整套課件：電器測(cè)試與故障診斷技術(shù)

電器測(cè)試與故障診斷技術(shù)Theelectricappliancestesttechnique目錄第一章緒論第二章電器的測(cè)量基礎(chǔ)第三章電器中基本電磁量的測(cè)量方法第四章電器的非電量測(cè)量第五章高壓電器性能試驗(yàn)第六章低壓開關(guān)電器性能試驗(yàn)第七章絕緣試驗(yàn)第八章電器設(shè)備維修技術(shù)第九章高壓電器的監(jiān)測(cè)與診斷第十章低壓電器的監(jiān)測(cè)與診斷電器測(cè)試與故障診斷技術(shù)第一章概述課程特點(diǎn)電網(wǎng)的改造及其對(duì)電器的要求電器測(cè)試及故障診斷的意義本書主要內(nèi)容上課要求作業(yè)課程特點(diǎn)

電器測(cè)試技術(shù)是一門專門的科學(xué)技術(shù)，它涉及到標(biāo)準(zhǔn)要求、測(cè)試方法、測(cè)試儀器和設(shè)備等許多方面，尤其是對(duì)高壓大容量電器的性能試驗(yàn)，難度大費(fèi)用高，如何在保證產(chǎn)品符合考核的嚴(yán)格要求條件下，試驗(yàn)的次數(shù)最少，是電器測(cè)試技術(shù)的重要研究課題之一。因此，電器產(chǎn)品、設(shè)備測(cè)試基地的建設(shè)和測(cè)試技術(shù)的研究歷來(lái)受到世界各國(guó)重視。另一方面，隨著電器產(chǎn)品自動(dòng)化和智能化程度的提高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)就越來(lái)越復(fù)雜，因而其故障率會(huì)相應(yīng)上升，即使可靠性高的電器設(shè)備在使用中也會(huì)發(fā)生故障，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此，研究故障診斷技術(shù)及其處理方法的必要性，在現(xiàn)代電器事業(yè)中已經(jīng)凸現(xiàn)出來(lái)。顯然，故障診斷技術(shù)是以測(cè)試技術(shù)為基礎(chǔ)的，因此將兩者結(jié)合在一起是合乎事物發(fā)展規(guī)律的，這也是本課程的一個(gè)重要特點(diǎn)。電器測(cè)試與故障診斷是保證電器設(shè)備安全運(yùn)行的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，該課程首次將兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合講授，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不但掌握現(xiàn)代電器測(cè)試技術(shù)，同時(shí)也了解如何在試驗(yàn)或運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)電器試品中的缺陷，并能及時(shí)排除故障。反映了電器設(shè)備的內(nèi)在聯(lián)系和本專業(yè)特有的思維方法；教材展示現(xiàn)代電器產(chǎn)品試驗(yàn)的主要特點(diǎn)，為電氣工程專業(yè)的學(xué)生把握電器測(cè)試發(fā)展趨勢(shì)提供有益的參考；結(jié)合目前電器測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，提供最新的電器測(cè)試方法和原理；充實(shí)了開關(guān)電器中機(jī)械故障診斷的新知識(shí)，為電器試驗(yàn)中機(jī)械故障的發(fā)現(xiàn)、排除和電器維修提供參考；新增了開關(guān)電器中電氣故障診斷的內(nèi)容，包括電器局部放電故障診斷、電器絕緣性能故障診斷、電器溫升故障診斷等內(nèi)容；該課程選用的教材較全面地反映了本學(xué)科國(guó)內(nèi)外研究和教學(xué)的先進(jìn)成果，能完整地表達(dá)本課程應(yīng)包含的知識(shí)，注重理論聯(lián)系實(shí)際，有利于電氣工程類專業(yè)本科生更好地掌握專業(yè)知識(shí)。電網(wǎng)的改造及其對(duì)電器的要求1.1.1概況2003年總裝機(jī)容量3.84億kW，年發(fā)電量19067億kW·h，其中火力發(fā)電占74.4%，水力發(fā)電占24%，核電占1.6%。2005年總裝機(jī)容量已達(dá)5.08億kW，年發(fā)電量24747億kW·h，其中火力發(fā)電占75.6%，水力發(fā)電占22.9％，核電占1.35%。2010～2015年全國(guó)總裝機(jī)容量將達(dá)到6億kW～9.5億kW，年發(fā)電量將達(dá)到2.8萬(wàn)億kW·h～4.3萬(wàn)億kW·h。但我國(guó)人均裝機(jī)容量只有0.25kW，世界人均為0.6kW；我國(guó)人均年用電量只有1093kW·h，世界人均為2400kW·h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界水平。輸配電網(wǎng)大致可分為：城市電網(wǎng)(簡(jiǎn)稱城網(wǎng),輸送全國(guó)電力接近2／3)；農(nóng)村電網(wǎng)(簡(jiǎn)稱農(nóng)網(wǎng)，輸送全國(guó)電力1／3強(qiáng))；接觸網(wǎng)(簡(jiǎn)稱電鐵，輸送全國(guó)電力不到1%)。

1.1.2電力發(fā)展對(duì)電器的要求1.城網(wǎng)對(duì)電器的要求根據(jù)城市供電的特點(diǎn)，對(duì)電器開關(guān)提出了如下要求：(1)小型化與自動(dòng)化在城市中心，新建設(shè)電站要按無(wú)人值班（少人職守）設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)有變電站進(jìn)行改造也要以建成無(wú)人值班變電站為目標(biāo)，要加大推廣采用封閉式組合電器（GIS）的步伐，努力減少占地和建筑面積。(2)中壓開關(guān)無(wú)油化我國(guó)曾是油斷路器的王國(guó)，而城網(wǎng)越來(lái)越多地要求用無(wú)油斷路器。油斷路器雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且價(jià)格便宜，但容易發(fā)生火災(zāi)和爆炸，且檢修周期短，這不僅對(duì)運(yùn)行不利，且檢修費(fèi)高。在城網(wǎng)的高層建筑中，不準(zhǔn)使用含油的電器，包括油浸變壓器和油斷路器。無(wú)油斷路器在它服役期間可不需檢修或維修，因此無(wú)油斷路器很適合城市的使用。(3)采用環(huán)網(wǎng)供電單元由于在城網(wǎng)建設(shè)和改造中，推行環(huán)網(wǎng)供電，于是環(huán)網(wǎng)供電單元應(yīng)運(yùn)而生，環(huán)網(wǎng)供電不像架空線路，臨時(shí)故障多，因此，環(huán)網(wǎng)供電容量較小，且不要求高壓開關(guān)重合閘。這種環(huán)網(wǎng)供電單元不同于一般的斷路器柜，而是由3個(gè)間隔組成：進(jìn)線間隔，出線間隔和變壓器回路間隔。所用的開關(guān)，一般也不是斷路器，而是負(fù)荷開關(guān)及熔斷器。(4)采用預(yù)裝式變電站預(yù)裝式變電站俗稱箱式變電站，它不同于常規(guī)化土建變電站，其主要特點(diǎn)為：①變電站在制造廠完成設(shè)計(jì)、制造與安裝，并完成其內(nèi)部電氣接線；②變電站經(jīng)過規(guī)定的型式試驗(yàn)考核；③變電站經(jīng)過出廠試驗(yàn)的驗(yàn)證。2.農(nóng)網(wǎng)對(duì)電器的要求(1)戶外式根據(jù)農(nóng)網(wǎng)特點(diǎn)，高壓開關(guān)為戶外式，這就要求解決外絕緣問題，如SF6斷路器或重合器、分段器，用SF6氣體既滅弧又絕緣，而真空斷路器或重合器、分段器用真空滅弧，外絕緣用油、SF6或發(fā)泡塑料等。它不需建造廠房，可節(jié)約面積和造價(jià)30%～40%。(2)小容量農(nóng)網(wǎng)用斷路器的容量遠(yuǎn)低于城網(wǎng)斷路器，一般額定短路開斷電流為6.3～12.5kA，高者為16～20kA，而城網(wǎng)斷路器可達(dá)到31.5～50kA。(3)小型化農(nóng)網(wǎng)產(chǎn)品多裝在戶外柱上，要求結(jié)構(gòu)緊湊、性能好、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。如戶外柱上SF6斷路器，為三相共箱式，采用旋弧式滅弧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、壽命長(zhǎng)。又如真空斷路器，亦采用三相共箱式真空滅弧，并用SF6或油、干燥空氣等絕緣。3.接觸網(wǎng)(電鐵)對(duì)電器的要求(1)電壓等級(jí)的要求牽引變電站、接觸網(wǎng)除需110kV等級(jí)外，還需要27.5和55kV，這兩種電壓等級(jí)是接觸網(wǎng)所特有的。因此牽引變電站和接觸網(wǎng)，需要110、55和27.5kV開關(guān)設(shè)備。(2)單相制接觸網(wǎng)—電機(jī)車—鐵軌構(gòu)成單相回路，故電鐵需要的開關(guān)如27.5kV開關(guān)亦為單相式。(3)頻繁操作55、27.5kV高壓開關(guān)設(shè)備不同于普通電力開關(guān)，其特點(diǎn)是開、合短路電流次數(shù)多，接觸網(wǎng)年百公里短路跳閘次數(shù)平均達(dá)60～70次；工作電流波動(dòng)很大，從零到最大值1000A左右，高速接觸網(wǎng)可達(dá)1500A以上，改變運(yùn)營(yíng)方式引起的正常操作頻繁；安裝使用環(huán)境條件差等。4.對(duì)低壓電器的要求低壓電器是量大面廣的產(chǎn)品，配電中要求其性能可靠，開斷容量大，并具有智能化，可通訊等功能。其發(fā)展趨勢(shì)是采用高新技術(shù)，開發(fā)環(huán)?；?、智能化、電子化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、可通信化的低壓電器產(chǎn)品。設(shè)計(jì)上采用仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)圖化、制造要求高效化，淘汰那些工藝落后、體積大、能耗高、耗材多又污染環(huán)境的產(chǎn)品，并對(duì)現(xiàn)有較好的傳統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行二次開發(fā)，鞏固傳統(tǒng)產(chǎn)品的市場(chǎng)，縮短同國(guó)外先進(jìn)水平的差距。電器測(cè)試及故障診斷的意義1.2.1電器測(cè)試的地位及意義據(jù)電器行業(yè)統(tǒng)計(jì)，截止2003年年底，我國(guó)高壓電器從業(yè)人員在10萬(wàn)人以上，低壓電器在40萬(wàn)人以上；從事高壓電器的企業(yè)達(dá)600余家，低壓電器的達(dá)1500余家。因此，電器工業(yè)已成為具有較強(qiáng)實(shí)力的產(chǎn)業(yè)之一，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了積極的貢獻(xiàn)。電器測(cè)試技術(shù)對(duì)于電工學(xué)科的發(fā)展具有特別重要的作用。電器產(chǎn)品量大面廣，品種規(guī)格多，產(chǎn)品更新要求高。為適應(yīng)電力系統(tǒng)、配電與控制系統(tǒng)容量的擴(kuò)大和技術(shù)復(fù)雜程度的提高，電器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)方法也隨之不斷變化和發(fā)展。電器理論的研究、產(chǎn)品的改進(jìn)和開發(fā)需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)。電器測(cè)試技術(shù)是一門專門的科學(xué)技術(shù)，它涉及到標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試方法，試驗(yàn)設(shè)備，測(cè)試儀器以及測(cè)試技術(shù)等方面。由于試驗(yàn)費(fèi)用較高，特別是對(duì)于高壓大容量電器的關(guān)合、開斷和短時(shí)電流性能試驗(yàn)，如何使試驗(yàn)次數(shù)最少，又能確保被試驗(yàn)產(chǎn)品的性能符合考核的嚴(yán)格要求，是電器測(cè)試技術(shù)中一個(gè)重要的研究課題。在進(jìn)行產(chǎn)品的研究性試驗(yàn)中，如何盡可能多地測(cè)出影響電器性能的各種參數(shù)及其變化，以提供更多的信息與數(shù)據(jù)，對(duì)于產(chǎn)品的研制有著重要的作用與意義。因此，世界各國(guó)都非常重視建立電器試驗(yàn)基地和研究電器測(cè)試技術(shù)。我國(guó)高壓電器試驗(yàn)基地有：西安高壓電器研究所、北京清河高壓開關(guān)研究所試驗(yàn)站、沈陽(yáng)虎石臺(tái)試驗(yàn)站、上海電氣輸配電試驗(yàn)中心等，其中西安及沈陽(yáng)兩試驗(yàn)站正在擴(kuò)建發(fā)展中。我國(guó)低壓電器試驗(yàn)基地則更多，有：上海電器科學(xué)研究所低壓試驗(yàn)站、上海電器技術(shù)研究所試驗(yàn)站、蘇州低壓電器試驗(yàn)站、天津市低壓電器研究所試驗(yàn)站、天水長(zhǎng)城電器試驗(yàn)研究所試驗(yàn)站、沈陽(yáng)低壓開關(guān)廠試驗(yàn)站、遵義長(zhǎng)征電器試驗(yàn)研究所試驗(yàn)站等等，大小約有40個(gè)。這些試驗(yàn)站為保證電器質(zhì)量，提高電器研制水平做出巨大貢獻(xiàn)。1.2.2故障診斷的地位及意義

電器設(shè)備是組成電力系統(tǒng)的基本元件，在運(yùn)行中受到電、熱、機(jī)械、環(huán)境等各種因素的作用，其性能逐漸劣化，最終導(dǎo)致故障。電器設(shè)備特別是大型高壓設(shè)備如果發(fā)生突發(fā)性停電事故，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。提高電器設(shè)備的可靠性，一方面可提高電器設(shè)備的質(zhì)量，選用優(yōu)質(zhì)材料及先進(jìn)工藝，優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理選擇設(shè)計(jì)裕度，并進(jìn)行嚴(yán)格的型式試驗(yàn)及出廠試驗(yàn)考核，力求在工作壽命期內(nèi)將故障發(fā)生率降到最低；另一方面，應(yīng)對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行必要的檢查和維修，以確保電器設(shè)備的可靠運(yùn)行，即現(xiàn)行的狀態(tài)維修，它是目前正在發(fā)展的以狀態(tài)監(jiān)測(cè)(通常是在線監(jiān)測(cè))和故障診斷為基礎(chǔ)的維修方式。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、光電技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和各種傳感技術(shù)的發(fā)展，可以對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行在線的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)取得各種即使是很微弱的信息。對(duì)這些信息進(jìn)行處理和綜合分析后，根據(jù)其數(shù)值的大小及變化趨勢(shì)，對(duì)設(shè)備的可靠性隨時(shí)做出判斷和對(duì)設(shè)備的剩余壽命做出預(yù)測(cè)，從而能早期發(fā)現(xiàn)潛伏的故障，必要時(shí)可提供預(yù)警或規(guī)定的操作。狀態(tài)監(jiān)測(cè)(在線監(jiān)測(cè))與故障診斷技術(shù)的特點(diǎn)是可以對(duì)電器設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行連續(xù)或隨時(shí)的監(jiān)測(cè)與判斷，故可彌補(bǔ)電器產(chǎn)品在出廠試驗(yàn)或運(yùn)輸安裝過程中的疏漏。采取狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)后，可以使預(yù)防性維修向預(yù)知性維修即狀態(tài)維修過渡，從“到期必修”過渡到“該修則修”。1.3.1電器設(shè)備的試驗(yàn)1．研究性試驗(yàn)

2．型式試驗(yàn)3．出廠試驗(yàn)4．電器設(shè)備的交接試驗(yàn)和預(yù)防性試驗(yàn)1.3本書主要內(nèi)容1.3.2監(jiān)測(cè)技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的任務(wù)是了解和掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括采用各種檢測(cè)、測(cè)量、監(jiān)視、分析和判別方法，結(jié)合系統(tǒng)的歷史和現(xiàn)狀，考慮環(huán)境因素，對(duì)開關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，判斷其處于正常或非正常狀態(tài)，并對(duì)狀態(tài)進(jìn)行顯示和記錄，對(duì)異常狀態(tài)做出報(bào)警，以便運(yùn)行人員及時(shí)加以處理，并為開關(guān)設(shè)備的故障分析、性能評(píng)估、合理使用和安全工作提供信息和準(zhǔn)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1.3.3故障診斷技術(shù)

開關(guān)設(shè)備故障診斷的任務(wù)是監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)，判斷其是否正常；預(yù)測(cè)和診斷設(shè)備的故障并消除故障；指導(dǎo)設(shè)備的管理和維修。開關(guān)設(shè)備上不同部位、不同類型的故障，引起設(shè)備功能的不同變化，導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備整體及各部位狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)的不同變化。故障診斷的任務(wù)，就是當(dāng)設(shè)備上某一部位出現(xiàn)某種故障時(shí)，要從這些狀態(tài)及其參數(shù)的變化推斷出導(dǎo)致這些變化的故障及其所在部位。由于狀態(tài)參數(shù)的數(shù)量浩大，必須找出其中的特性信息，提取特征量，才便于對(duì)故障進(jìn)行診斷。由某一故障引起的設(shè)備狀態(tài)的變化稱為故障的征兆。故障診斷的過程就是從已知征兆判定設(shè)備上存在的故障類型及其所在部位的過程。因此故障診斷的方法實(shí)質(zhì)上是一種狀態(tài)識(shí)別方法。第二章電器的測(cè)量基礎(chǔ)2.1電器的測(cè)試系統(tǒng)2.2傳感器2.3故障診斷與專家系統(tǒng)2.1電器測(cè)試系統(tǒng)2.1.1測(cè)試系統(tǒng)的組成與分類

1．現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)的基本組成單元

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成參見圖2-1，它由信號(hào)變送系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及處理和診斷系統(tǒng)構(gòu)成。信號(hào)的變送：安裝在電器設(shè)備上的傳感器，獲取反映電器設(shè)備狀態(tài)的物理量，例如電流、電壓、電阻、速度、行程、溫度、壓力等，并將其轉(zhuǎn)換為測(cè)量所需的電信號(hào)，傳送到后續(xù)單元。它為測(cè)試系統(tǒng)提供初始數(shù)據(jù)。信號(hào)處理：對(duì)傳感器變送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，對(duì)混疊的干擾進(jìn)行抑制以提高信噪比。數(shù)據(jù)采集：對(duì)經(jīng)過處理的信號(hào)進(jìn)行采集、A/D轉(zhuǎn)換和記錄。

信號(hào)傳輸：將采集到的信號(hào)傳送到后續(xù)單元，對(duì)固定型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因數(shù)據(jù)處理單元遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)故需配置專門的信號(hào)傳輸單元。對(duì)便攜型監(jiān)測(cè)裝置只需對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q和隔離。數(shù)據(jù)處理：對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，例如讀取特征值。作時(shí)域分析、頻譜分析，進(jìn)行平均處理等等。為診斷提供有效的數(shù)據(jù)和信息。診斷：對(duì)處理后的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、判據(jù)及其它信息進(jìn)行比較、分析后，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)或故障部位作出診斷，必要時(shí)要采取進(jìn)一步措施，例如安排維修計(jì)劃，是否需要退出運(yùn)行等。

信號(hào)變送系統(tǒng)|數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)|信號(hào)傳送|處理和診斷系統(tǒng)

圖2-1在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖2．測(cè)試系統(tǒng)的分類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按其使用場(chǎng)所分為：

1．便攜式整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成較簡(jiǎn)單，便于攜帶可以在不同地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。常用數(shù)字儀表或示波器顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果，也可配備便攜式或筆記本式微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示、存貯和診斷。屬于通用性裝置，故其針對(duì)性較差，抗干擾水平和靈敏度不會(huì)很高。且一般不可能連續(xù)監(jiān)測(cè)，它只能在線檢測(cè)。

2．固定式針對(duì)某處或某種設(shè)備配置有針對(duì)性的專用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，固定裝在某處某設(shè)備上，其抗干擾能力和監(jiān)測(cè)靈敏度比通用性系統(tǒng)要高?？蓪?duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，功能強(qiáng)成本高，適合于重要場(chǎng)所重大設(shè)備的監(jiān)測(cè)。

按監(jiān)測(cè)功能可分為：

1．單參數(shù)選擇某類或某個(gè)能反映絕緣狀態(tài)的物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，例如局部放電量，介質(zhì)損耗等。其監(jiān)測(cè)功能比較單一，是當(dāng)前廣泛使用的機(jī)型。

2．多參數(shù)綜合性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)能反映設(shè)備狀態(tài)的各類參數(shù)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，這是發(fā)展方向。按診斷方式可分：

1．人工診斷目前多數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的診斷還是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)由試驗(yàn)人員最后作出診斷。

2．自動(dòng)診斷由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)地進(jìn)行診斷，這也是系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)。2.1.2信號(hào)的變送

1．電壓與電流轉(zhuǎn)換

電壓與電流的相互轉(zhuǎn)換實(shí)質(zhì)上是恒壓源與恒流源的相互轉(zhuǎn)換[4]，一般說(shuō)來(lái)，恒壓源的內(nèi)阻遠(yuǎn)小于負(fù)載電阻，恒流源內(nèi)阻遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻。因此，將電壓轉(zhuǎn)換為電流應(yīng)采用輸出阻抗高的電流負(fù)反饋電路，而將電流轉(zhuǎn)換為電壓則應(yīng)采用輸出阻抗低的電壓負(fù)反饋電路。（1）V/I轉(zhuǎn)換器隨著微電子技術(shù)及加工技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)現(xiàn)0～5V，0～10V與0～10mA，4～20mA電流的轉(zhuǎn)換時(shí)，可直接采用諸如AD693、AD694、XTRll0、ZF2B20等集成電壓／電流轉(zhuǎn)換電路(V/I轉(zhuǎn)換器)來(lái)完成。（2）I／V轉(zhuǎn)換器當(dāng)變送器的輸出信號(hào)由電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)時(shí)，需經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換。最簡(jiǎn)單的I／V轉(zhuǎn)換可以利用一個(gè)500Ω的精密電阻，將0～10mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號(hào)。2．電壓與頻率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電壓／頻率（V/F）轉(zhuǎn)換的方法主要有積分復(fù)原型和電荷平衡型兩種。積分復(fù)原型V／F轉(zhuǎn)換器主要用于精度要求不高的場(chǎng)合；電荷平衡型精度較高，頻率輸出可較嚴(yán)格地與輸入電流成比例，目前大多數(shù)的集成V／F轉(zhuǎn)換器均采用這種方法。V／F轉(zhuǎn)換器常用的集成芯片主要有VFC32和LM31系列。2.1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常以計(jì)算機(jī)為中心，由前向輸入通道(模擬或數(shù)字輸入通道)、后向輸出通道(模擬或數(shù)字控制通道)、人機(jī)交互設(shè)備及輸出設(shè)備等組成。人機(jī)交互設(shè)備主要有鍵盤、顯示器等。輸出設(shè)備主要有打印機(jī)、繪圖儀等。下面主要介紹前向輸入通道和后向輸出通道。1．前向輸入通道

前向輸入通道由濾波電路、多路模擬開關(guān)、放大器、采樣保持器(S／H)和A/D轉(zhuǎn)換器等組成，其中A／D轉(zhuǎn)換器是模／數(shù)轉(zhuǎn)換的主要器件。當(dāng)前向輸入通道的輸入信號(hào)為較高電平(如輸入信號(hào)來(lái)自溫度、壓力等參數(shù)的變送器)時(shí)，就不用放大器；如果輸入信號(hào)的變化速度比A／D轉(zhuǎn)換速率慢得多，則可以省去S／H。2．后向輸出通道后向輸出通道一般由D／A轉(zhuǎn)換器、多路模擬開關(guān)、保持器等組成，其中D／A轉(zhuǎn)換器是完成數(shù)／模轉(zhuǎn)換的主要器件。后向輸出通道也有單通道和多通道之分。多通道的結(jié)構(gòu)又分為每個(gè)通道有獨(dú)自的D／A轉(zhuǎn)換器和多路通道共享D／A轉(zhuǎn)換器。前者結(jié)構(gòu)如圖2-8a所示，通常用于各個(gè)模擬量可分別刷新的快速輸出通道：后者結(jié)構(gòu)如圖2-8b所示，通常用于輸出通道不太多，對(duì)速度要求不太高的場(chǎng)合。在圖2-8b中，多路開關(guān)輪流接通各個(gè)保持器，予以刷新，而且每個(gè)通道要有足夠的接通時(shí)間，以保證有穩(wěn)定的模擬量輸出。

2.1.4信號(hào)傳輸中的干擾

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)不僅包括從傳感器來(lái)的待測(cè)信號(hào)。而且還有來(lái)自微機(jī)的控制信號(hào)(一般是數(shù)字信號(hào))。這些信號(hào)需在各個(gè)系統(tǒng)間、單元間、甚至部件間進(jìn)行傳送，問題是如何保證在傳送過程中不受其它信號(hào)(包括外界干擾信號(hào))所干擾，以避免信號(hào)的畸變或誤動(dòng)作。干擾的來(lái)源來(lái)自二個(gè)方面：1．系統(tǒng)內(nèi)部的相互干擾，一般宜采取以下措施來(lái)抑制。(1)各個(gè)通道間盡可能拉開一定的距離．特別要避免通過高阻相連。例如多路信號(hào)傳送時(shí)本可共用一個(gè)集成片子（例如共用—個(gè)模擬開關(guān)或共用一個(gè)運(yùn)算放大器)，為避免不同通道間干擾最好分別選用幾個(gè)片子。(2)保證一點(diǎn)接地．多點(diǎn)接地時(shí)容易在地線回路上有環(huán)流引起共模干擾。各個(gè)部件、單元均自成回路，不要共用地線，特別是數(shù)字電路和模擬電路的地線更需分開，以防止相互間的共模干擾。同時(shí)地線盡可能粗一些、地回路也盡量短些以降低地回路的阻抗。

(3)隔離.信號(hào)通過一定的隔離措施再傳送到另一單元，以避免各單元間的相互干擾。常采用隔離變壓器、光電耦合器、光電光纖信號(hào)傳輸?shù)确椒ā?．系統(tǒng)外的電磁干擾，此類干擾主要通過三個(gè)途徑進(jìn)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：電源進(jìn)入；在信號(hào)傳送過程中，干擾通過電磁耦合進(jìn)入系統(tǒng)；通過傳感器和信號(hào)混疊后一起進(jìn)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些外部干擾信號(hào)按其波形特征可分為周期性干擾信號(hào)和脈沖型干擾信號(hào)兩種。屬于周期性干擾信號(hào)的有：(1)連續(xù)的周期性干擾信號(hào)如廣播，電力系統(tǒng)中的載波通信、高頻保護(hù)信號(hào)，諧波，工頻干擾等，其波形一般是正弦形。(2)脈沖型周期性干擾信號(hào)如晶閘管整流設(shè)備在晶閘管開閉時(shí)產(chǎn)生的脈沖干擾信號(hào)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)電刷和滑環(huán)間的電弧等，其特點(diǎn)是該脈沖干擾周期性地出現(xiàn)在工頻的某相位上。屬于脈沖型干擾信號(hào)的有：高壓輸電線的電暈放電，相鄰電氣設(shè)備內(nèi)部放電，以及雷電，開關(guān)繼電器的斷、合，電焊操作等無(wú)規(guī)律的隨機(jī)性干擾等均屬此類。3常用的抗干擾措施有：(1)平均技術(shù)

此為用軟件（數(shù)據(jù)處理）的方法來(lái)抑制干擾（主要是隨機(jī)性干擾）。隨機(jī)性噪聲一般遵從正態(tài)分布，故將數(shù)據(jù)樣本多次代數(shù)和相加并取其平均值，即可減弱隨機(jī)性干擾影響而提高信噪比。若樣本數(shù)為N，則信噪比的改善為

(因?yàn)闃颖揪档臉?biāo)準(zhǔn)偏差為)。采用平均技術(shù)需確定采樣率、每次采樣樣本的容量以及樣本數(shù)，而這些采樣值的采樣周期必須是嚴(yán)格相同的。(2)邏輯判斷及開窗

從邏輯推理上設(shè)定一些判據(jù)去判斷測(cè)得的是真實(shí)信號(hào)還是干擾信號(hào)。例如監(jiān)測(cè)過程中僅測(cè)得一次幅值很高的信號(hào)，那么該信號(hào)很可能為一隨機(jī)干擾信號(hào)，可在數(shù)據(jù)處理時(shí)舍棄。

(3)濾波技術(shù)

各種帶通濾波器能有效地消除或抑制連續(xù)的周期性干擾。帶寬和中心頻率選擇視干擾信號(hào)的頻帶而定。窄帶抗干擾性能好，能抑制通頻帶以外干擾信號(hào)，但也易造成信號(hào)某些頻率成分過分喪失；寬帶雖可測(cè)得信號(hào)的頻率成分比較豐富，但又不利于抑制干擾。圖2-10是通頻帶可變的組合式濾波器，它由一系列平行低通和高通濾波單元組成，當(dāng)它們以不同的組合開關(guān)進(jìn)行不同的級(jí)聯(lián)時(shí)，即得不同通頻帶的帶通濾波器。若將低、高通濾波單元共同輸入，而其輸出通過加法器合成，即得組合式帶阻濾波器。

數(shù)字濾波技術(shù),實(shí)質(zhì)上是一種計(jì)算程序，它是在數(shù)據(jù)采集之后對(duì)一個(gè)數(shù)字信號(hào)按一定要求進(jìn)行運(yùn)算、處理，而后以數(shù)字形式輸出的一種抑制干擾的方法?？捎糜诰植糠烹娒}沖信號(hào)的監(jiān)測(cè)中。和模擬濾波器相比，它具有可任意改變其數(shù)目、中心頻率和帶寬等優(yōu)點(diǎn)，它有多種算法，如理想濾波器、自適應(yīng)數(shù)字濾波系統(tǒng)等。圖2-10組合式帶通濾波器結(jié)構(gòu)框圖圖2-11組合式濾波器輸出波形圖2-1l為組合式濾波器用于110kV變壓器在線監(jiān)測(cè)局部放電的實(shí)例，比較圖中二輸出信號(hào)的波形可知，當(dāng)選用了合適帶通(2～250kHz)后，周期性干擾信號(hào)被抑制，局部放電信號(hào)可清晰地辨識(shí)出來(lái)。(4)差動(dòng)平衡系統(tǒng)

主要用以抑制共模干擾，當(dāng)來(lái)自線路的共模干擾進(jìn)入電氣設(shè)備Cx1，Cx2（圖2-12）時(shí)，其電流方向是相同的，在電流傳感CT1，CT2上輸出同方向信號(hào)，故進(jìn)入差動(dòng)放大器A后這兩個(gè)相當(dāng)于共模信號(hào)的干擾信號(hào)就被抑制。若Cx1或Cx2內(nèi)部有放電故障，則在Cx1，Cx2上流過的電流方向相反，進(jìn)入差動(dòng)放大器后這二個(gè)信號(hào)相當(dāng)于差模信號(hào)而被放大，從而提高了監(jiān)測(cè)的信噪比。圖2-12中實(shí)線箭頭為干擾信號(hào)；虛線箭頭為放電故障信號(hào)。

差動(dòng)系統(tǒng)是否有效的關(guān)鍵是要求二路共模信號(hào)的相位、波形完全一致，才可獲得高的抑制比。這就不僅要求電流傳感器CTl、CT2以及兩個(gè)監(jiān)測(cè)通道的特性基本一致，更主要的是Cx1，Cx2的結(jié)構(gòu)、組成基本相同。否則抑制作用會(huì)降低甚至消失，為此當(dāng)具體使用于在線監(jiān)測(cè)時(shí)需采取相應(yīng)的技術(shù)措施，例如信號(hào)的幅度和相位可調(diào)節(jié)等。

圖2-12差動(dòng)平衡系統(tǒng)原理圖

(5)電子鑒別系統(tǒng)

用脈沖極性鑒別系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)局部放電是根據(jù)干擾信號(hào)和待測(cè)信號(hào)某些特征的差異進(jìn)行抑制的典型例子（圖2-13）。和差動(dòng)平衡系統(tǒng)類似，若設(shè)備內(nèi)部Cx2放電，則電流傳感器CTl、CT2將輸出兩個(gè)極性相反的脈沖，經(jīng)放大器A放大并分別經(jīng)整形和反相整形后，加于與門1和2上，于是與門2開啟，電子門G打開，放電信號(hào)將通過時(shí)延單元D和電子門G送至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。同理，若Cx1放電，則與門1開啟而送出放電信號(hào)。由于鑒別系統(tǒng)的動(dòng)作總需要一定的時(shí)間，故需監(jiān)測(cè)的信號(hào)也需經(jīng)D延遲一定時(shí)間后由G送出。若為外界(例如線路上電暈放電)干擾信號(hào)，則將在CTl、CT2上輸出同極性的脈沖，于是與門關(guān)閉，干擾信號(hào)將被阻止而不會(huì)送到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖2-13脈沖極性鑒別系統(tǒng)原理框圖+—

脈沖正向整形

－

—

脈沖負(fù)向整形實(shí)線箭頭

—

干擾信號(hào)

虛線箭頭

—

放電故障信號(hào)圖2-14極性鑒別系統(tǒng)對(duì)電容性試品的抑制效果a)抑制前

b)抑制后圖2-14是上述脈沖極性鑒別系統(tǒng)在電容性試品上鑒別的結(jié)果。此時(shí)，Cx1，Cx2是兩個(gè)電容值相同的電容器，Cx1并聯(lián)-油間隙產(chǎn)生一模擬的局部放電，線路上同時(shí)并有尖板空氣間隙以產(chǎn)生電暈放電。傳感器選用清華研制的JFY—1型窄帶諧振型傳感器，中心頻率為250kHz，采樣率為1MHz．由圖可知，電暈干擾信號(hào)被抑制而與之相隔僅20μs的局部放電信號(hào)通過電子門進(jìn)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，抑制比為20dB。

2.1.5數(shù)據(jù)處理

將收集到的信號(hào)進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，有兩個(gè)作用：1）抑制干擾信號(hào)，提高信噪比，以防止對(duì)故障作出“誤報(bào)”或“漏報(bào)”。其關(guān)鍵是要如上節(jié)所述，視具體情況完善抗干擾措施，某些抗干擾措施需安排在數(shù)據(jù)處理時(shí)實(shí)施。2）將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，使之成為在線診斷設(shè)備故障的可靠判據(jù)。由此可見，抗干擾技術(shù)實(shí)則上也是一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，而數(shù)據(jù)處理技術(shù)本身也常具有抗干擾的效果，兩者是不可能嚴(yán)格劃分的。1．時(shí)閾分析

時(shí)閾分析是根據(jù)顯示或記錄信號(hào)的波形，來(lái)分析幅值和時(shí)間或相位的關(guān)系、出現(xiàn)的次數(shù)等。為此，需按波形的采集要求確定其所需的采樣率和采集的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。2．頻域(頻譜)分析

頻域(頻譜)分析是分析信號(hào)的某些特征在頻域上的變化，如幅度譜，相位譜，能量譜，功率譜等?，F(xiàn)今的離散傅里葉變換(DFT)的快速算法即快速傅里葉變換(EFT)的出現(xiàn)，使頻譜計(jì)算易于實(shí)現(xiàn)。電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)上用得較多的是幅度譜（幅頻特性）。基本方法是將時(shí)域波形經(jīng)采樣、A／D變換后變成一組相同時(shí)間間隔的離散值，再經(jīng)過EFT變成一組有相同頻率間隔的頻域內(nèi)的離散值。3．相關(guān)分析

相關(guān)分析是在時(shí)域上研究?jī)蓚€(gè)信號(hào)間或信號(hào)自身間的相互關(guān)系，前者稱為互相關(guān)，后者稱為自相關(guān)，所謂相互關(guān)系指的是波形的相似性?；ハ嚓P(guān)函數(shù)定義如下：

（2-10）數(shù)學(xué)化（即離散化）后為：

（2-11）

圖2-15相關(guān)函數(shù)計(jì)算分析4．統(tǒng)計(jì)分析對(duì)監(jiān)測(cè)到的隨機(jī)性信號(hào)可進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)分析的主要內(nèi)容有：(1)均值計(jì)算

不僅可了解信號(hào)取值的集中程度而且可提高其信噪比。(2)直方圖

以局部放電的監(jiān)測(cè)為例，可統(tǒng)計(jì)其放電量Q隨時(shí)間t或相位Φ分布的直方圖（即Q—Φ圖），或放電次數(shù)N隨放電量Q分布的直方圖（即N—Q圖）。

(3)三維圖例如局部放電的N—Q—Φ圖。通過統(tǒng)計(jì)分析可以了解故障的嚴(yán)重程度或發(fā)展階段以及故障的性質(zhì)和模式。2.2傳感器傳感器的概念傳感器是將反映設(shè)備狀態(tài)的各種物理量，諸如熱、機(jī)械力、電、化學(xué)等等各種能量形式的信息監(jiān)測(cè)出來(lái)，是監(jiān)測(cè)診斷的第一步，也是很重要的一步，它直接影響著監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。由于電信號(hào)容易進(jìn)行各種處理，故無(wú)論這些物理量是電量還是非電量，一般都是通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后送至后續(xù)單元。對(duì)傳感器的基本要求是:1．能檢測(cè)出反映設(shè)備狀態(tài)特征量的信號(hào)，有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性包括以下指標(biāo)；

(1)靈敏度；

(2)線性度；

(3)分辨率，即傳感器能分辨出的最小檢測(cè)量；

(4)準(zhǔn)確度；

(5)穩(wěn)定度；

(6)遲滯，指正向特性和反向特性不一致的程度；

(7)動(dòng)態(tài)特性，是指頻率響應(yīng)特性。2．對(duì)被測(cè)設(shè)備無(wú)影響或很微弱，吸收待測(cè)系統(tǒng)的能量極小，和后續(xù)單元能很好匹配。3．可靠性高，壽命長(zhǎng)。2.2.1傳感器的分類

傳感器的分類法有多種，用得較多的分類法有兩種：

①按將外界輸入的信號(hào)變換為電信號(hào)所采用的效應(yīng)分類大致可以分為三類：利用物理效應(yīng)進(jìn)行變換的物理傳感器；利用化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行變換的化學(xué)傳感器；利用生物效應(yīng)進(jìn)行變換的生物傳感器。②按輸出量分類在實(shí)際使用過程中人們關(guān)心的是傳感器的輸出量，按輸出量進(jìn)行分類可將傳感器分為位移、速度、角速度、加速度、力、力矩、壓力、流速、液面、溫度、濕度、電壓、電流、電磁、熱、光、氣體成分、濃度傳感器等等。傳感器若按變換過程中是否需要外加輔助能量支持來(lái)分類，可分為：無(wú)源傳感器和有源傳感器。

根據(jù)傳感器技術(shù)的發(fā)展階段則可分為：(1)結(jié)構(gòu)型傳感器，目前使用最多的。(2)物性型傳感器，是當(dāng)前發(fā)展最快的傳感器。特別是由半導(dǎo)體敏感元件制成的傳感器。(3)智能型傳感器，是將傳感元件與后續(xù)信號(hào)處理電路組合成一個(gè)很小的模塊，代表著傳感器的發(fā)展方向．如美國(guó)的ST一3000智能型壓力傳感器，它在3X4X6．2立方毫米體積中安裝了靜電、差壓、溫度三種敏感元件及微處理器等，它可自動(dòng)選擇量程來(lái)測(cè)量0～21兆帕的壓力。2.2.2傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性

1.靜態(tài)特性

(1）線性度傳感器的理想輸入與輸出關(guān)系是一條直線，即y=a0x，而實(shí)際上許多傳感器的輸入-輸出特性是非線性的，在靜態(tài)情況下，如果不考慮滯后和蠕變效應(yīng)，一般可以將輸人-輸出特性表示為：

式中：x為輸入信號(hào)；y為輸出信號(hào)；a0為零位輸出；a1為傳感器線性靈敏度；a2

，……an為傳感器的非線性系數(shù)。

實(shí)際傳感器的輸入-輸出曲線與理論上的直線不吻合的程度，在線性傳感器中稱線性度。線性度可以表示為傳感器的正反行程的平均校準(zhǔn)曲線與線性理論直線之間的最大偏差量的絕對(duì)值與滿量程（FS）輸出值之比，即

式中：ξL為線性度；為輸出平均值與理論值的最大偏差絕對(duì)值;YFS為滿量程輸出值。

使用非線性特性的傳感器時(shí)，通常用一條直線近似地代表實(shí)際的非線性特性，這種方法稱為傳感器非線性特性的“線性化”。所采用的直線稱為擬合直線，實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差。顯然，非線性誤差是以擬合直線或理想直線作基準(zhǔn)直線計(jì)算出來(lái)的，基準(zhǔn)線不同，計(jì)算出來(lái)的線性度也不同。

(2)遲滯

遲滯表示傳感器在輸入值增長(zhǎng)的過程（正行程）和減少的過程（反行程）中，同一輸入量時(shí)輸出值的差別，如圖2-16所示，它是傳感器的一個(gè)性能指標(biāo)，該指標(biāo)反映了傳感器的機(jī)械部件和結(jié)構(gòu)材料等存在的問題，如軸承摩擦、灰塵積塞、間隙不適當(dāng)、螺釘松動(dòng)、

元件磨蝕（或碎裂）以及材料的內(nèi)摩擦等。遲滯大小通常由實(shí)驗(yàn)確定。用整個(gè)檢測(cè)范圍內(nèi)的最大遲滯值（△YH）max與理論滿量程輸出值之比的百分?jǐn)?shù)表示，即

圖

2–l6傳感器的典型遲滯特性

（3）閾值和分辨率傳感器的輸入量△x變小時(shí)，輸出量△y也變小，當(dāng)△x減小到某一值時(shí)，則觀察不到輸出量的變化，這時(shí)的△x稱為傳感器的閾值。當(dāng)傳感器的輸入從非零的任意值緩慢增加，只有在超過某一輸入增量后輸出才有變化，這個(gè)輸入增量稱為傳感器的分辨率。分辨率說(shuō)明了傳感器可測(cè)出的最小的輸入變化量，而閾值則說(shuō)明了傳感器可測(cè)出的最小輸入量。閾值大的傳感器，其遲滯必然大，但分辨率不一定差。（4）靈敏度線性傳感器的校準(zhǔn)線的斜率就是靜態(tài)靈敏度，它是傳感器的輸出量變化（△y）和輸入量變化（△x）之比，即

如位移傳感器，當(dāng)位移量（△x）為

1μm時(shí)，輸出量（△y）為

0.2mv，則靈敏度（

K）為

0.2mv／μm。非線性傳感器的靈敏度通常用擬合直線的斜率表示。非線性特別明顯的傳感器，其靈敏度可用

dv／dx表示，也可用某一小區(qū)域內(nèi)的擬合直線的斜率表示。(5)重復(fù)性傳感器的輸入按同一方向變化時(shí)，連續(xù)重復(fù)檢測(cè)所得的輸入-輸出特性曲線不重復(fù)，產(chǎn)生不重復(fù)的原因和產(chǎn)生遲滯的原因相同。重復(fù)性誤差（

△

R）通常用輸出最大不重復(fù)誤差（△max）與滿量程輸出（YFS）之比的百分?jǐn)?shù)表示，即

式中：△max為正行程多次測(cè)量的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)輸出值的最大偏差（△1max)，以及反行程多次測(cè)量的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)輸出值之間的最大偏差（△2max)，再取這兩個(gè)最大偏差中之較大者。顯然，不重復(fù)誤差越小，重復(fù)性越好。

2.傳感器的動(dòng)態(tài)特性

即使傳感器的靜態(tài)性能很好，但當(dāng)被檢測(cè)物理量隨時(shí)間變化時(shí)，由于傳感器的輸出量不能很好地追隨輸入量快速變化，可能導(dǎo)致高達(dá)百分之幾十甚至百分之百的動(dòng)態(tài)誤差，因此在選擇、使用傳感器時(shí)，要特別注意其動(dòng)態(tài)特性。

動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型對(duì)于線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究，最廣泛使用的數(shù)學(xué)模型是普通線性常系數(shù)微分方程。對(duì)于任意線性系統(tǒng)，可用高階常系數(shù)線性微分方程描述為:

式中：x=x（t）表示輸入信號(hào)；y=y(t)表示輸出信號(hào)；ai和bi分別決定于傳感器的某些物理參數(shù)，除b0≠0外，通常b1=b2=…=bm=0。

常見的傳感器其物理模型通?？赡芊謩e用零階、一階和二階的常微分方程描述其輸入-輸出動(dòng)態(tài)特性，分別稱為零階環(huán)節(jié)、一階環(huán)節(jié)和二階環(huán)節(jié)，或零階、一階和二階傳感器，即

零階傳感器：一階傳感器：二階傳感器：

顯然，階數(shù)越高，傳感器的動(dòng)態(tài)特性越復(fù)雜。零階傳感器在測(cè)量上是理想傳感器，因?yàn)椴还?/p>

x=x(t）如何變化，其輸出總是與輸入成簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。嚴(yán)格地說(shuō)，零階傳感器不存在，只能說(shuō)有近似的零階傳感器，最常見的是一階和二階傳感器。

2.3故障診斷與專家系統(tǒng)2.3.1故障診斷診斷就是根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的信息，包括監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，對(duì)設(shè)備所處的狀態(tài)進(jìn)行分析，確定該設(shè)備可否繼續(xù)運(yùn)行?是正常運(yùn)行還是要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)?是安排計(jì)劃?rùn)z修還是立即停機(jī)檢修等等。故一般應(yīng)包括以下診斷內(nèi)容：1．判斷設(shè)備有無(wú)故障。

2．判斷故障的性質(zhì)、類型和原因，例如是絕緣故障還是過熱故障或機(jī)械故障。若是絕緣故障則是絕緣老化、受潮還是放電性故障，放電性故障又是哪種類型的放電等等。

3．判斷故障的狀況和預(yù)測(cè)設(shè)備的剩余壽命，即對(duì)故障的嚴(yán)重程度、發(fā)展趨勢(shì)作出診斷。

4．判斷故障的部位，即故障定位。

5．作出全面的診斷結(jié)論和相應(yīng)的反事故對(duì)策。故障診斷可分為兩類：（1）系統(tǒng)診斷系統(tǒng)診斷是檢查電力系統(tǒng)的某些部分，而該系統(tǒng)通常是一組聯(lián)系緊密的部件的集合體，要確定故障發(fā)生的時(shí)間、范圍、故障的精確位置。由于系統(tǒng)的龐大、部件數(shù)量的繁多，故系統(tǒng)診斷較為復(fù)雜。（2）裝置診斷裝置診斷較系統(tǒng)診斷簡(jiǎn)單，僅需診斷出故障元件及其發(fā)生故障的原因，斷路器的故障診斷就屬于這一類診斷。

在具備斷路器的準(zhǔn)確、完整、詳實(shí)的狀態(tài)信息資料后，就可以進(jìn)行全面的、科學(xué)的狀態(tài)綜合分析評(píng)估和故障診斷。目前，這方面工作主要還是采用“三對(duì)照法”。即1）對(duì)照規(guī)程、規(guī)則和規(guī)定，它們是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和理論科學(xué)的結(jié)晶，但它并沒有包括隨著科技發(fā)展而采用新技術(shù)、新材料、新工藝生產(chǎn)的新設(shè)備，所以還必須對(duì)照新設(shè)備的新標(biāo)準(zhǔn)。2）對(duì)照歷史資料，將它作為對(duì)照規(guī)程中的有效補(bǔ)充。對(duì)照歷史資料，包括對(duì)照歷史測(cè)試數(shù)據(jù)及靜態(tài)狀態(tài)量，即進(jìn)行縱向比較，以便考察設(shè)備狀態(tài)的變化趨勢(shì)和變化速率。如SF6斷路器的微量水分測(cè)量。（3）對(duì)照同類設(shè)備的測(cè)試數(shù)據(jù)和資料，考慮同類設(shè)備結(jié)構(gòu)、制造工藝方面的差異而帶來(lái)的影響，即進(jìn)行橫向比較。2.3.2專家系統(tǒng)（Expertsystem）

1．專家系統(tǒng)組成

（1）知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)是儲(chǔ)存各種人類專家知識(shí)的一個(gè)子系統(tǒng)。知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)表達(dá)分兩大類：一類為事件型知識(shí)，也就是所需完成任務(wù)領(lǐng)域中公認(rèn)的大量事實(shí)和規(guī)則；另一類稱為功能型知識(shí)，它是在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)能夠正確實(shí)踐的判斷性知識(shí)。（2）推理機(jī)推理機(jī)是運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行推理并解決特定問題的功能模塊。（3）數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)是一種特殊的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)診斷問題領(lǐng)域內(nèi)的原始特征數(shù)據(jù)、推理過程中得到的各種中間信息和解決問題后輸出結(jié)果的信息(如各類典型故障的標(biāo)準(zhǔn)圖譜數(shù)據(jù))。（4）解釋程序解釋程序能夠?qū)ν评磉^程作出解釋。（5）知識(shí)獲取程序知識(shí)獲取程序能擴(kuò)充、修改和更新原有的知識(shí)。2．專家診斷系統(tǒng)（1）專家診斷系統(tǒng)基本功能

1）故障監(jiān)測(cè)

2）故障分析

3）決策處理（2）復(fù)雜系統(tǒng)的層次診斷（1）系統(tǒng)級(jí)故障的一級(jí)解求解（2）子系統(tǒng)級(jí)故障的一級(jí)診斷解求解（3）部件級(jí)故障的一級(jí)診斷解求解故障診斷推理流程

接第三章第三章電器中基本電磁量的測(cè)量方法3.1

電器的電流測(cè)量3.2電器的電壓測(cè)量3.3電路的功率因數(shù)與時(shí)間常數(shù)測(cè)量3.4電器的磁場(chǎng)和磁路參數(shù)測(cè)量3.1電器的電流測(cè)量

電流的測(cè)量是電工測(cè)量中基本測(cè)量參數(shù)之一。小電流通常用電流表串聯(lián)于電路中直接測(cè)量，而大電流一般可通過分流器或互感器等電流轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行測(cè)量。開關(guān)電器在開、合試驗(yàn)時(shí)電流參數(shù)的測(cè)量是一個(gè)暫態(tài)過程的測(cè)量，存在周期分量和非周期分量，電流變化范圍可由零點(diǎn)幾安到幾萬(wàn)安，甚至幾十萬(wàn)安。

3.1.1分流器圖3-1用分流器測(cè)電流◆分流器工作原理把一個(gè)已知的很小的電阻R1串進(jìn)電路中，電流流過R1時(shí)，在電阻兩端產(chǎn)生壓降u=iR1

，把此電壓降引入儀器記錄下來(lái)。根據(jù)記錄的電壓u,除以已知電阻R1，可得出欲測(cè)得電流值。分流器等效電路

分流器一般還存在很小的電感，當(dāng)正弦電流通過分流器時(shí)，在引出電流信號(hào)端子上的電壓為：因此測(cè)量存在一定的誤差。為減小分流器的測(cè)量誤差，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡量減小分流器的自感，并對(duì)外界磁場(chǎng)有較好的屏蔽能力，而且具有一定的動(dòng)熱穩(wěn)定能力。

◆分流器的分類①扁片式由一片或多片電阻溫度系數(shù)很低而且很穩(wěn)定的薄片材料折疊而成，承受電動(dòng)力相對(duì)較小，一般用于10kA以下電流的測(cè)量。②圓筒式由兩個(gè)同軸的圓筒構(gòu)成，外筒是導(dǎo)電性良好的材料（一般為銅），內(nèi)筒是電阻率較大，電阻溫度系數(shù)小的材料制成（一般為錳銅）。分流器的電阻值由內(nèi)筒決定。一般用于10kA以上電流的測(cè)量。圖3-3

扁片式分流器

圖3-4同軸式分流器

為了減小分流器測(cè)量系統(tǒng)的誤差，正確的反應(yīng)預(yù)測(cè)電流的大小和相位，可采取以下措施：盡量減小分流器本身的自感對(duì)外界磁場(chǎng)有良好的屏蔽能力，減小主電流回路與其他電流回路的互感采用電動(dòng)穩(wěn)定性較高的分流器測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)引線應(yīng)采用屏蔽線1）同軸分流器的電阻值式中

ρ——材料電阻率；

l——內(nèi)圓筒長(zhǎng)度；

d，a-——電阻圓筒的厚度和內(nèi)徑。2）同軸分流器的一個(gè)重要性能指標(biāo)是方波響應(yīng)時(shí)間。

分流器的輸出信號(hào)除以分流器的電阻即可得到被測(cè)電流值。實(shí)際測(cè)量中，由于有電感的存在、集膚效應(yīng)的影響，使波形產(chǎn)生畸變，要保正電流高頻分量測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須用實(shí)驗(yàn)來(lái)求分流器的響應(yīng)特性。一般用方波電流通入分流器，測(cè)得分流器的響應(yīng)特性。分流器的方波響應(yīng)

上圖是用補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)改善分流器的響應(yīng)特性

3）電磁力引起的壓強(qiáng)當(dāng)沖擊大電流通過同軸分流器時(shí)，內(nèi)筒與外筒之間相互排斥。如果電阻圓筒太薄，則會(huì)被擠壓變形或損壞，這個(gè)電磁力引起的壓強(qiáng)P(10-2Pa)，可用下式計(jì)算

式中a、b——電阻圓筒的內(nèi)、外直徑，單位為cm；

Im——電流峰值，單位為kA。

4）電阻的熱容量當(dāng)脈沖大電流瞬間通過分流器時(shí)，散熱時(shí)間短，可認(rèn)為所產(chǎn)生的全部熱量為電阻材料吸收，使其溫度升高。電阻材料溫度過高會(huì)引起較大的熱應(yīng)力，甚至使電阻圓筒和絕緣介質(zhì)燒壞。一般允許溫升Q小于100℃，Q和熱應(yīng)力S由下式確定式中C0——電阻圓筒材料的比熱；

γ——電阻圓筒材料的密度；

V——圓筒體積；

E——圓筒材料的彈性模量；

δ——圓筒材料的膨脹系數(shù)；

τ——待測(cè)量的脈沖脈寬。5）集膚效應(yīng)保證分流器法正確性的首要條件是電阻元件的阻抗應(yīng)保持常數(shù)，即要求R>>ωL。故應(yīng)選擇電阻率大的電阻元件，并通過調(diào)整分流器幾何形狀來(lái)降低它自身的電感值。采用圖3-3和圖3-4所示的折疊式和同軸式分流器，可降低電感。另外，當(dāng)頻率較高時(shí)，由于集膚效應(yīng)的結(jié)果，也能改變?cè)碾娮柚?，因此?jīng)常使用箔來(lái)做電阻元件，使集膚深度大于或相當(dāng)于電阻材料的厚度，這樣電流在電阻材料中的流動(dòng)可以看作是均勻的，集膚深度δ(單位為m)可用下式來(lái)估算[10]

式中

ω——放電電流的角頻率；

μ——材料的導(dǎo)磁系數(shù)，μ0=4π×10-7H

/

m；

σ——高電阻率材料的電導(dǎo)率，單位為S

/

m。3.1.2電流互感器

利用分流器測(cè)量強(qiáng)電流時(shí)，測(cè)量電流直接通過分流器，將在分流器內(nèi)產(chǎn)生熱效應(yīng)和電動(dòng)效應(yīng)，如果被測(cè)電流達(dá)到幾十至幾百千安時(shí)，會(huì)給分流器的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)一定的困難。采用互感器就可以解決上述困難，因?yàn)樗褱y(cè)量電路和主電路隔離開來(lái)，使測(cè)試和記錄設(shè)備的絕緣水平與主電路無(wú)關(guān)。對(duì)交流穩(wěn)態(tài)電流的測(cè)量，電流互感器可達(dá)到很高的測(cè)量精度。1.電流互感器的工作原理電流互感器的類型很多：按繞組的匝數(shù)分有單匝式和多匝式；按用途分有測(cè)量型和保護(hù)型；按絕緣介質(zhì)分有油浸式和干式等。圖3-7為電流互感器的原理接線圖。電流互感器工作原理圖及等效電路

由上兩式得：其中：T=L/R；I':試驗(yàn)電路的有效值（3－5）聯(lián)立（3-3）、（3-4）、（3-5）得：T0=L0/R2:電流互感器的時(shí)間常數(shù)在T0>>T條件下可得：（3－6）（3－7）（3－3）（3－4）由于要設(shè)計(jì)一個(gè)T0足夠大的電流互感器，只要增大鐵心面積,采用高μ的鐵心材料,增大二次繞阻匝數(shù)N2就可以了。式（3－5）與式（3－7），這說(shuō)明在T0>>T條件下，可采用電流互感器測(cè)量通斷試驗(yàn)電流，一般T0比T大兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上就可以了。由于T0=L0/R2，所以要求L0足夠大和R2足夠小。2.電流互感器的接線方案電流互感器在三相電路中有4種接線方案（1）一相式接線（2）兩相V形接線（3）兩相電流差接線（4）三相星形接線3.電流互感器的特點(diǎn)及使用時(shí)的注意事項(xiàng)電流互感器的特點(diǎn)：1）電流互感器的一次繞組匝數(shù)很少，二次繞組匝數(shù)很多。2）一次繞組導(dǎo)體粗，二次繞組導(dǎo)體細(xì)，二次繞組的額定電流為1A、2A和5A，5A為優(yōu)先值[3）工作時(shí)，一次繞組串聯(lián)在一次電路中，二次繞組串聯(lián)在儀表、繼電器的電流線圈回路中。二次回路阻抗很小，二次回路接近于短路狀態(tài)。使用時(shí)的注意事項(xiàng)：1）電流互感器在工作時(shí)二次側(cè)若開路，則二次側(cè)會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的高電壓，危及設(shè)備和人身安全，且鐵心由于二次開路磁通劇增而過熱，并產(chǎn)生剩磁，使互感器準(zhǔn)確度降低。因此，電流互感器安裝時(shí)，二次側(cè)接線要牢固，且二次回路中不允許接入開關(guān)和熔斷器。2）電流互感器的二次側(cè)必須有一端接地，以防止其一、二次繞組間絕緣擊穿時(shí)，一次側(cè)的高壓串入二次側(cè)，危及人身安全和測(cè)量?jī)x表、繼電器等設(shè)備的安全。電流互感器在運(yùn)行中，二次繞組應(yīng)與鐵心同時(shí)接地運(yùn)行3）電流互感器在連接時(shí)必須注意端子極性，防止接錯(cuò)線。例如，在兩相電流和接線中，如果電流互感器的端子接錯(cuò)，則公共線中的電流就不是相電流，而是相電流的倍，可能會(huì)損壞電流表3.1.3電子式電流互感器

圖3-10電流傳感器原理

圖3-11電流傳感器結(jié)構(gòu)圖

SensorconceptProductScopeASensorisadeviceintendedtotransmitasignalcorrespondingtotheprimarycurrentorvoltagetothesecondaryequipment.PowerITSensorsaretypicallyusedinMVswitchgearsandswitchesformeasuring,protectionandindication.

Rogowski線圈電流傳感器測(cè)量原理采用了Rogowski線圈Rogowski線圈為無(wú)鐵芯結(jié)構(gòu)，，輸出信號(hào)與測(cè)量信號(hào)成正比設(shè)計(jì)符合IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)電壓測(cè)量電容分壓分壓比可達(dá)：1:10000精度可達(dá)0.5級(jí)Zc=1/C

符合IEC60044-7標(biāo)準(zhǔn)組合式電壓電流互感器電壓互感器電流互感器僅有一個(gè)線圈，尺寸小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。傳感器與互感器結(jié)構(gòu)對(duì)比傳感器與互感器信號(hào)傳輸對(duì)比

傳感器傳輸方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。互感器次級(jí)線圈接線板數(shù)據(jù)采集導(dǎo)線與螺絲連接傳感器電纜傳輸信號(hào)數(shù)據(jù)采集

傳感器二次回路信號(hào)輸出傳感器數(shù)據(jù)采集S1S2空心傳感器原理將電流互感器的鐵心非磁性骨架代替，稱為空心互感器或羅柯夫斯基線圈。有鐵心的互感器由于鐵心存在，產(chǎn)生勵(lì)磁電流，當(dāng)勵(lì)磁電流很大時(shí)，可使測(cè)量結(jié)果失真。空心電流傳感器由于去掉了鐵心，則不存在勵(lì)磁電流引起波形失真，而且還保存了電流互感器測(cè)量電路與主電路隔離的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)電磁感應(yīng)定理可得：M－－空心電流互感器一次和二次側(cè)互感N－－空心電流互感器二次側(cè)匝數(shù)H,D,d－－空心電流互感器的結(jié)構(gòu)尺寸(圖3-11）圖3-12積分移相電路a)原理圖

b)等效電路圖

由R和C組成的積分電路，但由于R值必須足夠大，Uc值一般很小，且不宜把Uc電壓直接接至輸入阻抗較低的記錄儀器（如振子示波器），故應(yīng)配置一個(gè)放大器。圖3-12b為測(cè)試系統(tǒng)的等效電路圖，其中L2、R2和C2分別為空心電流傳感器二次繞組的自感、內(nèi)電阻和分布電容，R’為放大器的輸入電阻。為簡(jiǎn)化分析，略去I2在L2和R2上產(chǎn)生的壓降，并認(rèn)為C2甚小、R’甚大，其在電路中對(duì)Uc影響可忽略，則圖3-12b可簡(jiǎn)化為圖3-13。由此得圖3-13

積分移相簡(jiǎn)化等效電路

如果RC≥1，使上式中Uc與I2R相比甚小，可得

由式（3-27）知，Uc與I（t）呈正比關(guān)系，故測(cè)得的Uc波形能代表試驗(yàn)電流I（t）的波形。參見圖3-12b，若適當(dāng)減小L2、C2并?。–RR’/R+R’）≥1，則Uc波形仍能足夠真實(shí)地反映I（t）的波形。或而從上式可推出如圖所示，將細(xì)的銅線均勻密繞在環(huán)型絕緣骨架上，繞制時(shí)可采用正反繞向來(lái)消除外界磁場(chǎng)的干擾，均勻密繞是為了減少匝間電容對(duì)測(cè)量的影響。空心電流傳感器是靠磁感應(yīng)來(lái)測(cè)量電流的，若它處于一個(gè)較強(qiáng)的外磁場(chǎng)中，則此磁場(chǎng)必然會(huì)干擾其二次繞組和測(cè)量回路。因此，二次繞組必須用鐵盒2屏蔽起來(lái)。但要注意兩點(diǎn)：其一要防止主磁通在鐵盒內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，因?yàn)榄h(huán)流將阻止主磁通進(jìn)入二次繞組，所以鐵盒要用磁旁路開槽4來(lái)切斷環(huán)流路徑；其二要防止鐵盒形成磁旁路。鐵的磁導(dǎo)率比空氣大得多，如主磁通都沿鐵盒走，二次繞組內(nèi)同樣也無(wú)主磁通，所以要用環(huán)流開槽5來(lái)切斷磁旁路。圖

3-14空心電流傳感器的屏蔽盒1—繞阻

2—鐵盒

3—銅導(dǎo)體4—磁旁路開槽

5—環(huán)流開槽

3.1.4利用霍爾效應(yīng)測(cè)電流利用磁耦合原理，將霍爾元件的平面與電流的磁場(chǎng)方向相垂直，放置于截流導(dǎo)體附近或放置于開環(huán)鐵心氣隙中間，測(cè)量系統(tǒng)與主電路不接觸。則霍爾電動(dòng)勢(shì)為：k1—霍爾常數(shù)其中B=k2ik2—與霍爾元件安裝位置有關(guān)的系數(shù)則ki是霍爾元件常數(shù)3.1.5利用磁光效應(yīng)測(cè)電流1.光電效應(yīng)原理參見上圖，光通偏振片成為偏振光，利用光在磁場(chǎng)中偏移的原理。l：棒長(zhǎng)；H：與光路平行的磁場(chǎng)分量；k0：費(fèi)爾德常數(shù)，與材料無(wú)關(guān)。

2.傳統(tǒng)CT和光纖輸出相結(jié)合型

圖3-17傳統(tǒng)CT和光纖輸出相結(jié)合型OCT（1）法拉第型OCT

如圖3-17所示，其特點(diǎn)是CT產(chǎn)生的電流用來(lái)形成螺線管中的磁場(chǎng)，而螺線管中安裝的法拉第元件作為傳感器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。該類型OCT曾用于275kV變電站的故障定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，被測(cè)電流高達(dá)50×2kA，在-20～+80?C的溫度范圍內(nèi)使用，其精度為1.5%，該精度對(duì)故障定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)已足夠了。

圖3-18干涉型OCT（2）干涉型OCT[14]

此類OCT采用了馬赫—澤德(Mach—Zehender)干涉儀的工作原理（見圖3-18）：將光源的輸出經(jīng)過分光器分成兩束光，一束經(jīng)過基準(zhǔn)光纖保持不變，另一束經(jīng)過壓電傳感器產(chǎn)生變化，兩束光產(chǎn)生相位差，當(dāng)兩束光在耦合器重新組合時(shí)就產(chǎn)生干涉。在耦合器輸出點(diǎn)處，兩條干涉支路中光的相位調(diào)制轉(zhuǎn)變成振幅調(diào)制。該種OCT的測(cè)量范圍為1A～33kA，在100A～30kA范圍內(nèi)測(cè)量精度為0.3％。該類型的OCT雖然精度及靈敏度很高，但價(jià)格昂貴，目前僅限于實(shí)驗(yàn)室研究使用。

圖3-19磁致收縮型OCT3.磁致伸縮型OCT

此類OCT由一導(dǎo)磁材料環(huán)繞導(dǎo)體構(gòu)成。磁環(huán)是其核心部件，磁心中的場(chǎng)量由氣隙中的光學(xué)儀器測(cè)量。該類型的優(yōu)點(diǎn)在于光學(xué)儀器的路徑短而簡(jiǎn)單，只需要少量的光學(xué)材料，設(shè)備尺寸小，且氣隙較大，有利于系統(tǒng)線性化。該類型OCT的缺點(diǎn)：由于磁致收縮不連續(xù)，測(cè)量結(jié)果受鄰近電流的影響；由于氣隙中的場(chǎng)量分布不均勻，測(cè)試結(jié)果取決于傳感器的位置。為了保證測(cè)量精度，希望氣隙較大，以保證磁場(chǎng)分布均勻，這與希望傳感器截面小，以減小整個(gè)設(shè)備的尺寸和重量的要求矛盾，采用磁致收縮的設(shè)計(jì)就是解決這一矛盾的折衷方案。該類型OCT，在室溫下精度0.3%，在0～50℃范圍內(nèi)精度0.5%。圖3-20塊封式OCT4.塊封式OCT

光路通過一塊光敏材料，將環(huán)繞導(dǎo)體的光敏材料一次性封入導(dǎo)體周圍。傳感器的材料選取要考慮到多方因素，如：光學(xué)特性，運(yùn)行范圍，穩(wěn)定性等。要使傳感器穩(wěn)定而且動(dòng)態(tài)范圍大，需選取較小的費(fèi)爾德常數(shù)。費(fèi)爾德常數(shù)小的材料通常溫度系數(shù)也小，而OCT通常工作在溫度-40～80℃之間，這對(duì)OCT的制造廠家選取傳感器材料帶來(lái)了方便(這個(gè)溫度范圍對(duì)繼電保護(hù)來(lái)說(shuō)無(wú)需溫度補(bǔ)償)。塊封式OCT第一次現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行是1986年，將OCT與計(jì)量用CT同時(shí)安裝于單相161kV傳輸線上，檢測(cè)傳感器在變電站環(huán)境中運(yùn)行的穩(wěn)定性。在兩年的運(yùn)行中，OCT與CT測(cè)量結(jié)果之間的積累誤差僅有0.08%。1987年該類型OCT在77kV的GIS系統(tǒng)中投入運(yùn)行．兩年后的積累誤差仍然低于1%[15]。5．光纖型OCT

該類型OCT用光纖環(huán)繞在導(dǎo)體上，靈敏度由環(huán)繞圈數(shù)決定，光路從光纖中通過,就產(chǎn)生法拉第效應(yīng)。由于多模光纖具有消偏振作用，故采用單模光纖作傳感器，避免了以往對(duì)光學(xué)部件所需的精加工及校準(zhǔn)，同時(shí)，還可以在光纖中加入摻雜劑來(lái)改變費(fèi)爾德常數(shù)，且改變光纖環(huán)繞圈數(shù)能方便地調(diào)整靈敏度。光纖線圈可以做得小而靈敏。但將傳感光纖繞成環(huán)形，會(huì)因材料的彎曲引起線性雙折射，降低了光線傳感的精度，增大了溫度變化對(duì)圖3-21光纖型OCT圖3-22感應(yīng)型OCT

6．感應(yīng)型OCT這是一種不同于互感器原理的OCT產(chǎn)品，該產(chǎn)品的傳感器在導(dǎo)體附近，用磁場(chǎng)感應(yīng)的方法來(lái)采集信號(hào)，由于此設(shè)備沒有采用傳感器元件環(huán)繞導(dǎo)體形成封閉路徑進(jìn)行互感測(cè)試的方式，因而是一種純粹的電流傳感器。3.2電器的電壓測(cè)量

3.2.1電壓測(cè)量的基本方法

低電壓：用電壓表直接并聯(lián)于被測(cè)電壓端高電壓：采用電壓互感器或高電壓靜電壓表空載電壓用光線示波器測(cè)量其波形

RS－分流器

O1、O2、O3－電壓振子

r1、r2、r3、rd—電阻

3.2.2電壓互感器

電壓互感器的用途是將繼電保護(hù)裝置、測(cè)量?jī)x表和計(jì)量裝置的電壓回路與高壓一次回路安全隔離，并取得固定的二次標(biāo)準(zhǔn)電壓

QS－隔離開關(guān)

TV－電壓互感器

FU－熔斷器

電壓互感器在三相電路中常用的接線方式有4種1)一個(gè)單相電壓互感器的接線，用于只需測(cè)量任意兩相間電壓對(duì)稱的三相電路，可接入電壓表、頻率表和電壓繼電器等，2)兩個(gè)單相電壓互感器可接成不完全三角形的V/V形接線，能測(cè)量線電壓，但不能測(cè)量相電壓。它常用于3～10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，供儀表和繼電器的電壓線圈，3)三個(gè)單相電壓互感器接成Y0/Y0形接線可用于要求測(cè)量線電壓的儀表和繼電器，及要求供給相電壓的絕緣監(jiān)察電壓表。4）一臺(tái)三相五芯柱電壓互感器接成Y0/Y0/開口三角形接線，3.2.3串聯(lián)高值電阻測(cè)量法用高值電阻串聯(lián)電流表來(lái)測(cè)量電容器組或高壓電源的直流高電壓，其被測(cè)高電壓U=RI，(R為串聯(lián)的高值電阻；I為電流表的讀數(shù))。對(duì)高值電阻的要求與電阻分壓器高壓臂電阻相同，一般采用若干個(gè)金屬膜電阻串聯(lián)，安裝在一個(gè)絕緣管上。電流表可采用高準(zhǔn)確度的磁電式毫安表（或微安表）。圖3-27

用串聯(lián)高值電阻測(cè)量直流高電壓

3.2.4分壓器

1.分壓器的基本原理分壓比：

準(zhǔn)確的測(cè)量要求被測(cè)電壓與Z2上的電壓相位應(yīng)完全相同或相差很小，為此，提出如下基本要求：（1）分壓器的接入不影響被測(cè)電壓的幅值和波形；（2）分壓比與被測(cè)電壓的頻率和幅值無(wú)關(guān)；（3）分壓比與大氣條件無(wú)關(guān)；（4）分壓比不受溫升影響；（5）分壓器中無(wú)電暈及絕緣泄露電流。分壓器可分為電阻分壓器，電容分壓器和組容分壓器。交流分壓器主要是電容分壓器。只有電壓不很高，頻率不過高時(shí)才采用電阻分壓器。

分壓器本身對(duì)地雜散電容使分壓器產(chǎn)生畸變。越靠近頂部電流越大，大部分電壓集中在頂部。為改善分壓器的性能，補(bǔ)償對(duì)地電容的影響，一般采用在分壓器頂端加一個(gè)環(huán)電極，稱作屏蔽環(huán)。U1xlU2/U1X/L1123451—無(wú)屏蔽時(shí)電壓分布2－－圓環(huán)屏蔽置于頂端時(shí)電壓分布3－－圓環(huán)屏蔽離頂端48cm時(shí)電壓布4－－錐形屏蔽時(shí)電壓分布5－－理想電壓分布2.電阻分壓器一般用于小于10kv的電壓測(cè)量分壓器總電阻：R=R1+R2略去分壓器本體的殘余電感，無(wú)屏蔽電阻分壓器方波響應(yīng)時(shí)間T:C－－分壓器對(duì)地的雜散電容3.電容分壓器C1為高壓臂電容C2為低壓臂電容

一個(gè)沒有電感的電容分布式分壓器的低壓臂的輸出電壓與被測(cè)電壓的頻率無(wú)關(guān)，只包含有幅值誤差而無(wú)波形誤差，要減小其幅值誤差應(yīng)增大分壓器電容，并盡量減小其對(duì)地雜散電容。4.阻容分壓器

為了解決電容分壓器在測(cè)量雷電等沖擊電壓時(shí)所存在的回路雜散振蕩問題，發(fā)展了阻容分壓器。以往生產(chǎn)的阻容并聯(lián)分壓器，在快速的沖擊電壓作用下，存在著與純電容分壓器相同的缺點(diǎn)，難以阻尼分壓器回路的雜散振蕩，故在雷電沖擊電壓的測(cè)量中，已為阻容串聯(lián)分壓器所取代。圖3-36

串聯(lián)組容分壓器的等效電路

3.3電路的功率因數(shù)與時(shí)間常數(shù)測(cè)量

試驗(yàn)電路中功率因數(shù)（對(duì)交流電路）和時(shí)間常數(shù)（對(duì)直流電路）是考核開關(guān)電器的重要電路參數(shù)。

穩(wěn)態(tài)過程的測(cè)量方法有：二瓦特計(jì)法、功率振子法、平均值相位計(jì)法、相位-電壓變換式相位計(jì)法。強(qiáng)電流通斷試驗(yàn)測(cè)量法：相位關(guān)系法、直流分量衰減法、電流比值法、脈沖式相位計(jì)法。3.3.1瓦特表法及功率因數(shù)表法功率因數(shù)：指被試電器電源空載端電壓與穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)電流間相位差的余弦。試驗(yàn)電路等效電路Z--試驗(yàn)電路全阻抗

φ--全電路的功率因數(shù)角P--有功功率U--空載電壓I--試驗(yàn)電流

由上式此知，只要測(cè)出試驗(yàn)電路的有功功率P、空載電壓U和試驗(yàn)電流I，即可求得cosφ，此式是瓦特表法測(cè)功率因數(shù)的理論依據(jù)。其測(cè)量電路圖見如圖3-39所示。圖中，W為測(cè)量功率P的瓦特表；V、A為測(cè)量U和I的電壓表、電流表。由圖可知，V和W的電壓線圈都是接在試驗(yàn)變壓器的二次側(cè)，當(dāng)試品觸頭閉合產(chǎn)生試驗(yàn)電流時(shí)，V的所測(cè)值不是空載電壓，而是比空載電壓U小一些的負(fù)載電壓，W的所測(cè)值也不是全電路的功率P，而是變壓器低壓側(cè)電路中總電阻R′的消耗功率P′（＝I2R′<P）。若把圖3-39中的瓦特表改用功率因數(shù)表或相位表（即cosφ表或φ表），就可從表上直接讀取功率因數(shù)值或功率因數(shù)角值，稱為功率因數(shù)表法。a)b)圖3－39

瓦特表法測(cè)功率因數(shù)的電路a）兩相試驗(yàn)時(shí)b）單相試驗(yàn)時(shí)3.3.2相位關(guān)系

測(cè)量試驗(yàn)電流I與空載電壓U之間的相角差。①開始時(shí)預(yù)期電流包含有非周期分量，需經(jīng)過若干周波使非周期分量衰減至零后，才變?yōu)榉€(wěn)態(tài)電流；②在穩(wěn)態(tài)電流零線上從某一過零點(diǎn)a取ab=bc=cd=de（ab的長(zhǎng)度相當(dāng)于穩(wěn)態(tài)電流半波的時(shí)間，其角度為π）的長(zhǎng)度往前延伸，求得e點(diǎn)，并由電壓零點(diǎn)g求得f點(diǎn)，取出e

f后用相應(yīng)的比例變換，即得功率因數(shù)角φ；③示波圖上的電壓波形表示試驗(yàn)電源的空載電壓，它與穩(wěn)態(tài)電流的夾角φ的余弦就是整個(gè)試驗(yàn)電路的功率因數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：不論單相還是三相試驗(yàn)，電路的功率因數(shù)在很大的范圍內(nèi)都均可用此法測(cè)量，例如cosφ在0.9~0.2范圍內(nèi)都適用。缺點(diǎn)：該法在示波圖上通過人工分度的方法求φ角時(shí)，存在作圖誤差，并在隨后計(jì)算cosφ時(shí)會(huì)使這種誤差放大。例如，若φ=80o時(shí)的作圖誤差為2.5%，則引起的cosφ誤差可達(dá)16.5%，且cosφ愈小，影響愈大。若采用專用的數(shù)顯電子測(cè)量裝置來(lái)測(cè)量φ值，就可避免作圖誤差，顯著提高測(cè)量精度。

3.3.3直流分量法

當(dāng)試驗(yàn)回路的功率因數(shù)較低，拍攝的預(yù)期電流波形衰減較明顯時(shí)，可通過求電路時(shí)間常數(shù)T，再由此求出功率因數(shù)直流分量：id0—t=0時(shí)，由上、下包絡(luò)線求出的電流平均值（A）,id的初始值；T—試驗(yàn)電路的時(shí)間常數(shù).圖3-41直流分量法求功率因數(shù)和時(shí)間常數(shù)于是由此求得整個(gè)試驗(yàn)電路的時(shí)間常數(shù)為（3-62）

（3-63）功率因數(shù)為由

優(yōu)點(diǎn)：所求得的cosφ是試驗(yàn)電路全電路的功率因數(shù)，其中包括負(fù)載阻抗、變壓器內(nèi)阻抗和電源阻抗的功率因數(shù)。缺點(diǎn)：①只適用于非周期分量流id值較大時(shí)，而id的大小與cosφ及合閘相角θ有關(guān)，cosφ越小，id越大，故本法僅適用于cosφ<0.3時(shí)，且單相試驗(yàn)時(shí)即使cosφ較小，還應(yīng)選擇合適的合閘相角θ，以使id盡量大一些；②cosφ與電源的頻率f值有關(guān)，因此在拍攝預(yù)期電流的同時(shí)還要測(cè)出f的實(shí)際值。因此，此法的適用范圍有一定局限性。3.3.4電流比值法圖3-42三相交流電路接通試驗(yàn)時(shí)各相電流波形uA、uB、

uC—各相電源電壓

iA、iB、iC—各相接通電流

iAW、iBW、iCW—各相電流的周期分量

iA0、iB0、iC0—各相電流直流分量

ψ—電流合閘相角

式中

Im——電流的對(duì)稱周期分量幅值，單位為A；

φ——相電流合閘相角,單位為度。取ωt=π（即t=0.01s）時(shí)，周期電流有效值的二次方與非周期電流值（圖中的id值）的二次方之和的二次方根值I′為周期分量電流的有效值I可用作圖法求得，其值為

式中

A’——t=0.01s時(shí)，示波圖橫坐標(biāo)至下包絡(luò)線間的長(zhǎng)度，單位為mm；

B’——t=0.01s時(shí)，示波圖橫坐標(biāo)至上包絡(luò)線間的長(zhǎng)度，單位為mm；

C——坐標(biāo)比例常數(shù)。式（3-65）的非對(duì)稱電流兩個(gè)分量的二次方之和的二次方根植I′可用作圖法求出式中

D

——t=0.01s時(shí)非周期分量電流值相應(yīng)的長(zhǎng)度,圖3-43

由Ms、MD求cosφ

定義比值MS

＝各相對(duì)稱電流有效值之平均值各相非對(duì)稱電流兩個(gè)分量二次方之和的二次方根值Iˊ之平均值

在進(jìn)行單相電流接通時(shí)，取非對(duì)稱電流兩個(gè)分量的二次方之和的二次方根值I′與周期對(duì)稱電流有效值的比值為MD，即

根據(jù)求得的Ms、MD值，也可用圖3-43查出相應(yīng)試驗(yàn)電路的功率因數(shù)cosφ。

3.3.5脈沖式相位計(jì)法根據(jù)相位關(guān)系法原理：利用接通試驗(yàn)電流前一個(gè)電壓波的由負(fù)到正過零瞬間產(chǎn)生開門信號(hào)；利用試驗(yàn)電流達(dá)穩(wěn)定后（7個(gè)周波），電流由負(fù)變正過零瞬間產(chǎn)生關(guān)門信號(hào)；在上述時(shí)間段內(nèi)記錄時(shí)鐘脈沖數(shù)。此數(shù)減去7個(gè)周波內(nèi)的電壓計(jì)數(shù)脈沖即為相位差脈沖數(shù)。圖3-44脈沖式相位計(jì)原理3.3.6時(shí)間常數(shù)的測(cè)量

圖3-45等效電路a）試品未接入（或?qū)⑵涠探樱r(shí)的等效電路b）圖a電路的簡(jiǎn)化直流試驗(yàn)電路時(shí)間常數(shù)通?？稍陬A(yù)期電流波形圖上用作圖法直接求取。在圖3-45所示試驗(yàn)電路中：圖a為試品未接入（或?qū)⑵涠探樱r(shí)的等效電路，圖中R0、L0為電源的內(nèi)電阻、內(nèi)電感；圖b為圖a電路的簡(jiǎn)化，由此可列出電路的微分方程式式中Ud0——試驗(yàn)電路直流空載電壓，即試驗(yàn)電壓，單位為V；id0——試品未接入時(shí)的試驗(yàn)電路電流，即預(yù)期電流，單位為A；R——包括電源內(nèi)電阻R0和負(fù)載電阻R1的全電路電阻，單位為Ω；L——包括電源等效內(nèi)電感L0和負(fù)載電感L1的全電路電感，單位為H；并令t=0時(shí)id

0=0，可得若以t＝Td0代入上式可得

據(jù)此，可在圖3-46的id0示波圖上由作圖求得Td0值，此法稱為0.632Id0法。圖中下面的尖頂波形是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間波，即兩個(gè)尖頂波間的間隔長(zhǎng)度代表0.01s的時(shí)