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

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秦仁炎（深圳市奥特迅传感技术有限公司，５１８０５７，广东）

在线监测足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同有的维护量要求。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３０年的历史，但由于传感技术的瓶颈，效果一直不理想。２００３年，深圳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。１一般燃料电池传感器的特点及存在的问题１。１特点（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）对气体灵敏度高，响应速度快，动态测定范围大，重复性好。１．２存在的问题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：ｌ口（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８０％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）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（Ｈ：）的注意值为１５０斗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（ｃｏ）的相对灵敏度较高，因此即使Ｈ：含量很低，在变压器油中存在高浓度ｃｏ的情况下，监测仪的读数仍有口Ｊ．能超过报警值。

２新型燃料电池气体传感器的结构及特点图ｌ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）、传感器盖及传感器信号输出接头等组成。这里的一体化结构是指油气分离（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。

接变压

图１一体化燃料电池气体传感器结构不薏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

雪世簪（２００８一Ｉ）万方数据自动渗透；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。３新型燃料电池气体传感技术在在线监测装置中的应用３．１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町靠性。图２是复合式油气分离膜示意图。高分子膜本体分离如阿ＦＥ与多孔金属

烧结片在多孔粘接剂的作用下经３００～４００℃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２～３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。

油中溶解气体

体分离膜的粘结层烧结片

图２复合式油气分焉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ＫＧ２１００Ａ型传感图３ＫＧ２１００Ａ型传感器自我测试响应曲线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ｌ为选择性燃料电池传感器与复合气体传感器的性能比较。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。３．２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）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）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复合气体传感器选择性传感器项目［Ｈｙｄｒａｎ２０１（ＧＥ）ＫＧ２１００Ａ型］氢气传感器（ＫＧ２１００Ｂ型）乙炔传感器（ＫＧ２０００Ａ型）三组分气体传感器（ＫＧ３１００Ａ型）

每个传感器的集成通道单通道单通道单通道三通道，分别检出Ｈ２，Ｃ２Ｈ２和ＣＯ相对灵敏度６（Ｈ２）１００％ｌｏｏ％≤ｌ％

相对灵敏度６（ＣＯ）１０％～２０％≤ｌ％≤Ｏ．５％１００％带自动补偿相对灵敏度６（Ｃ２Ｈ２）１０％～２０％≤Ｏ．５％１００％

相对灵敏度１８（（：２Ｈ４）２％一８％≤Ｏ．５％≤１％

监测仪读数（ｆＨ２］、ｆＣＯ］、：Ｈ２］＋［ＣＯ］｝８（ｃ０）＋Ｈ２传感器：［Ｈ２］［（：２Ｈ２］和ｆＣ２Ｈ４］表示［Ｃ２Ｈ２］￥艿（ｃ２１１２）＋［Ｈ２］［Ｃ２Ｈ２］Ｃ２１１２传感器：［Ｃ２Ｈ２］油中气体的实际浓度）［Ｃ２ｔｔ４］｝６（（２２１１ｄ）

ＣＯ传感器：［ＣＯ］

雩世幂（２００８—１）万方数据之内不需要再进行校准。如图４是ＫＧ２１００Ａ燃料电池型油中气体传感器在使用３年多时间内的零漂变化。有些在线气相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。了÷一ｉ、隧盼器镪职图４ＫＧ２１００Ａ型传舷器零漂随时间的变化在线气相色谱仪的工作模式为间歇式（与此相对应的是燃料电池技术工作模式为连续式），其维护周期还与检测分析周期的长短有关。以增加检测间隔或牺牲监测精度来延长维护的间隔，例如每天甚至更长时间测一次，从某种意义上讲已经达不到在线监测的要求。表２气相色谱技术和燃料电池技术产品正常维护工作量的估算气相色谱技术燃料电池技术正常维护内容周期单台・５０台・单台・５０台・次次次次

６个月换载气、标气２次／年１００次

一次

空调（恒温）３个月过滤网清洗一次４次／年２００次

色谱柱老化再生１年一次１次／年５０次更换检测器，油泵、０．２次

１０次气泵，电磁阀、流量５年一次／拒

开关等

正常维护３６０次０次／年工作垡合汁／正

４燃料电池技术与气相色谱技术产品的比较５结语

目前，市场上常见的油中气体在线监测装置主要有两种，它们分别采用气相色谱技术和燃料电池气体传感技术，两者各有特点。前者可以监测６—７种组分（即全组分），便于在线利用经验模型（如比值法）等进行故障类型分析。但由于其原理及构件复杂，要长期用于在线监测具有一定的局限性，虽然

近年来，有些部件的可靠性有了明显提高，但整体技术的局限性依然存在。例如在油气分离、气气分离，气体检测及环境控制四个步骤上，在线气相色谱仪常采用机械方法脱气、色谱柱分离组分及相应的定量系统和控温单元。因其构件、单元复杂，这对其零部件的可靠性要求是一个很大的挑战。因为系统的可靠性几乎是各个单元的可靠性的乘积。另外，在线气相色谱仪的构件中有易损件和消耗件，要更换载气、标气，色谱分离柱老化再生，空调过滤网清洗，更换检测器、油泵、气泵、电磁阀、流量开关等，要有相应的基本维护量。表２是在规划安装５０台气相色谱类在线监测装置或５０台燃料电池类产品时的维护工作量对照。从表２可以看出，在线气相色谱仪维护要求高，它适合于需要重点呵护的变压器；而燃料电池在线监测装置基本上不需要维护，成本（购买及使用成本）低，因此适合于作为更多变压器的“看门狗”或“哨兵”。

燃料电池气体传感技术的发展为变压器在线监测装置实现长期高可靠性（鲁棒性）、免（少）维护性和可普及性成为可能。

参考文献［１］ＧｕｉｄｅｆｏｒｔｈｅＩｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎｏｆＧａｓｅｓＧｅｎｅｒａｔｅｄｉｎｏｉｌ—Ｉｍ＿ｍｅｒｓｅｄＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ［Ｓ］．ＩＥＥＥＳｔｄＣ５７．１０４：１９９１．［２］秦仁炎．一种油气分离膜．其制造方法以及用其制成的气体传感器：中国，ＺＬ２００３１０１１１９５３．７［Ｐ］．２００５—０４—２７．［３］秦仁炎．气体传感器．气体检测器及其自我检测和自我校正方法：中国，ｚＬ２００５１００３４７２０．０［Ｐ］．２００６一ｌｌ—１２．（编辑叶帆）

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