基于側邊拋磨光纖布拉格光柵的變壓器油中溶解氫氣傳感器

江 軍 馬國明 宋宏圖 李成榕 羅穎婷

（1. 南京航空航天大學自動化學院電氣工程系 南京 211106 2. 新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學） 北京 102206 3. 廣東電網有限責任公司電力科學研究院 廣州 510080）

基于側邊拋磨光纖布拉格光柵的變壓器油中溶解氫氣傳感器

江 軍1馬國明2宋宏圖2李成榕2羅穎婷3

（1. 南京航空航天大學自動化學院電氣工程系 南京 211106 2. 新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學） 北京 102206 3. 廣東電網有限責任公司電力科學研究院 廣州 510080）

針對變壓器油中溶解氣體在線監測裝置，常規取油樣-油氣分離-氣體檢測的模式存在操作繁瑣、檢測環節多、檢測誤差大、試驗周期長等缺點。為此提出基于光纖布喇格光柵的油中溶解氫氣傳感器和檢測方案。為了提高光纖光柵氫氣傳感的靈敏度，通過側邊拋磨增敏設計，采用輪式拋磨法對布喇格柵區的光纖進行拋磨，使用磁控濺射的方法在光纖表面濺射氫敏鈀膜材料，制備側邊拋磨深度為20μm的光纖光柵氫氣傳感器。在實驗室搭建油中氫氣傳感測試平臺，開展多次溶解氫氣傳感靈敏度和重復性試驗，測試靈敏度達到0.477μL/L，具有較高的重復性，可以滿足實際變壓器油中溶解氫氣的傳感需求?；趥冗厭伳サ墓饫w布喇格光柵油中氫氣傳感器實現了變壓器油中溶解氣體的直接測量，為油中溶解氫氣在線監測提供了一種傳感思路和技術手段。

電力變壓器 油中溶解氣體 傳感測試 油氣分離 靈敏度

0 引言

測量絕緣油中的溶解氣體成分和含量是監測充油電力裝備運行狀態的最有效的措施之一[1]。變壓器油中溶解氣體分析（Dissolved Gas Analysis, DGA）技術，可通過檢測氣體的組成及其含量判斷變壓器內部有無異常情況，進一步診斷故障類型、嚴重程度和發展趨勢，對實現變壓器早期故障檢測和不停電檢修都具有非常重要的指導作用。當變壓器出現低能量故障（如局部放電或過熱）時，主要產生氣體為氫氣，這是由于鍵能較弱的C-H鍵（338kJ/mol）在低能量故障時就容易發生斷裂，其中，大部分氫離子會重新化合，得到懸浮態或溶解態氫氣。在電力變壓器發生早期故障時，主要以微弱的局部放電和局部熱點現象為主，這種早期故障可通過監測油中溶解氫氣來實現[2]。

檢測油中溶解氣體的氣相色譜法，從取油樣—油氣分離—色譜分析的全過程來看，存在分析環節多、操作繁瑣、試驗周期長等缺點，試驗誤差也較大[3]。此外，使用凈化空氣、氮氣等作載氣，增加了系統的復雜性和現場維護工作量[4,5]。

基于各種物理化學傳感原理的氣體監測方法包括半導體傳感器、熱導檢測傳感器、氫離子火焰傳感器、鈀柵場效應管傳感器、催化燃燒型傳感器、燃料電池傳感器等。若長期運行，傳感器性能會緩慢發生變化，因此有必要進行定期校準或替換，這增加了在線監測裝置的經濟成本。另外，這類傳感器電磁兼容性能差，運行易受電磁干擾及環境破壞的影響，會造成遠程監測中心數據與站端數據不匹配的現象。

由于光學傳感技術具有本質安全、抗電磁干擾、無需載氣標氣、非接觸測量、免標定、免維護等優勢[6]，基于光聲光譜和紅外光譜吸收原理的監測手段成為在線油色譜技術的熱點[7,8]。但是這種光學方法對光源、檢測氣室等要求非常高，造價昂貴，限制了其推廣應用。并且，該方法均需要氣池，沒有擺脫油氣分離的環節。

反射型、周期性的光纖布喇格光柵（Fiber Bragg Grating, FBG）是一種使用較為廣泛的光纖光柵傳感器[6,9]。光纖布喇格光柵的基本原理是利用波長調制，由于光源輸出功率、探測器失準、光纖彎折損耗和連接器損耗等因素造成的光強變化都不會對測量產生影響。波長調制利用不同的中心波長分布實現波分復用，可在同一根光纖上刻蝕多個光纖布喇格光柵，達到準分布式測量和故障定位效果。常用光纖和光柵非常纖細，便于預埋在變壓器內進行近距離的含量和溫度測量，有助于保證測量準確度[10]?；诠饫w布喇格光柵的氫氣傳感器已經應用于氫氣含量的檢測和預警[11-14]，但是檢測精度不高，遠不能滿足油中溶解氫氣檢測的實際需求[15]。

為了實現高靈敏度的變壓器油中溶解氫氣檢測，本文基于光纖光柵基本原理，設計了光纖布喇格光柵溶解氫傳感方案，建立了側邊拋磨光纖的傳感模型并對比分析了軸向形變和彎曲形變的靈敏度差異。在此基礎上制作了側邊拋磨光纖光柵傳感器并研制了高靈敏度光纖光柵油中溶解氫氣傳感器樣機，通過相關試驗研究，實現了變壓器油中溶解氫氣的直接測量，為變壓器油中溶解氫氣監測提供了一種技術手段。

1 光纖布喇格溶解氫氣傳感方案設計

將油中溶解氫氣測量傳感器和油溫測量傳感器安裝在電力變壓器箱體內部，利用光纖通信把布置在不同位置處的光纖光柵傳感器連接到波長解調設備，波長解調設備一般可放置于地理位置較近的變電站內。其中，波長解調設備中會配置寬帶光源，涵蓋所有安裝的光纖光柵中心波長范圍。用于電力變壓器油中溶解氫氣檢測的常規油色譜法和基于FBG傳感方法的對比示意圖如圖1所示。氫氣傳感器用于檢測氫氣含量，參考光纖光柵用于補償溫度的影響，均固定在變壓器內部某個位置（建議安裝在易發生故障的重點監測區域）。通過光纖將光信號傳送至解調儀，經解調儀解調光信號得到兩傳感器的波長。波長值通過數據連接線傳送并儲存到計算機終端，可采用揚聲器等作為執行機構發出報警信號。

圖1 常規油色譜在線監測方法與基于FBG傳感方法對比示意圖Fig.1 Comparison of conventional DGA technique and FBG-based sensing technique

以變壓器油中溶解氫氣的監測為例，圖2為油中溶解氫氣監測與預警工作流程，由解調儀傳輸到計算機終端的波長值經過處理得到去除環境溫度影響的波長變化量。通過波長變化量與油中溶解氫氣含量的關系可得出此時油中溶解氫氣的含量，并將其與設定值相比較。當氫氣含量高于設定值時，由計算機終端控制執行機構發出報警信號，提醒值班人員及時排除解決故障。

圖2 基于FBG的油中溶解氫氣檢測系統工作流程Fig.2 Detection procedure of FBG-based dissolved hydrogen analysis

光纖布喇格光柵溶解氣體測量和溫度測量系統在變壓器內只有無源的光纖布喇格光柵傳感器，不需要提供電源或取能。波長解調設備中的寬帶光源發出光信號，在各布喇格光柵處發生透射和反射，其中中心波長處的光信號被折返到波長解調裝置中，獲得的波長數據可被轉換成溫度或氣體含量信息，實現變壓器內部參量的遠程監測。針對載氣、油氣分離等環節，常規油色譜監測方法和基于FBG傳感方法的對比見表1。

表1 常規油色譜在線監測方法與基于FBG傳感方法對比Tab.1 Comparison of conventional gas chromatography and FBG-based sensing method in oil

所采用的光纖光柵傳感器體積小巧，因此可直接內置于變壓器油室內部，與變壓器油直接接觸。常規變壓器油中溶解氣體檢測手段要求油氣分離，至少需要幾個小時甚至幾天的時間才能使得氣室內的氣體與油中氣體達到平衡。文中的光纖光柵氫氣傳感器直接放置在變壓器油中，能夠實時監測變壓器油中的溶解氫氣含量，及時有效地發現故障，防止故障進一步發展。

2 FBG傳感器制備與建模

2.1 基本原理

光纖布喇格波長變化與溫度、應變兩個因素有關，關系式為[16]

式中，Pe為光纖布喇格光柵彈光系數；α 為光纖布喇格光柵熱膨脹系數；ζ 為光纖布喇格光柵的熱光系數；TΔ為溫度變化量；εΔ為應變變化量；Bλ為布喇格中心波長；BλΔ為中心波長的偏移量。對于光纖布喇格光柵來說，一旦確定了光纖的材料，上述三個參數Pe、α、ζ 就為確定的常數，從理論層面保證了光纖布喇格光柵的線性輸出。光纖布喇格光柵的中心波長偏移受控于環境溫度和外力引起的應變，這兩個因素相互獨立而且可線性疊加。對于理想的光纖布喇格光柵應變傳感模型，如果溫度保持恒定，代入典型的彈光系數等參數，對應的布喇格波長偏移量BλΔ與軸向的應變ε呈線性關系，即

純金屬鈀物理化學性質穩定，很難在常溫下被氧化，與環境中的氫氣發生可逆的反應，呈現特殊的活性。金屬鈀對氫氣的吸收能力非常強，單位體積的金屬鈀可吸收900倍體積的氫氣。因此，在傳感器制備的過程中，本文選擇金屬鈀作為傳感材料。當環境中的氫含量較低時，鈀與氫氣生成固溶相；若環境中的氫含量較高時，鈀與氫氣生成氫化物。在生成固溶相的過程中，氫氣分子被鈀俘獲分解成氫原子，氫原子進入到鈀原子間形成固溶相[17,18]，導致金屬鈀的原子間距增加，體積增大，相當于對鈀金屬施加了內部的應力。因此，當涂覆有金屬鈀膜的FBG傳感器置于氫環境中，外界氫含量的變化導致柵區所受應力變化，進而導致其中心波長的偏移，通過建立布喇格光柵中心波長偏移量與待測氫氣含量的關系反演得到油中溶解氫氣的含量。

通過安裝相同工藝的FBG傳感器，標定FBG溫度傳感器和油中溶解氫氣傳感器的靈敏度系數，利用溫度系數可以消除溫度對氫氣傳感的影響。此外，為了避免變壓器油中溫度分布不均對測試結果的影響，在傳感器布置的過程中，FBG溫度傳感器與氫氣傳感器位置接近。

為了提高吸氫后應變的靈敏程度，本文提出了一種側邊拋磨FBG傳感模式，如圖3c所示。吸氫后，布喇格光柵發生彎曲應變代替軸向應變。在相同氫氣環境中，會得到更大的應變量，對應產生更多的波長偏移量。

圖3 側邊拋磨FBG的傳感模型Fig.3 Sensing model of side polishing FBG

為了能夠達到彎曲應變的效果，一般采用側邊拋磨光纖的方法。通過側邊拋磨后，對應的光纖厚度減小，相對于未拋磨處理的普通光纖，氫敏傳感膜離纖芯距離更近，有利于將吸氫膨脹的應變傳遞至布喇格柵區。

2.2 傳感器制備

在制備側邊拋磨布喇格光柵過程中，首先利用輪式拋磨法對布喇格柵區的光纖進行拋磨[19]。拋磨完成后，采用磁控濺射方法在光纖表面濺射氫敏鈀膜材料。為了能夠實現彎曲形變，需要保證僅在拋磨面上濺射鈀膜材料。在拋磨工藝完成后，將FBG的拋磨面向上布置，并采用紫外膠固定側邊拋磨面的兩側，便于磁控濺射鍍膜工藝的定向控制。在磁控濺射鍍膜時，采用中間挖去同柵區等長、略寬的紙片遮擋，以保證在磁控濺射鍍膜時不會濺射到柵區外的部位，并且盡量少地濺射到側邊拋磨FBG的側面。側邊拋磨FBG布置示意圖如圖4所示。最終，制備得到的側邊拋磨光纖光柵傳感器如圖5所示。

圖4 側邊拋磨FBG布置示意圖Fig.4 Arrangement of side polishing FBG

圖5 側邊拋磨光纖光柵傳感器結構Fig.5 Structure of side polishing FBG

該傳感器以側邊拋磨FBG為基底，拋磨后的FBG呈現D形。顯微鏡下觀察拋磨后的FBG如圖5右上方所示，兩條明顯黑線之間的光亮部位即是拋磨后的平面。在該平面上采用磁控濺射的方式制備鈦膜作為連接層增加光纖及氫敏薄膜的粘附力，使氫敏薄膜膨脹產生應力更好地耦合到光纖上。鈀銀合金及純鈀膜作為氫敏薄膜，銀元素的加入可以抑制相變，進而改善氫敏薄膜的脆性，并增加傳感器的機械強度，同時延長膜的使用壽命。此外，銀元素的加入，能引起晶格的膨脹，增加滲氫速率，提高傳感器的靈敏度。最外層的純鈀膜可以有效催化氫分子分解為氫原子從而更好地滲透入氫敏薄膜中，并且純鈀膜可以有效防止鈀銀合金薄膜中銀的氧化，提高傳感器的使用壽命。

3 FBG傳感器性能測試

3.1 測試平臺

為了測試FBG傳感器的性能，在實驗室搭建了變壓器油試驗平臺，結構示意圖如圖6所示，油試驗平臺中的進氣采用氮氣和氫氣流量計控制不同配比，得到不同含量氫氣的混合氣體。

圖6 油試驗平臺布置示意圖Fig.6 Diagram of experiment setup in transform er oil

油試驗平臺為在氣相試驗平臺的基礎上，將氣室改造為變壓器油容器，并采用曝氣管向變壓器油中通入一定氫氣含量的氮-氫混合氣體。曝氣管作為氣體的通道將混合氣體以彌散的小氣泡的形式通入到變壓器油中，而變壓器油不會流入氣管中，并且彌散的小氣泡增加了氣泡與變壓器油的接觸面積，有利于氣體更好地溶解于變壓器油中。變壓器油容器置于導熱油中，采用導熱油油浴加熱，導熱油不僅導熱速率快而且有利于均勻加熱。而加熱棒、熱電偶及溫控儀等用于方便、精準地控制油溫，模擬變壓器的不同運行溫度和工況。

3.2 測試結果

設定油溫為60℃，待溫度穩定后，首先向變壓器油中通入氮氣30min。隨后待每次波長變化量穩定后分別向變壓器油中通入氫氣含量為0.2%～0.9%的氮-氫混合氣體。待每次波長變化量穩定后，取油樣分析變壓器油中溶解氣體的油色譜。在不同溶解氫氣含量下側邊拋磨和普通光纖光柵傳感器的波長變化量如圖7所示。

側邊拋磨光纖傳感器的擬合方程為

式中，B1λΔ為波長變化量（pm）；H2c為油中溶解氫氣含量（μL/L）。

從圖7中可以看出，當油中溶解氫氣含量為750μL/L時，該傳感器的波長變化量為330pm。從測試結果來看，以解調設備1pm分辨率為基準，得出當前傳感器的分辨率約為2.1μL/L（擬合復相關系數R2=0.977），較普通光纖布喇格傳感器提高約11倍。

圖7 側邊拋磨和普通光纖光柵傳感器的靈敏度對比Fig.7 Sensitivity comparison of side polishing FBG and standard FBG

為了考核氫氣FBG傳感器受溫度變化的影響，將氫氣FBG傳感器與溫度FBG傳感器的波長偏移量作差并進行簡單平滑濾波處理，差值分布如圖8所示。在恒溫控制箱中對溫度補償FBG傳感器和氫氣FBG傳感器進行溫度標定，設定升溫速度為2/min℃，每個溫度點設置為30min，溫度補償FBG傳感器和氫氣FBG傳感器在不同溫度下的波長偏移量如圖8所示。

圖8 不同溫度下溫度補償FBG傳感器和氫氣FBG傳感器的波長偏移量差值Fig.8 Wavelength shift difference of temperature compensation FBG and hydrogen FBG at different temperatures

在溫度變化的過程中，傳感器的波長偏移量差值較大，這是因為氫氣FBG傳感器表面涂覆有金屬鈀膜，與未經處理的溫度FBG傳感器相比，熱傳導性能較好，對溫度變化的響應速度更快；在不同溫度階梯中，達到恒溫后（如圖8中的虛線方框所示），兩個傳感器的波長偏移量差值控制在±2pm范圍內（圖8中橫向虛線所示）。

考慮到實際運行的變壓器油溫不會發生劇變，因此，所研制的氫氣FBG傳感器能夠有效地應用于實際變壓器油中溶解氫氣的監測。按照文中所提到的0.477μL/L靈敏度換算，溫度測量誤差導致氫氣傳感器的測量偏差不高于4.2μL/L。

通過分析圖7中側邊拋磨光纖光柵傳感器的數據，得到文中側邊拋磨光纖布喇格光柵氫氣傳感器的綜合測量誤差可以基本控制在10%范圍以內。根據IEEE[20]、電力行業[21]和國家電網公司[22]的相關標準，電力變壓器的油中溶解氫氣含量注意值為150μL/L，少組分在線監測裝置的氫氣最低檢測限為5μL/L，測量誤差要求為5μL/L或測量值的±30%（取其大者），因此所研制光纖光柵氫氣傳感器達到了相關的工程監測指標，有望服務于變壓器油中溶解氫氣的在線監測。

4 結論

本文提出一種基于側邊拋磨光纖布喇格光柵的高靈敏度油中溶解氫氣傳感方法，研制了側邊拋磨深度20μm的光纖布喇格氫氣傳感器。在實驗室搭建了油中溶解氫氣傳感測試平臺，驗證了側邊拋磨和彎曲形變的高靈敏度，得到所研制的傳感器靈敏度達到0.477μL/L，實驗結果具有較高的重復性，可以滿足實際變壓器油中溶解氫氣的傳感需求。

基于側邊拋磨的光纖布喇格光柵油中氫氣傳感器實現了變壓器油中溶解氣體的直接測量，徹底避免了油氣分離環節，擺脫了對標氣和載氣的依賴，為變壓器油中溶解氫氣在線監測提供了一種傳感思路和技術手段。

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（編輯 張洪霞）

Dissolved Hydrogen Sensor in Power Transformer Oil Based on Side Polishing Fiber Bragg Grating

Jiang Jun1Ma Guoming2Song Hongtu2Li Chengrong2Luo Yingting3
（1. College of Automation Engineering Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 211106 China 2. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China 3. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co. Ltd Guangzhou 510080 China）

Procedures of oil sampling, oil-gas separation and gas detection are generally adopted to measure dissolved gases in power transformer oil. However, there are several disadvantages in the conventional methods, such as the complicated operation, large measurement error, long test cycle and so on. To solve these problems, fiber Bragg grating (FBG) dissolved hydrogen sensor and the related detection scheme in transformer oil are proposed. In order to improve the sensitivity of FBG hydrogen sensor, side polishing technique is utilized due to its sensitivity to bending deformation. Then, based on the wheel grinding method and magnetron sputtering on fiber surface with palladium membrane, sidepolishing FBG sensors with the polishing depth of 20μm were prepared and fabricated. Furthermore, a hydrogen sensing and testing platform was built in the laboratory. Hydrogen sensing experiments were carried out to examine the sensitivity and repeatability. The results show that the sensitivity reaches up to 0.477μL/L, and high repeatability is also verified. Direct measurement of dissolved gas in transformer oil is achieved based on side polishing FBG hydrogen sensor, providing a novel sensing technique for on-line monitoring of hydrogen dissolved in transformer oil.

Power transformer, dissolved gas analysis, sensing test, oil-gas separation, sensitivity

TM411；TN253

江 軍 男，1988年生，博士研究生，研究方向為電力設備狀態監測與故障診斷。

E-mail： jiangjun0628@163.com（通信作者）

馬國明 男，1984年生，副教授，碩士生導師，研究方向為特高壓設備VFTO實測及仿真、基于光柵傳感原理的輸變電設備狀態監測與診斷研究和中高壓電力電纜絕緣缺陷在線監測與診斷等。

E-mail： ncepumgm@163.com

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.152087

國家自然科學基金（51307052），新能源電力系統國家重點實驗室開放課題（LAPS17012），高等學校學科創新引智計劃（“111”計劃）（B08013），中央高?；究蒲袠I務費專項資金和南方電網科技項目（K-GD2013-0487）資助。

2015-12-28 改稿日期 2016-05-30