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1、监测系统的组成,为了进行诊断，下列三项工作是必要的：与异常或故障相对应的信号的检测引出信号的特征，也就是信号处理识别故障原因，标定故障部位，即用于判定故障的软件,2.1 系统的组成和分类,信号变送系统（现场）,数据采集系统（设备附近）,处理和诊断系统（主控制室）,2.1 系统的组成和分类,实现状态自动监测的全过程应包括以下基本功能：（1）信号的变送（传感技术）用传感器收集原始信号（2）信号的处理（抗干扰技术）对传感器送来的信号进行适当预处理。如提高系统的信噪比（3）数据的采集 经过预处理的信号进行采集、A/D转换和记录（4）信号的传输 将信号传送到远离现场的数据处理单元,（5）数据处理 对所采
2、集的数据进行处理和分析，获取反映设备状态的特征值，为诊断提供有效的数据和信息（6）诊断 根据数据处理的结果，报告设备的状态、故障的部位。,大多数的诊断工作是靠人工的有效干预来完成的。但是，随着有知识库的专家系统的发展，在一定条件，自动化的诊断系统的实现也是完全可能的。,2.1 系统的组成和分类,系统的分类：1、按使用场所分 便携式和固定式2、按监测功能分 单参数监测系统 多参数综合性监测系统3、按诊断方式分 人工诊断 自动诊断,2.2 传感器,一、概述 传感器是将反映设备状态的各种物理量监测出来。要求传感器既能反映出原来的物理量，还要和信号处理、数据采集系统相匹配。通常由敏感元件和转换元件两部
3、分构成。传感器的输出通常是电信号（易于处理）。,2.2 传感器,正确选用传感器是设备诊断技术的一个关键环节 传感器的基本要求三个方面：1、能监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。2、对被测设备无影响或影响很微弱，吸收待测系统的能量极小，能和后续单元很好地匹配3、可靠性好，寿命长,如要求传感器输出的电流或电压信号，能符合模拟式数字技术的要求，否则必须经过信号调理。,2.2 传感器,传感器的种类：按用途划分：温度、振动、电流、电压等 按工作原理划分：应变式、压电式、电阻式等 按是否需要能量支持划分：无源和有源 按传感器技术的发展阶段划分：结构型、物性型和智能型,2.2 传感器
4、,二、温度传感器1、固体温度传感器（1）热电偶西贝克原理：温度的不同而产生电动势（温差电效应）,把两种不同导体的两端用焊接方法连接起来。测温时，一般将一接点置于被测温度场中，称测温端或工作端，另一接点放在某一恒定温度的物体内，称参考端或自由端。,热电偶产生的电势值和它所测温度间关系近似为二次方程，如下式：,这种装置的使用寿命，主要取决于工作温度和端点材料的尺寸大小。电机温度监测中用得最广泛的是由铜一康铜和铬镍合金一铝镍合金制成的热偶元件其使用寿命很长，可以使用许多年。缺点：灵敏度低，重复性不好，线性很差,2.2 传感器,（2）电阻式温度计是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温
5、度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成 两种结构：薄膜式和金属丝绕制（铂金和镍）可广泛用来做气体温度的测温元件 电阻式温度计的电阻的基值通常选定在0时为100欧。通常用惠斯登电桥来测量其电阻 优点：较大温度范围内具有良好的线性度，测量准确度较高 缺点：灵敏度较低，价格较贵。薄膜式元件的阻值常时间使用后还会产生漂移。,2、半导体温度传感器（1）热敏电阻 电阻值是温度的函数（阻值随温度变化大）优点：灵敏度高。响应快、体积小，成本低，可作开关用（如：当温度超过规定的极限时，用它来启动报警装置）缺点：线性度差，需要修正和补偿。,（2）温敏二极管和晶体管,温敏二极管在恒定电流条件下，PN结的正向电压与温度
6、在很宽的范围内有良好的线性关系 温敏晶体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 温敏晶体管与外围电路集成化，由于小型化、使用方便和成本低廉成为半导体温度传感器的主要发展方向,3、光纤温度传感器 透射光的强度随温度上升而下降。优点：高灵敏度、线性和动态范围，体积小，抗电磁干扰能力强 具有耐高温、耐水和良好的绝缘性，适用于监测处于高电位处或设备内部的温度。,图：半导体吸收型光纤温度传感器（a）传感器组成（b）传感器结构,其敏感元件是半导体传感器，它是用一个细小的不锈钢管中间夹持着一个半导体晶体薄片，两端分别固定住输入光纤和输出光纤，输入光纤另一端与一个光发射器（激光器
7、）相连接，输出光纤的末端则和一个光接收器（受光器）相连。当位于被测介质中的半导体传感器的温度有微小变化时，光发射器发出恒定亮度的光信号，沿着输入光纤传输，透过半导体晶体薄片后，其亮度受半导体晶体薄片的调制，透过的光由输出光纤传送主光接收器，通过光接收器的显示仪表，即能指示出被测介质的温度值。,2.2 传感器,三、振动传感器 振动不仅包括旋转电机的机械振动，还包括因静电力或电磁力作用引起的振动。如变压器局部放电引起的微弱振动等。根据测量振动的三个参数位移、速度和加速度，振动传感器可分为位移传感器、速度传感器和加速度传感器。根据振动频率确定所需测量的量。随频率上升应分别选用位移传感器、速度传感器和
8、加速度传感器。,振动的速度增加时，位移量减小而加速度要增加,（1）位移传感器 非接触式或邻近式位移传感器 当被监测系统运动部分质量较小，传递的力也是很小的时候，用位移传感器来测量振动是最好的方案。低频区有效，灵敏度达到，广泛应用于测量外壳位移量很小的重型电机基座的振动和偏心度。,2、速度传感器 由电势的大小来测定振动的速度。在10Hz一1kHz的频率范围内，用速度传感器测量振动速度是最为有效的。常用于测量各类电机的振动的均方值。优点：输出信号大，几乎不需要再增加信号适配器 缺点：不够坚固,3、加速度传感器 近年来，常常用加速度传感器来测量速度和位移，因为通过积分就可以从加速度求出速度与位移。传
9、感器输出电压正比于被测物体的振动加速度 常用来测量频率较高的振动，特别是对于频率超过1kHz的振动优点更为突出。是三个测量参数中灵敏度最高的。4、声发射传感器 监测更高频率的信号，60kHz100MHz。有窄带和宽带两种，在线监测常用窄带。,2.2 传感器,四、红外线传感器（新型传感器）用途：物体温度越高，发射的红外辐射就越多，因此可用来测量物体的温度 不同的气体或液体只能吸收某一波长或几个波长范围的红外辐射能，因此可用于进行成分分析 优点：非接触式的温度测量，测温速度快、范围广，测量灵敏度高；对被测温度场无干扰，可测量各种物体的温度 类型：热探测器，光子探测器,2.2 传感器,五、电流传感器
10、1、互感器型的电流传感器宽带型电流传感器和窄带型传感器2、低频电流传感器（50Hz250Hz）测量电容性设备的介质损耗角正切和氧化锌避雷器阻性电流3、霍耳电流传感器利用半导体材料的磁敏特性，通过测量其磁感应强度，推算出待测电流如用于断路器分合闸线圈电流的监测,4、光纤电流传感器试验阶段传光型（有源）电流传感器和功能型（无源）电流传感器,2.2 传感器,六、电压（电场）传感器1、电场传感器2、耦合式传感器常用于监测局部放电的特高频信号，广泛应用于电机和GIS的在线监测,2.2 传感器,七、气敏传感器干式和湿式两类其中接触燃烧式和半导体气敏传感器广泛应用于电气设备油中的溶解气体的监测,干式,2.2
11、 传感器,八、湿敏传感器用于气体，特别是大气中含水量的监测感湿材料的不同构成了不同的湿敏传感器,2.3 数据采集系统,采集来自传感器的各种电信号，并将其送往数据处理和诊断系统，以对监测到数据进行进一步的分析处理,设备诊断的数据采集系统,预处理单元,数据采集系统核心,2.3 数据采集系统,为了防止信号在长距离的输送中产生的衰减和畸变，对信号进行预处理，通常安排在数据采集系统之前采取一些抗干扰措施，提高信噪比将模拟信号转换为数字信号用于微机进行数据的分析处理,预处理单元在不同位置时对信噪比的影响,2.3 数据采集系统,一、常用数据采集系统结构1、多路分时采集系统由一个多路开关、公用的采样保持器和A
12、/D转换器组成,优点：结构简单、使用元件少，价格便宜缺点：由于对信号的采集是多路开关分时切换，轮流选通，因而各路信号是依次被采集的，不能得到同一时刻的数据，只能用于中速和低速检测系统中。,2.3 数据采集系统,2、多路同步采集系统多路转换开关之前的每个信号通道上增加了S/H保持电路，从而实现同步采样。,优点：实现了信号的同步采样缺点：所用器件多,2.3 数据采集系统,3、低电平数据采集系统由于信号弱，要考虑热电势、共模电压等引起的误差，因此采用差分输入，并且采样保持前对信号进行差分放大,2.3 数据采集系统,二、信号的预处理来自传感器的信号通常需经过一系列的变换以适合数据采集系统，实现这些变换
13、的电路功能就是信号的预处理。当传感器输出信号十分微弱时，必须采用前置放大器提高对信号的分辨率当信号含有较多的噪声成分时，必须进行滤波处理信号传送过程中不可避免要受到其它信号的干扰，必须采取抗干扰技术放大，滤波，抗干扰,1、信号的传输和传输过程的干扰抑制（1）监测系统内部的相互干扰 各个通道间尽可能拉开一定的距离，特别要避免通过电磁耦合相连 保证一点接地（避免形成地线环流引起共模干扰）数字地和模拟地分开地线尽可能粗、短以降低回路阻抗。隔离变压器隔离（磁隔离）、光电隔离,磁隔离输入回路是由直流电源供电，输出回路则是通过变压器耦合供电 光隔离（隔离电位可从数百伏至数千伏）输入回路和输出回路必须内两个
14、独立的直流电源来供电,（2）来自监测系统外的电磁干扰广播、载波通信、高次谐波 可控硅整流高压输电线的电晕放电、继电器断合、电焊等操作,连续的周期性干扰,脉冲型周期性干扰,脉冲型干扰,外部电磁干扰的传播途径：从交流电源进入在信号传送过程中通过电磁耦合进入通过传感器和信号混叠后一起进入监测系统,主要干扰源,共模抑制线圈,差模电容,共模电容,（3）抗干扰抑制技术抑制随传感器进入监测系统的干扰（包括白噪声）白噪声包括各种随机噪声，如绕组热噪声、地网噪声、配电线路以及变压器、继电保护信号线路中由于耦合进入的各种噪声等。,硬件措施：硬件滤波器、差动平衡系统、电子鉴别系统软件措施：数字滤波器：对数字信号按一
15、定要求进行运算处理，而后以数字形式输出。平均技术：减弱随机性干扰影响逻辑判断开窗：对一些已知且相位固定的干扰，运用电子技术或软件方法对这些信号不予采集、不显示或直接置零,2.4 光电信号传输通道,光电信号传输通道由光源、光纤和光检测器组成。（1）光源发光二极管（LED）和激光二极管（LD），将电信号变为光信号（2）光纤光信号的传输通道（单模和多模）（3）光监测器半导体光电二极管或雪崩光电二极管，将光信号变为电信号,将所传送的监测信号或控制信号通过一定的方式调制光频载波，由光频载波输送信号。是一种光强度调制方式。一、信号的调制方式调幅式调制调频式调制脉码调制光强调制：数字光信号的传输方式（强抗干
16、扰能力，可以长距离输送）,二、信号的多路复用一个传输通道传送多路信号1、频分复用：多路信号调制成不同中心频率的调频波，解调2、时分复用：在不同的时间上传送不同的信号，适于数字信号的传送三、数据的传送1、并行传送：程序查询传送、程序中断传送、DMA传送2、串行传送：通过微机的RS-32异步串行通信端口传送,2.5 数据处理,通过处理将干扰信号抑制，提高信噪比，以防止对故障作出误报或漏报将采集到的数据作一些由表及里的分析处理，使之成为在线诊断设备故障的可靠判据,2.5数据处理,常用数据处理技术：时域分析频域分析相关分析：信号测量和分析时，由于背景噪声的影响，信号的周期性就难以呈现，利用相关分析则可
17、以识别信号的周期性。统计分析：均值计算、二维谱图、三维谱图,2.6 诊断,诊断是根据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，以确定：该设备可否继续运行；是正常运行，还是加强监测；是安排计划检修，还是立即停机检修等。,2.6 诊断,诊断内容：（1）判断设备有无故障（2）判断故障的性质、类型和原因如：绝缘的劣化是由热因子还是电因子等引起的（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及发展趋势作出诊断（4）判断故障的部位，及故障定位（5）作出全面的诊断结论和相应的反事故对策,例如：变压器的绝缘寿命可通过测定绝缘纸板的平均聚合度来推测其剩余寿命绝
18、缘纸板的平均聚合度与油中的糠醛含量有如下关系：,例如：用低压脉冲法对电缆的故障定位知道脉冲波的传播速度，测出脉冲波到故障点的往返时间，就可以求出故障点的距离。还可以确定线路故障是开路还是短路。,2.6诊断,电气设备诊断的方法可分为阈值诊断、模糊诊断、时域波形诊断、频率特性诊断、指纹诊断、基于人工神经网络诊断以及诊断专家系统,一、阈值诊断是通过测试，按照所得特征是否超过规定阈值来判断设备状态的方法。可用来判断设备是否有故障，也可判断故障的严重程度以及故障类型和原因如通过监测绕组温度是否超过温度阈值来判断发电机定子绕组热故障存在误报和漏报可能性,二、模糊诊断采用模糊集合论的方法进行诊断关键是确定隶
19、属函数，该函数是在诊断经验或故障统计的基础上确定的。常见的隶属函数有：梯形分布、形分布和哥西分部等,三、时域波形诊断通过测试，将某种物理量随时间变化的曲线与事先已测到的标准曲线对照来判断设备状态的方法,高压开关电磁线圈电流波形,四、频率特性诊断根据测得设备频率特性，或某种物理量的频谱与和已知的标准频谱进行对照来判断设备状态的方法例如：变压器绕组在频率超过1kHz时，可等效为一由电感、电容组成的无源线性二端口网络。因此一定的参数其频率响应是一定的。若绕组发生变形其电容电感参数发生变化从而频率响应特性也发生变化。,五、指纹诊断将对设备进行测试和数据处理得到的某种特殊图形与已知的标准图形做对比来判断设备状态的方法指纹诊断包括目测诊断和参数诊断。,准确度取决于操作人员的经验,对于有些绝缘结构，当老化十分严重时，其 谱图很不对称、往右倾斜。因此可以根据图形的不对称度来判断设备的老化程度,六、基于人工神经网络的诊断将人工神经网络作为模式识别的一种工具来对设备进行诊断七、专家系统诊断专家系统是一种将专家的专业知识及含糊、复杂的经验知识存入计算机、非专家运用计算机的推理功能，以对话形式作出专业决断的系统。,发展在线监测技术的关键是：传感器技术、抗干扰技术和诊断技术,
