CN105136678A - 一种抗震型变压器油中溶解氢气传感装置 - Google Patents

Abstract

一种抗震型变压器油中溶解氢气传感装置，包括通过过渡层粘合在圆柱状光纤布拉格光栅基底上的氢敏薄膜-氢气传感器，其特征是：所述光纤布拉格光栅基底栅区部位上，设有一横向的缺口，使得缺口处的光纤布拉格光栅基底横截面呈英文字母D形，所述的氢敏薄膜粘合于所述缺口平行基底的平面上。本发明可很好地满足变压器油中溶解氢气检测的特殊要求，大大减小变压器自身振动以及油循环流动对传感器的影响，同时保证油中溶解氢气的检测。

Description

一种抗震型变压器油中溶解氢气传感装置

技术领域

本发明涉及一种抗震型变压器油中溶解氢气传感装置。

背景技术

电力变压器是电网运行中的关键设备，安全可靠的电力变压器为电网的正常运行提供保障。变压器油在热和电的作用下，会分解产生多种气体并溶于变压器油中，变压器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。因此，变压器油中溶解气体分析是诊断油浸式电力变压器潜伏性故障的有效方法。当变压器出现低能量故障时，油中化学键能量最弱的C-H键断裂，大部分氢离子将重新化合为氢气。因此在出现早期低能故障时，氢气为主要特征气体，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，而氢气是早期故障气体，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。

检测氢气可采用光纤布拉格光栅氢气传感器，其具有时效性和抗干扰能力强、体积小，可以直接置于变压器油中而不需要油气分离、实时监测且具有高监测精确度等优点。

现有光纤光栅封装技术分为保护性封装、敏化封装及补偿性封装，保护性封装技术有表贴式封装、管式封装，敏化封装分为增敏性封装及减敏性封装。其中，现有的表贴式封装、敏化封装及补偿性封装均将FBG传感器整体粘贴在衬底上。而FGB传感器需要与变压器油直接接触，使氢敏薄膜吸收油中溶解氢气从而在栅区上产生对应于油中溶解氢气浓度的应力，从而实现油中溶解氢气的检测。上述封装采用FBG传感器整体粘贴在衬底上，减小了氢敏薄膜与传感器的接触面积，并且由于FBG传感器整体粘贴在基底上一定程度上减弱了氢敏薄膜吸氢膨胀后产生的应变。因此，表贴式封装、敏化封装及补偿性封装均不适用于油中溶解氢气FBG传感器。

管式封装其主要结构为不锈钢管、胶黏剂、光纤光栅以及两端限位的金属环。不锈钢管两端的金属环对封装起限位作用。胶黏剂则用于固定光纤光栅于不锈钢管中心，并有效地传递应变和温度变化至光纤光栅上，故对胶黏剂有很严格的要求。封装过程对胶黏剂也有要求，必须有较好的流动性，其凝固速度也须很快，故常选用环氧树脂。

管式封装前须先对不锈钢管内外涂抹酒精清洗，去污的同时保证其与环氧树脂的粘接性。之后是不锈钢管与光纤光栅的结合，这一过程须极其小心地将光纤光栅慢慢穿入钢管内。为了保持钢管的稳定，使用了精密的光纤调整架。最后还需用环氧树脂将光纤光栅固定在不锈钢管内。

管式封装能够很好的保护光纤光栅不受外界破坏，但由于光栅通过环氧树脂直接黏贴于毛细钢管内壁上，两者之间存在中间黏贴层，胶粘剂易老化，不适用于变压器油。并且该封装形式采用了钢管，给变压器的安全运行带来了隐患，也不适用于变压器油中溶解氢气的检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提出一种抗震型变压器油中溶解氢气传感装置，其可很好地满足变压器油中溶解氢气检测的特殊要求，大大减小变压器自身振动以及油循环流动对传感器的影响，同时保证油中溶解氢气的检测。

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种抗震型变压器油中溶解氢气传感装置，包括通过过渡层粘合在圆柱状光纤布拉格光栅基底上的氢敏薄膜，其特征是：所述圆柱状光纤布拉格光栅基底栅区部位上，开有一横向的缺口，使得缺口处的光纤布拉格光栅基底横截面呈英文字母D形；所述的氢敏薄膜粘合于所述缺口平行基底的平面上；所述粘合有氢敏薄膜的光纤布拉格光栅基底外设有封装，所述封装结构为：圆柱状光纤布拉格光栅基底的一端，采用封装头固定在一聚丙烯圆管护套的一端，光纤布拉格光栅基底的栅区传感部位单端悬空地封装在聚丙烯圆管护套内，圆管护套壁上开有若干小孔。

在上述基础型上，本发明还有如下的各种改进型：

所述的缺口是通过抛磨工艺将FBG的栅区部位的包层进行抛磨所得，所述缺口平行基底的平面为凹凸平面，所述的粘附层及氢敏薄膜通过磁控溅射制备在凹凸平面上。

所述的圆管护套为嵌套的多个。

所述的圆管护套安装时按照变压器油流动的方向安装，使悬空端作为变压器油流出端。

所述的封装头材料为环氧树脂。

所述的过渡层为聚酰亚胺薄膜或钛膜。

所述光纤与外部的光源或解调测量设备相连的光纤接头到封装头处设有光纤护套。

有益效果：本发明的优点如下：

1)化学性质稳定：耐化学腐蚀能力，可长期置于变压器油中，不与变压器油反应，不易老化。

2)耐温能力强：封装护套能耐受变压器的正常实际运行温度以及出现故障时的较高温度条件，在高温故障下不变形，且抗热老化性能好。

3)绝缘能力强：封装护套具有高绝缘能力，可以直接置于变压器中，不影响变压器的正常运行，不会给变压器带来安全隐患。

4)该封装护套可以有效削弱变压器振动及变压器油循环流动对传感器的影响，提高传感器的机械强度。从而提高了传感器的可靠性及检测准确性。

附图说明

图1为本发明的传感装置组成结构剖视示意图；

图2为图1的局部放大示意图；

图3为光纤布拉格光栅基底的立体示意图；

图4为固定封装头的灌封工艺流程图。

图中附图标记：1-氢气传感器，2-圆管，3-小孔，4-封装头，5-光纤护套，6-缺口，7-光纤布拉格光栅基底，8-氢敏薄膜。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，本发明的抗震型变压器油中溶解氢气传感装置实施例，包括通过过渡层粘合在圆柱状光纤布拉格光栅基底7上的氢敏薄膜8—氢气传感器1，光纤布拉格光栅基底7栅区部位上，开有一横向的缺口6，使得缺口处的光纤布拉格光栅基底横截面呈英文字母D形，氢敏薄膜8粘合于缺口平行基底的凹凸平面上。

氢气传感器1设有封装，其结构为：圆柱状光纤布拉格光栅基底7的一端，采用环氧树脂封装头4固定在一圆管2的一端，光纤布拉格光栅基底7的栅区传感部位单端悬空地封装在聚丙烯圆管2护套内，圆管壁上开有若干小孔3；光纤与外部的光源或解调测量设备相连的光纤接头到封装头处设有光纤护套5。

光纤布拉格光栅基底栅区横向缺口是通过抛磨工艺FBG的栅区部位的包层进行抛磨所得，粘附层及氢敏薄膜是通过磁控溅射制备在凸台式基底上的，过渡层为聚酰亚胺薄膜或钛膜。

圆管也可以为嵌套的多个，装置在安装时按照变压器油流动的方向安装，使悬空端作为油流出端。

工作原理：氢敏薄膜通过分解吸收氢分子而体积膨胀，从而在氢敏薄膜上产生应力，该应力耦合到光纤布拉格光栅上，利用光纤布拉格光栅对应力敏感的特性将该应力大小通过中心波长变化量反应出来。从而实现了氢浓度转换为膨胀应力进而转换为波长变化量，通过波长变化量的大小即可判断油中溶解氢气浓度。

其中，基底采用侧边抛磨光纤布拉格光栅，侧边抛磨光纤布拉格光栅通过侧边抛磨技术将FBG的栅区部位的包层进行抛磨，抛磨后的FBG横截面为字母D形，所以侧边抛磨FBG又称为D形FBG。

通过仅在抛磨面上溅射氢敏薄膜将从而使氢敏薄膜吸氢后的应力转变为栅区部位的弯曲形变，侧边抛磨FBG对弯曲形变更为敏感，采用侧边抛磨FBG作为基底可以有效提高氢气传感器的灵敏度。但是，氢敏薄膜吸氢膨胀并在栅区产生弯曲形变同时易导致氢敏薄膜的破裂、脱落等情况，虽然传感器的灵敏度提升了，但是该传感器的长期可靠性下降。

为了解决该问题，本发明提出了凸台形侧边抛磨光纤布拉格光栅，其结构如图1所示，氢敏薄膜粘合于缺口平行基底的凹凸平面上，由于采用了不平齐的凸台式结构，基底的不平整更有利于氢敏薄膜在基底上的生长，增加了氢敏薄膜与基底的结合力，可以有效防止氢敏薄膜的脱落。同时，该结构减小了同一平面上氢敏薄膜由于吸氢膨胀导致的相互挤压，从而减弱了氢敏薄膜的碎裂，提高了传感器的长期可靠性。

过渡层的主要作用是连接粘附力较弱的氢敏薄膜及基底，使应力更好的耦合到基底上并有效防止氢敏薄膜的脱落。氢敏薄膜的主要作用为吸收氢，吸氢后氢敏薄膜将发生膨胀，从而将油中溶解的氢气浓度转化为应力。

由于光纤本身材质为二氧化硅，易碎并且比较纤细，在现场安装以及实际运行过程中易碎易断，为安装及实际运行带来了诸多不便。并且由于应变和温度都会使得波长的参数发生改变：受力拉伸会使得周期变化，同时由于光纤弹光效应和光纤内部引起的波导效应会使得光栅折射率改变；温度变化会使得光栅内部受热膨胀而改变光栅周期，同时还会改变受温度影响的折射率。可以看出，光纤光栅对温度、应力及应变等待测量敏感，当光栅周围的温度、应变等物理量发生变化时，将导致光纤光栅的中心波长发生变化。而变压器在实际运行中存在一定程度的振动，并且变压器油自身也在循环流动，传感器置于变压器内部将受到振动及油流动导致的应力的变化，从而对氢气检测造成干扰。

为了减弱实际运行过程中变压器振动及变压器内油循环对传感器的影响，提高传感器的机械强度，保证传感器长期准确可靠运行，故而为传感器设计了封装。

采用体积较小的圆管，利用封装头将传感器的栅区传感部位封装在圆管内部。并且在圆管表面进行钻孔以保障传感器和变压器油的直接接触。将传感器封闭在较小的体积内，外部的封装套管可以有效缓冲由于变压器振动或变压器油循环流动导致的冲击力，并使传感器无法大幅度弯曲。从而有效削弱了振动及变压器油循环流动对氢气检测的干扰，提高了检测精度。封装护套的加入提高了传感器的机械强度，提高了传感器的可靠性。该抗震型变压器油中溶解氢气传感装置的结构图如图2所示。

该封装头的材料选用聚丙烯。变压器油的介电常数在2.25左右，聚丙烯的介电常数在2.2～2.6范围内，两者介电常数相近，防止由于封装头的加入导致的局部电场畸变对变压器的危害。聚丙烯材料几乎不吸水，故绝缘性能不受湿度的影响，它较高的介电系数，常用于制作电气绝缘制品，击穿电压也很高，适用作电器配件等，抗电压、耐电弧性好，满足变压器内部的绝缘条件。聚丙烯的化学稳定性很好，除能被浓硫酸、浓硝酸侵蚀外，对其它各种化学试剂都比较稳定，在室温下几乎没有使它溶解的溶剂，只有芳香族碳氢化合物，氯化的碳氢化合物，可使它软化溶胀。聚丙烯几乎不吸水，亦不与变压器油反应，长期浸于变压器油中不会加速其老化(变压器油的主要成分为环烷烃、芳香烃和烷烃)。聚丙烯具有良好的耐热性，制品能在100℃以上温度进行消毒灭菌，油浸式变压器的上层油温不超过95℃，聚丙烯能满足变压器中的温度条件。

传感器是通过一体化灌封技术固定在护套中的，具体的工艺为：

上述抗震型变压器油中溶解氢气传感装置的制作工艺，包括封装头固定光纤布拉格光栅基底栅区传感部位封装在圆管护套内的步骤，其为一体化灌封技术，其包括以下具体步骤：

将该封装连接光纤引出线的一端向下，采用支架固定，并在底端采用定制的堵头将底端堵住，防止灌封过程中液体流出；

取一定量的A、B两组分，通过称重混合配制一定浓度的液体；

将混合配制的灌封液通过最接近底部的小孔缓慢注入，直至环氧树脂注入约5～10mm；

将置于支架上的传感器置于真空箱中，开启真空泵保持真空箱中的真空环境，以去除灌封液中的气泡，避免由于灌封中的气泡对该封装的长期可靠性及变压器的安全运行带来隐患；

将其整体置于真空温控箱中进行真空高温固化，设置真空箱温度为80℃，加速固化进程。温度上升过程及固化完成后的降温过程均通过温度控制缓慢进行，避免由于温度快速变化导致的封装结构的破坏。

固定封头的灌封工艺流程如图4所示。

Claims (7)

1.一种抗震型变压器油中溶解氢气传感装置，包括通过过渡层粘合在圆柱状光纤布拉格光栅基底上的氢敏薄膜，其特征是：所述圆柱状光纤布拉格光栅基底栅区部位上，开有一横向的缺口，使得缺口处的光纤布拉格光栅基底横截面呈英文字母D形；所述的氢敏薄膜粘合于所述缺口平行基底的平面上；所述粘合有氢敏薄膜的光纤布拉格光栅基底外设有封装，所述封装结构为：圆柱状光纤布拉格光栅基底的一端，采用封装头固定在一聚丙烯圆管护套的一端，光纤布拉格光栅基底的栅区传感部位单端悬空地封装在聚丙烯圆管护套内，圆管护套壁上开有若干小孔。

2.根据权利要求1所述的抗震型变压器油中溶解氢气传感装置，其特征是：所述的缺口是通过抛磨工艺将FBG的栅区部位的包层进行抛磨所得，所述缺口平行基底的平面为凹凸平面，所述的粘附层及氢敏薄膜通过磁控溅射制备在凹凸平面上。

3.根据权利要求2所述的抗震型变压器油中溶解氢气传感装置，其特征是：所述的圆管护套为嵌套的多个。

4.根据权利要求3所述的抗震型变压器油中溶解氢气传感装置，其特征是：所述的圆管护套安装时按照变压器油流动的方向安装，使悬空端作为变压器油流出端。

5.根据权利要求4所述的抗震型变压器油中溶解氢气传感装置，其特征是：所述的封装头材料为环氧树脂。

6.根据权利要求5所述的抗震型变压器油中溶解氢气传感装置，其特征是：所述的过渡层为聚酰亚胺薄膜或钛膜。

7.根据权利要求6所述的抗震型变压器油中溶解氢气传感装置，其特征是：所述光纤与外部的光源或解调测量设备相连的光纤接头到封装头处设有光纤护套。