江军1，宋宏图2，马国明1，周宏扬1，李成榕1，罗颖婷3，吴昊3，王红斌3（1.北京华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206
2.华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室，北京 102206
3.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080)
摘要：由于微弱的局部放电或低温热点等早期故障，在油浸式变压器中会产生悬浮状态或溶解状态的氢气。
当前普遍采用取油样-油气分离-气体检测的模式和手段，存在检测环节多、操作繁琐、试验周期长等弊病，试验误差也较大。本文基于光纤布喇格光栅提出了应用于变压器油中溶解氢气检测的光纤光栅氢气传感器和检测方案，具有体积小、可内置、无需油气分离、检测环节少等显著优点。为了提高光纤光栅氢气传感的灵敏度，通过侧边抛磨增敏设计，采用轮式抛磨法对布喇格栅区的光纤进行抛磨，采用磁控溅射的方法在光纤表面溅射氢敏钯膜材料，制备了侧边抛磨深度为20 μm的光纤光栅氢气传感器。进一步地，在实验室搭建了油中氢气传感测试平台，开展了多次溶解氢气传感灵敏度和重复性试验，灵敏度
达到了0.476 pm/(μL/L)，具有较高的重复性，可以满足实际变压器油中溶解氢气的传感需求。基于侧边抛磨的光纤布喇格光栅油中氢气传感器实现了变压器油中溶解气体的直接测量，为油中溶解氢气在线监测提供了一种新的传感思路和技术手段。
关键词：变压器；油中溶解气体；传感测试；油气分离；灵敏度
Highly Sensitive Hydrogen Sensor for Dissolved Gas in Power Transformer Oil
by Side Polishing Fiber Bragg Grating
Jun JIANG1,Hongtu SONG2，Guoming MA1，Hongyang ZHOU2, Chengrong LI1，Yingting LUO3，Hao
程控步进衰减器系统WU3，Hongbin WANG3
(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power Uni-
versity, Beijing, P.R.China, 102206
2. Beijing Key Laboratory of High V oltage and EMC, North China Electric Power University, Beijing, P.R.China, 102206管状电机
3. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, P. R. China, 510080)
Abstract: Due to weak partial discharge or hot-spot temperature in the incipient failure of oil-immersed transformers, will produce dissolved hydrogen in oil. At present, procedures of oil sampling, oil-gas separation, gas detection are generally adopted to complete the measurement. However, there are many problems in the conventional methods, such as the complicated operation, long test cycle, large testing error and so on. To solve these problems, fiber Bragg grating (FBG) dissolved hydrogen sensor is proposed for transformer oil in this manuscript owing to the obvious advantages of small volume, built-in, no separation of oil and gas, no consumption of hydrogen. In order to improve the sensitivity of fiber Bragg grating hydrogen sensor, side polishing is adopted to enhance sensitivity. Then, based on the wheel grind-ing method and magnetron sputtering on fiber surface with Pd membrane, side polished FBG sensors with the polishing depth of 20 μm are prepared and fabricated. Furthermore, in the laboratory, a hydrogen sensing and testing platform was built. The sensitivity and repeatability of the hydrogen sensing tests were carried out. At last, the
sensitiv-ity of the test is 0.476 pm/ (μL /L), and high repeatability is also proven. Direct measurement of dissolved gas in
--
transformer oil is achieved based on side polished FBG hydrogen sensor, providing a novel sensing techniques for on-line monitoring of hydrogen dissolved in transformer oil.
Key words：power transformer; dissolved gas analysis; sensing test; oil-gas separation; sensitivity
爆破玻璃0 引言
分析油中溶解气体的组分和含量是监视充油
电气设备安全运行的最有效的措施之一[1]。变压
器油中溶解气体分析(DGA)技术，可通过检测气
体的组成和各种气体的含量判断变压器内部有无
异常情况，诊断故障类型、严重程度和发展趋势，
对实现变压器早期故障诊断和不停电检修等安全
生产要求都具有极为重要的指导意义。当变压器
出现低能量故障（局部放电）时，氢气为主要产生气体，这主要是因为低能量故障易使得最弱的C-H键（338kj/mol）断裂，大部分氢离子重新化合成氢气。产生的氢气主要是以悬浮状态或是溶解状态存在于变压器油中，一般变压器早期故障都是先出现微弱的局部放电或是低温热点现象，因此可以通过监测变压器油中氢气情况来反应早期故障情况[2]。
检测油中溶解气体的气相谱法，从取油样-油气分离-谱分析的全过程来看，存在着分析环节多、操作繁琐、试验周期长等弊病，试验误差也较大[3]。此外，使用净化空气、氮气等做载气，增加了系统的复杂性和现场维护工作量[4, 5]。
基于各种物理化学传感原理的气体监测方法包括热导检测传感器、半导体传感器、氢离子火焰传感器、钯栅场效应管传感器、燃料电池传感器、催化燃烧型传感器等，在长期使用中，其性能会逐渐发生变化，以至需要定期校准或更换，这增加了在线监测装置的运行成本。另外，这类传感器电磁兼容性能差，运行易受电磁干扰和环境破坏，会造成远程监测中心数据与站端数据不匹配的现象。
由于光学传感技术具有本质安全，抗电磁干扰，无需载气标气，非接触测量，免标定，免维护等优势[
6]，基于光声光谱和红外光谱吸收原理的监测手段成为在线油谱技术的热点[7, 8]。但是这种光学方法对光源、检测气室等要求非常高，造价昂贵，限制了其推广应用。并且，该方法均需要气池，没能摆脱油气分离的环节。
反射型、周期性的光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)是一种使用较为广泛的光纤光栅传感器[6, 9]。光纤布喇格光栅传感信号是波长调制，测量不受光纤弯曲所造成的损耗、光源信号强弱、探测器老化和连接损耗等因素的影响；具有波分复用能力，在一根光纤上串联多个光纤布喇格光栅进行测量，可实现准分布式测量和故障定位；光栅的直径非常小，可以方便埋于变压器内部进行浓度和温度的测量，提高测量精度[10]。基于光纤布喇格光栅的氢气传感器已经应用于氢气气体浓度的检测和预警[11-14]，但是检测精度不高，远不能满足油中溶解氢气检测的实际需求[15]。
为了实现高灵敏度的变压器油中溶解氢气检测，本文基于光纤光栅基本原理，设计了光纤布喇格光栅溶解氢传感方案，建立了侧边抛磨光纤的传感模型并对比分析了轴向形变和弯曲形变的灵敏度差异，制作了侧边抛磨光纤光栅传感器，研制了高灵敏度光纤光栅油中溶解氢气传感器样机，进行了相关试验研究，实现了变压器油中溶解氢气的直接测量，为变压器油中溶解氢气监测提供了一种新的技术手段。
1 光纤布喇格溶解氢传感方案设计
将油中溶解氢气测量传感器、油温测量传感器安装在电力变压器箱体内部，通过光纤通讯的方式将安装于不同位置上的测量传感器连接到位
于变电站的光纤光栅波长解调设备上，光纤布喇
3
格光栅传感器光信号由波长解调系统提供。用于电力变压器油中溶解氢气检测装置的布置图如图1所示。氢气传感器用于检测氢气浓度，参考光纤光栅用于排除温度的影响，一同固定在变压器内部某个位置（建议安装在易发故障的重点监测区域）。通过光纤将光信号传送至解调仪，经解调仪解调光信号得到两传感器的波长。波长值通过数据连接线传送并储存到电脑终端，可采用扬声器等作为执行机构发出报警信号。
以变压器油中溶解氢气的监测为例，图2所示为油中溶解氢气监测与预警工作流程图，由解调仪传输到电脑终端的波长值经过处理得到去除环境温度影响的波长变化量。然后由波长变化量与油中溶解氢气浓度的关系可得出此时油中溶解氢气的浓度并将其与设定值相比较，当氢浓度高于设定值时由电脑终端控制执行机构发出报警信号，提醒值班人员及时排除解决故障。
图1常规油谱在线监测方法与基于FBG传感方法对
比示意图
图2基于FBG的油中溶解氢气检测系统工作流程光纤布喇格光栅溶解气体测量和温度测量系统在变压器内只有无源的光纤布喇格光栅传感器，不需要取能，宽带光信号由位于变电站内的光波长解调仪发出，遇到传感光纤布喇格光栅发生透射和反射，与光纤布喇格光栅中心波长匹配
的光信号反射回光波长解调仪，并转换成溶解气
体浓度和温度数据，实现了变压器内部部分状态
的远程无源测量，降低了系统成本，提高了监测
可靠性。针对载气、油气分离等环节，常规油
谱监测方法和基于FBG传感方法的对比如表1
所示。
所采用的光纤光栅传感器体积小强，十分方
南少林降糖茶
便内置于变压器中。因此可直接内置于变压器腔
体内部，与变压器油直接接触。常规变压器油中
溶解气体检测手段要求油气分离，至少需要几个
小时甚至几天的时间才能使得气室内的气体与油
中气体达到平衡。而本项目中的光纤光栅氢气传
感器直接放置在变压器油中，能够实时监测变压
器油中的溶解氢气含量，能及时有效的发现故障
防止故障进一步发展。
2 FBG传感器制备与建模
2.1基本原理
光纤布喇格波长变化情况主要与温度、应变
的变化有关，关系如式(1)所示[16]：
(1)[(1)]
B
P P T
e e
B
λ
εαζ
λ
∆
−∆+−+∆(1)
式中：Pe为FBG的弹光系数；α为FBG的热膨
胀系数；ζ为FBG的热光系数。对于同一FBG来说，这三个参数均为常量。也就是说，温度和应变都
能对FBG的中心波长造成影响，两者相互独立而
且可以线性叠加。在不考虑温度影响的情况下，
应力与波长变化量的关系可简化为[17]：
61
1
0.7810
B
B
λ
µε
λε
−−
∆
杨梅采摘机=×(2) 表1常规油谱在线监测方法与基于FBG传感方法对比 Table 1 Comparison of conventional gas chromatogra-phy and FBG-based sensing method in oil
对比项目FBG检测方法常规油谱方法
在线监测可持续监测可周期性监测
油气分离不需要需要
kawd-445载气不需要需要消耗待测气体几乎不消耗消耗
分布式测量可以不可以
抗电磁干扰优良一般
在传感器制备的过程中，选择金属钯作为传感材料。金属钯(Pd)在常温下性质稳定，不易被氧化，当遇到氢气时呈现活性。1体积钯可以吸收900体积氢气，生成固溶相（α相）和氢化物（β相）。低浓度
的氢气在钯中主要是以固溶相（α相）存在，即氢气被钯俘获变成氢原子，氢原子占据了金属钯颗粒间的缝隙而形成固溶相[18]，使得金属钯的体积增大，产生一个力的作用。因此，当涂覆有金属钯膜的FBG传感器置于氢环境中，外界氢浓度的变化导致栅区所受应力变化，进而导致其中心波长的偏移，通过建立布喇格光栅中心波长偏移量与待测氢气浓度的关系来反演得到氢气浓度值。
2.2传感器制备
在制备侧边抛磨布喇格光栅过程中，首先利用轮式抛磨法对布喇格栅区的光纤进行抛磨[19]。抛磨完成后，采用磁控溅射的方法在光纤表面溅射氢敏钯膜材料。为了能够实现弯曲形变，需要保证仅在抛磨面上的溅射钯膜材料。在抛磨工艺完成后将FBG的抛磨面向上采用紫外胶固定侧边抛磨后的FBG，以保证FBG的抛磨面向上并且方便磁控溅射镀膜工艺的布置。在磁控溅射镀膜时，采用中间挖去同栅区长度等长，宽比栅区的宽度略宽的纸片遮挡，以保证在磁控溅射镀膜时不会溅射到栅区外的部位，并且尽量少溅射到侧边抛磨FBG的侧面。布置示意图如图3所示。
图3侧边抛磨FBG布置示意图
最终，制备得到的侧边抛磨光纤光栅传感器的传感部位如图4所示。
图4传感器的结构示意图
该传感器以侧边抛磨FBG为基底，抛磨后的FBG呈现D形。显微镜下观察抛磨后的FBG如图4右上方所示，两条明显黑线之间的光亮部位即是抛磨后的平面。在该平面上采用磁控溅射的方式制备钛膜作为连接层增加光纤及氢敏薄膜的粘附力，从而使氢敏薄膜膨胀产生的应力更好的耦合到光纤上。钯银合金及纯钯膜作为氢敏薄膜，银元素的加入可以抑制相变，改善氢敏薄膜的脆性，增加传感器的机械强度，延长膜的使用寿命。同时，银元素的加入，能引起晶格的膨胀，提高渗氢速率，从而提高传感器的灵敏度。最外层的纯钯膜可以有效催化氢分子分解为氢原子从而更好的渗透入氢敏薄膜中，并且纯
钯膜可以有效防止钯银合金薄膜中银的氧化，提高了传感器的使用寿命。
3 FBG传感器传感测试
3.1测试平台
油试验平台结构图如图5所示，油试验平台中的进气装置以及检测装置均与气相试验平台中的装置一致。
图5油试验平台布置图
油试验平台为在气相试验平台的基础上，将气室改造为变压器油容器，并采用曝气管向变压器油中通入一定氢气浓度的氮氢混合气体。曝气管作为气体的通道将混合气体以弥散的小气泡的形式通入到变
压器油中，而变压器油不会流入气管中，并且弥散的小气泡增加了气泡与变压器油的接触面积，有利于气体更好的溶解于变压器油中。变压器油容器置于导热油中，采用导热油油浴加热，采用导热油不仅导热速率快而且有利于均匀加热。加热棒、热电偶及温控仪的采用可以方便、精准的控制油温，模拟变压器的不同运行温度。
3.2测试结果
设定油温为60℃，待温度稳定后，首先向变压器油中通入氮气30min。随后待每次波长变化量稳定后分别向变压器油中通入氢气浓度为0.2%～0.9%的氮氢混合气体。待每次波长变化量稳定后取油样进行变压器油中溶解气体的油谱
5
分析。在不同溶解氢气浓度下传感器的波长变化量如图6所示。
其中，侧边抛磨光纤传感器的拟合方程为
0.47629.2
y x−(3) 其中y为波长变化量，单位为pm；x为油中溶解氢气浓度，单位为(μL/L)。
从图中可以看出当油中溶解氢气浓度为750 μL/L时，该传感器的波长变化量为330 pm，从测试的结果来看，以解调设备1 pm分辨率为基准，得出当前传感器的最高灵敏度约为2.1 μL/L （拟合复相关系数R-square为0.9643），满足变压器油中5 μL/L灵敏度的要求，实现了变压器油中溶解氢气高灵敏检测的要求。
图6侧边抛磨和普通光纤的灵敏度对比
4 结论
本文提出了基于侧边抛磨光纤布喇格光栅的高灵敏度油中溶解氢气传感方法，研制了侧边抛磨深度20 μm的光纤布喇格氢气传感器，在实验室搭建了油中溶解氢气传感测试平台，相比于常规的轴向应变传感方案，通过试验测试验证了侧边抛磨和弯曲形变的高灵敏度，得到所研制的传感器灵敏度达到了0.476 pm/(μL/L)，同时具有较高的重复性，可以满足实际变压器油中溶解氢气的传感需求。
基于侧边抛磨的光纤布喇格光栅油中氢气传感器实现了变压器油中溶解气体的直接测量，为变压器油中溶解氢气在线监测提供了一种新的传感思路和技术手段。
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