一種電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器及檢測系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器及檢測系統，包括光纖，在光纖的纖芯上刻有光柵，光纖對應于光柵的區域為光纖光柵區，光纖光柵區的包層的一側面拋磨成為平面的拋磨面，在拋磨面上貼附有氫敏金屬層。本發明靈敏度高，時效性強，一旦溶解氫氣濃度到達限值，波長變化量很快到達限值，能及時有效的發現故障從而防止故障進一步發展；本發明采用光信號，可避免變壓器中復雜的電磁環境對測量結果的影響，抗干擾能力強，檢測信號為波長，不受、光源信號強弱、探測器老化和連接損耗等方面因素的影響；本發明結構簡單、基于光纖制備而成，直徑小，易于布置在變壓器油中，檢測方便，且對變壓器的正常運行無影響，適于變壓器現場應用。
【專利說明】—種電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器及檢測系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器，還涉及由該電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器組成的檢測系統。

【背景技術】
[0002]電力變壓器是電網運行中的關鍵設備，電力變壓器的可靠運行已成為電網可靠運行的關鍵因素之一。變壓器油在熱和電的作用下，分解出氫、一氧化碳、二氧化碳、以及多種小分子烴類氣體。設備內部故障的類型及嚴重程度與這些氣體分子的組成及產氣速率有著密切關系。當變壓器出現低能量故障(局部放電)時，氫氣為主要產生氣體，這主要是因為低能量故障易使得最弱的C-H鍵斷裂，大部分氫離子重新化合成氫氣。產生的氫氣主要是以懸浮狀態或是溶解狀態存在于變壓器油中。一般變壓器早期故障都是先出現微弱的局部放電或是低溫熱點現象，因此可以通過監測變壓器油中氫氣情況來反早期故障情況。
[0003]現有在線色譜監測系統存在需要進行油氣分離，氣體檢測存在壽命短、零漂嚴重、對環境要求高、受電磁干擾等問題。光纖具有體積小、電絕緣、不受電磁干擾、耐腐蝕、安全性好等優勢。
[0004]近年來，基于光纖的氫氣傳感器主要有光強檢測法和波長檢測法。
[0005]光強檢測法中以光強為檢測信號，通過干涉、光譜吸收、改變光纖反射率等方法改變光強達到通過檢測光強對氫氣濃度進行檢測的目的。⑴干涉法是在光纖外鍍鈀膜，鈀膜遇到氫氣后體積膨脹拉伸光纖改變光程強度，使傳輸光的相位發生變化，利用干涉儀檢測干涉場的光強度判斷氫氣濃度。另一種采用干涉法的氫氣傳感器是在光纖末端鍍兩層膜，第一層的Ti02或是N1x和第二層的Pd組成了一個共振腔，光纖在兩層上的反射率不同從而形成了干涉。⑵光譜吸收法的原理為每種氣體分子都有自己的吸收(或輻射)譜特征，光源的發射譜只有在與氣體吸收譜重疊的部分才會被吸收，吸收后發射譜光強將發生變化。⑶改變光纖反射率法是在光纖表面涂覆一層吸氫后顏色會變化的物質，使得光纖吸氫后傳輸光信號的功率降低，通過檢測功率變化來反映氫濃度的變化。
[0006]光強檢測法的缺點在于:檢測靈敏度較高，響應時間較短，但是在檢測過程中光纖的彎曲對光強的影響較大，檢測時應盡量保證光纖伸直，光纖的損耗對測量結果影響也較大，不適用于遠距離測量。特別是利用干涉裝置來檢測，由于結構復雜非常不便用于變壓器現場檢測。這些方法都不具有多路復用性，要做到多點測量比較不便。
[0007]波長檢測法主要依靠測量波長來實現，光纖布喇格光柵(FBG)所受應力改變或柵區周圍溫度變化均會使得布喇格波長變化。當該金屬遇到氫之后會發生放熱反應，溫度的變化使光纖布喇格光柵的中心波長發生變化。氫氣的濃度越高，反應放出的熱量越多，相應中心波長的變化量越大，可以通過波長變化情況來反映氫氣濃度的變化情況。但是，波長檢測法的缺陷在于:雖然波長檢測法中溫度檢測響應較快，但是該檢測方法需要區分吸氫引起的溫度變化和環境溫度變化，對于非常細微的變化不便于檢出，靈敏度需要進一步提高。同時，由于氫氣與金屬膜反應產生大量的熱，在變壓器油的復雜環境下可能導致故障加劇，不適合用于變壓器油中檢測。


【發明內容】

[0008]本發明的第一個目的是提供一種結構簡單、檢測方便、靈敏度高、適于變壓器現場應用、抗干擾能力強的電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器。
[0009]本發明的第二個目的是提供一種由上述電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器組成的檢測系統。
[0010]本發明的第一個目的可以通過以下措施來實現:一種電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器，包括光纖，其特征在于:在光纖的纖芯上刻有光柵，所述光纖對應于光柵的區域為光纖光柵區，所述光纖光柵區的包層的一側面拋磨成為平面的拋磨面，在所述拋磨面上貼附有氫敏金屬層。
[0011]本發明的氫敏金屬層作為傳感層，氫敏金屬層吸氫后體積膨脹在光纖光柵區產生彎曲形變，波長變化量與油中溶解氫氣濃度的具有一定關系，因此可以通過檢測波長變化量的大小得知氫氣的濃度。
[0012]本發明靈敏度高，時效性強，一旦溶解氫氣濃度到達限值，波長變化量很快到達限值，能及時有效的發現故障從而防止故障進一步發展；本發明采用光信號，可以避免變壓器中復雜的電磁環境對測量結果的影響，抗干擾能力強，而且檢測信號為波長，不受、光源信號強弱、探測器老化和連接損耗等方面因素的影響；本發明結構簡單、基于光纖制備而成，直徑很小，易于布置在變壓器油中，檢測方便，并且對變壓器的正常運行無影響，適于變壓器現場應用。
[0013]作為本發明的一種優選實施方式，所述氫敏金屬層采用金屬鈀膜。金屬鈀(Pd)在常溫下性質穩定，當遇到氫氣時呈現活性，I體積鈀可以吸收900體積氫氣，鈀膜吸氫后體積膨脹在光纖光柵區產生彎曲形變，側面拋磨的光纖布拉格光柵對彎曲形變十分靈敏。
[0014]作為本發明的一種實施方式，所述金屬鈀膜通過粘附層貼附在所述拋磨面上。粘附層可以增加金屬鈀膜與光纖的粘附力，可有效防止金屬鈀膜脫落。
[0015]作為本發明的一種優選實施方式，所述粘附層采用金屬鈦膜。
[0016]作為本發明的推薦實施方式，所述金屬鈦膜和金屬鈀膜通過濺射方式依次噴涂在所述拋磨面上。
[0017]本發明可以有以下實施方式:
[0018]光纖光柵區的纖芯中心距離拋磨面30±10μπι。
[0019]所述金屬鈦膜的厚度為10±3nm。
[0020]所述金屬鈀膜的厚度為500±50nm。
[0021]本發明的第二個目的可以通過以下措施來實現:一種由上述電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器組成的檢測系統，其特征在于:它包括依次連接的用于溫度補償的光纖光柵傳感器、所述電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器、解調儀、計算機和報警裝置，其中，所述電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器與解調儀通過光纖傳輸線相連，所述電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器發出的光信號通過光纖傳輸線傳送至解調儀，解調儀解調光信號后分別得到所述電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器和光纖光柵傳感器的波長值，波長值傳送至計算機進行處理，當油中溶解氫氣濃度超過設定值時由計算機控制報警裝置報警。
[0022]作為本發明的一種實施方式，所述報警裝置采用揚聲器。
[0023]與現有技術相比，本發明具有如下顯著的效果:
[0024]⑴在油氣分離時，至少需要1-2天的時間才能使得氣室內的氣體與油中氣體達到平衡，而本發明傳感器一旦溶解氫氣濃度到達限值，波長變化量很快到達限值，能及時有效的發現故障從而防止故障進一步發展，因此本發明傳感器靈敏度高、時效性強。
[0025]⑵本發明采用光信號，可以避免變壓器中復雜的電磁環境對測量結果的影響，抗干擾能力強，并且傳感器檢測信號為波長，不受、光源信號強弱、探測器老化和連接損耗等方面因素的影響。
[0026]⑶本發明傳感器結構簡單、基于光纖制備而成，直徑很小，體積小，易于布置在變壓器油中，檢測方便，并且對變壓器的正常運行無影響，適于變壓器現場應用。
[0027]⑷本發明特別適用于對電力變壓器內部氫氣監測，也可適用于其它類似場合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]下面結合附圖和具體實施例對發明作進一步的詳細說明。
[0029]圖1是本發明傳感器的側視圖；
[0030]圖2是本發明傳感器光纖光柵區的橫截面剖視圖；
[0031]圖3是本發明檢測系統的結構組成示意圖。

【具體實施方式】
[0032]如圖1、2所示，是本發明一種電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器5，包括光纖，光纖由纖芯11和包覆在纖芯11上的包層13組成,在光纖的纖芯11上刻有光柵，光纖對應于光柵的區域為光纖光柵區12，光纖光柵區12的包層13的一側面拋磨成為平面的拋磨面14，光纖光柵區的纖芯11中心距離拋磨面30± 10 μ m。在拋磨面14上貼附有氫敏金屬層，在本實施例中，氫敏金屬層米用金屬鈕膜2,金屬鈕膜2的厚度為500±50nm。金屬IE (Pd)在常溫下性質穩定，當遇到氫氣時呈現活性，I體積鈀可以吸收900體積氫氣。金屬鈀膜吸氫后體積膨脹在光纖光柵區12產生彎曲形變，側面拋磨的光纖布拉格光柵對彎曲形變十分靈敏。金屬鈀膜2通過粘附層貼附在拋磨面14上，在本實施例中，粘附層采用金屬鈦膜
3,金屬鈦膜3的厚度為10±3nm,金屬鈦膜3可以增加金屬鈕!膜與光纖的粘附力，能夠有效防止金屬鈀膜脫落。金屬鈦膜3和金屬鈀膜2通過濺射方式依次噴涂在拋磨面14上。
[0033]本發明傳感器的工作原理是:光纖布喇格光柵在受到應變時，其中心波長會發生漂移，金屬鈀膜作為傳感層，金屬鈀膜吸氫后體積膨脹在光纖光柵區產生彎曲形變，波長變化量與油中溶解氫氣濃度的具有一定關系，因此可以通過檢測波長變化量的大小得知氫氣的濃度。
[0034]本發明傳感器的制備過程如下:先將光纖光柵區布置在側邊拋磨系統中進行拋磨，然后將側邊拋磨后的光纖光柵區布置在磁控濺射鍍膜系統中，在拋磨面上先濺射金屬鈦膜，隨后再濺射金屬鈀膜即得。
[0035]如圖3所示，一種由上述電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器組成的檢測系統，包括依次連接的用于溫度補償的光纖光柵傳感器6、電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器5、解調儀7、計算機8和報警裝置，報警裝置采用揚聲器9，其中，電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器5與解調儀7通過光纖傳輸線10相連，電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器5發出的光信號通過光纖傳輸線10傳送至解調儀7，解調儀7解調光信號后分別得到電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器5和光纖光柵傳感器6的波長值，波長值傳送至計算機8進行處理，當油中溶解氫氣濃度超過設定值時由計算機8控制揚聲器9報警，即揚聲器9會發出報警信號。
[0036]本發明檢測系統的工作過程如下:電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器用于檢測氫氣濃度，光纖光柵傳感器用于排除溫度的影響，一同固定在變壓器油15中，通過光纖傳輸線將光信號傳送至解調儀，經解調儀解調光信號得到兩傳感器的波長值，傳輸到計算機的波長值經過處理得到去除環境溫度影響的波長變化量，然后由波長變化量與油中溶解氫氣濃度的關系可得出此時油中溶解氫氣的濃度并將其與設定值相比較，當氫濃度高于設定值時由計算機控制揚聲器發出報警信號，提醒值班人員及時排除解決故障。
[0037]本發明的實施方式不限于此，根據本發明的上述內容，按照本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本發明上述基本技術思想前提下，本發明氫敏金屬層、粘附層和報警裝置還可以具有其它實施方式。因此，本發明還可以做出其它多種形式的修改、替換或變更，均落在本發明保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器，包括光纖，其特征在于:在光纖的纖芯上刻有光柵，所述光纖對應于光柵的區域為光纖光柵區，所述光纖光柵區的包層的一側面拋磨成為平面的拋磨面，在所述拋磨面上貼附有氫敏金屬層。
2.根據權利要求1所述的電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器，其特征在于:所述氫敏金屬層采用金屬鈀膜。
3.根據權利要求2所述的電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器，其特征在于:所述金屬鈀膜通過粘附層貼附在所述拋磨面上。
4.根據權利要求3所述的電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器，其特征在于:所述粘附層采用金屬鈦膜。
5.根據權利要求4所述的電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器，其特征在于:所述金屬鈦膜和金屬鈀膜通過濺射方式依次噴涂在所述拋磨面上。
6.根據權利要求5所述的電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器，其特征在于:所述金屬鈀膜的厚度為500 ±5011111。
7.根據權利要求6所述的電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器，其特征在于:所述金屬鈦膜的厚度為10 ±311111。
8.根據權利要求1?7任一項所述的電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器，其特征在于:光纖光柵區的纖芯中心距離拋磨面30± 10 4爪。
9.一種由權利要求1所述電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器組成的檢測系統，其特征在于:包括依次連接的用于溫度補償的光纖光柵傳感器、所述電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器、解調儀、計算機和報警裝置，其中，所述電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器與解調儀通過光纖傳輸線相連，所述電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器發出的光信號通過光纖傳輸線傳送至解調儀，解調儀解調光信號后分別得到所述電力變壓器油中溶解氫氣限值傳感器和光纖光柵傳感器的波長值，波長值傳送至計算機進行處理，當油中溶解氫氣濃度超過設定值時由計算機控制報警裝置報警。
10.根據權利要求9所述的檢測系統，其特征在于:所述報警裝置采用揚聲器。
【文檔編號】G01N7/10GK104406885SQ201410763330
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月11日 優先權日:2014年12月11日
【發明者】王紅斌, 羅穎婷, 李峰, 李成榕, 朱文俊, 江軍, 馬國明 申請人:廣東電網有限責任公司電力科學研究院, 華北電力大學