA电流的转换时，可直接采用诸如AD693、AD694、XTRll0、ZF2B20等集成电压电流转换电路(V/I转换器)来完成。（2）IV转换器 当变送器的输出信号由电流信号转化为电压信号时，需经I/V转换。最简单的IV转换可以利用一个500的精密电阻，将010mA的电流信号转换为05V的电压信号。 2电压与频率转换实现电压频率（V / F）转换的方法主要有积分复原型和电荷平衡型两种。积分复原型VF转换器主要用于精度要求不高的场合；电荷平衡型精度较高，频

6、率输出可较严格地与输入电流成比例，目前大多数的集成VF转换器均采用这种方法。VF转换器常用的集成芯片主要有VFC32和LM31系列。 共四十六页2.1.3 数据(shj)采集系统 数据的采集 数据采集系统通常以计算机为中心，由前向输入通道(模拟或数字输入通道)、后向输出通道(模拟或数字控制通道)、人机交互设备及输出设备等组成。人机交互设备主要有键盘、显示器等。输出设备主要有打印机、绘图仪等。下面主要介绍前向输入通道和后向输出通道。1前向输入通道 前向输入通道由滤波电路、多路模拟开关、放大器、采样保持器(SH)和A/D转换器等组成，其中AD转换器是模数转换的主要器件。当前向输入通道的输入信号(x

7、nho)为较高电平(如输入信号(xnho)来自温度、压力等参数的变送器)时，就不 用放大器；如果输入信号(xnho)的变化速度比AD转换速率慢得多，则可以省去SH。 2后向输出通道后向输出通道一般由DA转换器、多路模拟开关、保持器等组成，其中DA转换器是完成数模转换的主要器件。后向输出通道也有单通道和多通道之分。多通道的结构又分为每个通道有独自的DA转换器和多路通道共享DA转换器。前者结构如图2-8a所示，通常用于各个模拟量可分别刷新的快速输出通道：后者结构如图2-8b所示，通常用于输出通道不太多，对速度要求不太高的场合。在图2-8b中，多路开关轮流接通各个保持器，予以刷新，而且每个通道要有足

8、够的接通时间，以保证有稳定的模拟量输出。 共四十六页2.1.4 信号(xnho)传输中的干扰 在线监测系统的信号不仅包括从传感器来的待测信号。而且还有来自微机的控制信号(一般是数字信号)。这些信号需在各个系统间、单元间、甚至部件间进行传送，问题是如何保证在传送过程中不受其它信号(包括外界干扰信号)所干扰，以避免信号的畸变或误动作。干扰的来源来自二个方面：共四十六页1系统内部的相互干扰，一般宜采取以下措施来抑制。(1)各个通道(tngdo)间尽可能拉开一定的距离特别要避免通过高阻相连。例如多路信号传送时本可共用一个集成片子（例如共用个模拟开关或共用一个运算放大器)，为避免不同通道(tngdo)间

9、干扰最好分别选用几个片子。 (2)保证一点接地多点接地时容易在地线回路上有环流引起共模干扰。各个部件、单元均自成回路，不要共用地线，特别是数字电路和模拟电路的地线更需分开，以防止相互间的共模干扰。同时地线尽可能粗一些、地回路也尽量短些以降低地回路的阻抗。 (3)隔离.信号通过一定的隔离措施再传送到另一单元，以避免各单元间的相互干扰。常采用隔离变压器 、光电耦合器、光电光纤信号传输等方法。 共四十六页2系统外的电磁干扰 ，此类干扰主要通过三个途径进入监测系统：电源进入；在信号传送过程中，干扰通过电磁耦合进入系统；通过传感器和信号混叠后一起进入监测系统。这些外部干扰信号按其波形特征可分为(fn w

10、i)周期性干扰信号和脉冲型干扰信号两种。 属于周期性干扰信号的有：(1)连续的周期性干扰信号如广播，电力系统中的载波通信、高频保护信号，谐波，工频干扰等，其波形一般是正弦形。 (2)脉冲型周期性干扰信号如晶闸管整流设备在晶闸管开闭时产生的脉冲干扰信号，旋转电动机电刷和滑环间的电弧等，其特点是该脉冲干扰周期性地出现在工频的某相位上。属于脉冲型干扰信号的有：高压输电线的电晕放电，相邻电气设备内部放电，以及雷电，开关继电器的断、合，电焊操作等无规律的随机性干扰等均属此类。 共四十六页3 常用的抗干扰措施有：(1) 平均技术 此为用软件（数据处理）的方法来抑制干扰（主要是随机性干扰）。随机性噪声一般遵

11、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(t go)信噪比。若样本数为N，则信噪比的改善为 (因为样本均值的标准偏差为)。采用平均技术需确定采样率、每次采样样本的容量以及样本数，而这些采样值的采样周期必须是严格相同的。(2) 逻辑判断及开窗 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。例如监测过程中仅测得一次幅值很高的信号，那么该信号很可能为一随机干扰信号，可在数据处理时舍弃。 共四十六页(3) 滤波技术 各种带通滤波器能有效地消除或抑制连续的周期性干扰。带宽和中心频率选择视干扰信号的频带而定。窄带抗干扰性能好，能抑制通频带以外干扰信号，

12、但也易造成信号某些频率成分过分(gufn)丧失；宽带虽可测得信号的频率成分比较丰富，但又不利于抑制干扰。图2-10是通频带可变的组合式滤波器，它由一系列平行低通和高通滤波单元组成，当它们以不同的组合开关进行不同的级联时，即得不同通频带的带通滤波器。若将低、高通滤波单元共同输入，而其输出通过加法器合成，即得组合式带阻滤波器。 数字滤波技术,实质上是一种计算程序，它是在数据采集之后对一个数字信号按一定要求进行运算、处理，而后以数字形式输出的一种抑制干扰的方法。可用于局部放电脉冲信号的监测中。和模拟滤波器相比，它具有可任意改变其数目、中心频率和带宽等优点，它有多种算法，如理想滤波器、自适应数字滤波系

13、统等。共四十六页图2-10 组合式带通滤波器结构(jigu)框图共四十六页图2-11 组合式滤波器输出(shch)波形图2-1l为组合式滤波器用于110kV变压器在线监测(jin c)局部放电的实例，比较图中二输出信号的波形可知，当选用了合适带通(2250kHz)后，周期性干扰信号被抑制，局部放电信号可清晰地辨识出来。共四十六页(4) 差动平衡系统 主要用以抑制共模干扰，当来自线路的共模干扰进入(jnr)电气设备Cx1，Cx2（图2-12）时，其电流方向是相同的，在电流传感CT1，CT2上输出同方向信号，故进入差动放大器A后这两个相当于共模信号的干扰信号就被抑制。若Cx1或Cx2内部有放电故障

14、，则在Cx1，Cx2上流过的电流方向相反，进入差动放大器后这二个信号相当于差模信号而被放大，从而提高了监测的信噪比。图2-12中实线箭头为干扰信号；虚线箭头为放电故障信号。 差动系统是否有效的关键是要求二路共模信号的相位、波形完全一致，才可获得高的抑制比。这就不仅要求电流传感器CTl、CT2以及两个监测通道的特性基本一致，更主要的是Cx1，Cx2的结构、组成基本相同。否则抑制作用会降低甚至消失，为此当具体使用于在线监测时需采取相应的技术措施，例如信号的幅度和相位可调节等。 共四十六页图2-12 差动平衡系统(xtng)原理图 共四十六页(5) 电子鉴别系统 用脉冲极性鉴别系统来监测局部放电是根

15、据(gnj)干扰信号和待测信号某些特征的差异进行抑制的典型例子（图2-13）。和差动平衡系统类似，若设备内部Cx2放电，则电流传感器CTl、CT2将输出两个极性相反的脉冲，经放大器A放大并分别经整形和反相整形后，加于与门1和2上，于是与门2开启，电子门G打开，放电信号将通过时延单元D和电子门G送至监测系统。同理，若Cx1放电，则与门1开启而送出放电信号。由于鉴别系统的动作总需要一定的时间，故需监测的信号也需经D延迟一定时间后由G送出。若为外界(例如线路上电晕放电)干扰信号，则将在CTl、CT2上输出同极性的脉冲，于是与门关闭，干扰信号将被阻止而不会送到监测系统。 共四十六页图2-13 脉冲极性

16、鉴别系统原理(yunl)框图+ 脉冲正向整形 脉冲负向整形实线箭头 干扰信号 虚线箭头 放电故障信号共四十六页图2-14 极性鉴别系统对电容性试品的抑制效果a)抑制前 b)抑制后 图2-14是上述脉冲极性鉴别系统在电容性试品上鉴别的结果。此时，Cx1，Cx2是两个电容值相同的电容器，Cx1并联-油间隙产生一模拟的局部放电，线路上同时并有尖板空气间隙以产生电晕放电。传感器选用清华研制的JFY1型窄带谐振型传感器，中心(zhngxn)频率为250kHz，采样率为1MHz由图可知，电晕干扰信号被抑制而与之相隔仅20s的局部放电信号通过电子门进入监测系统，抑制比为20dB。共四十六页 2.1.5 数据

17、处理 将收集到的信号进行分析的数据处理系统，有两个作用：1）抑制干扰信号，提高信噪比，以防止对故障作出“误报”或“漏报”。其关键是要如上节所述，视具体情况完善抗干扰措施，某些抗干扰措施需安排在数据处理时实施。2）将采集到的数据进行分析处理，使之成为在线诊断设备故障的可靠判据。由此可见，抗干扰技术实则上也是一种(y zhn)数据处理技术，而数据处理技术本身也常具有抗干扰的效果，两者是不可能严格划分的。共四十六页1时阈分析 时阈分析是根据显示或记录信号的波形，来分析幅值和时间或相位的关系、出现的次数等。为此，需按波形的采集要求确定其所需的采样率和采集的数据长度。2频域(频谱)分析 频域(频谱)分析

18、是分析信号的某些特征在频域上的变化，如幅度谱，相位谱，能量谱，功率(gngl)谱等。现今的离散傅里叶变换(DFT)的快速算法即快速傅里叶变换(EFT)的出现，使频谱计算易于实现。电气设备在线监测上用得较多的是幅度谱（幅频特性）。基本方法是将时域波形经采样、AD变换后变成一组相同时间间隔的离散值，再经过EFT变成一组有相同频率间隔的频域内的离散值。共四十六页3相关分析 相关分析是在时域上研究两个(lin )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。互相关函数定义如下： （2-10）数学化（即离散化）后为： （2-11） 共四十六页图2-15 相

19、关(xinggun)函数计算分析共四十六页4统计分析对监测到的随机性信号可进行统计分析，统计分析的主要内容有：(1) 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。(2) 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(xingwi)分布的直方图（即Q图），或放电次数N随放电量Q分布的直方图（即NQ图）。 (3) 三维图 例如局部放电的NQ图。通过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。 共四十六页2.2 传感器传感器的概念 传感器是将反映设备状态的各种物理量，诸如热、机械力、电、化学等等各种能量形式的信息监测出来，是监测诊断的第一步，也是很重要

20、的一步，它直接影响着监测技术的发展。由于电信号容易进行各种处理，故无论这些物理量是电量还是非电量，一般(ybn)都是通过传感器转换为电信号后送至后续单元。 共四十六页对传感器的基本要求(yoqi)是:1能检测出反映设备状态特征量的信号，有良好的静态特性和动 态特性。静态特性包括以下指标； (1)灵敏度； (2)线性度； (3)分辨率，即传感器能分辨出的最小检测量； (4)准确度； (5)稳定度； (6)迟滞，指正向特性和反向特性不一致的程度； (7)动态特性，是指频率响应特性。2对被测设备无影响或很微弱，吸收待测系统的能量极小，和后续单元能很好匹配。3可靠性高，寿命长。 共四十六页2.2.1传

21、感器的分类 传感器的分类法有多种，用得较多的分类法有两种： 按将外界输入的信号变换为电信号所采用的效应分类 大致可以分为三类：利用物理效应进行变换的物理传感器；利用化学反应进行变换的化学传感器；利用生物效应进行变换的生物传感器。 按输出量分类 在实际使用过程中人们关心的是传感器的输出量，按输出量进行分类可将传感器分为位移、速度、角速度、加速度、力、力矩、压力、流速(li s)、液面、温度、湿度、电压、电流、电磁、热、光、气体成分、浓度传感器等等。 传感器若按变换过程中是否需要外加辅助能量支持来分类，可分为：无源传感器和有源传感器。 共四十六页根据传感器技术的发展阶段则可分为：(1)结构型传感器

22、，目前使用最多的。(2)物性型传感器，是当前发展最快的传感器。特别是由半导体敏感元件制成的传感器。(3)智能型传感器，是将传感元件与后续信号处理电路组合成一个很小的模块，代表(dibio)着传感器的发展方向如美国的ST一3000智能型压力传感器，它在3X4X62立方毫米体积中安装了静电、差压、温度三种敏感元件及微处理器等，它可自动选择量程来测量021兆帕的压力。 共四十六页2.2.2传感器的静态和动态特性 1. 静态特性 (1）线性度 传感器的理想输入与输出关系是一条直线，即 y = a0 x ，而实际上许多传感器的输入-输出特性是非线性的，在静态情况下，如果不考虑滞后(zh hu)和蠕变效应

23、，一般可以将输人-输出特性表示为： 式中： x 为输入信号； y 为输出信号； a0为零位输出； a1为传感器线性灵敏度； a2 ， an为传感器的非线性系数。 共四十六页 实际传感器的输入-输出曲线与理论上的直线不吻合的程度，在线性传感器中称线性度。线性度可以表示为传感器的正反行程的平均校准曲线与线性理论直线之间的最大偏差量的绝对值与满量程（FS）输出值之比，即 式中：L为线性度； 为输出平均值与理论值的最大偏差绝对值;YFS为满量程输出值。 使用非线性特性的传感器时，通常用一条直线近似地代表实际的非线性特性，这种方法称为传感器非线性特性的“线性化”。所采用的直线称为拟合直线，实际特性曲线与

24、拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差(wch)。显然，非线性误差(wch)是以拟合直线或理想直线作基准直线计算出来的，基准线不同，计算出来的线性度也不同。 共四十六页 (2)迟滞 迟滞表示传感器在输入值增长的过程（正行程）和减少的过程（反行程）中，同一输入量时输出值的差别，如图2-16 所示，它是传感器的一个性能指标，该指标反映(fnyng)了传感器的机械部件和结构材料等存在的问题，如轴承摩擦、灰尘积塞、间隙不适当、螺钉松动、 元件磨蚀（或碎裂）以及材料的内摩擦等。迟滞大小通常由实验确定。用整个检测范围内的最大迟滞值（YH）max与理论满量程输出值之比的百分数表示，即 共四十六页图 2 l

25、6 传感器的典型(dinxng)迟滞特性 共四十六页（3）阈值和分辨率 传感器的输入量x变小时，输出量y也变小，当 x 减小到某一值时，则观察不到输出量的变化，这时的x称为传感器的阈值。 当传感器的输入从非零的任意值缓慢增加，只有在超过某一输入增量后输出才有变化，这个输入增量称为传感器的分辨率。分辨率说明了传感器可测出的最小的输入变化量，而阈值则说明了传感器可测出的最小输入量。阈值大的传感器，其迟滞(chzh)必然大，但分辨率不一定差。（4）灵敏度 线性传感器的校准线的斜率就是静态灵敏度，它是传感器的输出量变化（ y）和输入量变化（x）之比，即 共四十六页 如位移(wiy)传感器，当位移(wi

26、y)量（x）为 1 m 时，输出量（y）为 0.2mv ，则灵敏度（ K ）为 0.2mv m 。非线性传感器的灵敏度通常用拟合直线的斜率表示。非线性特别明显的传感器，其灵敏度可用 dvdx 表示，也可用某一小区域内的拟合直线的斜率表示。(5)重复性 传感器的输入按同一方向变化时，连续重复检测所得的输入-输出特性曲线不重复，产生不重复的原因和产生迟滞的原因相同。重复性误差（ R ）通常用输出最大不重复误差（max）与满量程输出（YFS）之比的百分数表示，即 式中：max为正行程多次测量的各个测试点输出值的最大偏差（1max) ，以及反行程多次测量的各个测试点输出值之间的最大偏差（2max)，再

27、取这两个最大偏差中之较大者。显然，不重复误差越小，重复性越好。 共四十六页2.传感器的动态特性 即使传感器的静态性能很好，但当被检测物理量随时间变化时，由于(yuy)传感器的输出量不能很好地追随输入量快速变化，可能导致高达百分之几十甚至百分之百的动态误差，因此在选择、使用传感器时，要特别注意其动态特性。 共四十六页 动态特性的数学模型 对于线性系统的动态响应研究，最广泛使用的数学模型是普通线性常系数微分方程。对于任意线性系统，可用高阶常系数线性微分方程描述为: 式中：x=x（ t ）表示输入信号(xnho)； y = y(t)表示输出信号(xnho)；ai和bi分别决定于传感器的某些物理参数，

28、除 b00外，通常b1=b2=bm=0。 共四十六页 常见的传感器其物理模型通常可能分别用零阶、 一阶和二阶的常微分方程描述其输入-输出动态特性(txng)，分别称为零阶环节、一阶环节和二阶环节，或零阶、一阶和二阶传感器，即 零阶传感器：一阶传感器：二阶传感器： 显然，阶数越高，传感器的动态特性越复杂。零阶传感器在测量上是理想传感器，因为不管 x =x (t）如何变化，其输出总是与输入成简单的正比关系(gun x)。严格地说，零阶传感器不存在，只能说有近似的零阶传感器，最常见的是一阶和二阶传感器。 共四十六页2.3 故障诊断与专家系统(zhun ji x tn)2.3.1故障诊断 诊断就是根据

29、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(hi shi)要加强监测?是安排计划检修还是立即停机检修等等。故一般应包括以下诊断内容：共四十六页 1判断设备有无故障。 2判断故障的性质、类型和原因，例如是绝缘故障还是过热故障或机械故障。若是绝缘故障则是绝缘老化、受潮还是放电性故障，放电性故障又是哪种类型的放电等等。 3判断故障的状况和预测设备的剩余寿命，即对故障的严重程度、发展趋势作出诊断。 4判断故障的部位，即故障定位。 5作出全面的诊断结论和相应的反事故(shg)对策。共四十六页故障诊断可分为两类：（1）系统诊断 系统诊断是检查电力系统的某些(mu xi)部分，而该系统通常是一组联系紧密的部件的集合体，要确定故障发生的时间、范围、故障的精确位置。由于系统的庞大、部件数量的繁多，故系统诊断较为复杂。（2）装置诊断 装置诊断较系统诊断简单，仅需诊断出故障元件及其发生故障的原因，断路器的故障诊断就属于这一类诊断。 共四十六页 在具备断路器的准确、完整、详实的状态信息资料后，就可以进行全面的、科学的状态综合分析评估和故障诊断。目前，这方面工作(gn