基于FBGs 傳感器的變壓器油氫含量監測研究

張 石，張 博，馮 冶，孫 通，霍 鵬，程 馳，周振平，董占明，何 松

(龍源(北京)風電工程技術有限公司，北京 100081)

電力變壓器是發電和供電網絡中最關鍵和昂貴的部件。變壓器故障將導致供電中斷，影響公用電力供應的可靠性，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監測絕緣油的狀況來減少。在變壓器中，油起著絕緣、冷卻劑和狀態指示的作用，變壓器中的電應力和熱應力會產生故障氣體，后者會溶解在變壓器油中，從而降低絕緣強度。油中溶解氣體的量可以使用溶解氣體分析(Dissolved Gas Analysis，DGA)技術來測量[2－3]，通常，DGA 測試是在實驗室中使用氣相色譜分析進行的，對從變壓器中抽出的油進行DGA 分析，根據變壓器油中溶解氣體的濃度診斷和檢測變壓器中的早期故障[4－6]。

隨著技術的進步，在線氣體監測器提供氣體的連續測量，用于確定一種或多種氣體的產氣趨勢。產氣趨勢成為診斷變壓器內部早期故障的關鍵信息，確定變壓器健康狀況的主要氣體有氫氣(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]。

在電力系統中，光纖傳感器是純絕緣體，不易受電力系統中噪聲和其他頻率成分的影響。光纖傳感器具有多路復用、耐高溫和重量輕的優點[8－9]。它可以與現有的光纖網絡架構集成，從而實現遙感。此外，光纖傳感器已用于真空斷路器的電弧保護、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]。

變壓器發生局部放電檢測的關鍵氣體是氫氣。此前，用鈀薄膜電阻率的變化來檢測氫氣的存在[13－15]。鈀在暴露于氫氣時會自然膨脹。與氫反應的鈀金屬將產生具有更大晶格尺寸和更低電導率的氫化鈀。鈀和氫化鈀之間的晶格尺寸差是納米級的，因此可以用光學方法測量。當鈀涂覆在FBG 上并且暴露在氫氣中時，會膨脹并對FBG 造成應變。FBG應變會引起布拉格波長偏移，波長偏移可以用光譜分析儀測量。在室溫下測量空氣中0.3%～1.8%的氫濃度，涂有鈀的FBG 傳感器的響應是線性的[16－17]。

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

本文研制了用于檢測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兩個涂有鈀鉻比為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的傳感器響應，涂層的單個應變是通過考慮溫度補償系數來計算的，計算出的應變作為確定鈀－鉻合金正確比率的基準，以擴大礦物油中溶解氫的檢測范圍。

1 鈀合金膨脹推導

當涂覆的FBG 浸在溶解有氫的變壓器油中時，會引起應變。由于溫度效應導致光柵膨脹，FBG 充當溫度傳感器，結果表明，1 ℃引起的波長漂移相當于10 με，因此，雖然FBG 被用作應變傳感器，但溫度補償系數必須包括在計算中。對于應變傳感特性，假設:

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

將式(1)左右兩邊微分:

式(2)除以式(1):

ε定義為應變，應變引起的效應變化如下:

式中:p11和p12是光學傳感器的波克爾應變系數，ν是泊松比。定義P為:

經簡化:

Kε為應變靈敏度。波長為1 550 nm 的二氧化硅FBG，P值為0.22，應變靈敏度系數為1.2 pm/με。

當溫度、周期、折射率變化時，都會引起波長的偏移。公式(2)導入溫度:

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，波長為1 550 nm 時，α＋ζ＝6.67×10－6℃，KT＝10 pm/℃，當FBG 傳感器僅作為溫度傳感器工作時，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，溫度系數體現在應變計算中，應變計算如下:

計算的應變值用于確定和分類每個光纖傳感器的性能。

2 涂層測試

本文采用物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition，PVD)來涂鈀金屬于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，先使用仿真光纖來測試二氧化鈦對變壓器油的粘合強度的完整性。仿真光纖安裝在PVD 內部的旋轉器上，旋轉器以120 轉/min 的速度旋轉。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。每兩天檢查一次浸在礦物油中的涂層。涂層在30 d 內沒有出現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證過后，FBG 上的二氧化鈦涂層就完成了，然后是鈀涂層。PVD 的DC 和射頻兩個濺射靶同時工作，鈀靶安裝在DC 濺射源上，鉻靶安裝在射頻濺射源上。在Pd100涂覆過程中關閉了射頻濺射。涂層溫度設定為室溫25 ℃，壓力設定為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 的兩個樣品。并將兩個不同鈀比例的傳感器對溶解氫含量的響應進行了基準測試。

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。氫氣的流量通過使用精確的氣體調節器來控制，并設定為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，然后再次重復該循環制備4 個樣品。在每個循環中，取兩個體積各為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，第二個樣本是在實驗室為DGA 測試采集的。DGA 測試是測量油中溶解氫的量。第一批樣品標記為“0 min”、“10 min”、“20 min”、“30 min”和“40 min”。如圖3所示，將油樣準備好后，FBG 傳感器連接到ASE(放大自發輻射)源、FBG 分析儀和計算機。為了獲得FBG 傳感器放在變壓器油中時的中心波長。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 中心波長穩定。記錄穩定下來的中心波長，并且放置了一個裸露的FBG 進行溫度校正。對其他油樣進行重復試驗。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 中心波長移動并穩定。

圖3 測試FBG 傳感器實驗裝置

3 結果與分析

使用PVD 機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 機的功率設置不同，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。結果顯示兩個傳感器的涂層都是光滑的，沒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 分別示出了兩個傳感器的波長值、波長偏移和應變。Pd100傳感器在1.98×10－4(10 min 樣品)溶解氫時的波長偏移為11 pm，應變計算為6.50×10－6。在3.93×10－4(20 min 樣品)，波長偏移為6 pm，應變計算為4.20×10－6。在5.26×10－4(30 min 樣品)，波長偏移為2 pm，應變計算為1.00×10－6。在6.14×10－4(40 min 樣品)，波長偏移為1 pm，應變計算為0.9×10－6。Pd58Cr42傳感器在溶解氫為1.98×10－4(10 min 樣品)時的波長偏移為8 pm，應變計算為5.1×10－6。在3.93×10－4(20 min樣品)，波長偏移為5.0×10－6。在5.26×10－4(30 min樣品)，波長偏移為2 pm，應變為1.6×10－6。在6.14×10－4(40 min 樣品)，波長偏移為1.00×10－6pm，應變為0.9×10－6。

圖5 Pd100和Pd58Cr42傳感器在溶解氫下的波長值

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

Pd100傳感器在較低的氫濃度下具有較高的感應應變。隨著氫含量的增加，感應應變減少。另一方面，在較低的氫氣濃度下，Pd58Cr42的感應應變較少。氫濃度越高，兩個傳感器的感應應變越低，這是因為傳感器已經飽和，無法吸收更多的氫來產生氫化鈀，氫化鈀由于膨脹而對FBG 產生應變。

圖6 和圖7 的結果顯示波長偏移和感應應變是相互關聯的。這是因為波長偏移是由于膨脹的氫化鈀對FBG 施加的應變而產生的。此外，由于Pd58Cr42可以保持高達5.26×10－4溶解氫的線性，故可以推斷出Pd58Cr42具有檢測變壓器油中更寬范圍的溶解氫的能力。Pd100傳感器可用于檢測較低水平的H2，因為它具有更快吸收H2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工作，可見，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偏移

圖7 Pd100和Pd58Cr42傳感器在溶解氫下的計算感應應變

4 結論

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

①當浸入變壓器油中時，傳感器上的涂層顯示出優異的附著力。此外，表面檢查沒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范圍，可以使用波長偏移和應變來推斷傳感器的工作范圍。