一種用于油浸式變壓器氫氣濃度在線監(jiān)測(cè)的氫氣傳感器及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于油浸式變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于油浸式變壓器氫氣濃度在線監(jiān)測(cè)的氫氣傳感器及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]變壓器故障是造成發(fā)電廠、變電站停運(yùn)和局部電網(wǎng)事故發(fā)生的主要原因，減少變壓器的故障，意味著提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，保證國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全和社會(huì)穩(wěn)定。因此，變壓器在線監(jiān)測(cè)是電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)體系的重要組成部分。
[0003]在線監(jiān)測(cè)油浸式變壓器故障氣體的溶解濃度是變壓器在線監(jiān)測(cè)體系的重要組成部分。變壓器油故障氣體的監(jiān)測(cè)常規(guī)采用實(shí)驗(yàn)室周期取樣，利用氣相色譜儀器檢測(cè)油中溶解的故障氣體，存在操作環(huán)節(jié)多、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，試驗(yàn)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，對(duì)發(fā)展較快的故障不能及時(shí)進(jìn)行預(yù)警。因此，近年來(lái)立項(xiàng)建設(shè)的大型電廠變壓器在設(shè)計(jì)安裝時(shí)大多配套使用在線檢測(cè)裝置，以對(duì)變壓器油中溶解的氣體等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0004]當(dāng)油浸式變壓器中產(chǎn)生局部過(guò)熱、局部放電和電弧放電時(shí)，其中的變壓器油、絕緣材料可能被分解成氣體，主要包括H2、CO、CO2, CH4, C2H2, C2H4和C 2H6七種故障氣體。
[0005]油浸式變壓器所有故障狀態(tài)下或多或少都會(huì)產(chǎn)生H2，H2含量的明顯增加是變壓器已存在或?qū)?dǎo)致各種故障的可靠標(biāo)志。H2在油中的低溶性和高擴(kuò)散性使它在低濃度時(shí)就被檢測(cè)到，通過(guò)在線H2測(cè)量裝置精確測(cè)量油中溶解的H2，可將早期故障在其最初始階段即被檢測(cè)出來(lái)，不僅能為變壓器的狀態(tài)檢修提供科學(xué)依據(jù)，而且可以減少或避免非計(jì)劃停機(jī)和災(zāi)難性事故的發(fā)生，并能夠延長(zhǎng)變壓器的壽命。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)的解決方案，例如，深圳奧特迅在專利CN 1261195 C中，介紹了一種油氣分離膜、其制造方法及用其制成的氣體傳感器，油氣分離膜是傳感器的核心部件之一，通過(guò)油氣分離膜將油中溶解的故障氣體分離出來(lái)，才可利用燃料電池傳感器對(duì)故障氣體進(jìn)行測(cè)量。該專利中的油氣分離膜加工工藝復(fù)雜，且油氣分離膜固有的老化問(wèn)題使得其工作壽命也難以滿足變壓器的應(yīng)用需求，大大增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本，且降低了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。另一方面，燃料電池傳感器對(duì)H2、CO、014等的故障氣體存在交叉敏感的問(wèn)題，也就是說(shuō)燃料電池傳感器并無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)H2的專一"性，而該專利并沒(méi)有描述解決方案。
[0007]在專利CN 102033041 B中，介紹了一種基于光纖布拉格光柵傳感器變壓器故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由氣體傳感器陣列、光纖布拉格光柵解調(diào)設(shè)備和變壓器故障監(jiān)測(cè)中心等部分組成。系統(tǒng)利用五鎳化鑭吸氫變形，使得光纖布拉格光柵中光的波長(zhǎng)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)氫氣濃度的檢測(cè)。但是，光纖光柵傳感器正常工作需要光源、光纖光柵解調(diào)等設(shè)備條件配套，因此，系統(tǒng)組成復(fù)雜、成本高，并且在變壓器周?chē)贾孟嚓P(guān)配套設(shè)備顯然是增加了該套系統(tǒng)應(yīng)用的局限性和復(fù)雜性。
[0008]在專利CN 104406885 A中，王紅斌等介紹了一種電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了基于鈀的光纖光柵傳感器，利用氫敏金屬鈀吸收氫氣后體積膨脹造成光纖光柵彎曲變形，從而產(chǎn)生波長(zhǎng)變化，而波長(zhǎng)變化量和氫氣濃度之間存在一定的比例關(guān)系，由此實(shí)現(xiàn)氫氣測(cè)量的目的。但是，該專利存在幾個(gè)方面的問(wèn)題，一方面采用純鈀作為氫敏材料不穩(wěn)定，特別是在氫氣偏壓較高時(shí)，存在不可逆的氫脆過(guò)程，造成鈀膜脫落；另一方面，CO等變壓器故障氣體極易在鈀膜表面產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)性吸附，占據(jù)氫氣分子的吸附位置，造成傳感器對(duì)氫氣的靈敏度降低，響應(yīng)速率變慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于油浸式變壓器氫氣濃度在線監(jiān)測(cè)的氫氣傳感器。
[0010]本發(fā)明還提供一種使用氫氣傳感器監(jiān)測(cè)氫氣濃度的方法。
[0011]為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種用于油浸式變壓器氫氣濃度在線監(jiān)測(cè)的氫氣傳感器，所述氫氣傳感器包括氫氣敏感探頭及用于信號(hào)轉(zhuǎn)換并向外輸出電信號(hào)的電路模塊，所述氫氣敏感探頭包括一端與所述電路模塊電氣連接的電纜排線，所述氫氣敏感探頭還包括與所述電纜排線的另一端電氣連接、與變壓器油直接接觸的氫氣敏感芯片，所述氫氣敏感芯片包括基底、設(shè)置在所述基底上的電氣絕緣層及設(shè)置在所述電氣絕緣層上的氫氣敏感元件，所述氫氣敏感元件表面設(shè)有用于抑制除氫氣外的氣體分子擴(kuò)散通過(guò)的氫氣專一性鍍層。
[0012]進(jìn)一步地，所述氫氣敏感元件與氫氣接觸后產(chǎn)生電阻或電流-電壓特性的變化，從而達(dá)到檢測(cè)氫氣的作用。所述氫氣敏感元件包括分別設(shè)置在所述電氣絕緣層上的感測(cè)第一氫氣濃度范圍的第一感測(cè)元件和感測(cè)第二氫氣濃度范圍的第二感測(cè)元件，所述第一氫氣濃度范圍為1000?20000ppm，所述第二氫氣濃度范圍為10?lOOOppm。
[0013]優(yōu)選地，所述第一感測(cè)元件和所述第二感測(cè)元件的表面分別設(shè)有所述氫氣專一性鍛層。
[0014]優(yōu)選地，所述第一感測(cè)元件為催化金屬薄膜電阻，所述第二感測(cè)元件為催化金屬薄膜MOS管，二者的材質(zhì)分別為鈀-鉻合金、鈀-鎳合金或鈀-金合金。制作所述第一感測(cè)元件和第二感測(cè)元件的材料均選自對(duì)氫氣具有催化、分解作用的金屬材料，優(yōu)選地，二者的材質(zhì)分別為鈀-鉻合金、鈀-鎳合金或鈀-金合金。
[0015]進(jìn)一步地，所述氫氣專一性鍍層可允許氫氣分子自由擴(kuò)散，能夠抑制或阻擋除氫氣外的其他故障氣體分子擴(kuò)散通過(guò)，減小或消除其他故障氣體對(duì)氫氣敏感元件的交叉敏感，提高了氫氣傳感器的測(cè)量精度，其中，其他故障氣體包括CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等氣體。
[0016]優(yōu)選地，所述氫氣專一‘性鍍層為S12膜層、Al 20J莫層、Si 3N4膜層中的一種或者二者以上的復(fù)合鍍層。最優(yōu)選地，所述氫氣專一性鍍層為S1J莫層、Al 20J莫層、Si 3N4膜層三者的復(fù)合鍍層。
[0017]進(jìn)一步地，所述氫氣敏感芯片還包括設(shè)置在所述電氣絕緣層的用于控制所述氫氣敏感元件的工作溫度處于恒定溫度的溫度控制單元。
[0018]所述溫度控制單元包括分別設(shè)置在所述電氣絕緣層上的加熱元件和溫度傳感元件。
[0019]所述加熱元件為金屬電阻式加熱電阻，其材料選自物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的材料，優(yōu)選金或鉑，最優(yōu)選為金。所述溫度傳感元件為金屬膜測(cè)溫電阻，其材料選自具有較高電阻溫度系數(shù)且極其穩(wěn)定的材料，優(yōu)選鉑、鎳或銅，最優(yōu)選為鉑。
[0020]進(jìn)一步地，所述電氣絕緣層用于所述基底和薄膜器件的電氣絕緣，優(yōu)選地，所述電氣絕緣層為S12膜層、Si 3N4膜層中的一種或者二者的復(fù)合膜層。由于H2分子極易擴(kuò)散、吸附于S12材料中，造成氫氣傳感器響應(yīng)平衡時(shí)間延長(zhǎng)，穩(wěn)定性變差，本發(fā)明優(yōu)選地，所述電氣絕緣層為S12膜層、Si 3N4膜層二者的復(fù)合層。
[0021 ] 優(yōu)選地，所述基底的材料優(yōu)選硅。
[0022]進(jìn)一步地，所述氫氣傳感器還包括具有管腔的管殼及與所述管殼固定連接的具有內(nèi)腔的外殼，所述外殼的內(nèi)腔與所述管殼的管腔連通，所述電路模塊和所述電纜排線的所述一端位于所述外殼的內(nèi)腔內(nèi)，所述電纜排線的所述另一端通過(guò)固定機(jī)構(gòu)固定設(shè)置在所述管殼的管腔內(nèi)，所述氫氣敏感芯片懸置于所述管殼的管腔內(nèi)。
[0023]優(yōu)選地，所述固定機(jī)構(gòu)包括具有空腔的第一固定套管、套設(shè)在所述第一固定套管外并位于所述第一固定套管和所述管殼之間的第二固定套管及套設(shè)在所述第二固定套管外并位于所述第二固定套管和所述管殼之間的密封圈，所述第一固定套管的一端設(shè)有封蓋，所述電纜排線的所述另一端位于所述第一固定套管的空腔內(nèi)，所述電纜排線的所