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供变电 电气化铁道 2006 年第 3 期 8 气敏传感器在牵引变压器绝缘在线监测中的应用 王忠南，盛进路，郑婉媚 摘 要气敏传感器及其检测电路的设计是基于 DGA（Dissolved Gases Analysis）牵引变压器绝缘在线监测技 术的关键环节。为检测传感器性能，设计了气敏传感器测试实验；在实际检测中，采用多个传感器组成传感器 阵列，并利用径向基（RBF）原理解决了传感器阵列相互干扰性问题，通过比较试验数据与标准测试仪测量结 果，验证了传感器阵列的有效性和稳定性。 关键词传感器；牵引变压器；RBF；传感器阵列 Abstract Design of Gas Sensor and their detecting circuit is key to DGA Dissolved Gases Analysis based on-line monitoring equipment for traction transer. In this paper, several high-powered semi-conductor gas sensors are applied, which are tested by designing experiment. When the sensors are used in on-line monitoring system, RBF is used to identify the mutual interference between sensor array, which is validated and stable through comparing the test data with the results tested by the standard testing equipment. Key words sensor; traction transer; RBF; sensor array 中图分类号U224.22 文献标识码B 文章编号1007-936X200603-0008-03 牵引变压器是牵引供电系统的核心， 对其进行 在线监测可以提高运行可靠性， 同时也能为变电站 无人值守和牵引供电设备的状态维修奠定坚实的 基础[1]。 气敏传感器是整个在线监测系统的输入端， 它 的性能将直接影响监测和诊断的效果。 在选用传感 器时，主要考虑灵敏度、动态范围、频响特性、相 移、横向灵敏度、环境条件。由于变压器经常处于 高电压、强电磁环境下，因此要求传感器有足够的 抗干扰性、 灵敏度、 线性度， 尽可能无失真地转换、 传送被测信号[2-3]。选用合适的传感器是影响整个 监测装置性能及其使用寿命的主要因素之一。 1 牵引变压器绝缘在线监测系统牵引变压器绝缘在线监测系统 牵引变压器油色谱在线监测系统包括油气分 离单元、信号转换单元、采集控制电路板、工作站 软件等 4 个模块，系统结构如图 1 所示。其中信号 转换单元是整个系统的核心， 其功能是把多种故障 气体分离，并转换成可以检测的弱电信号。整个单 元主要由气路控制系统、进样装置、传感器阵列等 作者简介王忠南.济南铁路局济南供电段，工程师，山东 济南 266002，电话0406-78533（路电） ； 盛进路.济南铁路局济南供电段； 郑婉媚.青岛远洋船员学院。 组成。气体检测单元是气敏传感器，它的灵敏度和 精度决定了气体检测的灵敏度和精度。因此，提高 气敏传感器的检测灵敏度是整个变压器监测系统 的关键环节。 图 1 牵引变压器 DGA 在线监测系统结构 2 传感器性能检测传感器性能检测 图2和图3分别为测试传感器灵敏度的气路和 电路图。 图 2 传感器测试气路图 变 压 器 油 气 分 离 单 元 工 作 站 采集 控制 电路 板 信 号 转 换 单 元 变压 器油 故障 气体 模拟量 控制 信号 控制 信号 色谱 数据 传感器 进样口柱箱 色谱柱 空气净化 空气泵 稳压阀 气敏传感器在牵引变压器绝缘在线监测中的应用 王忠南，盛进路，郑婉媚 供变电 9 测试系统中， 采用净化并干燥处理后的空气作 载气，气体通过恒温箱中的色谱柱分离后，再经过 传感器及其检测电路进行信号采集， 根据搭建的试 验电路，可以直接从 PC 机上看到传感器对各种气 体的峰值情况。 图 3 传感器测试电路图 图4和图5分别是1传感器和2传感器的信号 输出谱图。 图 4 1传感器输出谱图 图 5 2传感器输出谱图 从图 4 和图 5 可以看出，5 个峰分别为 H2、 CO、C2H4、C2H6、C2H2，2传感器对 C2H2的反应 更好，对于 CO 基本没有反应，而 1传感器对于 CO 反应较好，因此不同传感器对于各种气体都有 不同的反应灵敏度， 可以通过采用传感器阵列识别 多种气体， 以下介绍用传感器阵列检测各种气体的 方法。 3 气敏阵列传感系统气敏阵列传感系统 由于牵引变压器在线监测系统对多种气体的 检测不仅要迅速、准确，而且还要把获得的信息以 电信号的形式输送出来， 以便应用计算机进行自动 监测和控制。气体传感器由于普遍存在交叉敏感 性、其输出信号受温度、湿度以及环境条件等因素 的影响，稳定性和选择性较差，在选择上有一定的 困难。有资料显示神经网络具有非线性映射、并行 处理和高度自学习、自组织、自适应的能力，能有 效地解决气体传感器所产生的非线性问题， 并在一 定程度上抑制传感器的飘溢或噪声， 有助于气体检 测精度的提高[4-5]。 因此， 把对混合气体分析各组分具有不同灵敏 度及选择性的多个气敏元件组成气敏阵列， 阵列的 输出信号作为神经网络的输入样本， 神经网络的输 出对应混合气体各组分的浓度， 通过预先对学习样 本的学习，建立神经网络输入层、隐层、输出层之 间的连接关系， 进而实现对未知样本的检测、 识别。 该系统由气敏元件阵列子系统、 数据采集子系 统和数据处理子系统 3 部分组成。 图 6 为气敏阵列 传感系统结构图。 图 6 气敏阵列传感系统结构图 径向基（RBF）网络的结构是一种 3 层前向网 络第 1 层为输入层，由信号源结点组成；第 2 层 采集器 PC 5 V 10 K Sensor 0～5 K 2 K C2H6气敏元件 C2H4气敏元件 H2气敏元件 CO 气敏元件 CH4气敏元件 C2H2气敏元件 数 据 采 集 混 合 气 体 组 分 浓 度 6 7 8 4 3 1 2 5 0.77 3.26 5.75 8.25 19.74 13.23 15.72 18.22 20.71 407.362 350.765 294.167 237.570 180.972 124.375 67.777 11.180 -45.418 0.81 2.67 4.53 6.39 8.24 10.10 11.96 13.82 15.68 1413.34 1226.69 1040.04 853.386 666.731 480.077 293.422 106.768 -79.877 10 11 12 6 7 8 9 4 5 供变电 电气化铁道 2006 年第 3 期 10 为隐层，单元数由所描述问题的需要决定；第 3 层 为输出层，它对输入模式的作用做出响应。从隐含 层空间到隐层空间的变换是线性函数， 从输入层到 隐含层空间的变换为非线性 RBF 函数，即是局部 分布的、并对中心点径向对称衰减的非负、非线性 函数（在这里取高斯公式） 。对于高斯函数为 RBF 函数的 RBF 网络，可用公式（1）表示。 2 2 1 2 σ φ i M i i XX wXF − −∑ （1） 其中，φ为高斯函数，||X-Xi||表示欧氏范数，σ2为 高斯 RBF 的方差，Xi∈Rn为 RBF 的中心，M 为中 心数。 4 测试数据分析测试数据分析 该传感器阵列已经用于在线监测设备， 表 1 比 较了在线监测设备的检测结果与用标准变压器油 色谱分析设备得到的离线测试结果， 比较结果说明 所用传感器阵列性能稳定、精度较高，用于在线监 测时能够满足要求。 表 1 历次在线和离线测量的油中溶解气体浓度（L/L） H2 CO CH4 C2H2 C2H4 C2H6 序 号 离线 在线 离线 在线 离线在线离线在线离线在线 离线 在线 1 66.5 67.2 89.1 85.3 24.4 23.2 8.9 7.4 48.2 44.6 98.7 94.6 2 65.4 68.3 88.6 86.7 24.7 24.1 8.5 8.8 48.5 47.0 95.6 96.1 3 67.1 68.5 89.7 86.4 22.5 24.8 9.3 9.0 47.0 47.9 92.6 95.8 4 64.7 69.1 87.4 86.3 20.6 23.7 10.1 8.9 47.5 48.2 93.1 95.3 5 69.5 68.6 88 86.6 23.6 22.9 8.5 9.3 46.1 47.8 92.4 94.5 6 66.3 67.8 85.2 87.0 22.2 23.1 8.7 9.2 46.6 46.2 92.0 93.8 7 66.1 68.2 86.6 86.3 22.0 24.0 8.0 8.6 47.0 47.3 91.8 92.7 8 65.8 68.9 85.4 86.1 23.0 24.3 8.3 8.7 45.5 47.1 89.2 92.5 5 结束语结束语 高速铁路的发展对牵引供电系统的可靠性、 安 全性提出了更高要求， 牵引变压器是牵引供电系统 的主要设备，对其在线监测有助于其可靠运行。气 敏传感器是基于 DGA 技术的牵引变压器绝缘在线 监测技术的关键， 笔者通过实验设计了气敏传感器 阵列，并与径向神经网络（RBF）组成检测系统， 该系统不仅能够解决交叉敏感问题， 提高传感器的 选择性， 而且具有学习速度快、 处理精度高的优点, 这对于变压器故障的早期正确诊断有重要意义。 通 过与标准仪器设备的离线结果比较， 验证了传感器 阵列的有效性和稳定性。 参考文献 [1] 周利军,吴广宁,盛进路等.基于 DGA 技术的牵引变压 器在线监测系统[J].铁道学报,2005,27541-44. [2] 黄贤武.传感器原理与应用[M].北京高等教育出版 社,2004. [3] 杨建华等.基于集成气敏传感器阵列的电子鼻系统环境 响应特性分析[J].传感器技术学报,20029189-192. [4] 吴浩扬,常炳国,朱长纯等.用于变压器故障特征气体分 析 的 气 敏 阵 列 传 感 系 统 [J]. 西 安 交 通 大 学 学 报,2000,34423-26. [5] 马 戎,周王民,陈 明.基于传感器阵列与神经网络的 气体检测系统[J].传感技术学报,20043395-398. 收稿日期2006-03-20