氢传感器、氢检测系统以及具有氢检测系统的电气装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本公开的各方面涉及氢传感器、采用氢传感器的氢检测系统以及涉及包括这种检测系统的电气装置。具体来说，这些方面涉及氢传感器和具有用于液体填充电气设备的这种传感器的氢检测系统，以及更具体来说涉及具有这种氢检测系统和氢传感器的油填充电气变压器。
【背景技术】
[0002]绝缘液体填充电气设备、例如油填充分路电抗器、套管以及特别是变压器(例如电力和配电变压器)填充有绝缘液体(具体是油)用于冷却和电气绝缘目的。电气设备内部的故障以及绝缘液体和其他绝缘组成部分(例如在电气设备中提供的绝缘纸)的降级可能形成分解气体，其主要溶解到液体中。这对于采用矿物油和来自天然源的油的设备是有效的。
[0003]重要的是及早检测这类故障、差错和降级，因为特别是变压器是电力网的重要组成部分，并且其故障会是费用极高的。因此，假设变压器尽可能无差错并且连续地操作许多年或者甚至数十年。
[0004]分解气体的量和组成取决于基本缺陷:具有高能含量的大故障、例如快速过热或电弧使大量气体在短时间段产生，而小故障所产生的气体量可能相对地小。另外，所溶解的不同气体的相对浓度可能指示特定类型的故障。因此，如果溶解在绝缘液体中的单独气体的性质和量为已知，则油中的特定气体的浓度的变化的出现能够用来识别设备中的电气故障。已知油绝缘变压器中的电气故障的最重要指标其中之一是溶解在油中的氢气的出现，其例如在变压器绕组的绝缘的有故障部分由于油的热或电分解而产生。为此，期望可能最终引起变压器的完全故障的这类差错能够通过识别氢浓度的上升来尽可能及早检测。这应当理想地在严重和潜在高费用故障发生之前仍然可采取适当对策的阶段是可能的。
[0005]在这种电气故障的很早的阶段，可能仅产生溶解在油中的很少量的氢气，并且因此所溶解氢的浓度在较长时间段在油中积累一由此油中的氢浓度至少在故障的早期阶段可能甚至低于阈值，在阈值处采用大多数已知检测方法能够对它检测。
[0006]电力网中的大多数现代电气变压器仍然没有配备有用于这类气体的联机或实时监测装置。为了控制和评估这些变压器的健康，来自绝缘油槽的油样本周期地被获取并且发送到有资格的实验室，其中测量溶解气体和其他油性质。这种监测方法是费时的，缺乏连续性，具有人为差错的风险，并且是价格高的。即使更频繁地执行这种高费用方法，过程中也存在若干可能的差错源，例如在拉出探头的时间点与实验室中实际确定气体含量的时刻之间的运输期间的探头的化学和物理性质的变化。这种方法也没有提供关于故障在变压器中发生的位置的任何信息。因此，这种方法在这里将不会进一步被关注，即使它仍然广泛使用。
[0007]另一方面，在联机方法中，直接和(准)连续地监测绝缘液体中的气体浓度。为此，监测系统存在(有时内置)用于测量变压器油中的氢。这些系统基于不同的感测技术。它们包括例如半导体传感器、热导率分析器、载体催化元素(pellistor)和燃料电池传感器，诸如此类。这些感测技术通常要求复杂的气体分离系统，其对传感器设计和校准增加复杂度和成本。因此，这些装置一般是麻烦和昂贵的。另外，这些监测技术的一些遭受对油中存在的其他气体的横向灵敏度，这也使结果不太可靠。
[0008]因此，甚至高级变压器、即配备有专用联机气体监测系统的那些变压器常常仍然附加地和周期地采用昂贵实验室测试来检验以再确保联机气体监测系统的精度。因此，采用传感器的定量、可靠、廉价和连续氢检测系统对于监测绝缘油中的氢浓度以便能够在尽可能早的阶段检测故障是理想的。这暗示变压器的健康状态能够联机或者甚至从远程位置来监测。
[0009]已存在包括基于薄膜的光纤传感器的这类联机氢监测装置的建议，其中感测材料在暴露于溶解在油中的氢时改变其光学性质。用于检测氢气的一种这样的系统在W02007049965 A1中描述为光学开关装置。
[0010]在T.Mak、R.J.Westerwaal、Μ.Slaman、H.Schreuders、A.ff.van Vugt、M.Victoria、。.Boelsma、B.Dam 的 “Optical fiber sensor for the continuousmonitoring of hydrogen in oil” (Sensors and Actuators B 190 (2014) 982 - 989)中提供另一种建议。由此，所建议的光学传感器包括感光软片(sensitive film)，其包括例如Mg和Ti的合金，覆盖有含Pd的层。
[0011]但是，这类已知配置留下较大改进空间。首先，这些传感器的一些的灵敏度具有(其甚至可预计)在感兴趣温度状况中的开关类型特性。也就是说，当达到油中的被监控氢浓度的阈值时，这些光学传感器基本上改变其光学性质，即其反射比。这意味着，具有这种传感器的氢检测系统能够并且将仅指示是否已经达到氢的某个阈值浓度。因此，它通常不能够检测或指示在较长时间段例如数小时、数天或者甚至数月发生氢浓度的缓慢上升，但是其可能被看作是缓慢发展故障的指示。因此，它没有指示变压器油中的实际氢浓度，而仅指示已经达到或超过气体浓度的阈值。
[0012]其他光学传感器随油中增长的氢浓度而呈现其光学性质的连续变化，但是，它们在对在变压器的大范围的可能操作条件实现监测氢浓度将会合乎需要的某些温度和氢浓度状况中缺乏灵敏度。例如，如由Mak等人(2014)所使用的氢传感器能够连续测量从5 ppm至1500 ppm的氢浓度，但是仅在高于传感器的80°C的操作温度。但是，这高于大多数变压器类型中的标准油温。在更低操作温度(其对标准变压器操作是更为重要的)，氢浓度的有效测量范围采用已知技术要小得多(并且灵敏度要更低)，使得对变压器故障的检测是可改进的。另外，这些金属氢化物系统在要求氢循环时常常没有显示可再现光学行为，这引起传感器随时间的不稳定响应。
[0013]鉴于上述和其他因素，存在对本发明的需要。
【发明内容】
[0014]鉴于上述，提供了一种如权利要求1所述的光学传感器、如权利要求9所述的检测系统、如权利要求13所述的装置以及如权利要求15所述的使用。
[0015]按照一个方面，提供了一种用于检测与传感器物理接触的流体中的氢的光学传感器。该光学传感器包括光纤，其中光纤的端部涂敷有多层，其包括:感测层以及包含Pd的催化层，该感测层包括合金膜，合金包括Mg、Ni和M，其中Μ是Zr、Ta和Hf中的至少一个，并且其中合金具有组成MgxNi具，并且其中X从40至60，y从10至40，z从10至40。
[0016]按照另一方面，提供一种用于流体中的氢的检测系统，其包括光纤，其中光纤的端部涂敷有多层，其包括:感测层以及包含Pd的催化层，该感测层包括合金膜，合金包括Mg、Ni和M，其中Μ是Zr、Ta和Hf中的至少一个，并且其中合金具有组成MgxNiyMz，并且其中x从40至60，y从10至40，z从10至40 ;检测系统还包括温度传感器、光源、光检测装置和控制单元，其中来自光源的光耦合到光学传感器中，由光学传感器的多层所反射的光由光检测装置来检测，并且其中控制单元处理光检测装置的输出信号，确定氢浓度，并且传递相应信号。
[0017]按照另一方面，提供了一种用于发电、输电和配电的装置。它包括油容积以及用于流体中的氢的检测系统，其包括其中包含光纤的光学传感器，其中光纤的端部涂敷有多层，包括:感测层以及包含Pd的催化层，该感测层包括合金膜，合金包括Mg、Ni和M，其中Μ是Zr、Ta和Hf中的至少一个，并且其中合金具有组成MgxNiyMz，并且其中x从40至60，y从10至40，z从10至40 ;检测系统还包括温度传感器、光源、光检测装置和控制单元，其中来自光源的光耦合到光学传感器中，由光学传感器的多层所反射的光由光检测装置来检测，并且其中控制单元处理光检测装置的输出信号，确定氢浓度，并且传递相应信号。
[0018]按照又一方面，提供了一种合金的薄膜在氢传感器中的使用。合金包括Mg、Ni和M，其中Μ是Zr、Ta和Hf中的至少一个，并且合金具有组成MgxNiyMz，其中x从40至60，y从10 至 40，z 从 10 至 40。
[0019]通过从属权利要求、描述和附图，能够与本文所述实施例相结合的其他优点、特征、方面和细节是显而易见的。
[0020]全部按照本发明的实施例的所提供光学传感器和采用它的检测系统以及用于其在电气装置中的操作和使用的所述方法允许使用可靠地工作并且仅需要极少校准的硬件设置来得到电气设备的条件和/或其绝缘液体的良好估计。由于光学检测，能够避免电气干扰，并且由于缺乏感测区中的电触点和导体，系统固有地是安全的。此外，系统使用廉价标准光学部件，因此这是简单、节省成本和坚固的，并且不具有活动部件。它能够采用在相同或不同位置同时使用的许多光纤传感器来扩展，因而能够设置在故障发生的位置，或者以节省成本方式增加冗余度和/或防止错误读数。传感器组合件对油填充变压器的监测是特别有利的。金属合金氢化物系统在实施例中作为感测层来提供，其在感兴趣温度和压力范围中具有大光学变化和倾斜压力传输等温线。此外，所提供的传感器和检测系统相对于循环和在时间上是稳定的，特别是在特别感兴趣温度范围中，该