氫傳感器、氫檢測(cè)系統(tǒng)以及具有氫檢測(cè)系統(tǒng)的電氣裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)的各方面涉及氫傳感器、采用氫傳感器的氫檢測(cè)系統(tǒng)以及涉及包括這種檢測(cè)系統(tǒng)的電氣裝置。具體來(lái)說(shuō)，這些方面涉及氫傳感器和具有用于液體填充電氣設(shè)備的這種傳感器的氫檢測(cè)系統(tǒng)，以及更具體來(lái)說(shuō)涉及具有這種氫檢測(cè)系統(tǒng)和氫傳感器的油填充電氣變壓器。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣液體填充電氣設(shè)備、例如油填充分路電抗器、套管以及特別是變壓器(例如電力和配電變壓器)填充有絕緣液體(具體是油)用于冷卻和電氣絕緣目的。電氣設(shè)備內(nèi)部的故障以及絕緣液體和其他絕緣組成部分(例如在電氣設(shè)備中提供的絕緣紙)的降級(jí)可能形成分解氣體，其主要溶解到液體中。這對(duì)于采用礦物油和來(lái)自天然源的油的設(shè)備是有效的。
[0003]重要的是及早檢測(cè)這類故障、差錯(cuò)和降級(jí)，因?yàn)樘貏e是變壓器是電力網(wǎng)的重要組成部分，并且其故障會(huì)是費(fèi)用極高的。因此，假設(shè)變壓器盡可能無(wú)差錯(cuò)并且連續(xù)地操作許多年或者甚至數(shù)十年。
[0004]分解氣體的量和組成取決于基本缺陷:具有高能含量的大故障、例如快速過(guò)熱或電弧使大量氣體在短時(shí)間段產(chǎn)生，而小故障所產(chǎn)生的氣體量可能相對(duì)地小。另外，所溶解的不同氣體的相對(duì)濃度可能指示特定類型的故障。因此，如果溶解在絕緣液體中的單獨(dú)氣體的性質(zhì)和量為已知，則油中的特定氣體的濃度的變化的出現(xiàn)能夠用來(lái)識(shí)別設(shè)備中的電氣故障。已知油絕緣變壓器中的電氣故障的最重要指標(biāo)其中之一是溶解在油中的氫氣的出現(xiàn)，其例如在變壓器繞組的絕緣的有故障部分由于油的熱或電分解而產(chǎn)生。為此，期望可能最終引起變壓器的完全故障的這類差錯(cuò)能夠通過(guò)識(shí)別氫濃度的上升來(lái)盡可能及早檢測(cè)。這應(yīng)當(dāng)理想地在嚴(yán)重和潛在高費(fèi)用故障發(fā)生之前仍然可采取適當(dāng)對(duì)策的階段是可能的。
[0005]在這種電氣故障的很早的階段，可能僅產(chǎn)生溶解在油中的很少量的氫氣，并且因此所溶解氫的濃度在較長(zhǎng)時(shí)間段在油中積累一由此油中的氫濃度至少在故障的早期階段可能甚至低于閾值，在閾值處采用大多數(shù)已知檢測(cè)方法能夠?qū)λ鼨z測(cè)。
[0006]電力網(wǎng)中的大多數(shù)現(xiàn)代電氣變壓器仍然沒(méi)有配備有用于這類氣體的聯(lián)機(jī)或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)裝置。為了控制和評(píng)估這些變壓器的健康，來(lái)自絕緣油槽的油樣本周期地被獲取并且發(fā)送到有資格的實(shí)驗(yàn)室，其中測(cè)量溶解氣體和其他油性質(zhì)。這種監(jiān)測(cè)方法是費(fèi)時(shí)的，缺乏連續(xù)性，具有人為差錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，并且是價(jià)格高的。即使更頻繁地執(zhí)行這種高費(fèi)用方法，過(guò)程中也存在若干可能的差錯(cuò)源，例如在拉出探頭的時(shí)間點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)室中實(shí)際確定氣體含量的時(shí)刻之間的運(yùn)輸期間的探頭的化學(xué)和物理性質(zhì)的變化。這種方法也沒(méi)有提供關(guān)于故障在變壓器中發(fā)生的位置的任何信息。因此，這種方法在這里將不會(huì)進(jìn)一步被關(guān)注，即使它仍然廣泛使用。
[0007]另一方面，在聯(lián)機(jī)方法中，直接和(準(zhǔn))連續(xù)地監(jiān)測(cè)絕緣液體中的氣體濃度。為此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在(有時(shí)內(nèi)置)用于測(cè)量變壓器油中的氫。這些系統(tǒng)基于不同的感測(cè)技術(shù)。它們包括例如半導(dǎo)體傳感器、熱導(dǎo)率分析器、載體催化元素(pellistor)和燃料電池傳感器，諸如此類。這些感測(cè)技術(shù)通常要求復(fù)雜的氣體分離系統(tǒng)，其對(duì)傳感器設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)增加復(fù)雜度和成本。因此，這些裝置一般是麻煩和昂貴的。另外，這些監(jiān)測(cè)技術(shù)的一些遭受對(duì)油中存在的其他氣體的橫向靈敏度，這也使結(jié)果不太可靠。
[0008]因此，甚至高級(jí)變壓器、即配備有專用聯(lián)機(jī)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的那些變壓器常常仍然附加地和周期地采用昂貴實(shí)驗(yàn)室測(cè)試來(lái)檢驗(yàn)以再確保聯(lián)機(jī)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度。因此，采用傳感器的定量、可靠、廉價(jià)和連續(xù)氫檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于監(jiān)測(cè)絕緣油中的氫濃度以便能夠在盡可能早的階段檢測(cè)故障是理想的。這暗示變壓器的健康狀態(tài)能夠聯(lián)機(jī)或者甚至從遠(yuǎn)程位置來(lái)監(jiān)測(cè)。
[0009]已存在包括基于薄膜的光纖傳感器的這類聯(lián)機(jī)氫監(jiān)測(cè)裝置的建議，其中感測(cè)材料在暴露于溶解在油中的氫時(shí)改變其光學(xué)性質(zhì)。用于檢測(cè)氫氣的一種這樣的系統(tǒng)在W02007049965 A1中描述為光學(xué)開(kāi)關(guān)裝置。
[0010]在T.Mak、R.J.Westerwaal、Μ.Slaman、H.Schreuders、A.ff.van Vugt、M.Victoria、。.Boelsma、B.Dam 的 “Optical fiber sensor for the continuousmonitoring of hydrogen in oil” (Sensors and Actuators B 190 (2014) 982 - 989)中提供另一種建議。由此，所建議的光學(xué)傳感器包括感光軟片(sensitive film)，其包括例如Mg和Ti的合金，覆蓋有含Pd的層。
[0011]但是，這類已知配置留下較大改進(jìn)空間。首先，這些傳感器的一些的靈敏度具有(其甚至可預(yù)計(jì))在感興趣溫度狀況中的開(kāi)關(guān)類型特性。也就是說(shuō)，當(dāng)達(dá)到油中的被監(jiān)控氫濃度的閾值時(shí)，這些光學(xué)傳感器基本上改變其光學(xué)性質(zhì)，即其反射比。這意味著，具有這種傳感器的氫檢測(cè)系統(tǒng)能夠并且將僅指示是否已經(jīng)達(dá)到氫的某個(gè)閾值濃度。因此，它通常不能夠檢測(cè)或指示在較長(zhǎng)時(shí)間段例如數(shù)小時(shí)、數(shù)天或者甚至數(shù)月發(fā)生氫濃度的緩慢上升，但是其可能被看作是緩慢發(fā)展故障的指示。因此，它沒(méi)有指示變壓器油中的實(shí)際氫濃度，而僅指示已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)氣體濃度的閾值。
[0012]其他光學(xué)傳感器隨油中增長(zhǎng)的氫濃度而呈現(xiàn)其光學(xué)性質(zhì)的連續(xù)變化，但是，它們?cè)趯?duì)在變壓器的大范圍的可能操作條件實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)氫濃度將會(huì)合乎需要的某些溫度和氫濃度狀況中缺乏靈敏度。例如，如由Mak等人(2014)所使用的氫傳感器能夠連續(xù)測(cè)量從5 ppm至1500 ppm的氫濃度，但是僅在高于傳感器的80°C的操作溫度。但是，這高于大多數(shù)變壓器類型中的標(biāo)準(zhǔn)油溫。在更低操作溫度(其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)變壓器操作是更為重要的)，氫濃度的有效測(cè)量范圍采用已知技術(shù)要小得多(并且靈敏度要更低)，使得對(duì)變壓器故障的檢測(cè)是可改進(jìn)的。另外，這些金屬氫化物系統(tǒng)在要求氫循環(huán)時(shí)常常沒(méi)有顯示可再現(xiàn)光學(xué)行為，這引起傳感器隨時(shí)間的不穩(wěn)定響應(yīng)。
[0013]鑒于上述和其他因素，存在對(duì)本發(fā)明的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]鑒于上述，提供了一種如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器、如權(quán)利要求9所述的檢測(cè)系統(tǒng)、如權(quán)利要求13所述的裝置以及如權(quán)利要求15所述的使用。
[0015]按照一個(gè)方面，提供了一種用于檢測(cè)與傳感器物理接觸的流體中的氫的光學(xué)傳感器。該光學(xué)傳感器包括光纖，其中光纖的端部涂敷有多層，其包括:感測(cè)層以及包含Pd的催化層，該感測(cè)層包括合金膜，合金包括Mg、Ni和M，其中Μ是Zr、Ta和Hf中的至少一個(gè)，并且其中合金具有組成MgxNi具，并且其中X從40至60，y從10至40，z從10至40。
[0016]按照另一方面，提供一種用于流體中的氫的檢測(cè)系統(tǒng)，其包括光纖，其中光纖的端部涂敷有多層，其包括:感測(cè)層以及包含Pd的催化層，該感測(cè)層包括合金膜，合金包括Mg、Ni和M，其中Μ是Zr、Ta和Hf中的至少一個(gè)，并且其中合金具有組成MgxNiyMz，并且其中x從40至60，y從10至40，z從10至40 ;檢測(cè)系統(tǒng)還包括溫度傳感器、光源、光檢測(cè)裝置和控制單元，其中來(lái)自光源的光耦合到光學(xué)傳感器中，由光學(xué)傳感器的多層所反射的光由光檢測(cè)裝置來(lái)檢測(cè)，并且其中控制單元處理光檢測(cè)裝置的輸出信號(hào)，確定氫濃度，并且傳遞相應(yīng)信號(hào)。
[0017]按照另一方面，提供了一種用于發(fā)電、輸電和配電的裝置。它包括油容積以及用于流體中的氫的檢測(cè)系統(tǒng)，其包括其中包含光纖的光學(xué)傳感器，其中光纖的端部涂敷有多層，包括:感測(cè)層以及包含Pd的催化層，該感測(cè)層包括合金膜，合金包括Mg、Ni和M，其中Μ是Zr、Ta和Hf中的至少一個(gè)，并且其中合金具有組成MgxNiyMz，并且其中x從40至60，y從10至40，z從10至40 ;檢測(cè)系統(tǒng)還包括溫度傳感器、光源、光檢測(cè)裝置和控制單元，其中來(lái)自光源的光耦合到光學(xué)傳感器中，由光學(xué)傳感器的多層所反射的光由光檢測(cè)裝置來(lái)檢測(cè)，并且其中控制單元處理光檢測(cè)裝置的輸出信號(hào)，確定氫濃度，并且傳遞相應(yīng)信號(hào)。
[0018]按照又一方面，提供了一種合金的薄膜在氫傳感器中的使用。合金包括Mg、Ni和M，其中Μ是Zr、Ta和Hf中的至少一個(gè)，并且合金具有組成MgxNiyMz，其中x從40至60，y從10 至 40，z 從 10 至 40。
[0019]通過(guò)從屬權(quán)利要求、描述和附圖，能夠與本文所述實(shí)施例相結(jié)合的其他優(yōu)點(diǎn)、特征、方面和細(xì)節(jié)是顯而易見(jiàn)的。
[0020]全部按照本發(fā)明的實(shí)施例的所提供光學(xué)傳感器和采用它的檢測(cè)系統(tǒng)以及用于其在電氣裝置中的操作和使用的所述方法允許使用可靠地工作并且僅需要極少校準(zhǔn)的硬件設(shè)置來(lái)得到電氣設(shè)備的條件和/或其絕緣液體的良好估計(jì)。由于光學(xué)檢測(cè)，能夠避免電氣干擾，并且由于缺乏感測(cè)區(qū)中的電觸點(diǎn)和導(dǎo)體，系統(tǒng)固有地是安全的。此外，系統(tǒng)使用廉價(jià)標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)部件，因此這是簡(jiǎn)單、節(jié)省成本和堅(jiān)固的，并且不具有活動(dòng)部件。它能夠采用在相同或不同位置同時(shí)使用的許多光纖傳感器來(lái)擴(kuò)展，因而能夠設(shè)置在故障發(fā)生的位置，或者以節(jié)省成本方式增加冗余度和/或防止錯(cuò)誤讀數(shù)。傳感器組合件對(duì)油填充變壓器的監(jiān)測(cè)是特別有利的。金屬合金氫化物系統(tǒng)在實(shí)施例中作為感測(cè)層來(lái)提供，其在感興趣溫度和壓力范圍中具有大光學(xué)變化和傾斜壓力傳輸?shù)葴鼐€。此外，所提供的傳感器和檢測(cè)系統(tǒng)相對(duì)于循環(huán)和在時(shí)間上是穩(wěn)定的，特別是在特別感興趣溫度范圍中，該