CN103492840B - 组合的氢和压力传感器组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于传感器的壳体，所述传感器具有半导体元件以便测量电力生成、传输和分送设备中的绝缘流体的氢浓度，所述设备具有位于其上的安装凸缘以便进入所述设备的内部并且设置有以第一图样布置在所述安装凸缘上的多个螺栓接纳开口，所述壳体包括具有外周边以及用于容纳一个或多个半导体氢传感器的至少一个或多个开口的第一凸缘、在所述第一凸缘的外周边内以对应于第一图样的图样来布置的多个螺栓接纳孔口、具有多个第二螺栓接纳孔口的第二凸缘，所述第二螺栓接纳孔口在所述第二凸缘的周边内以对应于第一图样的图样来布置。

Description

组合的氢和压力传感器组件

相关申请的交叉引用

本申请是国际申请并要求2011年5月25日提交的美国专利申请No.13/115636的优先权，所述美国专利申请No.13/115636是2011年3月31日提交的待决美国专利申请No.13/076667以及2011年3月31日提交的待决美国专利申请No.13/076896的部分继续申请，上述美国专利申请中的每个都在此通过引用明示地并入本申请中。

技术领域

本发明涉及对油中的氢的感测。本发明尤其涉及用于感测电力生成传输和分送设备的油中的氢的装置。

背景技术

电设备-尤其是中压或高压电设备需要在其部件之间高度的电和热绝缘。相应地，众所周知的是，将电设备的部件例如变压器的线圈封装在容纳器皿中并且将所述容纳器皿填充以流体。流体帮助消散由部件生成的热量并且可以循环通过热交换器来有效地降低部件的运转温度。流体还用作部件之间的电绝缘件或者用于补充环绕所述部件设置的其他形式的绝缘件-例如纤维素纸或其他绝缘材料。可以使用具有期望的电和热特性的任何流体。通常，电设备填充以诸如蓖麻油、矿物油或植物油或者合成“油”的油，所述合成“油”是例如氯化二苯、硅树脂或六氟化硫。

通常，电设备用于关键任务的环境中，因为关键系统的电力损失，关键任务的环境中故障代价可能是非常昂贵的或者甚至是灾难性的。另外，电设备的故障通常导致设备本身以及周围设备的大量损坏，因此需要替换昂贵的设备。进一步，这种故障可引起由电击、失火或爆炸导致的对人的伤害。因此，期望监测电设备的状态来通过的检测初期故障预测设备的潜在故障，并且通过维修、替换或调节设备的操作条件来采取补救行动。然而，填充有流体的电设备的性能和表现随着时间的推移而固有地劣化。故障和初期故障应当区别于正常和可接受的劣化。

监测含流体的电设备的状态的已知方法是监测流体的各种参数。例如，已知流体的温度以及流体中的总的可燃烧气体(TCG)指示填充流体的电设备的运转状态。因此，监测流体的这些参数可以提供设备中任何初期故障的信号。例如，已经发现，一氧化碳和二氧化碳会随着热力老化以及电设备中纤维素质绝缘的劣化而增加。因为由环流以及诸如电晕放电和电弧放电的介电击穿导致的热点，氢和各种烃类(以及其衍生物-例如乙炔和乙烯)的浓度增加。氧和氮的浓度指示大设备-例如变压器中采用的气压系统的品质。相应地，“溶解气体分析”(DGA)已成为识别填充流体的电设备中的初期故障的广泛认可方法。

在常规DGA方法中，一定量的流体通过排空阀从设备的容纳器皿移除。移除的流体随后受到实验室中溶解气体或者通过本领域中的设备的测试。这种测试方法在此称为“离线”DGA。因为气体是通过各种已知故障-例如设备中的电部件的绝缘材料或其他部分的劣化、线圈中的匝间短路、过载、松动连接等生成的，所以已发展了各种诊断理论来使流体中各种气体的量与含有流体的电设备中的特定故障相关联。然而，因为离线DGA的常规方法需要将流体从电设备移除，所以这些方法不会：1)生成关于设备中任何故障的局部位置信息，2)考虑设备中气体的空间差异，以及3)提供关于故障的实时数据。如果不在现场进行分析，那么几个小时内可能不会获得结果。在这个时间段，初期故障可以发展成设备的故障。

电力变压器的油中的氢气的测量是重要的，因为它指示由变压器内部的过热和/或电弧放电导致的油的分解。变压器油使变压器冷却并且用作介电物质。变压器油随着老化而变成不那么有效的介电物质。溶解在变压器油中的氢的增加是变压器将要发生故障的指示。

大变压器具有氢传感器，所述氢传感器使用气象色谱分析法或者光声光谱技术来确定变压器的油内的氢气的量。这种装置是非常昂贵的并且该费用对较小变压器是不合理的。如果可使用低成本方法来实现，那么就可以监测许多陈旧的、较小的变压器。

已使用了较低成本的气体监测器－由通用电气公司制造的Hydran^TMM2。然而，该气体监测器仅感测可燃烧气体并且随后使用公式来估算通常有多少气体是氢并且有多少其他气体。

Tim Cargol在圣安东尼奥2005年第四次年度Weidmann-ACTI技术会议上的文章“在线油监测技术的概述”，提供了对包括氢测量的油气测量技术的论述。

2006年七月/八月的气体和技术在文章“钯纳米颗粒氢传感器”第18-21页中公开了钯氢传感器。Visel等的美国专利公报No.2007/0125153和Pavlovsky的2007/0068493以及Ng等的2004/0261500中也公开了钯传感器。美国专利公报No.2010/007828公开了一种用于电力变压器的氢传感器。

需要一种确定例如电力生成和传输及分送设备尤其是变压器中的油中的氢气含量的低成本方法。尤其需要一种用于安装氢传感器到电力生成传输和分送设备上的方法和装置，所述方法和装置不需要使所述设备停止工作，并且优选地在不需要在所述设备的壳体中形成新的开口的情况下使用所述设备中现有的配件或端口。提供一种使用用于压力传感器-尤其是快速压力升高传感器的端口来将氢传感器附接到变压器等的方法和装置将是特别有利的。

发明内容

本发明提供了一种用于传感器的壳体，所述传感器具有半导体元件以便测量电力生成、传输和分送设备中的绝缘流体的氢浓度，所述设备具有位于其上的安装凸缘以便进入所述设备的内部并且设置有以第一图样布置在所述安装凸缘上的多个螺栓接纳开口，所述壳体包括具有外周边以及用于容纳一个或多个半导体氢传感器的至少一个或多个开口的第一凸缘、在所述第一凸缘的外周边内以对应于第一图样的图样来布置的多个螺栓接纳孔口、具有多个第二螺栓接纳孔口的第二凸缘，第二螺栓接纳孔口在所述第二凸缘的周边内以对应于第一图样的图样来布置。本发明进一步包括：壳本体，所述壳本体的一端连接到所述第二凸缘，所述第二凸缘环绕所述一个或多个开口并且设置在所述螺栓接纳孔口内，并且所述螺栓接纳孔口与所述壳本体具有足够距离而允许接近设置在所述孔口中的螺栓以便插入和从所述孔口移除螺栓，并且所述第二凸缘具有包含在所述第一凸缘的外周边内的外周边并且进一步具有从所述第二凸缘延伸足以接纳所述传感器的距离的大体上均匀的横截面；延伸穿过所述壳本体的至少一个导线接纳开口；关闭远离所述一端的壳本体的端部的盖。本发明再进一步包括设置在所述第一与第二凸缘之间的第一密封件、设置在所述第一凸缘上以便接合所述安装凸缘的第二密封件以及采样和排放阀，所述采样和排放阀延伸穿过所述第一凸缘并且与所述设备的内部连通，并且朝向设定为使得当打开时存留的气体将流出所述阀。

附图说明

图1是指示附接传感器的可能位置的变压器的视图。

图2是指示变压器上的位置的变压器的视图。

图3是图2中示出的传感器壳体的俯视图。

图4是用于传感器的壳体的立体图。

图5是安装有传感器的本发明壳体的横截面。

具体实施方式

本发明提供了相对于现有装置的许多优点。本发明更小、易安装并且成本低于其他氢感测装置。所述装置是准确的并且可以容易地改装到现有变压器或发动机上。所述装置提供非常准确的氢传感器，所述氢传感器具有实时结果而无需移除流体。所述装置允许在不需要提供明显开口而使油离开容器的情况下替换传感器。本发明的传感器采用公知并且可行的仪表控制。通过下面的描述，这些和其他优点将变得更清楚。

本发明使氢传感器能容易地改装到变压器，因为变压器壳体中已经存在开口。相比如果需要安装新入口到变压器，这还降低了成本。进一步，本发明的安装维护成本低并将在诸如120℃的较高温度下工作。

图1中示出了变压器10。变压器10设置有压力释放装置14和16。变压器10被局部剖除以便示出线圈18。变压器10具有温度计24。温度计26测量变压器的油的温度。管端28连接到来自压力释放装置14的溢流管。光纤入口32提供绕组温度的直接读数。采用冷却塔34通过在需要时使用风扇36进行冷却来调节变压器中油的温度。采用排空阀38来排空油以便更换或保护试样。机电温度计42感测变压器中油的温度。IED智能电子装置44控制感测装置并且提供感测到的信息的读取。进一步，该装置可根据需要控制反应器的冷却。变压器上还设置有快速压力升高继电器46。测流计(未示出)可设置在位置48处。各种温度和压力传感器、压力释放装置、排空件以及测流计可为氢传感器提供安装区域。

图2示出了具有氢传感器壳体13的变压器10，所述氢传感器13安装在变压器10的变压器安装凸缘46上。壳体13通过关断阀58附接到变压器安装凸缘46。所述阀可以通过旋钮62来关闭。图3是氢传感器壳体13的俯视图。

图4是通过关断阀58安装到变压器上的壳体13的立体分解图。凸缘64提供通过关断阀58到变压器的入口。如图4所示，未示出传感器。壳体元件13容纳半导体元件12，所述半导体元件12用于测量电力生成传输和分送设备中绝缘流体的氢浓度。安装凸缘14具有多个螺栓孔16并且提供到变压器设备的内部的入口，并且提供以第一图样布置在安装凸缘14上的多个螺栓接纳开口16。第一凸缘18具有外周边以及用于容纳一个或多个半导体氢传感器的一个或多个开口。所述第一凸缘还设置有对应于安装凸缘14的螺栓图样16的多个第二螺栓接纳孔口(未示出)。第二凸缘23具有对应于第一图样和螺栓孔并且在所述第二凸缘的周边内的多个第二螺栓接纳孔口，并且第二凸缘23设置为壳体元件13的端部。壳本体13具有螺栓孔口，所述螺栓孔口在第二凸缘23中并设置成距离所述壳体有足够距离以便允许接近设置在孔口中的螺栓（未示出），用于插入和从所述孔口移除螺栓，并且所述第二凸缘具有包含在所述第一凸缘的外周边内的外周边。

所述壳体在膨胀端38处设置有从壳本体13延伸的至少一个导线接纳开口26。盖28设置成关闭壳本体的远离安装第二凸缘23的端部。第一密封件32设置在第一与第二凸缘之间。所述第一密封件提供环绕一个或多个传感器接纳开口42和44以及采样或排放阀36的阀开口的密封。第二密封件32设置在第一凸缘上以便接合安装凸缘。当插入传感器时，所述第二密封件环绕并且密封传感器接纳开口42和44。采样或排放阀36设置在第一凸缘上并与设备的内部连通，并且朝向设定为使得当打开时存留的气体将流出所述阀。为阀36提供了罩35。采样阀延伸到凸缘18的边缘并与凸缘的和壳本体对置的内表面连通。

壳体13包括在对置于第二凸缘的端部上的膨胀端38。应当指出，传感器开口44大体上在第一凸缘的中心并且垂直于所述第一凸缘。第二开口42大致在侧边，并且所述第二开口42以倾斜角螺纹连接到凸缘以便为第二传感器提供更多空隙。倾斜角还允许任何存留的空气从压力传感器的末端运动到排放阀。

图5示出了具有检测器46的传感器组件，所述传感器组件用于检测安装在例如图4中的壳体中的电力生成、传输和分送设备中的绝缘流体中的氢。所述氢传感器响应于流体中氢的浓度并且生成关于氢的浓度的信号。压力传感器48也设置在壳体中并且响应于所述流体并且生成指示所述设备中流体的压力的第二信号。信号处理器66在壳体中并且连接到所述氢传感器和所述压力传感器。信号处理器66响应于所述第一和第二信号来生成代表流体中氢的浓度以及压力升高率的第三信号。

传感器组件包括拧入第一凸缘18的螺纹孔44中的管52。氢传感器46设置在管52中。第二螺纹开口42具有拧入开口42中的压力传感器48。

尤其期望传感器组件以及接纳多个传感器的壳体，因为两个传感器设置到变压器、发电机和其他电设备的一个凸缘上。总体上，在感测气体中的氢时，需要知道流体中的气压来作出已知运算从而确定氢存在的百分比。如果所述装置安装在油中，那么除了执行快速压力升高功能外不需要测量氢的压力。在一个凸缘上的一个壳体中设置两个传感器是使用电设备上的凸缘开口的紧凑方法。虽然示出为在传感器壳体中进行所述运算，还有可能的是，由IED中心控制单元进行所述运算并且提供读数。

虽然在具有氢传感器的组件中示出为具有压力传感器，但是可能存在诸如温度、二氧化碳、氧或水的其他传感器。进一步可能的是，组件中的传感器可能不包括氢传感器但是可以是压力传感器和温度传感器。传感器的任何组合都是可能的。

整个单元还可以在密封变压器中的气体空间中使用，而不仅是在油的条件下使用，并且当压力测量在气体空间中进行时，压力传感器与氢传感器的组合起到运算氢浓度以及测量快速压力升高的双重作用。

如通过附图看清楚的是，第一凸缘64设置在附接到凸缘46的关闭阀58的安装凸缘14上允许不在变压器中形成额外孔的情况下设置氢传感器。快速压力释放装置46在变压器的侧面处的位置允许在变压器油中而非在液体冷却剂上方的开放空间中进行氢的采样。液体冷却剂中的其他位置也将设置氢传感器。传感器已知用于感测液体中以及气体中的氢，并且根据采用何种类型的变压器以及变压器油的级别，适当传感器的选择将是现有技术中已知的。应当指出，为了准确感测油或气体的氢容量，还需要感测气体的压力。因此，对于具有氢传感器的第二传感器，压力传感器是优选的。

采样阀36延伸穿过第一凸缘18的边缘并且与该凸缘和壳本体对置的表面连通，并且通过安置凸缘64与暴露到变压器设备的内部的开口连通。

含钯的氢传感器以及用于所述传感器的控制器已为本领域所公知。Visel等的美国专利公报No.2007/0125153以及Pavlovsky的No.2007/0240491中公开了这种传感器，所述专利公报的内容在此通过引用并入到本申请中。2006年七月/八月的气体和技术中I.Pavlovsky的文章“钯纳米颗粒氢传感器”也含有对氢传感器以及使用它们的方法和装置的描述。用于本发明的这些优选的传感器中采用的钯纳米颗粒本质上对氢敏感，并且基于钯纳米颗粒网状物的传感器在存在其他气体时不会产生错误警报。这就使它们尤其被期望使用在本发明的装置中，因为在感测氢时可能存在其他气体。Pavlovsky的美国专利公报No.2007/0068493以及Pavlovsky等的No.2007/0240491中公开了其他氢传感器以及它们的控制器，所述专利公报的内容也在此通过引用并入到本申请中。用于本发明的优选的氢传感器是半导体钯型传感器，因为它为变压器环境提供了良好性能。

虽然附图示出了氢感测装置到快速压力释放装置的附接，但是可以在变压器上具有凸缘开口以及用于氢传感器的空间的其他位置处采用这种安装方法。所考虑的其他位置可能在载荷分接开关22和排空阀38上。

已特别是参考本发明的优选实施方式的情况下对本发明进行了详细描述，但是应当理解的是，可以在本发明的精神和范围实现变型和改型。本发明公开的实施方式应当在所有方面仅被认为是说明性的而非具有限制目的。本发明的范围是由所附权利要求指示的，并且落入本发明的等同体的意思和范围内的所有变化都将包含在所附权利要求的范围内。

Claims (9)

1.用于传感器的壳体，所述传感器具有半导体元件以便测量电力生成、传输和分送设备中的绝缘流体的氢浓度，所述设备具有位于其上的安装凸缘以便进入所述设备的内部并且设置有以第一图样布置在所述安装凸缘上的多个螺栓接纳开口，所述壳体包括：

（a）具有外周边以及用于接纳一个或多个半导体氢传感器的至少一个或多个传感器接纳开口的第一凸缘；

（b）在所述第一凸缘的外周边内以对应于所述第一图样的图样来布置的多个螺栓接纳孔口；

（c）具有多个第二螺栓接纳孔口的第二凸缘，所述第二螺栓接纳孔口在所述第二凸缘的周边内以对应于所述第一图样的图样来布置；

（d）壳本体，所述壳本体的一端连接到所述第二凸缘，所述壳本体环绕所述传感器接纳开口并且设置在所述螺栓接纳孔口中间，并且所述螺栓接纳孔口与所述壳本体隔开足够距离而允许接近设置在所述孔口中的螺栓以便插入和从所述孔口移除螺栓，并且所述壳本体具有包含在所述第一凸缘的外周边内的外周边，并且所述壳本体进一步具有从所述第二凸缘延伸足以接纳所述传感器的距离的大体上均匀的横截面；

（e）延伸穿过所述壳本体的至少一个导线接纳开口；

（f）关闭远离所述一端的壳本体的端部的盖；

（g）设置在所述第一与第二凸缘之间的第一密封件；

（h）设置在所述第一凸缘上以便接合所述安装凸缘的第二密封件，其中所述第二密封件环绕所述传感器接纳开口；以及

（i）采样和排放阀，所述采样和排放阀延伸穿过所述第一凸缘并且与所述设备的内部连通，并且朝向设定为使得当打开时存留的气体将流出所述采样和排放阀。

2.如权利要求1所述的壳体，其中所述壳本体包括膨胀端，所述膨胀端与连接到所述第二凸缘的端部对置。

3.如权利要求1所述的壳体，其中所述采样和排放阀延伸穿过所述第一凸缘的边缘并且与所述第一凸缘的与所述壳本体对置的表面连通。

4.如权利要求1所述的壳体，包括位于所述第一凸缘中的至少一个开口，所述至少一个开口相对于所述第一凸缘的表面具有倾斜朝向。

5.如权利要求2所述的壳体，包括至少一个导线接纳开口，所述至少一个导线接纳开口延伸穿过所述壳本体的膨胀端。

6.如权利要求1所述的壳体，其中所述采样和排放阀与暴露到所述设备的内部的阀开口连通。

7.如权利要求1所述的壳体，其中所述第一密封件包括下述密封件：所述密封件的形状至少大体上对应于所述壳本体的形状。

8.如权利要求6所述的壳体，其中所述第一密封件环绕所述传感器接纳开口。

9.用于传感器的壳体，所述传感器具有半导体元件以便测量电力生成、传输和分送设备中的绝缘流体的氢浓度，所述设备具有位于其上的安装凸缘以便进入所述设备的内部并且设置有以第一图样布置在所述安装凸缘上的多个螺栓接纳开口，所述壳体包括：

（a）具有外周边以及用于容纳至少两个传感器的至少一个或多个传感器接纳开口的第一凸缘；

（b）在所述第一凸缘的外周边内以对应于所述第一图样的图样来布置的多个螺栓接纳孔口；

（c）具有多个第二螺栓接纳孔口的第二凸缘，所述第二螺栓接纳孔口在所述第二凸缘的周边内以对应于所述第一图样的图样来布置；

（d）壳本体，所述壳本体的一端连接到所述第二凸缘，所述壳本体环绕所述传感器接纳开口并且设置在所述螺栓接纳孔口中间，并且所述螺栓接纳孔口与所述壳本体隔开足够距离而允许接近设置在所述孔口中的螺栓以便插入和从所述孔口移除螺栓，并且所述壳本体具有包含在所述第一凸缘的外周边内的外周边，并且所述壳本体进一步具有从所述第二凸缘延伸足以接纳所述传感器的距离的大体上均匀的横截面；

（e）延伸穿过所述壳本体的至少一个导线接纳开口；

（f）关闭远离所述一端的壳本体的端部的盖；

（g）设置在所述第一与第二凸缘之间的第一密封件；

（h）设置在所述第一凸缘上以便接合所述安装凸缘的第二密封件，其中所述第二密封件环绕所述传感器接纳开口；以及

（i）采样和排放阀，所述采样和排放阀延伸穿过所述第一凸缘并且与所述设备的内部连通，并且朝向设定为使得当打开时存留的气体将流出所述采样和排放阀。