基于FBGs 傳感器的變壓器油氫含量監(jiān)測(cè)研究

張 石，張 博，馮 冶，孫 通，霍 鵬，程 馳，周振平，董占明，何 松

(龍?jiān)?北京)風(fēng)電工程技術(shù)有限公司，北京 100081)

電力變壓器是發(fā)電和供電網(wǎng)絡(luò)中最關(guān)鍵和昂貴的部件。變壓器故障將導(dǎo)致供電中斷，影響公用電力供應(yīng)的可靠性，更換故障變壓器的成本十分高昂[1]。變壓器的故障可以通過(guò)監(jiān)測(cè)絕緣油的狀況來(lái)減少。在變壓器中，油起著絕緣、冷卻劑和狀態(tài)指示的作用，變壓器中的電應(yīng)力和熱應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生故障氣體，后者會(huì)溶解在變壓器油中，從而降低絕緣強(qiáng)度。油中溶解氣體的量可以使用溶解氣體分析(Dissolved Gas Analysis，DGA)技術(shù)來(lái)測(cè)量[2－3]，通常，DGA 測(cè)試是在實(shí)驗(yàn)室中使用氣相色譜分析進(jìn)行的，對(duì)從變壓器中抽出的油進(jìn)行DGA 分析，根據(jù)變壓器油中溶解氣體的濃度診斷和檢測(cè)變壓器中的早期故障[4－6]。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，在線氣體監(jiān)測(cè)器提供氣體的連續(xù)測(cè)量，用于確定一種或多種氣體的產(chǎn)氣趨勢(shì)。產(chǎn)氣趨勢(shì)成為診斷變壓器內(nèi)部早期故障的關(guān)鍵信息，確定變壓器健康狀況的主要?dú)怏w有氫氣(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]。

在電力系統(tǒng)中，光纖傳感器是純絕緣體，不易受電力系統(tǒng)中噪聲和其他頻率成分的影響。光纖傳感器具有多路復(fù)用、耐高溫和重量輕的優(yōu)點(diǎn)[8－9]。它可以與現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)集成，從而實(shí)現(xiàn)遙感。此外，光纖傳感器已用于真空斷路器的電弧保護(hù)、變壓器繞組的溫度傳感器和電力變壓器的局部放電傳感器[10－12]。

變壓器發(fā)生局部放電檢測(cè)的關(guān)鍵氣體是氫氣。此前，用鈀薄膜電阻率的變化來(lái)檢測(cè)氫氣的存在[13－15]。鈀在暴露于氫氣時(shí)會(huì)自然膨脹。與氫反應(yīng)的鈀金屬將產(chǎn)生具有更大晶格尺寸和更低電導(dǎo)率的氫化鈀。鈀和氫化鈀之間的晶格尺寸差是納米級(jí)的，因此可以用光學(xué)方法測(cè)量。當(dāng)鈀涂覆在FBG 上并且暴露在氫氣中時(shí)，會(huì)膨脹并對(duì)FBG 造成應(yīng)變。FBG應(yīng)變會(huì)引起布拉格波長(zhǎng)偏移，波長(zhǎng)偏移可以用光譜分析儀測(cè)量。在室溫下測(cè)量空氣中0.3%～1.8%的氫濃度，涂有鈀的FBG 傳感器的響應(yīng)是線性的[16－17]。

當(dāng)涂覆的鈀膜暴露于氫氣或溫度發(fā)生變化時(shí)，干涉式傳感器根據(jù)光程長(zhǎng)度的變化工作。但這種類型的傳感器不提供多路復(fù)用能力，并且設(shè)計(jì)復(fù)雜。另一方面，通過(guò)使用涂覆在多模光纖末端的鈀微鏡構(gòu)建的傳感器在－196 ℃至23 ℃之間效果良好。對(duì)于空氣中100%的氫濃度，響應(yīng)時(shí)間為5 s，而對(duì)于4%的氫濃度，響應(yīng)時(shí)間為40 s。此外，在光纖上沉積鈀膜的微型邁克爾遜干涉儀對(duì)氫氣的檢測(cè)靈敏度從0%提高到了16%。76 ∶24 的鈀銀組合物顯示氫的檢測(cè)限為4%。用磁控濺射涂覆鈀薄膜的側(cè)拋光FBG 氫傳感器顯示，含0.01%氫(2.46×10－4)的布拉格波長(zhǎng)偏移為15 μm。而且，側(cè)面拋光的傳感器在檢測(cè)4%～8%的氫濃度時(shí)顯示出更高的靈敏度[18－19]。

本文研制了用于檢測(cè)礦物油溶解氫的鈀鉻合金傳感器，二氧化鈦薄層用作粘合層，鉻用作合金金屬。本文的主要目的是研究?jī)蓚€(gè)涂有鈀鉻比為100 ∶0和58 ∶42 的光纖光柵在浸入已知溶解氫含量的變壓器油中時(shí)的傳感器響應(yīng)，涂層的單個(gè)應(yīng)變是通過(guò)考慮溫度補(bǔ)償系數(shù)來(lái)計(jì)算的，計(jì)算出的應(yīng)變作為確定鈀－鉻合金正確比率的基準(zhǔn)，以擴(kuò)大礦物油中溶解氫的檢測(cè)范圍。

1 鈀合金膨脹推導(dǎo)

當(dāng)涂覆的FBG 浸在溶解有氫的變壓器油中時(shí)，會(huì)引起應(yīng)變。由于溫度效應(yīng)導(dǎo)致光柵膨脹，F(xiàn)BG 充當(dāng)溫度傳感器，結(jié)果表明，1 ℃引起的波長(zhǎng)漂移相當(dāng)于10 με，因此，雖然FBG 被用作應(yīng)變傳感器，但溫度補(bǔ)償系數(shù)必須包括在計(jì)算中。對(duì)于應(yīng)變傳感特性，假設(shè):

式中:λB是布拉格波長(zhǎng)。Λ是光柵的周期，neff是有效折射率，式(1)推導(dǎo)了FBG 表面鈀合金涂層引起的應(yīng)變計(jì)算。

將式(1)左右兩邊微分:

式(2)除以式(1):

ε定義為應(yīng)變，應(yīng)變引起的效應(yīng)變化如下:

式中:p11和p12是光學(xué)傳感器的波克爾應(yīng)變系數(shù)，ν是泊松比。定義P為:

經(jīng)簡(jiǎn)化:

Kε為應(yīng)變靈敏度。波長(zhǎng)為1 550 nm 的二氧化硅FBG，P值為0.22，應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.2 pm/με。

當(dāng)溫度、周期、折射率變化時(shí)，都會(huì)引起波長(zhǎng)的偏移。公式(2)導(dǎo)入溫度:

式(8)除以式(1):

式中:KT是熱靈敏度。如果FBG 是二氧化硅，僅受溫度影響，波長(zhǎng)為1 550 nm 時(shí)，α＋ζ＝6.67×10－6℃，KT＝10 pm/℃，當(dāng)FBG 傳感器僅作為溫度傳感器工作時(shí)，以K 為單位的溫差如下所示:

式中:αglass＝0.55×10－6/K，αδ＝7×10－6/K，溫度系數(shù)體現(xiàn)在應(yīng)變計(jì)算中，應(yīng)變計(jì)算如下:

計(jì)算的應(yīng)變值用于確定和分類每個(gè)光纖傳感器的性能。

2 涂層測(cè)試

本文采用物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition，PVD)來(lái)涂鈀金屬于FBG。為了確保鈀與FBG能夠可靠粘合，需要先涂覆一層二氧化鈦薄膜。在FBG 涂覆二氧化鈦涂層之前，先使用仿真光纖來(lái)測(cè)試二氧化鈦對(duì)變壓器油的粘合強(qiáng)度的完整性。仿真光纖安裝在PVD 內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)器上，旋轉(zhuǎn)器以120 轉(zhuǎn)/min 的速度旋轉(zhuǎn)。PVD 有射頻和直流兩種涂層模式，由于本文需要的是二氧化鈦薄層，所以采用射頻方法。接下來(lái)將厚度為80 nm 10%的二氧化鈦層涂覆在仿真光纖上，然后將其浸入礦物油中。礦物油在烘箱中加熱至65 ℃的溫度，以模擬在用變壓器油的平均溫度。每?jī)商鞕z查一次浸在礦物油中的涂層。涂層在30 d 內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)剝落或微裂紋的跡象，就將樣品從烘箱中取出，圖1 為30 d 后虛擬纖維上的二氧化鈦涂層。

圖1 涂覆在仿真光纖上30 d 后的二氧化鈦層

在仿真光纖上的涂層完整性得到驗(yàn)證過(guò)后，F(xiàn)BG 上的二氧化鈦涂層就完成了，然后是鈀涂層。PVD 的DC 和射頻兩個(gè)濺射靶同時(shí)工作，鈀靶安裝在DC 濺射源上，鉻靶安裝在射頻濺射源上。在Pd100涂覆過(guò)程中關(guān)閉了射頻濺射。涂層溫度設(shè)定為室溫25 ℃，壓力設(shè)定為3×10－5Pa，濺射氣體采用氬氣。分別制備了鈀鉻比為100 ∶0 和58 ∶42 的兩個(gè)樣品。并將兩個(gè)不同鈀比例的傳感器對(duì)溶解氫含量的響應(yīng)進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試。

表1 FBG 涂層厚度

使用1 L 金屬罐將氫氣溶解在變壓器油中，該金屬罐帶有安裝在入口閥處的穿孔銅管，如圖2 所示。氫氣的流量通過(guò)使用精確的氣體調(diào)節(jié)器來(lái)控制，并設(shè)定為1 kg/h，為了讓氣體溶解在油中，氫氣以恒定流量注入10 min，然后暫停15 min，然后再次重復(fù)該循環(huán)制備4 個(gè)樣品。在每個(gè)循環(huán)中，取兩個(gè)體積各為100 mL 的樣品。

圖2 變壓器油中的溶解氫

每次油樣制備的周期為25 min。此外，第二個(gè)樣本是在實(shí)驗(yàn)室為DGA 測(cè)試采集的。DGA 測(cè)試是測(cè)量油中溶解氫的量。第一批樣品標(biāo)記為“0 min”、“10 min”、“20 min”、“30 min”和“40 min”。如圖3所示，將油樣準(zhǔn)備好后，F(xiàn)BG 傳感器連接到ASE(放大自發(fā)輻射)源、FBG 分析儀和計(jì)算機(jī)。為了獲得FBG 傳感器放在變壓器油中時(shí)的中心波長(zhǎng)。將所有傳感器浸入“0 min”油樣中，“0 min”油樣含有0×10－6的溶解氫。然后將傳感器放置在油中30 s，使FBG 中心波長(zhǎng)穩(wěn)定。記錄穩(wěn)定下來(lái)的中心波長(zhǎng)，并且放置了一個(gè)裸露的FBG 進(jìn)行溫度校正。對(duì)其他油樣進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。將 FBG 傳感器浸入“10 min”、“20 min”、“30 min”和“40 min”樣品中。然后，將傳感器留在油中30 s，使FBG 中心波長(zhǎng)移動(dòng)并穩(wěn)定。

圖3 測(cè)試FBG 傳感器實(shí)驗(yàn)裝置

3 結(jié)果與分析

使用PVD 機(jī)將鈀和鉻分別涂覆在二氧化鈦薄層上，Pd100傳感器的厚度為980 nm，Pd58Cr42的厚度為675 nm。由于PVD 機(jī)的功率設(shè)置不同，兩種傳感器的厚度不同。然后，采用掃描電鏡－EDX 方法檢查傳感器的表面裂紋，如圖4 所示。結(jié)果顯示兩個(gè)傳感器的涂層都是光滑的，沒(méi)有觀察到厚度不均勻、剝落和微裂紋的跡象。且傳感器在浸入變壓器油后也沒(méi)有顯示出任何表面粗糙、厚度不均勻、剝落或微裂紋的跡象。因此，這表明傳感器涂層牢固地附著在FBG 上。

圖4 FBG 傳感器的表面

圖5～圖7 分別示出了兩個(gè)傳感器的波長(zhǎng)值、波長(zhǎng)偏移和應(yīng)變。Pd100傳感器在1.98×10－4(10 min 樣品)溶解氫時(shí)的波長(zhǎng)偏移為11 pm，應(yīng)變計(jì)算為6.50×10－6。在3.93×10－4(20 min 樣品)，波長(zhǎng)偏移為6 pm，應(yīng)變計(jì)算為4.20×10－6。在5.26×10－4(30 min 樣品)，波長(zhǎng)偏移為2 pm，應(yīng)變計(jì)算為1.00×10－6。在6.14×10－4(40 min 樣品)，波長(zhǎng)偏移為1 pm，應(yīng)變計(jì)算為0.9×10－6。Pd58Cr42傳感器在溶解氫為1.98×10－4(10 min 樣品)時(shí)的波長(zhǎng)偏移為8 pm，應(yīng)變計(jì)算為5.1×10－6。在3.93×10－4(20 min樣品)，波長(zhǎng)偏移為5.0×10－6。在5.26×10－4(30 min樣品)，波長(zhǎng)偏移為2 pm，應(yīng)變?yōu)?.6×10－6。在6.14×10－4(40 min 樣品)，波長(zhǎng)偏移為1.00×10－6pm，應(yīng)變?yōu)?.9×10－6。

圖5 Pd100和Pd58Cr42傳感器在溶解氫下的波長(zhǎng)值

傳感器的響應(yīng)時(shí)間是根據(jù)穩(wěn)定的波長(zhǎng)偏移獲得的，由于油樣中的溫度變化和不均勻的溫度分布引起了波長(zhǎng)偏移的一些微小波動(dòng)，10 min 后波長(zhǎng)才逐漸偏移穩(wěn)定。此外，在溶解氫引起的中心波長(zhǎng)偏移是可逆的，將傳感器浸入含有0×10－6氫的變壓器油中，可以實(shí)現(xiàn)從氫化鈀到鈀的反轉(zhuǎn)，該過(guò)程大概需要2 h。

Pd100傳感器在較低的氫濃度下具有較高的感應(yīng)應(yīng)變。隨著氫含量的增加，感應(yīng)應(yīng)變減少。另一方面，在較低的氫氣濃度下，Pd58Cr42的感應(yīng)應(yīng)變較少。氫濃度越高，兩個(gè)傳感器的感應(yīng)應(yīng)變?cè)降停@是因?yàn)閭鞲衅饕呀?jīng)飽和，無(wú)法吸收更多的氫來(lái)產(chǎn)生氫化鈀，氫化鈀由于膨脹而對(duì)FBG 產(chǎn)生應(yīng)變。

圖6 和圖7 的結(jié)果顯示波長(zhǎng)偏移和感應(yīng)應(yīng)變是相互關(guān)聯(lián)的。這是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)偏移是由于膨脹的氫化鈀對(duì)FBG 施加的應(yīng)變而產(chǎn)生的。此外，由于Pd58Cr42可以保持高達(dá)5.26×10－4溶解氫的線性，故可以推斷出Pd58Cr42具有檢測(cè)變壓器油中更寬范圍的溶解氫的能力。Pd100傳感器可用于檢測(cè)較低水平的H2，因?yàn)樗哂懈煳誋2直到飽和的特性。Pd100和Pd58Cr42傳感器的選擇性將使其能夠用于檢測(cè)變壓器油中不同范圍的溶解氫，本文研究表明在鈀中添加合金金屬鉻，將使基于FBG 的H2傳感器能夠在不同的氫含量范圍內(nèi)工作，可見(jiàn)，鉻的使用提高基于FBG 的氫傳感器降低變壓器油中溶解氫的水平。

圖6 Pd100和Pd58Cr42傳感器在溶解氫下的波長(zhǎng)偏移

圖7 Pd100和Pd58Cr42傳感器在溶解氫下的計(jì)算感應(yīng)應(yīng)變

4 結(jié)論

本文制備了鈀鉻比為100 ∶0(Pd100)和58 ∶42(Pd58Cr42)的兩種樣品，用于檢測(cè)變壓器油中溶解的氫氣含量，得出結(jié)論如下:

①當(dāng)浸入變壓器油中時(shí)，傳感器上的涂層顯示出優(yōu)異的附著力。此外，表面檢查沒(méi)有顯示任何表面粗糙、厚度不均勻、剝落或微裂紋的跡象。

②使用合金金屬如鉻和鈀金屬能夠提高溶解氫檢測(cè)范圍，可以使用波長(zhǎng)偏移和應(yīng)變來(lái)推斷傳感器的工作范圍。