第八讲 电力设备传感技术

1、第八讲 电力设备传感技术（传感器）,中国科学技术白皮书,提高供电可靠性、质量和经济性,建立设备和电网故障诊断和监测系统-改进输电在线监测技术.城市供电技术.,电力监测系统的目的和意义,电力检测系统是对温度、压力、流量、转速、振动和噪声等多种参数进行长期的动态监测，以便及时发现异常情况，加强故障预防，达到早期诊断的目的，有助于避免严重的突发事故，保证设备和人员的安全，提高经济效益。,电力设备监测技术的发展,传统电力设备维护手段采用基于时间的维护策. （Time-Based Maintenance, TBM),现代电力设备维护手段运用状态监测. (Condition-Based Maintenan

2、ce, CBM),基于时间的维护策略： 根据检修时间表或运行时间离线检修设备，可以防止许多故障，然而在检修间隔期内仍会发生意外故障。 由于没有设备当前状态的任何信息，维护活动的安排具有盲目性，浪费了大量人力、物力和时间。,状态监测： 状态监测可以让运行人员了解许多设备的状态信息，清楚地知道什么时候需要何种维护，从而在确保设备不会意外停机的情况下，减少人力的消耗。 借助于状态监测系统提供正确和有用的机器状态信息，因此状态检测（CBM)将发展成为一种最优维护策略。,状态监测的基本概念,状态监测可定义为一种监测机器运行特性的技术或过程，通过提取故障特征信号（故障先兆），被监测特性的变化或趋势可用于在

3、严重故障发生前预知维护需要，或者评估机器的“健康”状况。 状态监测是为基于状态的维护（Condition-Based Maintenance，CBM）或预知性维护（Predictive Maintenance，PM）服务的一种技术。,一个完整的电力监控系统：,信号检测 数据提取 故障检测 趋势预测,1.信号检测：,采用传感器系统把所测得的物理量转换为电信号。 传感器的选择取决于监控方法和设备故障机理的有关知识，通常选用的传感器应适于在线测量。,2.数据获取：,数据获取单元用于对来自传感器的信号进行放大和预处理。 在这一单元中，需要应用数据通讯技术和微处理器技术。,3.故障检测：,故障检测方法：

4、特征提取和模型参考方法。 特征提取绝大多数采用频域和时域信号处理技术来获取能代表正常和故障参数的特征量。 模型参考方法通过把测量结果和模型（可以是数学仿真模型或是基于人工智能的模型）预测值比较来检测故障。,4.趋势预测：,对检测到的异常信号需要进一步处理并给出明确的维护指示，向用户的提供诊断结果（包括故障名称、故障位置、设备状态、维护建议等等）。 过去故障诊断通常由专家或离线分析来完成，目前倾向于由计算机在线自动实施。,传感技术,一、传感技术的概述： 传感技术是利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性，将被测量（电量，如电压、电流、电磁等，或非电量，如位移、速度、加速度、力等）信息转换成有用的

5、电信号的技术。,二、传感器的一般组成：,三、传感器的定义： 国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是： “ 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成 ” 。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。,四、传感器的分类： 、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器。 、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅热电偶

6、等传感器。 、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（ “ ” 和 “ ” 或 “ 开 ” 和 “ 关 ” ）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。,五、传感器的材料：,1.金属材料 如：铜、铂、镍等,2.磁性材料 如：软磁性材料,磁记忆材料,半硬磁材料,磁记录介质和永磁材料.,3.陶瓷材料 利用热敏，气敏，湿敏，光敏，声敏，力敏特性。,4.有机材料,5.半导体材料 利用外部对半导体作用导致半导体内电子的运动状态和数目的变化来进行传感的。这些大小变化可转化成电信号。,传感器的基本特性,传感器的基本特性，即输出输入特性。,传感器所感受（测量）的信号：,静态

7、信号 静态特性 动态信号 动态特性,1、稳定的，即不随时间变化或随时间变化及其缓慢，称为静态信号；,2、不稳定的，即随时间迅速变化，称为动态信号。,静态特性(性能指标)：,传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。,静态特性(性能指标)：,1.线性度 传感器的线性度是用来表征传感器的输出与输入之间的实际关系曲线偏离拟合直

8、线的程度，又称非线性误差。,2.灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态下输出增量与输入变化量之比。,y,a)线性传感器,x,x,y,0,x,y,0,y1,x1,y2,x2,b)非线性传感器,3.重复性 表示传感器对输入量按同一方向作全程量多次测试时，所得特性曲线之间不一致的程度。,Rmax2,Rmax1,x,0,y,Rmax1正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。,传感器的重复性,如果传感器按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，则重复性越好，误差越小！,4.迟滞（回差滞环）现象 反应了传感器在正向（输入量增大）行程和反向（输入量减小）行程期间，输入输出曲线不重合的程度。,5.分

9、辨率（力）和阈值 分辨率是指在规定测量范围内和规定条件下所能检测输入量的最小变化值的能力。 阈值是指能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨率；有时在零点附近形成死区，此时就将死区大小作为阈值。,6.稳定性 指在室温条件下，经相当长的时间后，传感器输出与起始标定的输出之间的差异，差异越小，稳定性越好。,7.准确度 准确度又称精度，表示被测量的测量结果与约定真值之间的一致程度，它是衡量传感器总误差的一个尺度，它不考虑误差的类型和原因，是测量精密度和正确度的综合。,动态特性：,所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特 性常用它对某

10、些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示,动态特性：,1.动态特性的数学模型： 时域中的微分方程:,其中x(t)系统的输入； y(t)系统的输出；,b)复频率中的传递函数:,c)频率域中的频率特性:,对于线性系统的动态响应的研究，最广泛使用的数学模型是普通线性常系数微分方程。,2.一阶系统的动态响应 对于输入和输出信号为一阶常系数的常微分方程描述的传感器. 3.二阶系统的动态响应 对于输入和输出信号为二阶常系数

11、的常微分方程描述的传感器.,任何高阶系统都可以看作若干个一阶和二阶环节的串联或者并联。,电力设备检测用非电量传感器,一、热敏传感器 是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度及与温度有关的参量进行检测的装置。,热电偶（将温度转换成电势的大小）： 利用材料的热电效应（即接触效应和温差效 应） 主要电极材料：1）铂铑铂 2）镍铬镍硅 3）镍铬考铜 4）铜康铜,1、热电偶与热电阻温度传感器,热电阻（将温度转化为电阻值的大小）： 利用导体或半导体的电阻值随温度变化的原理进行测量的 主要电阻材料： 1）金属热电阻（铂电阻、铜电阻） 2）半导体热电阻热敏电阻,2、光纤温度传感器 工作原理： 由于温度对

12、光纤的作用，会引起光波特征参量（振动、相位、频率、偏振态等）发生变化，利用这些参量随外界因素的变化关系，制作传感元件来检测对应物理量的变化。,结构组成： 光导纤维 光源（分为相干光源和非相干光源） 光源（作用是把传到接收端的光信号转换成电信号，以便作进一步处理） 常用的材料有：光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等。,分类（按照光纤在传感器中的功能）：,传感型光纤传感器（功能型）： 利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得到被测信号。,传光型光纤传感器（非功能型）： 利用其他敏感

13、元件感受被测量的变化，与其它敏感元件组合而成的传感器，光纤值作为光的传输介质。,光纤温度传感器属于功能型光纤传感器,3.红外传感器 任何温度高于绝对零度的物体，都在不停的进行红外辐射。红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器。,结构组成： 光学系统 探测器核心部分 信号调节电路 显示单元,分类（根据红外探测器的工作原理）： 热探测器：利用红外线被物体吸收后转化变为热能。 光子探测器：利用红外线入射到某种半导体材料上，红外辐射中的光子流与半导体材料中的电子相互作用，改变电子的能量状态，引起各种电学现象。,二.流速和流量传感器 1、流速传感器 流速是描述流动现象的主要参数 如：测速仪

14、 2、流量传感器 流量是流速积累效应的参数,三、压力、振动与位移传感器 1. 压力传感器 压力是电力系统中测量参数之一。（分为：机械式和电气式两类） 2. 位移传感器 电阻式，电容式，电感式位移传感器,3. 振动加速度传感器 在电力设备检测中，检测设备的振动或位移，发电机线棒端部的振动，来判断设备是否正常工作。,电力设备检测用电磁量传感器,电磁参量是最能反映电力绝缘状态如：电压，电流，电阻，电感，电容等常规量。已有了许多基于电磁，磁电，电动。感应，静电等原理的仪表和直流电桥，交流电桥等。技术也很成熟。,1、磁敏传感器 种类很多，最简单的就是线圈。 2、光纤电压 /电流传感器 两种方式： a)光

15、纤本身的参数随电压和电流变化。 b)电磁光效应，即光纤的折射率和传输损耗随电压和电流而变化，从而光的相位和振辐也发生变化。,3.高频电流传感器 在高电压测量中，特别是在测量冲击信号或局部放电产生的高频信号时，经常需要用到高频电流传感器。 目前常见的高频电流传感主要有高频变流器和罗柯夫斯基线圈。 4.超宽频带局部放电传感器,电力设备检测用化学量传感器,（主要用于电力设备中的浸油设备和气体绝缘设备的绝缘状况进行监测。） 常用传感器为：,气敏传感器,湿敏传感器,一、气敏传感器 气敏传感器就是能够感知环境中气体成分及其浓度的一种敏感器件，它将气体的种类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息。,二、湿敏传感器 湿敏传感器是能感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度换成可用信号的器件或装