1、電氣設備故障診斷第4講：檢測技術普通傳感器序：檢測裝置的選擇原則 狀態量是設備運行中出現的各種正常和異常特征信號量的總稱。異常特征信號量是主要的檢測對象。監測輸入量輸入量泛指作用于設備、推動設備運行和導致設備劣化的各種輸入量。輸入量監測的目的在于查明異?；蚬收系膩碓矗瑫r根據實際情況，進一步推測設備的運行可靠性和使用壽命。如機械力、化學作用、電或磁力的作用力等等。監測運行狀態量設備發出運行狀態量有主動和被動兩種方式。主動發出的信號：主要是具有轉動部件的設備，在運行中常會發出振動、熱量或聲音、光等信號，統稱為一次信號。被動發出的信號：主要針對靜止的設備或沒有運動部件的設備，必須采取預加一定量的輸

2、入，迫使設備發出信號（即二次信號），借以診斷設備的內部狀態。取得二次信號的方法有：外部刺激法、照射法、涂敷料法。 監測輸出量確定設備的功能指標。 序：檢測裝置的選擇原則根據故障模式以及設備的不同，現在已有多種門類的監測裝置 序：檢測裝置的選擇原則一般情況下，選用檢測裝置應考慮以下條件：在故障的孕育期間應盡早發現設備內部異常征兆；診斷方法應盡可能簡單，而且在被測設備外部進行；最好不在停機條件下工作，或雖停機，但在不拆卸部件情況下進行；能以多種運行條件的設備為對象進行工作；測量量程范圍和精度等級一定要滿足診斷要求。信號采集（測試）工作是為了獲取診斷對象的狀態信息而進行的一系列技術活動。監測裝置包括

3、傳感器、中間變換等等，直到信息顯示。 一、傳感器 傳感器是測試系統的重要組成部分，用來接受被測信號的量值。它的功能是把被測物理量轉化為相應的可以采集、傳輸、轉換或處理的信號。傳感器是設備監測與診斷技術的基礎，它的精確度決定了監測與診斷技術的精確度和可信性等級。 表征設備狀態量的信號多種多樣，設備運行狀態量大體上有三種： 機械量信號包括：與生產功能無直接關系的信號，如振動、聲音、軸承溫度等；與生產功能有直接關系的信號，如汽輪機的汽壓、汽穩、轉速等電磁信號有電壓、電流、頻率、局部放電電荷、磁場強度等?；瘜W信號如絕緣油含烴量、潤滑油酸階等。對同一種特征參量的描述方法也不盡相同。例如：描述振動可以用位

4、移、速度或加速度等信號，溫度可以用度數、溫差、熱像等不同的信號。選用傳感器：首先要注意選用最恰當的參量描述和轉換的方法；其次是測點的位置和測量裝置的布置，要便于安裝、拆卸、檢修和調整。對于需要安裝多個傳感器的場合應進行優選，力求用最少量的傳感器經過合理布置，取得代表整機組運行狀態的最靈敏的信息量。 傳感器特性與性能傳感器的靜態特性，指在穩態信號作用下，其輸入輸出關系。衡量靜態特性的重要指標是線性度、靈敏度、遲滯和重復性。傳感器的動態特性，指傳感器對激勵（輸入）的響應特性。好的動態特性，其輸出隨時間變化的規律（變化曲線）將能同時再現輸入隨時間變化的規律，即具有相同的時間函數。用時域的瞬態響應和頻

5、域的頻率響應來分析動態特性。 主要性能參數：精確度 表示傳感器輸出與被測特征量的對應程度。精確度要與整套測量裝置的性能相適應。 線性范圍在線性范圍內，傳感器的輸入和輸出呈現一定的比例關系。超出線性范圍將出現非線性誤差，影響測量精確度甚至無法工作。必須注意被測物理量的變化范圍。 穩定性 長期使用后，輸出特性保持原有狀況的程度。穩定性能與使用環境、溫度、濕度、塵埃、油污有關系。 如零點漂移、靈敏度漂移、標定有效性。靈敏度 表示傳感器感知被測量變化的能力。靈敏度高就是被測量稍有變化，傳感器輸出即相應變化。靈敏度高能檢出狀態信號的微小動態變化，也將對外界干擾過于敏感，易造成誤診。如果被測量是二維或三維

6、的向量，則傳感器交叉靈敏度越小越好 。延遲特性或響應特性假定被測物體溫度在相當長時間內穩定不變，當用一般溫度計測量溫度時，經過一定時間，待溫度計指示緩緩上升到穩定以后，才能得到真正的物體溫度。溫度計指示落后于被測物體溫度時，稱為延遲。表計指示隨時間的延長而上升，逐漸接近于被測量的特性就是響應特性。當被測物理量隨時間變化時，傳感器的輸出必須在所測頻率范圍內保持被測量的真實變化。特別在動態測量時特別注意響應特性的影響。 抗干擾電氣設備經常處于強電磁干擾下運行，為減少或消除干擾，要特別注意傳感器的輸出阻抗、信號形態和信號變化率。各種干擾有不同的耦合方式，應注意采用有效的抗干擾措施。 傳感器的發展動向

7、開展基礎研究，發現新現象，開發傳感器的新材料和新工藝；實現傳感器的集成化與智能化 發現新現象，如日本夏普公司利用超導技術研制成功高溫超導磁傳感器，其靈敏度比霍爾元件高，僅次于超導量子干涉器件（工藝復雜），可用于磁成像技術。 開發新材料，如半導體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器工作溫度遠高于半導體，光導纖維運用方便。 采用微細加工工藝 研制多功能集成傳感器，如催化金屬柵與MOSFEJ相結合的氣體傳感器已廣泛用于檢測氧、氨、乙醇、乙烯和一氧化碳等。 智能化傳感器，自帶微處理芯片，兼有檢測、判斷和信息處理能力。典型的如美國霍尼爾公司的ST-3000型智能傳感器，在芯片上制作CPU。EPRO

8、M和靜壓、壓差、溫度等三種敏感元件。仿生傳感器研究，如視覺、味覺、嗅覺、觸覺傳感器等模仿人的感覺器官功能。 中間變換 被測對象的量值，通過傳感器以后通常是變成電壓、電流、電阻、電容等便于傳輸和測量的電氣量，也有些變成機械位移。為便于驅動儀表或輸入計算機，要經過中間變換環節，即將信號進行放大運算、調制、濾波、模擬量數字量轉換等。 信號采集方法 表征設備狀態量的各種信號具有不同的特性，信號采集亦應選用適當的方法。在診斷系統中一般采用有以下的幾種：一次性采樣即每次只采集一個足夠數據處理所需長度的信號樣本定時采樣按事先整定的周期進行采樣利用發生隨機故障時的信號突變，自動采樣 根據故障診斷的特殊要求，采

9、用轉速跟蹤采樣、峰值采樣等特殊采樣方式 二、電參量測量 電參量的測量主要指電壓、電流、功率、頻率、阻抗和波形等參數的測量。這些電參數用來表征電氣設備和電氣系統的性能。電測量的特點電壓和電流的范圍廣：從納伏級到數百千伏的高壓；信號頻率從直流到數十吉赫的射頻；而且往往交直流并存；被測信號除基波外，還含有高次諧波；被測信號源的等效內阻的范圍比較廣。在測量方法上，應結合被測信號的特點，選擇適當的測量方法和儀器儀表，以達到較高的準確度。 電參量測量常用手段在低壓電氣系統中，萬用表是測量直流電壓、電流、交流電壓、電流與電阻的常用工具，有數字萬用表和模擬萬用表。阻抗的測量是指對電阻、電容、電感、互感、介質損

10、耗角以及品質因素等進行的測量。常采用伏安法和電橋法（直流電橋測電阻，交流電橋測電感、電容）。 低頻交流電壓的測量 平均值電壓表有效值電壓表高頻電壓的測量檢波放大式（稱峰值表）調制式外差式電壓表。 脈沖電壓的測量一般指脈沖的幅值測量。當脈沖電壓的頻率較高，占空比（t/T）較大時可用峰值表測量。如果脈沖周期T很長而脈沖寬度很窄，用峰值表測量會產生很大誤差，用示波器測量（示波器具有較高輸入電阻，具有自動放電功能的脈沖幅值保持電路，能很好地跟蹤每一個輸入脈沖的幅值）。 頻率時間和相位的測量 直讀法電橋法、諧振法 比較法拍頻法、差頻法、示波器法（李沙育圖法，測周期法） 計數法電容充放電法、電子計數法 頻

11、率測量的精確度已達10-13數量級，在檢測技術中常將一些非電量或其它參量先轉換為頻率，然后再加以測量，以提高測量的精度。 三、磁測量 磁測量是將被測磁量與單位標準磁量進行比較的過程。它研究與磁現象相關的物理過程。主要包括兩個內容：對磁場以及在磁化狀態下物質的各種磁性的測量；對物質的磁結構及磁效應的研究。一些表征磁場特性的參量是：磁感應強度B、磁場強度H、磁場梯度H/l等；以及這些量的矢量分量和模數。一些表征磁性材料特性的參量是：靜態（或動態）下的磁化曲線BH、磁滯回線B（H）、剩余磁感應強度Br、矯頑力Hc、微分磁導率等。 磁測量方法分類 磁測量是應用電磁學理論和一些物理效應的原理而發展的 磁

12、場測量 電磁感應法，法拉第電磁感應定律。在磁場中的探測線圈通過移動、轉動和振動等方式使線圈中的磁通量改變，由感應電勢確定磁場。電磁效應法，利用金屬或半導體中通過的電流在被測磁場作用下產生的電磁效應。主要有：霍爾效應、磁阻效應、電磁復合效應。如霍爾效應廣泛應用于測量電機、變壓器、繼電器的漏磁，測量大電流等。磁飽和法，利用飽和磁場的磁感應強度與磁場強度的非線性關系。用于測量較弱的恒定磁場或緩慢變化的磁場。磁共振法，利用物質量子狀態變化而精密測量磁場。根據利用物質的不同，有核磁共振、順磁共振和光泵共振。超導效應法，利用弱耦合超導體內的約瑟夫遜效應原理測量弱磁場。制成超導量子干涉儀（SQUID）。 磁

13、光效應法，利用磁場對光和介質的相互作用而發生的磁光效應，可測量恒定磁場、交變磁場和脈沖磁場。 四、非電量的電測量原理 用電的方法和手段對非電物理量、化學量等進行測量稱為非電量電測量。非電量電測系統由以下部分組成：將待測的非電量轉換成相應電量的傳感器；對電量進行測量的測量電路及非電量的顯示及處理裝置。關鍵是研究如何將非電量轉換為電量的傳感器。 傳感器特點靈敏度高，響應快，反作用小，可無接觸測量或遠距離測量；多采用固體傳感元件，壽命長、體積小、質量小、可靠性高、價格便宜；易用超聲、激光、紅外、微波、放射線等先進技術；易于連續測量，可進行數據傳輸、記錄和處理。 傳感器發展趨勢擴大測量領域和測量范圍，

14、提高測量準確度、速度及可靠性；開發非接觸檢測技術；數字化測量開發集成化、多功能傳感器，使非電量測量系統一體化、微型化；與微電腦結合，實現非電量電測智能化。 五、振動電測量 振動測量包括振動位移（振幅）、振動速度、振動加速度和振動頻率、相位與頻譜、功率譜等量的測量。振動測量儀器由拾振器（傳感器）、放大器等測量電路及記錄、指示儀表組成。拾振器具有獨立的結構，其作用是將機械振動量（位移、速度、加速度）變換成測量電信號輸送出去。按其工作原理分為磁電式傳感器、壓電式傳感器、電渦流傳感器、光纖傳感器、電容式傳感器等。 振動內因：彈性和慣性；外因：激發振動的外力磁電式振動速度轉換成感應電動勢壓電晶體敏感元件

15、輸出電荷量與被測物體的加速度成正比（正壓電效應）電渦流由于互感的影響，通過測定線圈阻抗的變化來確定渦流載體的位置拾振器的選擇選用位移拾振器 要求振動限幅；需分析振動體應力時，可據測量振動位移確定；低頻振動時，速度、加速度值太小，不便測量。選用速度拾振器 當振幅較小，不便于測量位移的中頻范圍；當測量與聲響有關的振動時，振動部件在空氣中產生的聲壓正比于振動速度； 選用加速度拾振器 高頻振動；測量或分析力、應力或載荷時，可據測量加速度值確定；在不容許使用體積或重量較大的拾振器時，常采用壓電式加速度計。測振儀的主要功能 對傳感器輸出的微弱信號進行線性放大； 對測量信號進行微積分變換，以獲得所需振動特征

16、參數（加速度、速度或位移）； 將傳感器的高阻抗輸出變為低阻抗輸出 使不同傳感器的輸出歸一化。六、噪聲電測量 噪聲是由復雜聲波雜亂無章組合而成的聲響。在電氣設備中，噪聲有空氣動力性噪聲（由氣體振動引起）、機械性噪聲（振動引起）、電磁性噪聲（由于電磁相互作用產生周期性交變力引起電磁振動所產生）。空氣動力性噪聲：（在高速開啟式電動機中最大）渦流噪聲主要由轉子和風扇引起冷卻空氣流在旋轉表面交替出現渦流引起，其頻譜范圍寬。笛鳴噪聲通過壓縮空氣，或空氣在固定障礙物上擦過而產生的，即“口哨效應”，主要由徑向通風溝引起。隨著轉動部件和固定部件之間間隙的減小而加強。 電磁噪聲：由氣隙中諧波磁場相互作用引起，其強

17、弱與定子的動態剛度、固有振動頻率和聲學特性有關。原因主要有：鐵心飽和的影響、開口槽的影響、磁通振蕩、氣隙動態偏心、外來的高次諧波及電機故障（磁極匝間短路、斷條、鐵心壓裝不緊、裝配氣隙不均）。 機械噪聲：最常見原因是轉子動平衡不好，其頻率和旋轉頻率相同。 噪聲測量儀 噪聲的主要參數是聲壓、聲強、聲功率和噪聲頻譜。聲學量分貝db。測量聲壓級的聲級計，主要由傳聲器、輸入級、放大（衰減）器、計權網絡、檢波電路及電源等部分組成。其中，傳聲器是將聲波信號轉換電信號的傳感器，有壓電式和電容式兩種。壓電式利用壓電晶體的壓電效應實現電轉換，特點是靈敏度高、體積小、結構簡單、可靠，缺點是高頻響應不夠寬，容易受溫度

18、的影響。 電容式由振動膜片和后極板構成平板電容器，當聲波作用于膜片使其在平衡位置兩側振動時，導致兩平行板極間的距離發生微小變化，電容量隨之發生變化。特點是動態范圍寬、在聲頻范圍內響應線性好、靈敏度高，有長期的穩定性。 七、溫度測量 常用電測溫度儀表 熱電阻測溫 原理：（金屬等）電阻值隨溫度而變化。半導體中熱激發載流子將隨著溫度升高而增加，使電阻下降。穩定性好，易實現準確測量可遙測自動記錄報警和控溫用作低溫測試（-272 500），可做測溫標準。 熱電偶測溫 原理：兩種不同金屬的接觸電勢隨溫度而變化。此電動勢稱做塞貝克溫差電動勢（熱電效應）。常用有普通金屬熱電偶、貴金屬熱電偶、難熔金屬熱電偶。特

19、點：準確度高線性好測溫范圍寬穩定性好信號可遠傳、自動記錄、報警并控溫的特點需冷端補償和補償導線。 熱通量電測量 單位時間內通過單位表面積傳遞的熱量稱做熱通量。熱通量計輻射計（輻射）量熱計（輻射與對流）表面熱流計（傳導、對流及輻射的總和） 電機中溫度的測量旋轉電機基本技術要求規定：定子繞組或其它部分溫度測量方法有：電阻法、埋置檢溫計法（ETD）、溫度計法和疊加法（即雙電橋測溫法）。電阻法和疊加法是測量繞組的平均溫升，溫度計法和埋置檢溫計測量的是局部溫升。雙電橋測溫法是在負載電流上疊加一微弱直流電流，以測量繞組直流電阻隨溫度而發生的變化來確定交流繞組的溫升。電機測溫范圍包括：各部繞組，軸承，進、出

20、口風溫等。轉子溫度測量必須考慮承受振動、離心力和電磁干擾的因素，可有接觸式（采用滑環傳遞轉子溫度信號）或非接觸式（調頻方式和紅外方式傳遞信號）。 八、氣體檢測 氣體傳感器是指將被測氣體濃度轉換為成一定關系的電量輸出的裝置或器件。電子型不同種類的氣敏材料（金屬氧化物，通過摻雜或調節其化學劑量比使其半導體化），當它處于不同氣氛的環境中時，其電阻值將產生不同程度的變化。可制成各種類型的氣敏元件。當待測氣體吸附在材料表面時，將產生氧化或還原反應，改變材料表面的載流子濃度，或改變這種載流子的遷移率，即使電阻值隨環境中氣體的濃度而改變。 一、表面吸附控制型：吸氧（表面吸附）引起電導降低在還原性氣氛中，吸附

21、氧脫附，引起電導增加二、體效應型如Fe2O3，在測氣氛中金屬價態發生變化（氧化還原反應），引起材料電導的變化。氧化還原電導低電導高可檢測還原性氣體可檢測的氣體種類 常用的氣體成分測量儀 改善氣敏元件的氣體選擇性常用的方法 在氣敏材料中滲入合適的添加物，可使對某一氣體的最佳吸、脫溫度降低，靈敏度、選擇性提高；控制元件的燒結溫度；改變元件工作時的加熱溫度。氣體傳感器的要求能夠檢測爆炸（有害）氣體的允許濃度和其他基準設定濃度，及時給出報警、顯示和控制信號。對被測氣體以外的共存氣體或物質不敏感。性能長期穩定性好。響應迅速，重復性好。維護方便，價格便宜。較強的抗環境影響能力。油中溶解氣體分析原理 正常情

22、況下充油電氣設備內的絕緣油及有機絕緣材料，在熱和電的作用下，會逐漸老化和分解，產生少量的各種低分子烴類及一氧化碳、二氧化碳等氣體，這些氣體大部分溶解在油中。當存在潛伏性過熱或放電故障時，會加速這些氣體的產生速度。在變壓器中，當產氣速率快于溶解速率時，會有一部分氣體進入氣體繼電器。故障氣體的組成和含量與故障的類型和故障的嚴重程度有密切關系，因此，分析油中溶解氣體的成分和含量，就能及早發現變壓器內部存在的潛伏性故障，并掌握故障的發展情況。 油中溶解氣體分析原理 油中溶解氣體色譜分析(Dissolved Gas-in-oil Analysis，簡稱DGA)就是抽出、分析溶解在變壓器絕緣油中的氣體，根

23、據氣體的成分和含量監測、診斷變壓器內部的異常。取氣體分析特征組分為氫氣(H2)、烴類(甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2)及一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)，則故障性質與氣體組成具有一定的對應關系。 。 絕緣耐熱等級：Y(90)、A(105)、E(120)、B(130)、F(155)、H(180)當發生金屬性(分接開關、鐵芯、裸接頭、箱殼等)局部過熱故障時，絕緣油受熱分解，油中溶解氣體的特點是烴類氣體總量較高，且其中甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)為主要氣體。當紙或紙板等固體絕緣(引線絕緣、鐵軛絕緣、穿芯螺栓絕緣等)過熱分解時，油中溶解氣體中CO與CO2的含量也將增加。如

24、果是固體絕緣過熱但溫度不高，則色譜分析中總烴含量不高，而CO與CO2含量較高。CO、CO2的含量增加是涉及固體絕緣故障的顯著特征。當變壓器內部存在放電時，其特征是乙炔(C2H2)和氫氣(H2)含量較大，乙炔含量高低是區分過熱與放電故障的主要特征。根據放電能量的高低特征，氣體構成發生變化。當發生高能量的電弧放電時，會產生相當多的甲烷與乙烯，而局部放電由于能量低，特征氣體主要是氫氣，其次是甲烷，只有少量的乙炔產生，因而總烴值并不高。當變壓器受潮或油中有氣泡時，在強電場作用下會分解產生大量的氫氣。 根據溶解氣體組成與故障性質的關系的統計分析，國內外學者提出了諸如特征氣體判斷法、組分編碼比值判斷法、產

25、氣速率判斷法等方法，實踐證明均具有一定的故障診斷效果。 九、局部放電的檢測 局部放電指導體間絕緣被部分橋接的電氣放電。放電可以在導體附近發生，也可以不在導體附近發生（導體周圍氣體中的局部放電有時稱為“電暈”）。局部放電量可以反映設備絕緣狀況，放電功率、放電次數、放電時間間隔也從一個側面反映絕緣的狀況。必須進行綜合分析和比較判斷。電力設備局部放電將伴隨有發熱、發光、高頻脈沖、高頻電磁輻射、超聲波向設備容器外壁撞擊和超聲波輻射，還有絕緣介質材料的物理或化學的侵蝕或腐蝕等多種征兆信號出現。局部放電即通過上述參量的變化進行監測。 1直接測量脈沖電流或脈沖電壓 并聯電路局部放電測量：當設備產生局部放電時

26、，會在測試回路里產生電荷轉移，使檢測阻抗中脈沖電流通過，形成脈沖電壓。通過脈沖接受、改善波形、放大波形，最后取得視在放電電荷量。串聯電路局部放電測量：直接測量放電電荷的轉移量。脈沖電流法：用電流互感器測量局部放電信號。電流互感器通過磁環套在變壓器接地線上，或套在未屏接地端子的引下線上。電磁波輻射測量：測試電磁波影響范圍的發展和磁場強度的變化，可定性判斷設備是否有異常，以及異常的方向或部位。可用作巡回檢查。 2超聲波測量 利用放電的可聽頻率和超聲頻率（70-150kHz）的聲壓原理。可用在工頻電壓和沖擊電壓下，受干擾小，靈敏度大，用來判斷放電部位。缺點是不易定量，經常和脈沖電流法組合使用。采用的傳感器是鈦酸鋇或鈦酸脂制成的壓電晶體，在聲壓的作用下有電壓輸出。為了檢測出微弱信號，加用前置放大電路。 3. 無線電頻率現場診斷技術 在高壓變電所為探測各種放電和定位用。利用天線進行無線電頻率干擾（RFI）測試，由一臺射頻頻譜分析儀或射頻接受機與各種不同的天線（如0.1530MHZ的環形，30300MHZ的雙曲線，2001000MHZ的對數周期式天線）組合而成?？梢赃M行數學濾波以取得潔凈波形的數據。電視及廣播調頻電波與干擾場強的對比由