一种用于油浸式变压器氢气浓度在线监测的氢气传感器及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于油浸式变压器在线监测技术领域，特别涉及一种用于油浸式变压器氢气浓度在线监测的氢气传感器及其使用方法。
【背景技术】
[0002]变压器故障是造成发电厂、变电站停运和局部电网事故发生的主要原因，减少变压器的故障，意味着提高电网的经济效益，保证国家经济安全和社会稳定。因此，变压器在线监测是电力设备在线监测体系的重要组成部分。
[0003]在线监测油浸式变压器故障气体的溶解浓度是变压器在线监测体系的重要组成部分。变压器油故障气体的监测常规采用实验室周期取样，利用气相色谱仪器检测油中溶解的故障气体，存在操作环节多、费时费力，试验周期长等缺点，对发展较快的故障不能及时进行预警。因此，近年来立项建设的大型电厂变压器在设计安装时大多配套使用在线检测装置，以对变压器油中溶解的气体等进行实时监测。
[0004]当油浸式变压器中产生局部过热、局部放电和电弧放电时，其中的变压器油、绝缘材料可能被分解成气体，主要包括H2、CO、CO2, CH4, C2H2, C2H4和C 2H6七种故障气体。
[0005]油浸式变压器所有故障状态下或多或少都会产生H2，H2含量的明显增加是变压器已存在或将导致各种故障的可靠标志。H2在油中的低溶性和高扩散性使它在低浓度时就被检测到，通过在线H2测量装置精确测量油中溶解的H2，可将早期故障在其最初始阶段即被检测出来，不仅能为变压器的状态检修提供科学依据，而且可以减少或避免非计划停机和灾难性事故的发生，并能够延长变压器的寿命。
[0006]现有技术的解决方案，例如，深圳奥特迅在专利CN 1261195 C中，介绍了一种油气分离膜、其制造方法及用其制成的气体传感器，油气分离膜是传感器的核心部件之一，通过油气分离膜将油中溶解的故障气体分离出来，才可利用燃料电池传感器对故障气体进行测量。该专利中的油气分离膜加工工艺复杂，且油气分离膜固有的老化问题使得其工作寿命也难以满足变压器的应用需求，大大增加了系统的维护成本，且降低了系统运行的可靠性。另一方面，燃料电池传感器对H2、CO、014等的故障气体存在交叉敏感的问题，也就是说燃料电池传感器并无法实现对H2的专一"性，而该专利并没有描述解决方案。
[0007]在专利CN 102033041 B中，介绍了一种基于光纤布拉格光栅传感器变压器故障监测系统。该系统由气体传感器阵列、光纤布拉格光栅解调设备和变压器故障监测中心等部分组成。系统利用五镍化镧吸氢变形，使得光纤布拉格光栅中光的波长发生变化，从而实现氢气浓度的检测。但是，光纤光栅传感器正常工作需要光源、光纤光栅解调等设备条件配套，因此，系统组成复杂、成本高，并且在变压器周围布置相关配套设备显然是增加了该套系统应用的局限性和复杂性。
[0008]在专利CN 104406885 A中，王红斌等介绍了一种电力变压器油中溶解氢气限值传感器及检测系统。该系统采用了基于钯的光纤光栅传感器，利用氢敏金属钯吸收氢气后体积膨胀造成光纤光栅弯曲变形，从而产生波长变化，而波长变化量和氢气浓度之间存在一定的比例关系，由此实现氢气测量的目的。但是，该专利存在几个方面的问题，一方面采用纯钯作为氢敏材料不稳定，特别是在氢气偏压较高时，存在不可逆的氢脆过程，造成钯膜脱落；另一方面，CO等变压器故障气体极易在钯膜表面产生竞争性吸附，占据氢气分子的吸附位置，造成传感器对氢气的灵敏度降低，响应速率变慢。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种用于油浸式变压器氢气浓度在线监测的氢气传感器。
[0010]本发明还提供一种使用氢气传感器监测氢气浓度的方法。
[0011]为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案:
一种用于油浸式变压器氢气浓度在线监测的氢气传感器，所述氢气传感器包括氢气敏感探头及用于信号转换并向外输出电信号的电路模块，所述氢气敏感探头包括一端与所述电路模块电气连接的电缆排线，所述氢气敏感探头还包括与所述电缆排线的另一端电气连接、与变压器油直接接触的氢气敏感芯片，所述氢气敏感芯片包括基底、设置在所述基底上的电气绝缘层及设置在所述电气绝缘层上的氢气敏感元件，所述氢气敏感元件表面设有用于抑制除氢气外的气体分子扩散通过的氢气专一性镀层。
[0012]进一步地，所述氢气敏感元件与氢气接触后产生电阻或电流-电压特性的变化，从而达到检测氢气的作用。所述氢气敏感元件包括分别设置在所述电气绝缘层上的感测第一氢气浓度范围的第一感测元件和感测第二氢气浓度范围的第二感测元件，所述第一氢气浓度范围为1000?20000ppm，所述第二氢气浓度范围为10?lOOOppm。
[0013]优选地，所述第一感测元件和所述第二感测元件的表面分别设有所述氢气专一性锻层。
[0014]优选地，所述第一感测元件为催化金属薄膜电阻，所述第二感测元件为催化金属薄膜MOS管，二者的材质分别为钯-铬合金、钯-镍合金或钯-金合金。制作所述第一感测元件和第二感测元件的材料均选自对氢气具有催化、分解作用的金属材料，优选地，二者的材质分别为钯-铬合金、钯-镍合金或钯-金合金。
[0015]进一步地，所述氢气专一性镀层可允许氢气分子自由扩散，能够抑制或阻挡除氢气外的其他故障气体分子扩散通过，减小或消除其他故障气体对氢气敏感元件的交叉敏感，提高了氢气传感器的测量精度，其中，其他故障气体包括CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等气体。
[0016]优选地，所述氢气专一‘性镀层为S12膜层、Al 20J莫层、Si 3N4膜层中的一种或者二者以上的复合镀层。最优选地，所述氢气专一性镀层为S1J莫层、Al 20J莫层、Si 3N4膜层三者的复合镀层。
[0017]进一步地，所述氢气敏感芯片还包括设置在所述电气绝缘层的用于控制所述氢气敏感元件的工作温度处于恒定温度的温度控制单元。
[0018]所述温度控制单元包括分别设置在所述电气绝缘层上的加热元件和温度传感元件。
[0019]所述加热元件为金属电阻式加热电阻，其材料选自物理化学性质稳定的材料，优选金或铂，最优选为金。所述温度传感元件为金属膜测温电阻，其材料选自具有较高电阻温度系数且极其稳定的材料，优选铂、镍或铜，最优选为铂。
[0020]进一步地，所述电气绝缘层用于所述基底和薄膜器件的电气绝缘，优选地，所述电气绝缘层为S12膜层、Si 3N4膜层中的一种或者二者的复合膜层。由于H2分子极易扩散、吸附于S12材料中，造成氢气传感器响应平衡时间延长，稳定性变差，本发明优选地，所述电气绝缘层为S12膜层、Si 3N4膜层二者的复合层。
[0021 ] 优选地，所述基底的材料优选硅。
[0022]进一步地，所述氢气传感器还包括具有管腔的管壳及与所述管壳固定连接的具有内腔的外壳，所述外壳的内腔与所述管壳的管腔连通，所述电路模块和所述电缆排线的所述一端位于所述外壳的内腔内，所述电缆排线的所述另一端通过固定机构固定设置在所述管壳的管腔内，所述氢气敏感芯片悬置于所述管壳的管腔内。
[0023]优选地，所述固定机构包括具有空腔的第一固定套管、套设在所述第一固定套管外并位于所述第一固定套管和所述管壳之间的第二固定套管及套设在所述第二固定套管外并位于所述第二固定套管和所述管壳之间的密封圈，所述第一固定套管的一端设有封盖，所述电缆排线的所述另一端位于所述第一固定套管的空腔内，所述电缆排线的所