CN103765167B - 氢气和压力传感器的组合 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种传感器组件，用于确定发电、输电和配电设备中的绝缘流体中的氢浓度。该组件包括：其中具有与流体连通的开口的壳体；设置于所述壳体中的氢传感器，响应于流体中的氢浓度并产生有关氢浓度的信号；以及设置于所述壳体中的压力传感器，响应于流体并产生指示设备中流体压力的第二信号。该组件还包括设置于所述壳体中的信号处理器，其连接至氢传感器和压力传感器，响应于第一和第二信号，用于产生表示流体中氢浓度的第三信号。

Description

氢气和压力传感器的组合

相关申请交叉引用

本申请是国际申请，其要求提交日为2011年3月31日的美国专利申请No.13/076,896的优先权，通过引用结合其全部公开内容。

技术领域

本发明涉及感测油中的氢。特别是涉及用于感测发电及输配电设备的油中的氢的装置

背景技术

电气设备，特别是中压或高压电气设备，其元件之间需要高度的电和热绝缘。因此，众所周知要将电气设备的元件，如变压器的线圈，封装进密闭容器里面并且用流体填充该密闭容器。该流体促进元件所产生的热的耗散，且该流体可以循环通过热交换器以有效降低元件的工作温度。该流体还用于元件之间的电气绝缘，或者用作设置在这些元件周围的其他形式的绝缘的补充，例如纤维素纸或其他绝缘材料。具有所需要的电性能和热性能的任何流体都可以使用。通常，电气设备填充有油，如蓖麻油，矿物油，或植物油，或合成“油”，比如氯化联苯，硅树脂，或六氟化硫。

电气设备常常被用在关键任务环境中，故障可能是非常昂贵的，甚至是灾难性的，这是因为关键系统失去电力。此外，电气设备的故障通常导致设备自身以及周边设备的大量损坏，因此需要更换昂贵的设备。此外，这种故障可能因触电、火灾或爆炸造成人身伤害。因此，需要监控电气设备的状态，以通过检测早期缺陷来预测设备的潜在故障，并通过维修、更换或调整设备的运行条件来采取补救措施。但是，填充流体的电气设备的性能和状态随着时间会固有地下降。故障和早期故障应区别于正常的和可接受的退化。

已知的监测填充流体的电气设备的状态的方法是监测流体的各种参数。例如，流体的温度以及流体中的总可燃气体(TCG)已知是填充流体的电气设备运行状态的指标。因此，监测流体的这些参数可指示设备中任何早期故障。例如，已经发现，随着电气设备中的纤维素绝缘的热老化和降级，一氧化碳和二氧化碳的浓度会增加。由循环电流和介电击穿如电晕和电弧引起的热点可造成氢和各种烃(及其衍生物如乙炔和乙烯)的浓度增加。氧和氮的浓度指示用于大型设备如变压器的气体加压系统的质量。因此，“溶解气体分析”(DGA)已成为广为接受的方法，用于辨识填充流体的电气设备中的早期故障。

在常规的DGA方法中，一定量的流体通过排放阀从设备的密闭容器中移除。该移除的流体随后在实验室中或通过现场设备测试溶解的气体。这种测试方法在此称为“离线”DGA。由于这些气体产生自各种已知故障，如绝缘材料或设备的电气元件的其他部分的降级，线圈间短路，过载，连接松动等，已开发出各种诊断理论，以将流体中各种气体的量与其中含有流体的电气设备中的特定故障关联起来。然而，由于离线DGA常规方法需要从电气设备移除流体，这些方法不能，1)产生有关设备中任何故障的本地化位置信息，2)说明设备中气体的空间变化，以及3)提供有关故障的实时数据。如果分析离开原位进行，可能几个小时都得不到结果。在这样的时间段内，早期缺陷有可能发展为设备故障。

变压器的油中的氢气的测定是令人感兴趣的，因为它是这样一个指标，指示变压器内的过热和/或电弧所导致的油的击穿。变压器油冷却变压器并用作绝缘体。随着变压器油老化，其绝缘有效性降低。溶解于变压器油中的氢的增加是变压器将要发生故障的指标。

大型变压器具有氢传感器，其使用气相色谱或光-声波谱学来确定变压器油中的氢气的量。这样的装置非常昂贵，并且该费用不适合于较小的变压器。可以对许多较老的、小的变压器进行监测，如果有一种这么做低成本的方法可用的话。

一种低成本气体监测器，由通用电气公司制造的Hydran^TMM2已被使用。但是，这种气体监测器只感测可燃气体，然后使用一个公式来估计气体中多少通常是氢以及多少是其他气体。

在2005年于圣安东尼奥举行的第4届年度Weidmann-ACTI技术会议上，Tim Cargol的一篇文章“在线石油监测技术综述”提供了油气测定技术的讨论，包括氢的测定。

钯氢传感器披露于Gases and Technology中的一篇文章“钯纳颗粒氢传感器”，第18-21页，2006年7月/8月。钯传感器也披露于美国专利公布2007/0125153-Visel等人，2007/0068493-Pavlovsky，以及2004/0261500-Ng等人。美国专利申请No.2010/007828披露了一种用于电力变压器的氢传感器。

需要一种低成本方法以确定油中的氢气含量，例如在发电和输配电设备尤其是变压器中。特别是需要一种方法和装置，以将氢传感器安装到发电和输配电设备，而不需要设备停止工作，并优选使用设备中现有的零件或端口，而无需在设备外壳上形成新的开口。提供一种方法和装置，以利用压力传感器特别是压力快速上升传感器所用的端口将氢传感器安装到变压器或类似设备，将是特别有利的。

发明内容

本发明提供一种传感器组件，以确定发电、输电和配电设备中的绝缘流体中的氢浓度。该组件包括：壳体，该壳体在其中具有与所述流体连通的开口；设置在所述壳体中的氢传感器，其响应于所述流体中的氢浓度并产生有关氢浓度的信号；以及设置在所述壳体中的压力传感器，其响应于所述流体并产生指示所述设备中流体压力的第二信号。该组件还包括设置于所述壳体中的信号处理器，其连接至所述氢传感器和所述压力传感器，并响应于所述第一和第二信号，产生表示流体中氢浓度的第三信号。

附图说明

图1是变压器的视图，示出了安装传感器的可能位置。

图2是变压器的视图，示出了变压器上的一个位置。

图3是图2所示传感器壳体的顶视图。

图4是传感器壳体的透视图。

图5是本发明的壳体安装有传感器的横截面。

具体实施方式

本发明提供了相比现有设备的许多优点。本发明更小，很容易安装，并且比其他氢感测装置的成本更低。本发明的装置是精确的，并且可以容易地改装到现有的变压器或发动机上。该装置提供了非常准确的具有实时结果的氢传感器，并且无需移除流体。该设备允许更换传感器，而无需提供显著开口使油离开容器。本发明的传感器利用公知和可用的仪器控制。通过下面的描述，这些和其他优点将是显而易见的。

本发明使得氢传感器易于改型适于变压器，这是因为变压器壳体上的开口是已经存在的。这也使得成本更低，相对于如果需要安装至变压器的新入口的情况。另外，本发明的装置维护成本低，其在较高温度如120℃下能够工作。

图1示出的是变压器10。变压器10设置有泄压装置14和16。变压器10被局部剖视以显示线圈18。变压器10有温度测量仪24。温度测量仪26测量变压器油的温度。管道端子28连接至来自泄压装置14的溢流管线。光纤入口32提供绕组温度的直接读取。冷却塔34用于通过冷却，必要时使用风扇36，来调节变压器内的油的温度。排放阀38用于排出油以作更换，或用于保护测试样品。机电温度计42感测变压器内油的温度。IED智能电子装置44控制感测装置，并提供感测到的信息的读取。还可以根据需要控制反应器的冷却。该变压器还提供了压力快速上升继电器46。流量计(未示出)可设置于位置48。各种温度和压力传感器、压力释放装置、排放口以及流量计可提供氢传感器的安装区域。

图2示出了变压器10，其具有安装在变压器10的法兰46上的氢传感器壳体13。壳体13通过截止阀58被附接到法兰46上。该阀可通过旋钮62被关闭。图3是该氢传感器壳体13的顶视图。

图4是壳体13的分解透视图，其通过截止阀58安装在变压器上。法兰64通过截止阀58提供至变压器的通道。如图4所示，该传感器不存在。壳体元件13包括半导体元件12，用于测量发电和输配电设备中的绝缘流体中的氢浓度。安装法兰14具有多个螺栓孔16，提供至变压器设备内部的通路，并提供多个螺栓接纳孔16，以第一图案布置在安装法兰14上。第一法兰18具有用于接纳一个或多个半导体氢传感器的一个或多个开口以及外周。第一法兰也提供有多个螺栓接纳孔(未示出)，其对应于安装法兰14的螺栓图案16。第二法兰23具有第二组多个螺栓接纳孔，其对应于第一图案，并且第二法兰周边内的螺栓孔被设置作为壳体元件13的末端。壳体主体13在第二法兰23上具有螺栓孔，其与壳体设置有足够的距离，以允许待设置于孔内的螺栓(未示出)的进入，以便于插入和从孔中去除螺栓，并且第二法兰具有一外周，其被容纳于第一法兰外周内。

壳体设置有至少一个导线接纳孔26，在扩大的端部38处从壳体主体13延伸。设置了盖子28，以封闭壳体主体相对于安装第二法兰23远侧的末端。第一密封32设置于第一和第二法兰之间。第一密封提供围绕一个或多个传感器接纳孔42和44以及取样或排放阀36的阀孔的密封。第二密封32设置在第一法兰上，以接合安装法兰。当传感器插入时，第二密封围绕并密封传感器接纳孔42和44。取样或排放阀36设置在第一法兰上，与设备内部连通，且定向成使得当打开时截留的气体将离开该阀。设置有用于阀36的帽35。取样阀延伸到法兰18的边缘，并且与法兰的与壳体主体相对的内表面连通。

壳体13包括扩大的端部38，其位于与第二法兰相对的端部。值得注意的是，传感器孔44一般位于第一法兰的中心并垂直于第一法兰。第二孔42稍偏向一侧并且以一斜角相对于法兰攻丝从而为第二传感器提供更多间隙。该斜角也允许任何截留的空气从压力传感器的末端移动至排放阀。

图5示出了传感器组件，其具有安装在如图4的壳体中的检测器46，用于检测发电和输配电设备中的绝缘流体中的氢。氢传感器响应于流体中氢的浓度并产生与氢浓度相关的信号。压力传感器28也设置在壳体中，响应于流体并产生第二信号，指示设备中流体的压力。信号处理器66位于壳体内，并连接至氢传感器和压力传感器。信号处理器66响应于第一和第二信号以产生第三信号，表示流体中氢的浓度。

传感器组件包括管52，其拧入第一法兰18的螺纹孔44。氢传感器46设置在管52内。第二螺纹孔42具有压力传感器48，其拧入开口42。

能够容纳两个传感器的传感器组件和壳体是特别可取的，因为两个传感器被放置到变压器、发电机及其他电气设备的一个法兰上。一般情况下，当感测气体中的氢时，需要知道流体的气压，以进行已知的计算来确定存在的氢的百分比。如果氢传感器在油里面，则不需要压力来计算油的氢含量。在一个壳体内在一个法兰上放置两个传感器是获得两项测量结果的紧凑的方法。虽然示出了在传感器壳体内进行氢组合物计算，然而，也可以由IED中央控制单元进行该计算并提供读数。氢传感器紧邻压力传感器比两个传感器相隔间隙能获得更好的精度。

整个单元也可以用在密封变压器的气体空间中，而不仅仅是在油中，当压力测量处于气体空间中时，压力传感器与氢传感器结合，将完成双重任务，允许进行氢浓度的计算以及测定压力的快速上升。

从附图中可清楚的知道第一法兰64设置在截止阀58与安装法兰14之间，这允许设置氧传感器，而无需在变压器上形成额外的孔。快速压力释放装置46位于变压器侧面，这允许在变压器油中而不是在液体冷却剂上方的开放空间中取氢样。其他位置也可用于将氢传感器放置于液体冷却剂中。用于感测液体以及气体中的氢的传感器是已知的，根据所用的变压器的类型以及变压器油的水平选择合适的传感器属于本领域技术范围。值得注意的是，为了精确感测油或气体的氢含量，还需要感测油或气体的压力。

取样阀36延伸穿过第一法兰18的边缘并通过安装法兰64与该法兰与壳体主体相对的表面连通，以及与暴露于变压器设备内部的孔连通。

含钯氢传感器和用于该传感器的控制器是本领域已知的。这样的传感器公开于Visel等人的美国专利公开No.2007/0125153，以及Pavlovsky的2007/0240491，通过引用结合于此。Gases and Technology，2006年7月/8月，I.Pavlovsky的一篇文章“钯纳颗粒氢传感器”也包含氢传感器及其使用方法和装置的描述。用于本发明的这些优选传感器中的钯纳米粒子对氢固有地敏感，基于钯纳米粒子网络的传感器在存在其他气体时也不会产生假警报。这使得它们特别优选用于本发明的装置，因为当感测到氢时其他气体也可能存在。其他的氢传感器和它们的控制器公开于Pavlovsky的美国专利公开No.2007/0068493和Pavlosky等人的2007/0240491，也通过引用将它们结合于此。本发明优选的氢传感器是半导体钯型传感器，因为它在变压器环境下提供优良性能。

虽然附图示出了氢传感装置附接于快速压力释放装置，该安装方法也可用于变压器上的其他位置，只要存在法兰孔和氢传感器所需要的空间即可。其他可考虑的位置可以位于有载分接开关22和排放阀38。

本发明通过特定参考目前优选的实施例进行了详细描述，但可以理解的是，各种变化和修改可以在本发明的精神和范围之内生效。因此，目前公开的实施例在各方面都应被认为是示例性而非限制性的。本发明的范围由所附的权利要求书所指示，并且其等同含义和范围内的所有变化都应包含在其中。

Claims (6)

1.一种用于确定发电、输电和配电设备中的绝缘流体中的氢浓度的传感器组件，包括：

（a）壳体，该壳体在其中具有与所述流体连通的孔；

（b）设置在所述壳体中的氢传感器，其响应于所述流体中的氢浓度并产生有关氢浓度的第一信号；

（c）设置于所述壳体中的压力传感器，其响应于所述流体并产生指示所述设备中流体压力的第二信号；

（d）设置于所述壳体中的信号处理器，其直接地连接至所述氢传感器和所述压力传感器，并响应于第一和第二信号，用于产生表示所述流体中氢浓度的第三信号，

其中所述壳体包括具有贯穿其中的第一螺纹孔的法兰，

其中所述壳体包括拧入所述第一螺纹孔的管，

其中所述氢传感器设置在所述管内。

2.如权利要求1所述的传感器组件，包括在所述法兰中的第二螺纹孔。

3.如权利要求2所述的传感器组件，其中所述压力传感器拧入所述第二螺纹孔。

4.如权利要求1所述的传感器组件，包括延伸通过所述壳体与所述绝缘流体连通的取样阀。

5.如权利要求4所述的传感器组件，其中所述取样阀延伸通过所述法兰的侧壁。

6.如权利要求5所述的传感器组件，其中所述取样阀与暴露于所述设备内部的阀孔连通。