9.新型燃料电池气体传感器在变压器油中.

1、新型燃料电池气体传感器在变压器油中气体在线监测装置中的应用一、来源中国自动化网所有 http:/compahttp:/compa 深圳市奥特迅传感技术有限公司二、概述在线监测是状态维修的重要组成部分。长期以来，变压器油中气体在线监测的重要性和必要性在电力系统运行和维护人员中形成共识。应用中，监测设备的自身故障较多，其中， 传感器和测量单元占了较大的比例；另外，用户在选用在线监测装置时，往往忽视了有些监测装置本身固有的维护量要求。燃料电池是一种通过电化学反应直接把化学能（气体或液体燃料）转换成电能，而无需通过热能或机械能转换的高效能量转换装置。其主要特点是节能和环保。燃料电池气体传感器通过检测燃

2、料电池两电极之间的电流信号（电流强度与气体浓度成正比）监测变压器油中气体的变化。燃料电池气体传感器成功应用于变压器油中气体在线监 测已有近3 0年的历史，但由于传感技术的瓶颈，效果一直不理想。20032003 年，深圳市奥特迅传感技术有限公司自主开发了具有国际先进水平的复合型燃料电池气体传感器，在随后的几年中又陆续开发了国际首创的选择性氢气和乙炔燃料电池气体传感器，使变压器油中气体在线监测装置的低维护、高可靠性得以实现。一般燃料电池传感器的特点及存在的问题存在的问题：1 1）能监测与变压器故障有关的特征组分，即氢气、一氧化碳、乙炔和乙烯（这几种组分的增长几乎伴随着所有的故障机理）；原理及构件简

3、单，技术成熟，无消耗材料（消耗材料是空气中的氧气），无易损件。2 2）对气体灵敏度高，响应速度快，动态测定范围大，重复性好。燃料电池型油中气体在线监测装置是全世界范围内用户最广、使用数量最多的在线监测装置（近3万套安装使用），有许多成功的案例，获得了广泛认可。但市场上常用的燃料电 池型油中气体在线监测装置由于受到当时的技术限制，也出现了一些问题。在传感器方面问题主要表现在：1 1）油气分离膜破损导致传感器失灵。据统计，原有的传感器在现场使用过程中失灵的 约 8080%是由于油气分离膜不耐负压受损而造成的，目前国内一些装置退出运行也主要是由于这原因。由于任何油中气体在线监测都离不开油气分离，膜的

4、变形或破损实际上存在于所有使用膜分离技术的在线监测装置中。2 2）监测仪误报警。电力系统习惯于将电力设备修试规程中的油中溶解气体注意值设定为监测仪的报警值，例如氢气（H2H2 ）的注意值为 150150 让/L/L。但由于早期的燃料电池型油中气 体在线监测装置监测的是复合（混合）气体信号，变压器油中一氧化碳（COCO）的相对灵敏度较高，因此即使 H2H2 含量很低，在变压器油中存在高浓度COCO 的情况下，监测仪的读书仍有可能超过报警值。三、新型燃料电池气体传感器的结构及特点图1是新型一体化燃料电池气体传感器结构示意图。它主要由传感器外壳、油气分离膜、微型燃料电池、温度传感器（未标出）、传感器

5、盖及传感器信号输出接头等组成。这里的一体化机构是指油气分离 （油气分离膜）、气体检测（燃料电池）、温度补偿为一体的物理集成， 可直接安装于单个变压器阀门上。不同型号传感器检测气体的差别在于油气分离膜和燃料电 池电极不同的化学性能。沁分离膜歳型燃料哋礼感器盖图1一体化燃料电池气体传感器结构示意图一体化燃料电池气体传感器最突出的特点是油气分离、气体检测和温度补偿完全是自发进行，无需外界干预和激发，整体来说属于无源器件。其原理是：油中溶解气体在油气分离膜两侧分压的作用下自动渗透；透过膜后的气体分子直接在一体化气体传感器电极上转换为电信号、电信号经微处理器换算出气体浓度及其变化趋势，通过网络实时地传送

6、到监测终端。它便于对所有被监测的变压器进行集中在线监测。如变压器在运行中有异常，监测系统测量故障气体的浓度或其变化趋势超过设定的注意值时，会自动启动警报，使运行、检修人员能及时掌握变压器的状况并采取相应措施。四、新型燃料电池气体传感技术在在线监测装置中的应用4.14.1 可靠性的提高新型复合式油气分离膜的开发成功克服了过去油气分离膜不能耐真空负压的技术难关， 极大地提高了气体传感器的可靠性。图2是复合式油气分离膜示意图。高分子膜本体分离如PTFEPTFE 与多孔金属烧结片在多孔粘接剂的作用下经300400300400C高温烧结成一个复合式油气分离膜。高透气性的粘结层的透气率比高分子膜的透气率高

7、2323 个数量级，基本不影响整体透气速率。它既保留了本体高分子膜的透气性能，又具备了金属材料的机械性能。图2复合式油气分离膜结构示意图从现场实际使用情况来看，还没有发现因复合式油气分离膜破损造成的传感器 故障。新型燃料电池气体传感器特有的自我测试和诊断能力是高可靠性的另一个有 利因素，它充分利用了燃料电池原理上的特性，采用类似于电容器的充放电试验， 即给传感器两极反向接通一定时间直流电源，同时检测传感器的响应。图3是两个 使用中 KG2100AKG2100A 型传感器的自我测试响应曲线对比。其中，损坏传感器的自我测 试，结果会显示：立即更换传感器”。现场使用过程中，在线监测仪会定期自动地对传

8、感器进行自我测试，并与仪器 出厂时的测试值进行比较，确保长期监测过程中传感器始终处于正常工作状态。 另外，选择性燃料电池气体传感器是化学气体传感器的一个重要突破。它克服了复 合气体传感器不能直接读出单一气体浓度的不足。表1选择性燃料电池传感器与复合气体传感器的性能比较卿处理器接变压器阀门llidmn4 IE TTkl J100Ikx皿龙tl:丹爪耳瑕h hl.TEFi化呎器佗即7四L叩.辿朮ttfl iihRf 65相対诚缸廈f HlitfKJ初嗥后仆.歩誓ID%曙（jia，烁100塚 fi轴 1rA. |kA -b( (ttj :知叫：豪.“1 *CjItlU用Ell.叫传鼻31 . Ih

9、ii.幻迪BE：1“丹牛蒸I O传感器的高可靠性还得益于近十几年来材料科学的发展，例如，早期气体传感器有中毒”现象，即油中大量的一氧化碳气体会降低传感器的灵敏度，现已通过合金电催化剂得到 了解决。4.24.2 免维护性新型燃料电池传感技术免维护的概念主要有以下两方面。1 1） 无需易损件和消耗品，燃料电池的燃料”是被监测气体，而 燃烧”过程是在电催化剂作用下不见火焰的常温氧化反应，唯一的消耗品是空气中源源不断的氧气。另外，一体化燃料电池传感器也不需要油泵、气泵和阀门等易损件。2 2）在运行周期内无需进行校准，也就是说，传感器本身有足够的稳定性，在长期偏差 允许的范围之内不需要再进行校准。如图4是 KG2100AKG2100A 燃料电池型油中气体传感器在使用3 3 年多时间内的零漂变化。有些在线气象色谱仪的高精度指标只是短期偏差，是要以频繁的校准、维护作为代价的。因此， 建议用户在购买在线色谱仪时要关注达到精度要求所需的校准周期。40T40T：允许波动范围4r图4型传感器零漂随时间的变化传感器的高可靠性还得益于近十几年来材料