CN105116024A - 一种基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,包括:氢敏芯片,包括氢敏元件,该氢敏元件为基于Pd-Cr薄膜的氢敏传感器;控制组件,用来将氢敏芯片在量程内的物理性质变化转化为信号输出。本发明具有结构简单、成本低、灵敏度高、稳定性好等优点。

Description

一种基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统
技术领域
本发明主要涉及到电力系统在线监测设备领域,特指一种基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,主要适用于电网中油浸式电力变压器健康状态的在线监测。
背景技术
随着电网电压等级的提高和输送容量的增加,对电力系统可靠性要求越来越高。变压器是电力系统中的主要设备,当其发生故障时,对电网的安全运行会造成极大的影响,因此,对变压器状态的在线监测显得尤为重要。
当油浸式变压器中产生局部过热、局部放电或者电弧放电时,其中的变压器油、绝缘材料会被分解产生各中气体并溶于变压器油中。由于碳氢键键能低,当故障发生时一般先产生氢气,因此变压器油中溶解氢气的浓度可以可靠地反映变压器的健康状态。
目前,变压器油中氢气浓度的监测是变压器内部故障诊断的重要手段。但是,除了氢气之外,油中溶解的气体一般还包括CH4、C2H2、C2H6、CO以及CO2等气体,由于交叉干扰等原因,当前普遍做法是采用油色谱将各种气体分离开来单独测试。先对采集的油样脱气,然后用色谱仪对脱出的气样进行分析,之所以需要进行油气分离是因为当前没有合适的氢气传感器能在变压器油环境中直接对氢气进行测量。在这其中必须要使用到油气分离装置,油气分离装置均有体积大、成本高等不足。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题,本发明提供一种结构简单、成本低、灵敏度高、稳定性好的基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
一种基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,包括:
氢敏芯片,包括氢敏元件,该氢敏元件为基于Pd-Cr薄膜的氢敏传感器;
控制组件,用来将氢敏芯片在量程内的物理性质变化转化为信号输出。
作为本发明的进一步改进:所述控制组件采用无线数据传输方式,通过无线数据传输组件与上位机、服务器以及客户端进行数据传输和交互。
作为本发明的进一步改进:所述无线数据传输组件包括Zigbee无线网络、GPRS无线网络以及Internet网络,所述氢敏芯片通过Zigbee无线网络与上位机通信,所述上位机通过GPRS无线网络中的GPRS发送模块、及Zigbee转GPRS网关、将Zigbee无线网络中Zigbee模块接收到的氢气浓度信号以GPRS无线方式发送给服务器,所述服务器最终通过Internet网络与客户端连接。
作为本发明的进一步改进:所述Zigbee转GPRS网关放置在变电站控制室内覆盖有GPRS无线网络的位置处。
作为本发明的进一步改进:所述控制组件包括滤波放大单元、AD采样单元和CPU处理单元,通过所述滤波放大单元先将氢敏芯片的输出电压进行滤波放大,然后通过AD采样单元进行AD采样;经AD采样后的数据传输到CPU处理单元进行运算处理。
作为本发明的进一步改进:所述CPU处理单元还包括一报警单元,通过预设值进行报警算法处理,其结果控制报警继电器的通断。
作为本发明的进一步改进:所述氢敏芯片还包含用于控温的加热电阻和对温度敏感的测温电阻,用于将氢敏芯片的温度控制在一定温度值下。
作为本发明的进一步改进:所述氢敏芯片封装在探头上,所述探头上具有氢敏芯片的一端伸入变压器油中,另一端通过螺纹方式和控制组件的外壳相连。
作为本发明的进一步改进:所述探头内部装有密封接头。
作为本发明的进一步改进:所述控制组件在调试完成之后通过螺钉固定在金属外壳内,供电和输出采用密封电连接器。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1、本发明的基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,采用薄膜氢气传感器,直接将探头插入变压器油中,克服了传统油色谱体积大、成本高的缺点,在精度等性能指标方面满足电力系统在线监测和故障诊断的要求。
2、本发明的基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,基于全新的薄膜氢气检测技术,和传统电化学、热导、催化燃烧等原理氢气传感器相比,薄膜氢气检测技术具有灵敏度高、稳定性好、精度高、抗其它气体干扰性好、工作时不需要O2以及不消耗H2等优点。
附图说明
图1是本发明的拓扑结构原理示意图。
图2是本发明在一具体应用实例中的原理示意图。
图例说明:
1、电力变压器;2、探头;3、控制组件;4、Zigbee无线网络;5、Zigbee转GPRS网关;6、GPRS无线网络;7、服务器;8、Internet网络;9、客户端;10、氢敏芯片;11、数据传输组件。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示,本发明的基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,包括:
氢敏芯片10,包括氢敏元件,该氢敏元件为基于Pd-Cr薄膜的氢敏传感器;即采用Pd-Cr薄膜作为氢敏材料,当Pd吸附氢气后,氢气分子在Pd的催化作用下分解为氢原子,氢原子随即与Pd形成Pd-H键,从而引起Pd电阻(或电容)发生变化;再通过电路将其转化为电信号的变化,因此可以将氢敏芯片10表面氢气浓度的变化最终以电信号的形式表现出来。
控制组件3,包括滤波放大单元、AD采样单元和CPU处理单元;该控制组件3根据氢敏芯片10特点,采用精确的数字电路进行控制。通过所述滤波放大单元先将氢敏芯片10的输出电压进行滤波放大,然后通过AD采样单元进行AD采样;经AD采样后的数据传输到CPU处理单元进行运算处理,包括非线性、温漂补偿等。也就是说,控制组件3用来将氢敏芯片10在量程内的物理性质变化转化为标准的4-20mA标准信号输出,并对数据进行非线性和温度漂移补偿。
进一步,在本实施例中,本发明的控制组件3采用无线数据传输方式,通过无线数据传输组件11与上位机、服务器7以及客户端9进行数据传输和交互,这就避免了在变电站中增加额外的电缆,不仅降低了成本而且增加了可靠性。该无线数据传输组件11包括Zigbee无线网络4、GPRS无线网络6以及Internet网络8三部分,氢敏芯片10作为氢气传感器终端采用Zigbee无线网络4的形式和上位机通信,然后上位机通过GPRS无线网络6中的GPRS发送模块、及Zigbee转GPRS网关5、将Zigbee无线网络4中Zigbee模块接收到的氢气浓度信号以GPRS无线方式发送给服务器7,服务器7最终通过Internet网络8与客户端9连接。客户即可以在任何有Internet的地方实时获取变压器的健康状况。
本发明所采用Zigbee模块传输距离可达1.6km,因此可以将Zigbee转GPRS网关5放置在变电站控制室内有GPRS无线网络6的地方。
基于上述结构,控制组件3的运算结果将分为四路:第一路做DA转换,并最终转换为4~20mA电流输出;第二路供液晶屏实时显示油中氢气浓度值;第三路通过Zigbee无线网路4以无线形式发送出去;第四路传输给SD卡将数据存储起来,其作用是为了万一外部通信出现问题还可以查找历史数据;
进一步,本实施例中,CPU处理单元还包括一报警单元,通过预设值进行报警算法处理,其结果控制报警继电器的通断。
由于Pd电阻(或电容)不仅对氢气浓度敏感,而且对温度也敏感,为了减小温度对测试结果的影响,本实施例中,氢敏芯片10上除了具有氢敏元件外,进一步在氢敏芯片10上还包含用于控温的加热电阻和对温度敏感的测温电阻,通过数字电路精确的控制,可以将芯片温度控制在需要的温度值下,这样氢敏芯片10的输出基本不受环境温度影响。也就是说,控制组件3通过对加热电阻的控制和测温电阻的反馈将芯片温度控制在一个恒定的值,尽量减小氢敏元件因芯片所处环境温度变化所导致的输出偏差。
在具体应用实例中,氢敏芯片10封装在探头2上,探头2上具有氢敏芯片10的一端伸入变压器油中,另一端通过螺纹方式和控制组件3的外壳相连。探头2内部装有密封接头,即可以防止漏油又能保证氢敏芯片10和控制组件3的连接,探头2的外部通过密封转接头和变压器连接保证变压器油不会泄露。
在具体应用实例中,控制组件3在调试完成之后,可以通过螺钉固定在铝合金外壳内,供电和4~20mA输出采用密封电连接器,满足防水要求。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,其特征在于,包括:
氢敏芯片(10),包括氢敏元件,该氢敏元件为基于Pd-Cr薄膜的氢敏传感器;
控制组件(3),用来将氢敏芯片(10)在量程内的物理性质变化转化为信号输出。
2.根据权利要求1所述的基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,其特征在于,所述控制组件(3)采用无线数据传输方式,通过无线数据传输组件(11)与上位机、服务器(7)以及客户端(9)进行数据传输和交互。
3.根据权利要求2所述的基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,其特征在于,所述无线数据传输组件(11)包括Zigbee无线网络(4)、GPRS无线网络(6)以及Internet网络(8),所述氢敏芯片(10)通过Zigbee无线网络(4)与上位机通信,所述上位机通过GPRS无线网络(6)中的GPRS发送模块、及Zigbee转GPRS网关(5)、将Zigbee无线网络(4)中Zigbee模块接收到的氢气浓度信号以GPRS无线方式发送给服务器(7),所述服务器(7)最终通过Internet网络(8)与客户端(9)连接。
4.根据权利要求3所述的基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,其特征在于,所述Zigbee转GPRS网关(5)放置在变电站控制室内覆盖有GPRS无线网络(6)的位置处。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,其特征在于,所述控制组件(3)包括滤波放大单元、AD采样单元和CPU处理单元,通过所述滤波放大单元先将氢敏芯片(10)的输出电压进行滤波放大,然后通过AD采样单元进行AD采样;经AD采样后的数据传输到CPU处理单元进行运算处理。
6.根据权利要求5所述的基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,其特征在于,所述CPU处理单元还包括一报警单元,通过预设值进行报警算法处理,其结果控制报警继电器的通断。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,其特征在于,所述氢敏芯片(10)还包含用于控温的加热电阻和对温度敏感的测温电阻,用于将氢敏芯片(10)的温度控制在一定温度值下。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,其特征在于,所述氢敏芯片(10)封装在探头(2)上,所述探头(2)上具有氢敏芯片(10)的一端伸入变压器油中,另一端通过螺纹方式和控制组件(3)的外壳相连。
9.根据权利要求8所述的基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,其特征在于,所述探头(2)内部装有密封接头。
10.根据权利要求8所述的基于薄膜技术的电力变压器油中氢气在线监测系统,其特征在于,所述控制组件(3)在调试完成之后通过螺钉固定在金属外壳内,供电和输出采用密封电连接器。
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