基于变压器油中乙炔气体的MEMS传感器研究

国网枣庄供电公司 张 赛 陈培阳 吴 丹

油色谱分析系统已应用于变压器故障的检测中，通过监测变压器故障产生的乙炔可评估其运行状态。运用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）气体传感器可对变压器气体进行连续检测，投入较少，发展前景可观，有大面积普及性的发展趋势。本文通过研究一种新型MEMS气体传感器，来代替油色谱分析，实现基于MEMS乙炔气体传感器的变压器在线监测。通过对新型MEMS气体传感器的电流-电压特性测试，测试结果表明基于MEMS乙炔气体传感器的变压器在线监测可以实现要求。

1 新型MEMS气体传感器检测原理

1.1 热导气体传感器检测原理

建立传感器热平衡方程来实现新型MEMS热导气体传感器对变压器中乙炔的检测。混合气体的导热系数是各成分气体导热系数与其对应气体浓度乘积的和[1]，即：

式中，是混合气体的导热系数，λi（i=1，2，…，n）是混合气体中不同成分气体的导热系数，对于确定的气体成分，其导热系数在一定情况下恒定不变，Ci（i=1，2，…，n）是不同成分气体对应的气体浓度。

本文是检测变压器中油中乙炔的浓度，因此上式可转变为：

式中：λ1和λ2分别为变压器油溶解气体除乙炔外的混合气体和乙炔的导热系数，C1和C2分别表示油溶解气体除乙炔外的混合气体和乙炔浓度，且C1+C2=1[2]，因此上式可写为：

因此乙炔气体的浓度值为：

式中，K=λ2-λ1，C=λ/（λ2-λ1），都是常数。由上式可以看出，乙炔气体的浓度与油溶解气体的导热系数λ是线性关系，只要知道了油溶解气体的导热系数，即可得到乙炔气体的浓度。

将热导气体传感器放置于封闭气室中，用恒流源给传感器加热，电流越大，传感器温度越高，但温度过高可能会损坏传感器，温度过低无法检测气体浓度，因此需要一个适宜的工作温度。传感器受封闭气室中气体浓度的影响向四周散热，气体浓度越高，传感器散热效果越好，传感器达到热平衡时的温度越低，电阻也越小，根据传感器电阻值的变化量即可测得气体的浓度。

图1 热导气体传感器检测装置示意图

1.2 热导气体传感器的热平衡方程

假设热导气体传感器的工作电流是I，电阻为r，则传感器通过电流加热获得的热功率是I2r。故传感器的热损耗为：

式中，Q1是气体热传导引起的热量损耗，表示为：

其中，λ1是气室中油溶解气体的导热系数，S1是传感器的表面积，T是传感器敏感元件的温度，T0是气室中环境温度。

Q2是传感器通过热辐射损耗的热量，由斯蒂芬-玻尔兹曼定律，即四次方定律可知：

其中，ε是辐射系数，若为绝对黑体，则ε=1；σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，约为5.67×10-8W.m-2.k-4。

Q3是传感器通过轴向连接的热传导所损耗的热量，表示为：

λ2是传感器敏感元件的导热系数，S2是传感器敏感元件的横截面积。

本文所研究的热导气体传感器采用MEMS技术研制而成，敏感元件是具有加热作用的悬臂梁式微加热器，悬臂长度大于300μm，而悬臂的厚度仅有几个微米甚至更小，悬臂长度的尺寸远远大于悬臂厚度尺寸，因此通过传感器轴向连接的悬臂梁结构热传导所损耗的热量Q3可忽略不计。当传感器的边长小于5mm时，其通过热辐射所损耗的热量可忽略不计，即Q2忽略不计。因此，传感器热平衡方程为：

然而，传感器的电阻r并不是一成不变的，其还受到环境温度的影响，即：

式中，r0为0℃时传感器的电阻值，t为环境温度，α是传感器内部敏感元件的温度系数，

Δt是敏感元件与环境温度直接温度差。可见，热导气体传感器在热平衡时，乙炔气体浓度与环境温度、传感器敏感元件温度以及温度系数均有直接关系，尤其是温度对热导气体传感器影响最大，因此对热导气体传感器必须考虑温度漂移问题。

2 新型MEMS气体传感器电流-电压特性测试

通过电流对传感器内部的加热器加热，待其达到热平衡状态时，依据其变化的电阻得到气体的浓度。因此，对传感器的电流-电压特性进行测试，找到电流与电压、电阻以及功耗的关系，从而确定传感器的工作区间是有必要的。

设置Keithley 2611B精密电流源工作模式为电流扫描型，将精密电流源输出的恒定电流接到传感器的两端。在电流扫描型工作模式下，传感器的电压会在精密电流源的显示屏上被实时地显示与记录。传感器的电流与电压之间的关系见表1。

表1 传感器电流-电压测试数据

根据电流与电压测试数据，计算出不同电流下传感器的电阻，得到传感器电流-电阻特性曲线，随着电流的增大，从图2可以看出，随着电流的增大，传感器的电阻不断变大，但是当电流达到约17mA时，传感器的电阻变化率由正转负，即17mA是传感器工作状态的转折点。在转折点的左侧，电流增大引起传感器温度上升，温度上升又导致传感器电阻的增大，即在转折点的左侧，传感器的电阻温度系数TCR（temperature coefficient of resistance）是正数；而在转折点的右侧，电流增大引起传感器温度上升，传感器温度上升却使得其电阻变小，即TCR为负值。也就是说，在17mA时传感器的电阻达到最大的点是TCR符号发生改变的转折点，简称TCR转折点。

图2 传感器电流-电阻特性曲线

使用便携式红外测温仪PV11测得传感器的敏感体在TCR转折点处的温度约为740～760℃，而传感器的温度达到600℃时就足以实现对乙炔气体的检测。为了降低传感器功耗，传感器的工作区域应该选择在TCR转折点的左侧，如图3所示。

图3 传感器工作区域示意图

传感器发出肉眼可见的白色光斑现象最初是在TCR转折点的左侧发生，随着电流的不断增大，白色光斑的亮度更亮，光斑的尺寸更大。当加热电流达到20mA时，可以明显地看到传感器产生的白色光斑，且光斑的尺寸大于微加热器的尺寸，这表明当电流达到20mA时，传感器通过热辐射损耗的热量比预计要大得多，已经不能忽略热辐射损耗的热量。此时传感器敏感体温度达到1000℃以上，传感器存在损坏的可能。不断增大的电流引起传感器产生白色光斑现象如图4所示。

图4 传感器产生光斑

同理，根据表1中电流与电压测试数据，可得电流-功耗特性，当电流为17mA时，传感器的功率损耗仅约为90mW。从对传感器的电流-电压特性测试中，可总结出传感器的工作区间应该选择在TCR转折点的左侧区域。当电流为20mA时，传感器对应的电压约为6V，此时传感器发出强烈的白光，有可能造成传感器的损坏，因此在使用传感器中一定要确保工作电流在20mA以下，电压小于6V。

3 新型MEMS气体传感器在模拟变压器油环境下对乙炔的响应特性测试

在实验室环境下模拟变压器油中气体检测，试验装置主要有Keithley 2611B数字源表、封闭气室、Environics En4000配气系统、装有从变压器油中溶解气分离出的气体钢瓶、含有4%乙炔气体的变压器油中溶解气气体钢瓶、PC机一台、便携式气体浓度检测仪。

首先，为了排除气室中原有气体的影响，使用便携式气体浓度检测仪的自动校准功能，将气室中的气体抽出，抽气时间约为7min。关掉便携式气体浓度检测仪的自动校准功能，停止抽气，记录此时传感器的电压值即为传感器在空气环境下的电压。然后通过配气系统分别配置1%、2%、3%、4%浓度的乙炔气体，通入到气室，待配气系统软件Environics Series En4000显示已达到目标浓度值时，使用便携式气体浓度检测仪验证此时气室中乙炔气体的浓度是否与配置浓度相等，验证通过则记录该浓度下传感器的输出电压，如图5所示。

图5 传感器气体响应特性曲线

从图5可以看出，新型MEMS气体传感器对乙炔气体的响应呈现良好的线性度，这从根本上保证了传感器能够实现气体浓度的检测。此外，每1%乙炔气体引起传感器电压的变化量约为13mV，即传感器的灵敏度为13mV，相对于其他气体传感器产生的小信号而言，优势明显。后续中，通过MEMS气体传感器检测的乙炔气体，分析得到变压器老化过程及不同类型故障时乙炔气体产生及演变规律，依托相应的数学工具对统计得到的数据进行分析、整合，最后通过对变压器运行特性研究和试验，找到气体变化规律与变压器不同状态的匹配关系，建立早期变压器故障早期诊断及状态预测模型。

新型MEMS气体传感器对乙炔气体的响应呈现良好的线性度，这从根本上保证了传感器能够实现气体浓度的检测。