【正文】 目錄淺談應(yīng)用在電力行業(yè)局部放電檢測中的傳感器 21引言 2 2 3 4 42超聲傳感器 5（ultrasonic sensor）的簡介與原理 5 8 9 10 103紅外傳感器技術(shù) 12 12 144氣體傳感器 16 16 新型燃料電池氣體傳感器在油中氣體監(jiān)測的應(yīng)用 185光學(xué)傳感器 22 22 22 22淺談應(yīng)用在電力行業(yè)局部放電檢測中的傳感器1引言電氣設(shè)備是組成電力系統(tǒng)的基本元件，是保證供電可靠性的基礎(chǔ)。無論是大型關(guān)鍵設(shè)備如發(fā)電機、變壓器，還是小型設(shè)備如電力電容器、絕緣子等，一旦發(fā)生失效，必將引起局部甚至全部地區(qū)的停電。大量資料表明，導(dǎo)致設(shè)備失效的主要原因是其絕緣性能的劣化[1]。例如我國19841986年，110kv及以上等級電力變壓器事故的統(tǒng)計分析表明，由于絕緣劣化引起的事故的臺次占總事故臺次的68%和總事故容量的74%。而1990年的統(tǒng)計分別為76%和65%。19711974年，我國6kv及以上的電機事故的統(tǒng)計分析表明，絕緣損壞事故占事故總臺次的66%。1980年，電力部對36臺故障電流傳感器進行分析，結(jié)果是絕緣事故占92%。1990年，全國110kv及以上等級互感器中，絕緣故障占總事故臺次的55%。國外的統(tǒng)計結(jié)果也類似。例如，北美電力系統(tǒng)曾因絕緣故障引起至少三個電力局的230kv電流互感器爆炸。，其中92%是因絕緣劣化引起失效等等事故。由以上論述可見，電氣設(shè)備的多數(shù)故障時絕緣性故障。不僅是電應(yīng)力作用引起絕緣劣化，導(dǎo)致絕緣故障，而且機械力或熱的作用，或者和電場的共同作用，最終頁會發(fā)展為絕緣性故障。例如，變壓器短路故障產(chǎn)生的巨大電磁力會引起繞組變形，也使絕緣受損傷而導(dǎo)致發(fā)生匝間擊穿；變壓器內(nèi)部過熱可導(dǎo)致油溫上升，使絕緣過熱而發(fā)生裂解，最后發(fā)展為放電性絕緣故障。電力設(shè)備，特別是大型設(shè)備故障會造成巨大的經(jīng)濟損失。有些非大型設(shè)備雖自身價值不昂貴，但故障后果嚴(yán)重，例如，以往互感器、電容器、避雷器常因絕緣故障發(fā)生爆炸和起火，不僅會波及臨近設(shè)備，且由于故障的突發(fā)性，會因爆炸而造成人員傷亡。鑒于絕緣故障在故障檢測中所占得比重及后果的嚴(yán)重性，電力運行部門歷來十分重視電氣設(shè)備的絕緣監(jiān)督，并規(guī)定每年春天對設(shè)備進行一次全面的絕緣性能檢查。對電氣設(shè)備進行絕緣監(jiān)督的主要手段，以往是一直采用定期進行絕緣預(yù)防性試驗，即根據(jù)電力部所頒發(fā)的《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》，對不同設(shè)備所規(guī)定的項目和相應(yīng)的試驗周期，定期在停電狀態(tài)下進行絕緣預(yù)防性試驗。這無疑在預(yù)防設(shè)備事故的發(fā)生，保證供電安全可靠方面，起著很好的作用，但是長期工作經(jīng)驗表明，這樣一個維修體系有著一定得局限性。從經(jīng)濟學(xué)角度來看，定期試驗和大修均需停電，不僅會造成很大的直接和間接的經(jīng)濟損失，而且增加了工作安排的難度。加以定期大修和更換部件也需要投資，而這種投資是否必要尚不好確定。因為設(shè)備的實際狀態(tài)可能完全不必作任何維修，而仍能夠繼續(xù)長時間運行。若維修水品不高，反而可能使設(shè)備維修越壞，從而產(chǎn)生新的經(jīng)濟損失。其次，雖然絕緣的劣化和缺陷的發(fā)展是有統(tǒng)計特性的，絕緣劣化發(fā)展速度有快有慢，但總有一定的潛伏和發(fā)展時間。20世紀(jì)70年代以來，隨著世界上裝機容量的迅速增長，對供電可靠性的要求越來越高?？紤]到原有預(yù)防性維修體系的局限性，為降低停電和維修費用，提出預(yù)知性維修和狀態(tài)維修這一新概念。氣具體內(nèi)容是對運行中的電力設(shè)備的絕緣狀況進行連續(xù)的在線監(jiān)測，隨時獲得能反映絕緣狀況的信息。在進行分析處理后，對設(shè)備的絕緣狀況作出診斷，并根據(jù)診斷的結(jié)論安排必要的維修，也即是做到有的放矢進行維修。故狀態(tài)維修應(yīng)包括三個步驟，即在線監(jiān)測分析診斷預(yù)知性維修。狀態(tài)維修有以下優(yōu)點：1） 可更有效的使用設(shè)備，提高設(shè)備的利用率2） 降低維修費用3） 有目標(biāo)的進行維修，可以提高維修水平，使設(shè)備運行更安全可靠4） 可系統(tǒng)地對設(shè)備制造部門反饋設(shè)備的質(zhì)量信息，用以提高產(chǎn)品的可靠性 傳感器技術(shù)是信息獲取科學(xué)與技術(shù)的核心技術(shù)[2]。信息獲取科學(xué)與技術(shù)又是構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱之一，是信息的源頭和基礎(chǔ)。但是傳感器技術(shù)，現(xiàn)在又是信息技術(shù)發(fā)展的瓶頸，仍然是拖后腿的角色。信息獲取技術(shù)（傳感/監(jiān)測技術(shù)）大大落后于信息處理技術(shù)（計算機技術(shù)）與信息傳輸技術(shù)（通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)），所以傳感器仍然是稱為推動科學(xué)技術(shù)進步的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，是吸引眾多科學(xué)技術(shù)工作者攻堅的熱點。那么，我們就回顧一下，傳感技術(shù)在電力行業(yè)局部放電在線監(jiān)測中的歷史進程，以分析傳感器技術(shù)在現(xiàn)在行業(yè)中的重要應(yīng)用和對工程應(yīng)用領(lǐng)域的巨大作用。 20世紀(jì)60年代，美國最先使用可燃性氣體總量（TCG）監(jiān)測裝置，來測定變壓器儲油柜油面上的自由氣體，以判斷變壓器的絕緣狀態(tài)。但是在潛伏故障階段，分解氣體大部分溶于油中，故這種裝置對潛伏性故障無能為力。 針對這一局限，日本研究了使用氣相色譜儀，在分析自由氣體的同時，分析油中溶解氣體，這有利于發(fā)現(xiàn)早期故障。其缺點是要取油樣，需在實驗室進行分析，試驗時間長，故不能在線連續(xù)監(jiān)測。20世紀(jì)70年代中期，能使油中氣體分離的高分子塑料滲透膜的發(fā)明和應(yīng)用，解決了在線連續(xù)監(jiān)測問題。氣相色譜儀技術(shù)日趨成熟，并為長期的實踐所證明，是一種行之有效的監(jiān)測和診斷技術(shù)。其局限性事氣體的生成有一個發(fā)展的過程，故對突發(fā)性故障不靈敏，這就要借助于局部放電監(jiān)測。 近20年來，由于壓電元件靈敏度的提高和低噪聲集成放大器的應(yīng)用，大大提高了超聲傳感器的信噪比和監(jiān)測靈敏度，使其得以廣泛用于局部放電的在線監(jiān)測。傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、電子和光電技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，提高了局部放電監(jiān)測的靈敏度和抗干擾水平。20世紀(jì)70年代末，日本先后研究了油中氣體傳感器，研制了油中H三組分氣體（HCO、CH4）和六組分氣體（HCO、CHC2HC2HC2H6）的油中氣體監(jiān)測裝置。隨后研制了變壓器局部放電自動檢測儀。那么，這些傳感監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，使得在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測精度越來越高、故障檢測率也越來越高，在工程中的應(yīng)用也越來越廣泛。我國開展電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用已有10多年了，對提高電力設(shè)備的運行維護水平，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，減少停電事故的發(fā)生起到了積極作用。我國從50年代開始，幾十年來一直是根據(jù)電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程的規(guī)定，對電力設(shè)備進行定期的停電試驗、檢修和維護。定期試驗不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的故障隱患，而且停電試驗施加低于運行電壓的試驗電壓，對某些缺陷反映不夠靈敏。 隨著電力系統(tǒng)朝著高電壓、大容量的方向發(fā)展，如何保證電力設(shè)備的安全運行就更為重要，一旦發(fā)生停電事故，將給生產(chǎn)和生活帶來巨大的影響和損失。因此迫切需要對電力設(shè)備運行狀態(tài)進行實時或定時的在線監(jiān)測，及時反映電力設(shè)備如絕緣等的劣化程度，以便采取預(yù)防措施，避免停電事故發(fā)生。進入80年代，特別是近10多年來，在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展很快，絕大多數(shù)變電站設(shè)備及發(fā)電機、電纜、線路絕緣子等都有在線監(jiān)測的項目。隨著電子技術(shù)的進步，傳感器技術(shù)、光纖技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)的發(fā)展和向各領(lǐng)域的滲透，系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)中廣泛應(yīng)用了這些先進的科研成果，使在線監(jiān)測技術(shù)逐步走向?qū)嵱没A段。與預(yù)防性試驗相比，在線監(jiān)測系統(tǒng)采用高靈敏度的傳感器采集運行中設(shè)備絕緣劣化的信息，信息量的處理和識別依賴于豐富的軟件支持的計算機網(wǎng)絡(luò)，不僅可以把某些預(yù)試項目在線化，而且還引進了一些新的更真實反映設(shè)備運行狀態(tài)的特征量，從而實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的綜合診斷，促進電力設(shè)備向狀態(tài)檢修過渡的進程。對電力設(shè)備進行在線監(jiān)測和故障診斷，是實現(xiàn)設(shè)備預(yù)知性維修的前提，是保證設(shè)備安全可靠運行的關(guān)鍵，也是對傳統(tǒng)的離線預(yù)防性試驗的重大補充和拓展。局部放電信號的監(jiān)測仍是以伴隨放電產(chǎn)生的電、聲、光、溫度和氣體等各種理化現(xiàn)象為依據(jù)，通過能代表局部放電的這些物理量來測定。測量的方法大體分為電測法和非電測法。電測法利用局部放電所產(chǎn)生的脈沖信號，即測量因放電時電荷變化所引起的脈沖電流，稱為脈沖電流法。脈沖電流法是離線條件下測量電氣設(shè)備局部放電的基本方法，也是目前在線監(jiān)測局部放電的主要手段。脈沖電流法的優(yōu)點是靈敏度 。如果監(jiān)測系統(tǒng)頻率小于1000khz（一般 500khz一下），并且按照國家標(biāo)準(zhǔn)進行放電量的標(biāo)定后，可以得到變壓器的放電量指標(biāo)。其缺點是由于現(xiàn)場存在嚴(yán)重的電磁干擾，將會大大降低監(jiān)測靈敏度和信噪比。非電測法有油中氣體分析、紅外監(jiān)測、光側(cè)法和聲測法。其中應(yīng)用最廣泛的是聲測法，它利用變壓器發(fā)生局部放電時發(fā)出的聲波來進行測量。其優(yōu)點是基本不受現(xiàn)場磁場干擾的影響，信噪比高，可以確定放電源的位置；缺點是靈敏度低，不能確定放電量。聲測法和脈沖電流法配合使用，是局部放電的重要監(jiān)測手段。廣泛應(yīng)用在局部放電監(jiān)測中的傳感器就根據(jù)電測法和非電測法分為兩大類：電測法傳感器 脈沖電流法 超高頻法[3]（在此文不做詳細(xì)介紹）非電測法傳感器1超聲傳感器 2紅外傳感器3新型燃料電池氣體傳感器4光學(xué)傳感器2超聲傳感器（ultrasonic sensor）的簡介與原理定義：利用超聲波檢測技術(shù)，將感受的被測量轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。簡介：超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。 超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不產(chǎn)生失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。結(jié)構(gòu)與工作原理人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ20KHZ 范圍內(nèi)，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ幾十MHZ。 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱和振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測量儀器及裝置，并在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。超聲傳感器超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)