第3章 在线监测系统及其组成1

1、第3章 在线监测系统及其组成系统的组成和分类常用传感器简介信号处理系统数据采集系统数据处理抗干扰技术故障诊断监测系统使用场所便携式 只能在线检测，不在线监测固定式 连续在线监测，功能强，发展方向监测功能单参数型 只能监测某一种特征量，不能全面反 映设备绝缘状况，不是发展方向多参数综合型 在线监测多个特征量，能全面反 映设备绝缘状况，发展方向诊断方式人工诊断 由试验人员根据规程、导则、经验等 最后作出诊断自动诊断 由监测系统自动进行诊断，代替人工 诊断，发展方向1、在线监测系统的分类电气设备在线监测系统的组成及分类 第一节发展方向：固定式、多参数综合自动监测、诊断系统在线监测系统组成框图 电气设

2、备在线监测系统的组成及分类 第一节2、在线监测系统的组成信号变送 一般由相应的传感器来完成，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。它对监测信号起着观测和读数的作用。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，对固定型的监测系统，须配置专门的信号传送单元；对便携式的监测装置只需要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，如读取特征值，并作必要的分析，为故障诊断提供有效的数据和信息。故障诊断 对历史数据和当前数据

3、分析、比较后诊断或依赖人工智能技术、专家系统诊断电气设备在线监测系统的组成及分类 第一节能检测出反映设备状态的特征量信号良好的静态和动态特性静态特性：灵敏度、线性度、分辨率、准确度、 稳定度、迟滞动态特性：频率响应特性对被测设备无影响或很微弱和后续单元很好匹配可靠性好，寿命长一、概述第二节 常用传感器简介1、在线监测系统对传感器的基本要求温度传感器 红外传感器振动传感器声发射传感器电流传感器电压传感器气体传感器 湿敏传感器第二节 常用传感器简介一、概述2、在线监测系统常用传感器的分类二、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三极管集成电

4、路温度传感器光纤温度传感器第二节 常用传感器简介 测量电气设备内部、外部、接头温度，反映设备的温度状态。二、温度传感器（一）、固体温度传感器工作原理 如果两种不同成分的均质导体形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端叫参比端，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：结构简单，对待测物体影响小，热容量小，响应时间快,灵敏度低，重复性差，线性差。适用范围：快速变化温度的测量测量范围：273 30001、热电偶式温度传感器第

5、二节 常用传感器简介工作原理利用高强度金属丝的电阻值与温度呈线性关系的特性来测量温度。主要采用铂金、镍和铜等金属。分薄膜和金属丝绕制两种。特点：线性度好，准确度高，灵敏度低，价格贵，有漂移和滞后适用范围：缓慢变化温度的测量测量范围：6002、热电阻式温度传感器第二节 常用传感器简介二、温度传感器（一）、固体温度传感器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陶瓷半导体，其电阻值是温度的函数。特点：响应快，灵敏度高，体积小，成本低，线性度差；适用范围：不能用作精密测量。测量范围：-60 1000 第二节 常用传感器简介二、温度传感器（二）、半导体温度传感器2、温敏二

6、极管和三极管结型半导体温敏器件二极管：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。三极管：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。温敏晶体管基本电路及其输出特性第二节 常用传感器简介二、温度传感器（二）、半导体温度传感器特点：线性度好，价格低3、集成电路温度传感器基本原理：采用集成化对管差分电路，可以给出直接正比于绝对温度的理想线性输出。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，模拟量输出。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AD590集成温度传感器第二节 常用传感器简介二、温度传感器（

7、二）、半导体温度传感器3、集成电路温度传感器DS18B20优点：数字量输出。易于多传感器连接和与微处理器接口。第二节 常用传感器简介二、温度传感器（二）、半导体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。特点：线性度好，体积小、灵敏度高、工作可靠；准确度： 13。测温范围：-10300 。适于测量高电位或设备内部温度。第二节 常用传感器简介二、温度传感器（三）、光纤温度传感器三、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

8、波形式释放能量。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。红外检测器接受被测物体红外辐射的能量并转换为相应的电信号。红外线大气透射窗口（12.5m，35m，814m）第二节 常用传感器简介三、红外线传感器检测器可分为：热检测器和光电检测器。非接触式测温器，适于在线监测系统。目前主要用于专门的红外测温、红外热成像。第二节 常用传感器简介三、红外传感器分类：热敏电阻型热电偶型热释电型第二节 常用传感器简介1、热检测器三、红外线传感器1、热检测器基本工作原理：热释电效应。热释电效应：在一些晶体中，当其受热时，在晶体两端产生数量相等，符号相反的

9、电荷；若晶体冷却，在晶体两端出现与加热时出现符号相反的电荷。这种由于热变化产生电极化现象称为热释电效应。特点：热释电型传感器需要用光调制器调制入射光，且使用前需先进行极化。响应时间快，灵敏度高。Pt饱和极化强度Ps自极化强度第二节 常用传感器简介三、红外线传感器1、热检测器第二节 常用传感器简介三、红外线传感器1、热检测器第二节 常用传感器简介三、红外线传感器2、光电检测器基本工作原理：某些物体中的电子因吸收红外辐射而改变其运动状态。光敏电阻（光电导型）光电池（光生伏特型）特点：响应时间很短。光敏电阻光电池第二节 常用传感器简介红外检测实例1某变电站110kV 隔离刀闸接线夹(靠OY侧) 异常

10、温度:207.0C正常温度:22.0C最高温度:210.0C环境温度:17C相对温差:97%0 点号 温度:196.9C 诊断分析和缺陷性质：隔离刀闸接线夹接触不良；（紧急缺陷）。 红外检测实例2某变电站220kV 电流互感器电流比连接处 异常温度:64.4C正常温度:19.0C最高温度:64.7C环境温度:17C相对温差:96%0 点号 温度:62.8C诊断分析和缺陷性质：电流互感器电流比连接处接触不良.（紧急缺陷）。 四、振动传感器电气设备振动的在线监测包括：旋转电机因转动引起的机械振动，GIS由于微粒在电场作用下撞击壳体引起的振动，开关的振动；静电力或电磁力作用引起振动；测量振动的三个参

11、数：位移、速度、加速度。第二节 常用传感器简介1、位移传感器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；灵敏度可达：10mV/m；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。第二节 常用传感器简介四、振动传感器2、速度传感器将永久磁铁块放在一绕制的线圈内，将此线圈再贴在传感器外壳上，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；适用频率范围：10Hz1kHz，常用于测量电机振动总均方值；特点：输出信号大，不够坚

12、固。第二节 常用传感器简介四、振动传感器3、加速度传感器选用具有压电效应的晶体作为敏感元件，常用材料是石英和锆钛酸铅等。传感器由盖、质量块、压电晶体、基座组成。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。常用于测量较高频率振动，特别是超过1kHz的振动。灵敏度高、线性度好。第二节 常用传感器简介四、振动传感器振动传感器实例第二节 常用传感器简介四、振动传感器四、振动传感器4、声发射传感器适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：2060kHz；声发

13、射传感器：60kHz100MHz；一般采用压电晶片作换能元件，利用其自身的谐振特性工作；窄带型带宽：200kHz；宽带型带宽：700kHz。第二节 常用传感器简介五、电流传感器电流互感器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传光型（有源）电流传感器功能型（无源）电流传感器第二节 常用传感器简介五、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。第二节 常用传感器简介五、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

14、）坡莫合金：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：，500kHz1MHz，相对磁导率为2000;微晶磁芯：40Hz500kHz，灵敏度高，相对磁导率大于10000，加工成型方便，价格适中。第二节 常用传感器简介五、电流传感器（一）、电流互感器型电流传感器基本原理第二节 常用传感器简介1、宽带型电流传感器自积分式第二节 常用传感器简介五、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第二节 常用传感器简介五、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

15、，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。1、宽带型电流传感器自积分式第二节 常用传感器简介五、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第二节 常用传感器简介五、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第二节 常用传感器简介五、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

16、应用中，脉冲分辨时间 局放监测时应取100s以下。2、窄带型电流传感器外积分式或谐振型第二节 常用传感器简介五、电流传感器（一）、电流互感器型电流传感器 忽略副边电流对原边电流的影响和漏磁影响，可用所示的简化等值电路表示。图中L为线圈的自感为： 传感器的传递函数为：令时域特性分析： 电流传感器的频域特性可以反映在稳态电流下传感器的幅频和相频特性，但不能很好反映传感器的脉冲响应波形。电气绝缘设备局部放电信号是非周期性脉冲信号，传感器响应的是局部放电脉冲的时域信号，时域信号的波形与传感器的参数有关。 传感器的单位冲击响应时域波形为： 3、低频电流传感器用于监测电容性设备介损和氧化锌避雷器阻性电流，

17、测量工频电流及其谐波，频率低（50Hz250Hz）数值较小；为自积分式传感器。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。第二节 常用传感器简介五、电流传感器（一）、电流互感器型电流传感器(a) 电流感应式电流传感器等值电路 (b) 电流/电压变换电路 由运算放大器虚地和开环放大参数等特征可以得到下面公式 A为运算放大器开环增益放大倍数，Vout为输出电压，Iin为输入电流，Z为反馈阻抗 3、低频电流传感器 介损测量要求传感器的准确度较高，特别是角差。第二节 常用传感器简介五、电流传感器（一）、电流互感器型电流传感器 电流变化对角差影响较小，不影响在线监测精度实例中

18、，最大角差4.75s，tan(4.75 s /20000 s )=0.0004% 零磁通电流传感器1、霍尔器件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第二节 常用传感器简介五、电流传感器（二）、磁敏电流传感器提高灵敏度的关键是材料和厚度。1、霍尔器件第二节 常用传感器简介五、电流传感器（二）、磁敏电流传感器补偿式霍尔电流传感器，和电流互感器式电流传感器类似，待测电流i1(t)贯穿于环形铁芯中,铁芯用以集聚磁场以提高灵敏度。在偏置控制电流I(图中未标出)和i1的磁场作用下，霍尔片输出的电压经A放大，产生的电流i2 流经反馈线圈N

19、在铁芯内形成与待测电流i1的磁通1方向相反的磁通2 ，且使1 和2相平衡，则1、霍尔器件第二节 常用传感器简介五、电流传感器（二）、磁敏电流传感器特点：由于磁通相互补偿，铁芯体积可以做得很小，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。霍尔元件的响应时间很短，可用于高达109Hz的高频测量中。缺点：对温度变化很敏感。故目前多数器件都与集成电路相结合制成磁敏集成电路采取了结构上、电路上的补偿措施，达到比较好的效果。另外价格较贵。2、磁敏管基本原理：半导体材料的霍尔效应和磁阻效应，灵敏度为霍尔元件的数百倍；磁敏二极管：响应时间为数

20、微秒，工作频率可高于100kHz磁敏三极管：响应时间为0.4微秒，工作频率可高于12.5MHz伏安特性：外磁场一定，极间电压、电流的关系磁电特性：电路条件一定，极间电压与外磁场的关系第二节 常用传感器简介五、电流传感器（二）、磁敏电流传感器1、传光型（有源）光纤电流传感器基本原理：光纤并不作为敏感元件而只是作为信号传输介质。高电位处的电流传感器输出信号经过光纤传到地面后解调还原为电信号，在信号发送端的发光器件的驱动电源由高压端附加的分压器提供。误差：10倍额定值时0.1，30倍时优于0.5第二节 常用传感器简介五、电流传感器（三）、光纤电流传感器基本原理：应用法拉第效应，光纤本身作为敏感元件。

21、单模光纤作为法拉第旋转材料，光源通过起偏镜产生平行的线性偏振光进入光纤的一端，当光通过绕在导线部分的光纤时，由于导线电流产生的和线性偏振光平行的磁场的作用，使光的偏振面发生旋转，旋转角的大小与磁场即导线上电流成正比，即法拉第效应，再经光纤另一端通过检偏镜来测量其旋转角。2、功能型（无源）光纤电流传感器第二节 常用传感器简介五、电流传感器（三）、光纤电流传感器误差：大电流502000A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2、功能型（无源）光纤电流传感器第二节 常用传感器简介五、电流传感器（三）、光纤电流传感器六、电压（电场）传感器光纤电压互感器基本原理：应

22、用Pockels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，运用检偏镜测定和外加电场强度成正比的偏振特性的变化，即可测定外电场强度。若晶体上直接加上电压，即可直接测定外加电压。第二节 常用传感器简介电磁隔离式电压传感器（PT），传统PT霍耳隔离型电压传感器：原理同霍尔电流传感器，只是先将电压变成电流测量；误差：-1570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（电场）传感器七、气体传感器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

23、感响应时间快，重复性好恢复时间短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第二节 常用传感器简介1、接触燃烧式气体传感器基本原理：当可燃性气体和传感器表面白金加热丝上的催化剂接触时，由于催化剂的作用引起氧化反应，使气体燃烧而导致传感器温度上升，白金丝电阻变大，其变化与气体浓度成正比，以此来监测可燃气体的浓度。工作时需用白金丝将传感器预热至350。第二节 常用传感器简介七、气体传感器1、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

24、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。第二节 常用传感器简介七、气体传感器F1气敏元件，F2温度补偿元件2、半导体式气敏传感器分类及基本原理电阻型气敏器件：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优点：灵敏度高，结构简单，使用方便，价格便宜。第二节 常用传感器简介七、气体传感器2、半导体式气敏传感器 SnO2气敏传感器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。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。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。第二节 常用传感器简介七、气体传感器2、半导体