电气设备故障诊断

1. 电气设备故障诊断 第4讲：检测技术——普通传感器

2. 序：检测装置的选择原则 状态量是设备运行中出现的各种正常和异常特征信号量的总称。异常特征信号量是主要的检测对象。 监测输入量——输入量泛指作用于设备、推动设备运行和导致设备劣化的各种输入量。输入量监测的目的在于查明异常或故障的来源，同时根据实际情况，进一步推测设备的运行可靠性和使用寿命。 如机械力、化学作用、电或磁力的作用力等等。 监测运行状态量——设备发出运行状态量有主动和被动两种方式。 主动发出的信号：主要是具有转动部件的设备，在运行中常会发出振动、热量或声音、光等信号，统称为一次信号。 被动发出的信号：主要针对静止的设备或没有运动部件的设备，必须采取预加一定量的输入，迫使设备发出信号（即二次信号），借以诊断设备的内部状态。取得二次信号的方法有：外部刺激法、照射法、涂敷料法。 监测输出量——确定设备的功能指标。

3. 序：检测装置的选择原则 根据故障模式以及设备的不同，现在已有多种门类的监测装置

4. 序：检测装置的选择原则 • 一般情况下，选用检测装置应考虑以下条件： • 在故障的孕育期间应尽早发现设备内部异常征兆； • 诊断方法应尽可能简单，而且在被测设备外部进行； • 最好不在停机条件下工作，或虽停机，但在不拆卸部件情况下进行； • 能以多种运行条件的设备为对象进行工作； • 测量量程范围和精度等级一定要满足诊断要求。 • 信号采集（测试）工作是为了获取诊断对象的状态信息而进行的一系列技术活动。监测装置包括传感器、中间变换等等，直到信息显示。

6. 一、传感器 对同一种特征参量的描述方法也不尽相同。 例如：描述振动可以用位移、速度或加速度等信号，温度可以用度数、温差、热像等不同的信号。 选用传感器： 首先要注意选用最恰当的参量描述和转换的方法； 其次是测点的位置和测量装置的布置，要便于安装、拆卸、检修和调整。 对于需要安装多个传感器的场合应进行优选，力求用最少量的传感器经过合理布置，取得代表整机组运行状态的最灵敏的信息量。 • 表征设备状态量的信号多种多样，设备运行状态量大体上有三种： • 机械量信号 包括：①与生产功能无直接关系的信号，如振动、声音、轴承温度等；②与生产功能有直接关系的信号，如汽轮机的汽压、汽稳、转速等 • 电磁信号 有电压、电流、频率、局部放电电荷、磁场强度等。 • 化学信号 如绝缘油含烃量、润滑油酸阶等。 • 传感器是测试系统的重要组成部分，用来接受被测信号的量值。它的功能是把被测物理量转化为相应的可以采集、传输、转换或处理的信号。传感器是设备监测与诊断技术的基础，它的精确度决定了监测与诊断技术的精确度和可信性等级。

8. 传感器特性与性能 主要性能参数： 精确度 表示传感器输出与被测特征量的对应程度。精确度要与整套测量装置的性能相适应。 线性范围 在线性范围内，传感器的输入和输出呈现一定的比例关系。超出线性范围将出现非线性误差，影响测量精确度甚至无法工作。必须注意被测物理量的变化范围。 稳定性 长期使用后，输出特性保持原有状况的程度。稳定性能与使用环境、温度、湿度、尘埃、油污有关系。 如零点漂移、灵敏度漂移、标定有效性。 灵敏度 表示传感器感知被测量变化的能力。灵敏度高就是被测量稍有变化，传感器输出即相应变化。灵敏度高能检出状态信号的微小动态变化，也将对外界干扰过于敏感，易造成误诊。如果被测量是二维或三维的向量，则传感器交叉灵敏度越小越好 。 传感器的静态特性，指在稳态信号作用下，其输入——输出关系。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。 传感器的动态特性，指传感器对激励（输入）的响应特性。好的动态特性，其输出随时间变化的规律（变化曲线）将能同时再现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数。用时域的瞬态响应和频域的频率响应来分析动态特性。 延迟特性或响应特性 假定被测物体温度在相当长时间内稳定不变，当用一般温度计测量温度时，经过一定时间，待温度计指示缓缓上升到稳定以后，才能得到真正的物体温度。温度计指示落后于被测物体温度时，称为延迟。表计指示随时间的延长而上升，逐渐接近于被测量的特性就是响应特性。 当被测物理量随时间变化时，传感器的输出必须在所测频率范围内保持被测量的真实变化。特别在动态测量时特别注意响应特性的影响。 抗干扰 电气设备经常处于强电磁干扰下运行，为减少或消除干扰，要特别注意传感器的输出阻抗、信号形态和信号变化率。各种干扰有不同的耦合方式，应注意采用有效的抗干扰措施。

9. 传感器的发展动向 • 开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺； • 实现传感器的集成化与智能化 Ø发现新现象，如日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁传感器，其灵敏度比霍尔元件高，仅次于超导量子干涉器件（工艺复杂），可用于磁成像技术。 Ø开发新材料，如半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维运用方便。 Ø采用微细加工工艺 Ø研制多功能集成传感器，如催化金属栅与MOSFEJ相结合的气体传感器已广泛用于检测氧、氨、乙醇、乙烯和一氧化碳等。 Ø智能化传感器，自带微处理芯片，兼有检测、判断和信息处理能力。典型的如美国霍尼尔公司的ST-3000型智能传感器，在芯片上制作CPU。EPROM和静压、压差、温度等三种敏感元件。 仿生传感器研究，如视觉、味觉、嗅觉、触觉传感器等模仿人的感觉器官功能。

10. 中间变换 • 被测对象的量值，通过传感器以后通常是变成电压、电流、电阻、电容等便于传输和测量的电气量，也有些变成机械位移。为便于驱动仪表或输入计算机，要经过中间变换环节，即将信号进行放大运算、调制、滤波、模拟量数字量转换等。

11. 信号采集方法 • 表征设备状态量的各种信号具有不同的特性，信号采集亦应选用适当的方法。在诊断系统中一般采用有以下的几种： 一次性采样 即每次只采集一个足够数据处理所需长度的信号样本 定时采样 按事先整定的周期进行采样 利用发生随机故障时的信号突变，自动采样 根据故障诊断的特殊要求，采用转速跟踪采样、峰值采样等特殊采样方式

12. 二、电参量测量 电参量的测量主要指电压、电流、功率、频率、阻抗和波形等参数的测量。这些电参数用来表征电气设备和电气系统的性能。 电测量的特点 • 电压和电流的范围广：从纳伏级到数百千伏的高压； • 信号频率从直流到数十吉赫的射频；而且往往交直流并存；被测信号除基波外，还含有高次谐波； • 被测信号源的等效内阻的范围比较广。 在测量方法上，应结合被测信号的特点，选择适当的测量方法和仪器仪表，以达到较高的准确度。

13. 低频交流电压的测量 平均值电压表 有效值电压表 电参量测量——常用手段 在低压电气系统中，万用表是测量直流电压、电流、交流电压、电流与电阻的常用工具，有数字万用表和模拟万用表。 阻抗的测量是指对电阻、电容、电感、互感、介质损耗角以及品质因素等进行的测量。常采用伏安法和电桥法（直流电桥——测电阻，交流电桥——测电感、电容）。 脉冲电压的测量 一般指脉冲的幅值测量。 当脉冲电压的频率较高，占空比（tω/T）较大时可用峰值表测量。 如果脉冲周期T很长而脉冲宽度很窄，用峰值表测量会产生很大误差，用示波器测量（示波器具有较高输入电阻，具有自动放电功能的脉冲幅值保持电路，能很好地跟踪每一个输入脉冲的幅值）。 高频电压的测量 检波——放大式（称峰值表） 调制式 外差式电压表。

14. 频率时间和相位的测量 • 直读法——电桥法、谐振法 • 比较法——拍频法、差频法、示波器法（李沙育图法，测周期法） • 计数法——电容充放电法、电子计数法 频率测量的精确度已达10-13数量级，在检测技术中常将一些非电量或其它参量先转换为频率，然后再加以测量，以提高测量的精度。

15. 三、磁测量 磁测量是将被测磁量与单位标准磁量进行比较的过程。它研究与磁现象相关的物理过程。 主要包括两个内容：对磁场以及在磁化状态下物质的各种磁性的测量；对物质的磁结构及磁效应的研究。 一些表征磁场特性的参量是：磁感应强度B、磁场强度H、磁场梯度H/l等；以及这些量的矢量分量和模数。 一些表征磁性材料特性的参量是：静态（或动态）下的磁化曲线B~H、磁滞回线B（H）、剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc、微分磁导率等。

16. 磁测量方法分类 • 磁测量是应用电磁学理论和一些物理效应的原理而发展的

17. 磁场测量 电磁感应法，法拉第电磁感应定律。在磁场中的探测线圈通过移动、转动和振动等方式使线圈中的磁通量改变，由感应电势确定磁场。 电磁效应法，利用金属或半导体中通过的电流在被测磁场作用下产生的电磁效应。主要有：霍尔效应、磁阻效应、电磁复合效应。如霍尔效应广泛应用于测量电机、变压器、继电器的漏磁，测量大电流等。 磁饱和法，利用饱和磁场的磁感应强度与磁场强度的非线性关系。用于测量较弱的恒定磁场或缓慢变化的磁场。 磁共振法，利用物质量子状态变化而精密测量磁场。根据利用物质的不同，有核磁共振、顺磁共振和光泵共振。 超导效应法，利用弱耦合超导体内的约瑟夫逊效应原理测量弱磁场。制成超导量子干涉仪（SQUID）。 磁光效应法，利用磁场对光和介质的相互作用而发生的磁光效应，可测量恒定磁场、交变磁场和脉冲磁场。

18. 四、非电量的电测量原理 用电的方法和手段对非电物理量、化学量等进行测量称为非电量电测量。 非电量电测系统由以下部分组成： ①将待测的非电量转换成相应电量的传感器； ②对电量进行测量的测量电路及 ③非电量的显示及处理装置。 关键是研究如何将非电量转换为电量的传感器。

20. 传感器特点 灵敏度高，响应快，反作用小，可无接触测量或远距离测量； 多采用固体传感元件，寿命长、体积小、质量小、可靠性高、价格便宜； 易用超声、激光、红外、微波、放射线等先进技术； 易于连续测量，可进行数据传输、记录和处理。

21. 传感器发展趋势 • 扩大测量领域和测量范围，提高测量准确度、速度及可靠性； • 开发非接触检测技术； • 数字化测量 • 开发集成化、多功能传感器，使非电量测量系统一体化、微型化； • 与微电脑结合，实现非电量电测智能化。

22. 五、振动电测量 振动内因：弹性和惯性；外因：激发振动的外力 振动测量包括振动位移（振幅）、振动速度、振动加速度和振动频率、相位与频谱、功率谱等量的测量。 振动测量仪器由拾振器（传感器）、放大器等测量电路及记录、指示仪表组成。 • 拾振器具有独立的结构，其作用是将机械振动量（位移、速度、加速度）变换成测量电信号输送出去。按其工作原理分为磁电式传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、电容式传感器等。

23. 磁电式——振动速度转换成感应电动势 压电晶体——敏感元件输出电荷量与被测物体的加速度成正比（正压电效应） 电涡流——由于互感的影响，通过测定线圈阻抗的变化来确定涡流载体的位置

24. 拾振器的选择 • 选用位移拾振器 • 要求振动限幅； • 需分析振动体应力时，可据测量振动位移确定； • 低频振动时，速度、加速度值太小，不便测量。 • 选用加速度拾振器 • 高频振动； • 测量或分析力、应力或载荷时，可据测量加速度值确定； • 在不容许使用体积或重量较大的拾振器时，常采用压电式加速度计。 • 选用速度拾振器 • 当振幅较小，不便于测量位移的中频范围； • 当测量与声响有关的振动时，振动部件在空气中产生的声压正比于振动速度；

25. 测振仪的主要功能 • 对传感器输出的微弱信号进行线性放大； • 对测量信号进行微积分变换，以获得所需振动特征参数（加速度、速度或位移）； • 将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出 • 使不同传感器的输出归一化。

26. 六、噪声电测量 噪声是由复杂声波杂乱无章组合而成的声响。 在电气设备中，噪声有空气动力性噪声（由气体振动引起）、机械性噪声（振动引起）、电磁性噪声（由于电磁相互作用产生周期性交变力引起电磁振动所产生）。 空气动力性噪声：（在高速开启式电动机中最大） 涡流噪声——主要由转子和风扇引起冷却空气流在旋转表面交替出现涡流引起，其频谱范围宽。 笛鸣噪声——通过压缩空气，或空气在固定障碍物上擦过而产生的，即“口哨效应”，主要由径向通风沟引起。随着转动部件和固定部件之间间隙的减小而加强。 电磁噪声： 由气隙中谐波磁场相互作用引起，其强弱与定子的动态刚度、固有振动频率和声学特性有关。原因主要有：铁心饱和的影响、开口槽的影响、磁通振荡、气隙动态偏心、外来的高次谐波及电机故障（磁极匝间短路、断条、铁心压装不紧、装配气隙不均）。 机械噪声： 最常见原因是转子动平衡不好，其频率和旋转频率相同。

27. 噪声测量仪 噪声的主要参数是声压、声强、声功率和噪声频谱。声学量——分贝db。 测量声压级的声级计，主要由传声器、输入级、放大（衰减）器、计权网络、检波电路及电源等部分组成。其中，传声器是将声波信号转换电信号的传感器，有压电式和电容式两种。 压电式——利用压电晶体的压电效应实现电转换，特点是灵敏度高、体积小、结构简单、可靠，缺点是高频响应不够宽，容易受温度的影响。 电容式——由振动膜片和后极板构成平板电容器，当声波作用于膜片使其在平衡位置两侧振动时，导致两平行板极间的距离发生微小变化，电容量随之发生变化。特点是动态范围宽、在声频范围内响应线性好、灵敏度高，有长期的稳定性。

28. 七、温度测量 常用电测温度仪表

29. 热电阻测温 • 原理：（金属等）电阻值随温度而变化。半导体中热激发载流子将随着温度升高而增加，使电阻下降。 • 稳定性好，易实现准确测量 • 可遥测 • 自动记录 • 报警和控温 • 用作低温测试（-272 ~ 500℃），可做测温标准。

30. 热电偶测温 • 原理：两种不同金属的接触电势随温度而变化。此电动势称做塞贝克温差电动势（热电效应）。 • 常用有普通金属热电偶、贵金属热电偶、难熔金属热电偶。 • 特点： • 准确度高 • 线性好 • 测温范围宽 • 稳定性好 • 信号可远传、自动记录、报警并控温的特点 • 需冷端补偿和补偿导线。

31. 热通量电测量 • 单位时间内通过单位表面积传递的热量称做热通量。 • 热通量计 • 辐射计（辐射） • 量热计（辐射与对流） • 表面热流计（传导、对流及辐射的总和）

32. 电机中温度的测量 《旋转电机基本技术要求》规定： 定子绕组或其它部分温度测量方法有：电阻法、埋置检温计法（ETD）、温度计法和叠加法（即双电桥测温法）。 电阻法和叠加法是测量绕组的平均温升，温度计法和埋置检温计测量的是局部温升。双电桥测温法是在负载电流上叠加一微弱直流电流，以测量绕组直流电阻随温度而发生的变化来确定交流绕组的温升。 电机测温范围包括：各部绕组，轴承，进、出口风温等。 转子温度测量必须考虑承受振动、离心力和电磁干扰的因素，可有接触式（采用滑环传递转子温度信号）或非接触式（调频方式和红外方式传递信号）。

33. 氧化 还原 电导高 电导低 八、气体检测 气体传感器是指将被测气体浓度转换为成一定关系的电量输出的装置或器件。 [电子型]不同种类的气敏材料（金属氧化物，通过掺杂或调节其化学剂量比使其半导体化），当它处于不同气氛的环境中时，其电阻值将产生不同程度的变化。可制成各种类型的气敏元件。当待测气体吸附在材料表面时，将产生氧化或还原反应，改变材料表面的载流子浓度，或改变这种载流子的迁移率，即使电阻值随环境中气体的浓度而改变。 • 一、表面吸附控制型： • 吸氧（表面吸附） 引起电导降低 • 在还原性气氛中，吸附氧脱附，引起电导增加 • 二、体效应型 • 如Fe2O3，在测气氛中金属价态发生变化（氧化还原反应），引起材料电导的变化。 可检测还原性气体

34. 可检测的气体种类

35. 常用的气体成分测量仪

36. 改善气敏元件的气体选择性常用的方法 • 在气敏材料中渗入合适的添加物，可使对某一气体的最佳吸、脱温度降低，灵敏度、选择性提高； • 控制元件的烧结温度； • 改变元件工作时的加热温度。

37. 气体传感器的要求 • 能够检测爆炸（有害）气体的允许浓度和其他基准设定浓度，及时给出报警、显示和控制信号。 • 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。 • 性能长期稳定性好。 • 响应迅速，重复性好。 • 维护方便，价格便宜。 • 较强的抗环境影响能力。

38. 油中溶解气体分析原理 正常情况下充油电气设备内的绝缘油及有机绝缘材料，在热和电的作用下，会逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及一氧化碳、二氧化碳等气体，这些气体大部分溶解在油中。 当存在潜伏性过热或放电故障时，会加速这些气体的产生速度。在变压器中，当产气速率快于溶解速率时，会有一部分气体进入气体继电器。 故障气体的组成和含量与故障的类型和故障的严重程度有密切关系，因此，分析油中溶解气体的成分和含量，就能及早发现变压器内部存在的潜伏性故障，并掌握故障的发展情况。

39. 油中溶解气体分析原理 油中溶解气体色谱分析(Dissolved Gas-in-oil Analysis，简称DGA)就是抽出、分析溶解在变压器绝缘油中的气体，根据气体的成分和含量监测、诊断变压器内部的异常。 取气体分析特征组分为氢气(H2)、烃类(甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2)及一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)，则故障性质与气体组成具有一定的对应关系。 。 绝缘耐热等级：Y(90)、A(105)、E(120)、B(130)、F(155)、H(180)

40. ①当发生金属性(分接开关、铁芯、裸接头、箱壳等)局部过热故障时，绝缘油受热分解，油中溶解气体的特点是烃类气体总量较高，且其中甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)为主要气体。①当发生金属性(分接开关、铁芯、裸接头、箱壳等)局部过热故障时，绝缘油受热分解，油中溶解气体的特点是烃类气体总量较高，且其中甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)为主要气体。 ②当纸或纸板等固体绝缘(引线绝缘、铁轭绝缘、穿芯螺栓绝缘等)过热分解时，油中溶解气体中CO与CO2的含量也将增加。如果是固体绝缘过热但温度不高，则色谱分析中总烃含量不高，而CO与CO2含量较高。CO、CO2的含量增加是涉及固体绝缘故障的显著特征。 ③当变压器内部存在放电时，其特征是乙炔(C2H2)和氢气(H2)含量较大，乙炔含量高低是区分过热与放电故障的主要特征。根据放电能量的高低特征，气体构成发生变化。当发生高能量的电弧放电时，会产生相当多的甲烷与乙烯，而局部放电由于能量低，特征气体主要是氢气，其次是甲烷，只有少量的乙炔产生，因而总烃值并不高。 ④当变压器受潮或油中有气泡时，在强电场作用下会分解产生大量的氢气。

41. 根据溶解气体组成与故障性质的关系的统计分析，国内外学者提出了诸如特征气体判断法、组分编码比值判断法、产气速率判断法等方法，实践证明均具有一定的故障诊断效果。

42. 九、局部放电的检测 局部放电指导体间绝缘被部分桥接的电气放电。放电可以在导体附近发生，也可以不在导体附近发生（导体周围气体中的局部放电有时称为“电晕”）。 • 局部放电量可以反映设备绝缘状况，放电功率、放电次数、放电时间间隔也从一个侧面反映绝缘的状况。必须进行综合分析和比较判断。 • 电力设备局部放电将伴随有发热、发光、高频脉冲、高频电磁辐射、超声波向设备容器外壁撞击和超声波辐射，还有绝缘介质材料的物理或化学的侵蚀或腐蚀等多种征兆信号出现。局部放电即通过上述参量的变化进行监测。

44. 1．直接测量脉冲电流或脉冲电压 并联电路局部放电测量：当设备产生局部放电时，会在测试回路里产生电荷转移，使检测阻抗中脉冲电流通过，形成脉冲电压。通过脉冲接受、改善波形、放大波形，最后取得视在放电电荷量。 串联电路局部放电测量：直接测量放电电荷的转移量。 脉冲电流法：用电流互感器测量局部放电信号。电流互感器通过磁环套在变压器接地线上，或套在未屏接地端子的引下线上。 电磁波辐射测量：测试电磁波影响范围的发展和磁场强度的变化，可定性判断设备是否有异常，以及异常的方向或部位。可用作巡回检查。

45. 2．超声波测量 利用放电的可听频率和超声频率（70-150kHz）的声压原理。可用在工频电压和冲击电压下，受干扰小，灵敏度大，用来判断放电部位。缺点是不易定量，经常和脉冲电流法组合使用。 采用的传感器是钛酸钡或钛酸脂制成的压电晶体，在声压的作用下有电压输出。为了检测出微弱信号，加用前置放大电路。

47. 3. 无线电频率现场诊断技术 在高压变电所为探测各种放电和定位用。利用天线进行无线电频率干扰（RFI）测试，由一台射频频谱分析仪或射频接受机与各种不同的天线（如0.15~30MHZ的环形，30~300MHZ的双曲线，200~1000MHZ的对数周期式天线）组合而成。可以进行数学滤波以取得洁净波形的数据。电视及广播调频电波与干扰场强的对比由一台频谱分析仪加以测量。 • 各种不同的电气放电产生无线电波辐射，可以为天线检测。不同的放电产生不同频率的辐射，这可以用来确定放电的型式。 • 确定放电型式的射频频谱分析仪也可以用作时域测量，在某些情况下对放电的严重性进行评价，因为不同的电晕，往往在工频电压的不同相位上发生。 • 频率越高，干扰讯号传播的衰减越快，所以为确定一个噪声源，尽可能使用最高的频率。 • 当距离放电源较近时，使用装配有抛物线反射器的超声波定位仪更为有利。电晕和间隙放电在它们周围同样放射出音频及超声讯号。

48. 十、传感器技术的最新发展 1. 固态传感器技术 新一代硅传感器——微型化、多功能化、智能化和系统化，核心技术是微电子机械加工技术（MEMT）； 关键技术有硅各向导性（腐蚀自停止）、刻蚀技术、硅/规键合技术、硅/氧化硅/硅键合技术、面微机械技术（三微加工、光刻）

49. 十、传感器技术的最新发展 2. 导波光学传感技术 优点：无电磁干扰，良好的绝缘性、抗噪声

50. 十、传感器技术的最新发展 3. 微生物传感器 由分子识别元件（感受器）和信号转换部件（换能器）两部分组成。 感受器：是生物成分（如酶、抗原、抗体、激素、DNA）或生物体本身（细胞、组织）能特异地识别各种被测物质并与之反应。 换能器：电化学效应、离子敏场效应管ISFET、热敏电阻器、压电晶体等，将生物化学信号转变为可测电信号。