CN104406885A - 一种电力变压器油中溶解氢气限值传感器及检测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力变压器油中溶解氢气限值传感器及检测***，包括光纤，在光纤的纤芯上刻有光栅，光纤对应于光栅的区域为光纤光栅区，光纤光栅区的包层的一侧面抛磨成为平面的抛磨面，在抛磨面上贴附有氢敏金属层。本发明灵敏度高，时效性强，一旦溶解氢气浓度到达限值，波长变化量很快到达限值，能及时有效的发现故障从而防止故障进一步发展；本发明采用光信号，可避免变压器中复杂的电磁环境对测量结果的影响，抗干扰能力强，检测信号为波长，不受、光源信号强弱、探测器老化和连接损耗等方面因素的影响；本发明结构简单、基于光纤制备而成，直径小，易于布置在变压器油中，检测方便，且对变压器的正常运行无影响，适于变压器现场应用。

Description

一种电力变压器油中溶解氢气限值传感器及检测***

技术领域

本发明涉及一种电力变压器油中溶解氢气限值传感器，还涉及由该电力变压器油中溶解氢气限值传感器组成的检测***。

背景技术

电力变压器是电网运行中的关键设备，电力变压器的可靠运行已成为电网可靠运行的关键因素之一。变压器油在热和电的作用下，分解出氢、一氧化碳、二氧化碳、以及多种小分子烃类气体。设备内部故障的类型及严重程度与这些气体分子的组成及产气速率有着密切关系。当变压器出现低能量故障(局部放电)时，氢气为主要产生气体，这主要是因为低能量故障易使得最弱的C-H键断裂，大部分氢离子重新化合成氢气。产生的氢气主要是以悬浮状态或是溶解状态存在于变压器油中。一般变压器早期故障都是先出现微弱的局部放电或是低温热点现象，因此可以通过监测变压器油中氢气情况来反早期故障情况。

现有在线色谱监测***存在需要进行油气分离，气体检测存在寿命短、零漂严重、对环境要求高、受电磁干扰等问题。光纤具有体积小、电绝缘、不受电磁干扰、耐腐蚀、安全性好等优势。

近年来，基于光纤的氢气传感器主要有光强检测法和波长检测法。

光强检测法中以光强为检测信号，通过干涉、光谱吸收、改变光纤反射率等方法改变光强达到通过检测光强对氢气浓度进行检测的目的。⑴干涉法是在光纤外镀钯膜，钯膜遇到氢气后体积膨胀拉伸光纤改变光程强度，使传输光的相位发生变化，利用干涉仪检测干涉场的光强度判断氢气浓度。另一种采用干涉法的氢气传感器是在光纤末端镀两层膜，第一层的TiO2或是NiOx和第二层的Pd组成了一个共振腔，光纤在两层上的反射率不同从而形成了干涉。⑵光谱吸收法的原理为每种气体分子都有自己的吸收(或辐射)谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才会被吸收，吸收后发射谱光强将发生变化。⑶改变光纤反射率法是在光纤表面涂覆一层吸氢后颜色会变化的物质，使得光纤吸氢后传输光信号的功率降低，通过检测功率变化来反映氢浓度的变化。

光强检测法的缺点在于：检测灵敏度较高，响应时间较短，但是在检测过程中光纤的弯曲对光强的影响较大，检测时应尽量保证光纤伸直，光纤的损耗对测量结果影响也较大，不适用于远距离测量。特别是利用干涉装置来检测，由于结构复杂非常不便用于变压器现场检测。这些方法都不具有多路复用性，要做到多点测量比较不便。

波长检测法主要依靠测量波长来实现，光纤布喇格光栅(FBG)所受应力改变或栅区周围温度变化均会使得布喇格波长变化。当该金属遇到氢之后会发生放热反应，温度的变化使光纤布喇格光栅的中心波长发生变化。氢气的浓度越高，反应放出的热量越多，相应中心波长的变化量越大，可以通过波长变化情况来反映氢气浓度的变化情况。但是，波长检测法的缺陷在于：虽然波长检测法中温度检测响应较快，但是该检测方法需要区分吸氢引起的温度变化和环境温度变化，对于非常细微的变化不便于检出，灵敏度需要进一步提高。同时，由于氢气与金属膜反应产生大量的热，在变压器油的复杂环境下可能导致故障加剧，不适合用于变压器油中检测。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种结构简单、检测方便、灵敏度高、适于变压器现场应用、抗干扰能力强的电力变压器油中溶解氢气限值传感器。

本发明的第二个目的是提供一种由上述电力变压器油中溶解氢气限值传感器组成的检测***。

本发明的第一个目的可以通过以下措施来实现：一种电力变压器油中溶解氢气限值传感器，包括光纤，其特征在于：在光纤的纤芯上刻有光栅，所述光纤对应于光栅的区域为光纤光栅区，所述光纤光栅区的包层的一侧面抛磨成为平面的抛磨面，在所述抛磨面上贴附有氢敏金属层。

本发明的氢敏金属层作为传感层，氢敏金属层吸氢后体积膨胀在光纤光栅区产生弯曲形变，波长变化量与油中溶解氢气浓度的具有一定关系，因此可以通过检测波长变化量的大小得知氢气的浓度。

本发明灵敏度高，时效性强，一旦溶解氢气浓度到达限值，波长变化量很快到达限值，能及时有效的发现故障从而防止故障进一步发展；本发明采用光信号，可以避免变压器中复杂的电磁环境对测量结果的影响，抗干扰能力强，而且检测信号为波长，不受、光源信号强弱、探测器老化和连接损耗等方面因素的影响；本发明结构简单、基于光纤制备而成，直径很小，易于布置在变压器油中，检测方便，并且对变压器的正常运行无影响，适于变压器现场应用。

作为本发明的一种优选实施方式，所述氢敏金属层采用金属钯膜。金属钯(Pd)在常温下性质稳定，当遇到氢气时呈现活性，1体积钯可以吸收900体积氢气，钯膜吸氢后体积膨胀在光纤光栅区产生弯曲形变，侧面抛磨的光纤布拉格光栅对弯曲形变十分灵敏。

作为本发明的一种实施方式，所述金属钯膜通过粘附层贴附在所述抛磨面上。粘附层可以增加金属钯膜与光纤的粘附力，可有效防止金属钯膜脱落。

作为本发明的一种优选实施方式，所述粘附层采用金属钛膜。

作为本发明的推荐实施方式，所述金属钛膜和金属钯膜通过溅射方式依次喷涂在所述抛磨面上。

本发明可以有以下实施方式：

光纤光栅区的纤芯中心距离抛磨面30±10μm。

所述金属钛膜的厚度为10±3nm。

所述金属钯膜的厚度为500±50nm。

本发明的第二个目的可以通过以下措施来实现：一种由上述电力变压器油中溶解氢气限值传感器组成的检测***，其特征在于：它包括依次连接的用于温度补偿的光纤光栅传感器、所述电力变压器油中溶解氢气限值传感器、解调仪、计算机和报警装置，其中，所述电力变压器油中溶解氢气限值传感器与解调仪通过光纤传输线相连，所述电力变压器油中溶解氢气限值传感器发出的光信号通过光纤传输线传送至解调仪，解调仪解调光信号后分别得到所述电力变压器油中溶解氢气限值传感器和光纤光栅传感器的波长值，波长值传送至计算机进行处理，当油中溶解氢气浓度超过设定值时由计算机控制报警装置报警。

作为本发明的一种实施方式，所述报警装置采用扬声器。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

⑴在油气分离时，至少需要1-2天的时间才能使得气室内的气体与油中气体达到平衡，而本发明传感器一旦溶解氢气浓度到达限值，波长变化量很快到达限值，能及时有效的发现故障从而防止故障进一步发展，因此本发明传感器灵敏度高、时效性强。

⑵本发明采用光信号，可以避免变压器中复杂的电磁环境对测量结果的影响，抗干扰能力强，并且传感器检测信号为波长，不受、光源信号强弱、探测器老化和连接损耗等方面因素的影响。

⑶本发明传感器结构简单、基于光纤制备而成，直径很小，体积小，易于布置在变压器油中，检测方便，并且对变压器的正常运行无影响，适于变压器现场应用。

⑷本发明特别适用于对电力变压器内部氢气监测，也可适用于其它类似场合。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对发明作进一步的详细说明。

图1是本发明传感器的侧视图；

图2是本发明传感器光纤光栅区的横截面剖视图；

图3是本发明检测***的结构组成示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，是本发明一种电力变压器油中溶解氢气限值传感器5，包括光纤，光纤由纤芯11和包覆在纤芯11上的包层13组成，在光纤的纤芯11上刻有光栅，光纤对应于光栅的区域为光纤光栅区12，光纤光栅区12的包层13的一侧面抛磨成为平面的抛磨面14，光纤光栅区的纤芯11中心距离抛磨面30±10μm。在抛磨面14上贴附有氢敏金属层，在本实施例中，氢敏金属层采用金属钯膜2，金属钯膜2的厚度为500±50nm。金属钯(Pd)在常温下性质稳定，当遇到氢气时呈现活性，1体积钯可以吸收900体积氢气。金属钯膜吸氢后体积膨胀在光纤光栅区12产生弯曲形变，侧面抛磨的光纤布拉格光栅对弯曲形变十分灵敏。金属钯膜2通过粘附层贴附在抛磨面14上，在本实施例中，粘附层采用金属钛膜3，金属钛膜3的厚度为10±3nm，金属钛膜3可以增加金属钯膜与光纤的粘附力，能够有效防止金属钯膜脱落。金属钛膜3和金属钯膜2通过溅射方式依次喷涂在抛磨面14上。

本发明传感器的工作原理是：光纤布喇格光栅在受到应变时，其中心波长会发生漂移，金属钯膜作为传感层，金属钯膜吸氢后体积膨胀在光纤光栅区产生弯曲形变，波长变化量与油中溶解氢气浓度的具有一定关系，因此可以通过检测波长变化量的大小得知氢气的浓度。

本发明传感器的制备过程如下：先将光纤光栅区布置在侧边抛磨***中进行抛磨，然后将侧边抛磨后的光纤光栅区布置在磁控溅射镀膜***中，在抛磨面上先溅射金属钛膜，随后再溅射金属钯膜即得。

如图3所示，一种由上述电力变压器油中溶解氢气限值传感器组成的检测***，包括依次连接的用于温度补偿的光纤光栅传感器6、电力变压器油中溶解氢气限值传感器5、解调仪7、计算机8和报警装置，报警装置采用扬声器9，其中，电力变压器油中溶解氢气限值传感器5与解调仪7通过光纤传输线10相连，电力变压器油中溶解氢气限值传感器5发出的光信号通过光纤传输线10传送至解调仪7，解调仪7解调光信号后分别得到电力变压器油中溶解氢气限值传感器5和光纤光栅传感器6的波长值，波长值传送至计算机8进行处理，当油中溶解氢气浓度超过设定值时由计算机8控制扬声器9报警，即扬声器9会发出报警信号。

本发明检测***的工作过程如下：电力变压器油中溶解氢气限值传感器用于检测氢气浓度，光纤光栅传感器用于排除温度的影响，一同固定在变压器油15中，通过光纤传输线将光信号传送至解调仪，经解调仪解调光信号得到两传感器的波长值，传输到计算机的波长值经过处理得到去除环境温度影响的波长变化量，然后由波长变化量与油中溶解氢气浓度的关系可得出此时油中溶解氢气的浓度并将其与设定值相比较，当氢浓度高于设定值时由计算机控制扬声器发出报警信号，提醒值班人员及时排除解决故障。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明氢敏金属层、粘附层和报警装置还可以具有其它实施方式。因此，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力变压器油中溶解氢气限值传感器，包括光纤，其特征在于：在光纤的纤芯上刻有光栅，所述光纤对应于光栅的区域为光纤光栅区，所述光纤光栅区的包层的一侧面抛磨成为平面的抛磨面，在所述抛磨面上贴附有氢敏金属层。

2.根据权利要求1所述的电力变压器油中溶解氢气限值传感器，其特征在于：所述氢敏金属层采用金属钯膜。

3.根据权利要求2所述的电力变压器油中溶解氢气限值传感器，其特征在于：所述金属钯膜通过粘附层贴附在所述抛磨面上。

4.根据权利要求3所述的电力变压器油中溶解氢气限值传感器，其特征在于：所述粘附层采用金属钛膜。

5.根据权利要求4所述的电力变压器油中溶解氢气限值传感器，其特征在于：所述金属钛膜和金属钯膜通过溅射方式依次喷涂在所述抛磨面上。

6.根据权利要求5所述的电力变压器油中溶解氢气限值传感器，其特征在于：所述金属钯膜的厚度为500±50nm。

7.根据权利要求6所述的电力变压器油中溶解氢气限值传感器，其特征在于：所述金属钛膜的厚度为10±3nm。

8.根据权利要求1～7任一项所述的电力变压器油中溶解氢气限值传感器，其特征在于：光纤光栅区的纤芯中心距离抛磨面30±10μm。

9.一种由权利要求1所述电力变压器油中溶解氢气限值传感器组成的检测***，其特征在于：包括依次连接的用于温度补偿的光纤光栅传感器、所述电力变压器油中溶解氢气限值传感器、解调仪、计算机和报警装置，其中，所述电力变压器油中溶解氢气限值传感器与解调仪通过光纤传输线相连，所述电力变压器油中溶解氢气限值传感器发出的光信号通过光纤传输线传送至解调仪，解调仪解调光信号后分别得到所述电力变压器油中溶解氢气限值传感器和光纤光栅传感器的波长值，波长值传送至计算机进行处理，当油中溶解氢气浓度超过设定值时由计算机控制报警装置报警。

10.根据权利要求9所述的检测***，其特征在于：所述报警装置采用扬声器。