基于FBGs 传感器的变压器油氢含量监测研究

2024-01-29周振平董占明

电子器件 2023年6期

张石，张博，冯冶，孙通，霍鹏，程驰，周振平，董占明，何松

(龙源(北京)风电工程技术有限公司，北京 100081)

电力变压器是发电和供电网络中最关键和昂贵的部件。变压器故障将导致供电中断，影响公用电力供应的可靠性，更换故障变压器的成本十分高昂[1]。变压器的故障可以通过监测绝缘油的状况来减少。在变压器中，油起着绝缘、冷却剂和状态指示的作用，变压器中的电应力和热应力会产生故障气体，后者会溶解在变压器油中，从而降低绝缘强度。油中溶解气体的量可以使用溶解气体分析(Dissolved Gas Analysis，DGA)技术来测量[2－3]，通常，DGA 测试是在实验室中使用气相色谱分析进行的，对从变压器中抽出的油进行DGA 分析，根据变压器油中溶解气体的浓度诊断和检测变压器中的早期故障[4－6]。

随着技术的进步，在线气体监测器提供气体的连续测量，用于确定一种或多种气体的产气趋势。产气趋势成为诊断变压器内部早期故障的关键信息，确定变压器健康状况的主要气体有氢气(H2)、乙烷(C2H6)、甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)[7]。

在电力系统中，光纤传感器是纯绝缘体，不易受电力系统中噪声和其他频率成分的影响。光纤传感器具有多路复用、耐高温和重量轻的优点[8－9]。它可以与现有的光纤网络架构集成，从而实现遥感。此外，光纤传感器已用于真空断路器的电弧保护、变压器绕组的温度传感器和电力变压器的局部放电传感器[10－12]。

变压器发生局部放电检测的关键气体是氢气。此前，用钯薄膜电阻率的变化来检测氢气的存在[13－15]。钯在暴露于氢气时会自然膨胀。与氢反应的钯金属将产生具有更大晶格尺寸和更低电导率的氢化钯。钯和氢化钯之间的晶格尺寸差是纳米级的，因此可以用光学方法测量。当钯涂覆在FBG 上并且暴露在氢气中时，会膨胀并对FBG 造成应变。FBG应变会引起布拉格波长偏移，波长偏移可以用光谱分析仪测量。在室温下测量空气中0.3%～1.8%的氢浓度，涂有钯的FBG 传感器的响应是线性的[16－17]。

当涂覆的钯膜暴露于氢气或温度发生变化时，干涉式传感器根据光程长度的变化工作。但这种类型的传感器不提供多路复用能力，并且设计复杂。另一方面，通过使用涂覆在多模光纤末端的钯微镜构建的传感器在－196 ℃至23 ℃之间效果良好。对于空气中100%的氢浓度，响应时间为5 s，而对于4%的氢浓度，响应时间为40 s。此外，在光纤上沉积钯膜的微型迈克尔逊干涉仪对氢气的检测灵敏度从0%提高到了16%。76 ∶24 的钯银组合物显示氢的检测限为4%。用磁控溅射涂覆钯薄膜的侧抛光FBG 氢传感器显示，含0.01%氢(2.46×10－4)的布拉格波长偏移为15 μm。而且，侧面抛光的传感器在检测4%～8%的氢浓度时显示出更高的灵敏度[18－19]。

本文研制了用于检测矿物油溶解氢的钯铬合金传感器，二氧化钛薄层用作粘合层，铬用作合金金属。本文的主要目的是研究两个涂有钯铬比为100 ∶0和58 ∶42 的光纤光栅在浸入已知溶解氢含量的变压器油中时的传感器响应，涂层的单个应变是通过考虑温度补偿系数来计算的，计算出的应变作为确定钯－铬合金正确比率的基准，以扩大矿物油中溶解氢的检测范围。

1 钯合金膨胀推导

当涂覆的FBG 浸在溶解有氢的变压器油中时，会引起应变。由于温度效应导致光栅膨胀，FBG 充当温度传感器，结果表明，1 ℃引起的波长漂移相当于10 με，因此，虽然FBG 被用作应变传感器，但温度补偿系数必须包括在计算中。对于应变传感特性，假设:

式中:λB是布拉格波长。Λ是光栅的周期，neff是有效折射率，式(1)推导了FBG 表面钯合金涂层引起的应变计算。

将式(1)左右两边微分:

式(2)除以式(1):

ε定义为应变，应变引起的效应变化如下:

式中:p11和p12是光学传感器的波克尔应变系数，ν是泊松比。定义P为:

经简化:

Kε为应变灵敏度。波长为1 550 nm 的二氧化硅FBG，P值为0.22，应变灵敏度系数为1.2 pm/με。

当温度、周期、折射率变化时，都会引起波长的偏移。公式(2)导入温度:

式(8)除以式(1):

式中:KT是热灵敏度。如果FBG 是二氧化硅，仅受温度影响，波长为1 550 nm 时，α＋ζ＝6.67×10－6℃，KT＝10 pm/℃，当FBG 传感器仅作为温度传感器工作时，以K 为单位的温差如下所示:

式中:αglass＝0.55×10－6/K，αδ＝7×10－6/K，温度系数体现在应变计算中，应变计算如下:

计算的应变值用于确定和分类每个光纤传感器的性能。

2 涂层测试

本文采用物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition，PVD)来涂钯金属于FBG。为了确保钯与FBG能够可靠粘合，需要先涂覆一层二氧化钛薄膜。在FBG 涂覆二氧化钛涂层之前，先使用仿真光纤来测试二氧化钛对变压器油的粘合强度的完整性。仿真光纤安装在PVD 内部的旋转器上，旋转器以120 转/min 的速度旋转。PVD 有射频和直流两种涂层模式，由于本文需要的是二氧化钛薄层，所以采用射频方法。接下来将厚度为80 nm 10%的二氧化钛层涂覆在仿真光纤上，然后将其浸入矿物油中。矿物油在烘箱中加热至65 ℃的温度，以模拟在用变压器油的平均温度。每两天检查一次浸在矿物油中的涂层。涂层在30 d 内没有出现剥落或微裂纹的迹象，就将样品从烘箱中取出，图1 为30 d 后虚拟纤维上的二氧化钛涂层。

图1 涂覆在仿真光纤上30 d 后的二氧化钛层

在仿真光纤上的涂层完整性得到验证过后，FBG 上的二氧化钛涂层就完成了，然后是钯涂层。PVD 的DC 和射频两个溅射靶同时工作，钯靶安装在DC 溅射源上，铬靶安装在射频溅射源上。在Pd100涂覆过程中关闭了射频溅射。涂层温度设定为室温25 ℃，压力设定为3×10－5Pa，溅射气体采用氩气。分别制备了钯铬比为100 ∶0 和58 ∶42 的两个样品。并将两个不同钯比例的传感器对溶解氢含量的响应进行了基准测试。

表1 FBG 涂层厚度

使用1 L 金属罐将氢气溶解在变压器油中，该金属罐带有安装在入口阀处的穿孔铜管，如图2 所示。氢气的流量通过使用精确的气体调节器来控制，并设定为1 kg/h，为了让气体溶解在油中，氢气以恒定流量注入10 min，然后暂停15 min，然后再次重复该循环制备4 个样品。在每个循环中，取两个体积各为100 mL 的样品。

图2 变压器油中的溶解氢

每次油样制备的周期为25 min。此外，第二个样本是在实验室为DGA 测试采集的。DGA 测试是测量油中溶解氢的量。第一批样品标记为“0 min”、“10 min”、“20 min”、“30 min”和“40 min”。如图3所示，将油样准备好后，FBG 传感器连接到ASE(放大自发辐射)源、FBG 分析仪和计算机。为了获得FBG 传感器放在变压器油中时的中心波长。将所有传感器浸入“0 min”油样中，“0 min”油样含有0×10－6的溶解氢。然后将传感器放置在油中30 s，使FBG 中心波长稳定。记录稳定下来的中心波长，并且放置了一个裸露的FBG 进行温度校正。对其他油样进行重复试验。将 FBG 传感器浸入“10 min”、“20 min”、“30 min”和“40 min”样品中。然后，将传感器留在油中30 s，使FBG 中心波长移动并稳定。

图3 测试FBG 传感器实验装置

3 结果与分析

使用PVD 机将钯和铬分别涂覆在二氧化钛薄层上，Pd100传感器的厚度为980 nm，Pd58Cr42的厚度为675 nm。由于PVD 机的功率设置不同，两种传感器的厚度不同。然后，采用扫描电镜－EDX 方法检查传感器的表面裂纹，如图4 所示。结果显示两个传感器的涂层都是光滑的，没有观察到厚度不均匀、剥落和微裂纹的迹象。且传感器在浸入变压器油后也没有显示出任何表面粗糙、厚度不均匀、剥落或微裂纹的迹象。因此，这表明传感器涂层牢固地附着在FBG 上。

图4 FBG 传感器的表面

图5～图7 分别示出了两个传感器的波长值、波长偏移和应变。Pd100传感器在1.98×10－4(10 min 样品)溶解氢时的波长偏移为11 pm，应变计算为6.50×10－6。在3.93×10－4(20 min 样品)，波长偏移为6 pm，应变计算为4.20×10－6。在5.26×10－4(30 min 样品)，波长偏移为2 pm，应变计算为1.00×10－6。在6.14×10－4(40 min 样品)，波长偏移为1 pm，应变计算为0.9×10－6。Pd58Cr42传感器在溶解氢为1.98×10－4(10 min 样品)时的波长偏移为8 pm，应变计算为5.1×10－6。在3.93×10－4(20 min样品)，波长偏移为5.0×10－6。在5.26×10－4(30 min样品)，波长偏移为2 pm，应变为1.6×10－6。在6.14×10－4(40 min 样品)，波长偏移为1.00×10－6pm，应变为0.9×10－6。

图5 Pd100和Pd58Cr42传感器在溶解氢下的波长值

传感器的响应时间是根据稳定的波长偏移获得的，由于油样中的温度变化和不均匀的温度分布引起了波长偏移的一些微小波动，10 min 后波长才逐渐偏移稳定。此外，在溶解氢引起的中心波长偏移是可逆的，将传感器浸入含有0×10－6氢的变压器油中，可以实现从氢化钯到钯的反转，该过程大概需要2 h。

Pd100传感器在较低的氢浓度下具有较高的感应应变。随着氢含量的增加，感应应变减少。另一方面，在较低的氢气浓度下，Pd58Cr42的感应应变较少。氢浓度越高，两个传感器的感应应变越低，这是因为传感器已经饱和，无法吸收更多的氢来产生氢化钯，氢化钯由于膨胀而对FBG 产生应变。

图6 和图7 的结果显示波长偏移和感应应变是相互关联的。这是因为波长偏移是由于膨胀的氢化钯对FBG 施加的应变而产生的。此外，由于Pd58Cr42可以保持高达5.26×10－4溶解氢的线性，故可以推断出Pd58Cr42具有检测变压器油中更宽范围的溶解氢的能力。Pd100传感器可用于检测较低水平的H2，因为它具有更快吸收H2直到饱和的特性。Pd100和Pd58Cr42传感器的选择性将使其能够用于检测变压器油中不同范围的溶解氢，本文研究表明在钯中添加合金金属铬，将使基于FBG 的H2传感器能够在不同的氢含量范围内工作，可见，铬的使用提高基于FBG 的氢传感器降低变压器油中溶解氢的水平。