传感器新型适配电路在变压器在线状态评价中应用研究

文婷

(广东电网公司管理科学研究院，广州 510600)

1 引言

电力设备在线监测是提高电力系统运行安全性和可靠性的有效措施之一[1，2]，绝缘油中气体在线监测则是目前应用最广泛、最有效的监测手段[3]，一般通过实时监测绝缘油中甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)、一氧化碳(CO)、氢气(H2)等六种气体浓度的时间变化，结合变压器试验结果即可确定潜在危险以及故障类型。该方法的气体检测器主要有:热导检测器、离子检测器、电化学传感器、半导体传感器、光敏传感器[3，4]。

热导检测器对工艺的要求相当高;离子检测器在现场应用时安全性很难得到保证;电化学传感器的寿命过短，而且对于甲烷反应差;由于半导体传感器成本低、寿命长[4－6]，国内主要采用该技术。

半导体传感器的一大缺点是:稳定性较差，漂移严重。就目前的技术而言，尚不可能使使半导体传感器不存在漂移或者响应特性恒定不变，对很多类型的传感器而言，温漂始终是个大问题[7]。为了提高半导体传感器的稳定性，国内外专家通过多种方法:

①恒定传感器的工作问题;②在半导体材料中加催化剂，改善制造工艺;③采用在线定标的方法进行修正。从目前的效果来看，温度漂移、时间偏移等问题仍旧是大家高度关注的问题。为此，本文拟引入副传感器，优化传感器的适配电路，提高对极低浓度气体的检测精度和稳定性。

2 传感器适配电路优化

常用传感器的适配电路如图1所示。

其输出电压为:

图1 气敏传感器工作原理

传感器结构内部加热回路和测量回路在同一结构件内，无隔热措施，势必会影响传感器的性能，导致传感器有很大的温度漂移，一般会从电子电路设计和软件角度进行温度引起的误差补偿[5，6];同时也可能由传感器动态响应特性不理想引起计算波形面积时引起的误差，针对传感器动态、暂态响应，文献[4]分别建立了数学模型，通过仿真验证了其正确性。虽然近些年来，关于气敏传感器的非线性补偿，由气体浓度与气敏电阻的数学关系出发，设计电子电路以实现温度补偿的研究成果很多，但是应用在工程项目产品之中的很少。其基本思想是:用一个同型号的副传感器组成桥式取样电路来抵消处在同种工况下主传感器的测试误差，并改变传统适配电路的非线性数学关系。本文设计两路温度、速度相同的气体分别通过主传感器和副传感器，通过主传感器的气体为经过色谱柱分离后的气体，而通过副传感器的气体为标准的载气。经主、副传感器组成的桥式分压电路可有效补偿传感器的测量误差，从而提高油色谱的工作性能。开发了新型在线监测系统，系统运行试验证明，此项监测技术合理可行，可以提高传感器测试精度，保证油色谱数据的准确性和科学性。

3 优化电路的传感器输出信号分析

传感器桥式取样电路如图2所示。

图2 传感器新型适配电路

当有气体通过传感器时，若能够供给电子，其电阻变化量为为ΔRS负值，传感器输出值为:

其中，RS1、RS2分别为传感器 A、B有 0.3～0.45MPa载气通过时的电阻值大小，ΔRS为传感器A有采样气体通过时的电阻变化量;VCC为传感器的工作电压。

本文VCC=5V;R1=R2=10K。对于同批传感器，静态电阻RS相差小，近似认为RS1≈RS2，同时由于

得:

因此，传感器模拟信号线性输出，基线电压为:

同批传感器的静态电阻相差小，差异性主要表现在有样品气体通过时的动态响应以及恢复后的线性保持度，如式(5)，信号采集电路用一个同型号的传感器构成桥式电路后，外界温湿度变化、传感器响应惯性等因素引起输出信号的波动均可由同工况中的补偿传感器B抵消，实现误差补偿。在色谱柱未进样时(基线时间)，VO的值在零附近，如图3油品测试曲线中基线位置所示，波动只取决于传感器的工艺制造因素，即两个传感器的静态电阻RS和传感器有载气通过时电阻值的差别大小，按照气敏传感器的技术参数，此两项阻值误差均在0.3%之内，差值很小，所以，当各组分气体经色谱柱分离进入传感器A，传感器的响应时间和恢复时间均缩短，从而提高了分辨能力和灵敏度;一种气体波峰产生结束与下一种气体波形出现之前，由于恢复时间的缩短，使得这段时间内输出信号与基线的一直性保持较好，提高软件计算波形面积的准确度，有利于气体浓度的测定。

在实验室内进行了300次实验对比传统结构与优化结构的测试温漂误差，结果如图3所示。

4 应用案例分析

基于该传感器开发的变压器油色谱在线监测系统已在现场投运，现场运行图如图4所示。

图3 油品测试曲线

表1 各种气体的综合温漂误差对比

图4 油色谱现场试验安装示意图

表2 为在线监测数据与实验室分析数据的比较。

由表2可知，能有效检测油中溶解的 H2、CO、CH4、C2H2、C2H4和 C2H6等6 种气体;测量值稳定，无较大的离散点;测量值(在线)与实验室测量值(离线)之间误差小(除乙炔外，其他气体浓度测量误差小于5%，气体浓度较小时，误差小于5μL/L)。

5 结论

传感器是变压器绝缘油中溶解气体监测的关键技术，由于成本较低，寿命较长，半导体气敏传感器在我国的变压器色谱在线监测系统中应用非常广泛，但其温漂和时漂问题一直是难以克服的困难之一。本文通过分析，认为:同批传感器在相同温度、速度的气流下，其行为特征相似，基于这一观点，优化了传感器适配电路结构，构建了主、副传感器桥式电路，用副传感器补偿传统采集电路所具有的非线性误差，以改善传感器的响应特性，提高了系统的工作性能。实验发现:适配电路优化后的传感器温漂误差明显小于传统电路。传感器结构电路已经在色谱中应用，取得了较好的效果。

[1]Abu-Siada A，Islam S.A Novel Online Technique to Detect Power Transformer Winding Faults，IEEE Transactions on Power Delivery，2012，27(2)：849 －857.

[2]Behjat V，Vahedi A.A.Setayeshmehr，Diagnosing Shorted Turns on the Windings of Power Transformers Based Upon Online FRA Using Capacitive and Inductive Couplings，IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(4)：2123 －2133.

[3]Bhat K P，Oh K W，Hopkins D C.Feasibility of a MEMS Sensor for Gas Detection in HV Oil－ Insulated Transformer，IEEE Transactions on Industry Applications，2013，49(1)：316 －321.

[4]周利军，吴广宁，唐平，等.用于绝缘油中气体监测的半导体气敏传感器模型[J].电力系统自动化，2006，30(10)：75 －79.

[5]何平，潘国锋，赵红东，等，基于RBF网络的智能气敏传感器温度补偿[J].仪表技术与传感器，2008(7)：6 －8，42.

[6]倪效勇，王典洪，张红剑，等.基于SOPC技术的传感器非线性软件校正的实现[J].传感器与为系统，2008，27(1)：22 －24.

[7]Vopalensky M，Platil A.Temperature Drift of Offset and Sensitivity in Full－ Bridge Magnetoresistive Sensors，IEEE Transactions on Magnetics，49(1)：136 －139.