摘要：针对变压器油中溶解气体在线监测装置，常规取油样-油气分离-气体检测的模式存在操作繁琐、检测环节多、检测误差大、试验周期长等缺点。为此提出基于光纤布喇格光栅的油中溶解氢气传感器和检测方案。为了提高光纤光栅氢气传感的灵敏度，通过侧边抛磨增敏设计，采用轮式抛磨法对布喇格栅区的光纤进行抛磨，使用磁控溅射的方法在光纤表面溅射氢敏钯膜材料，制备侧边抛磨深度为20μm的光纤光栅氢气传感器。在实验室搭建油中氢气传感测试平台，开展多次溶解氢气传感灵敏度和重复性试验，测试灵敏度达到0.477μL/L，具有较高的重复性，可以满足实际变压器油中溶解氢气的传感需求。基于侧边抛磨的光纤布喇格光栅油中氢气传感器实现了变压器油中溶解气体的直接测量，为油中溶解氢气在线监测提供了一种传感思路和技术手段。
关键词：电力变压器 油中溶解气体 传感测试 油气分离 灵敏度
0 引言
测量绝缘油中的溶解气体成分和含量是监测充油电力装备运行状态的最有效的措施之一[1]。变压器油中溶解气体分析（Dissolved Gas Analysis, DGA）技术，可通过检测气体的组成及其含量判断变压器内部有无异常情况，进一步诊断故障类型、严重程度和发展趋势，对实现变压器早期故障检测和不停电检修都具有非常重要的指导作用。当变压器出现低能量故障（如局部放电或过热）时，主要产生气体为氢气，这是由于键能较弱的C-H键（338kJ/mol）在低能量故障时就容易发生断裂，其中，大部分氢离子会重新化合，得到悬浮态或溶解态氢气。在电力变压器发生早期故障时，主要以微弱的局部放电和局部热点现象为主，这种早期故障可通过监测油中溶解氢气来实现[2]。
检测油中溶解气体的气相色谱法，从取油样—油气分离—色谱分析的全过程来看，存在分析环节多、操作繁琐、试验周期长等缺点，试验误差也较大[3]。此外，使用净化空气、氮气等作载气，增加了系统的复杂性和现场维护工作量[4,5]。
基于各种物理化学传感原理的气体监测方法包括半导体传感器、热导检测传感器、氢离子火焰传感器、钯栅场效应管传感器、催化燃烧型传感器、燃料电池传感器等。若长期运行，传感器性能会缓慢发生变化，因此有必要进行定期校准或替换，这增加了在线监测装置的经济成本。另外，这类传感器电磁兼容性能差，运行易受电磁干扰及环境破坏的影响，会造成远程监测中心数据与站端数据不匹配的现象。
由于光学传感技术具有本质安全、抗电磁干扰、无需载气标气、非接触测量、免标定、免维护等优势[6]，基于光声光谱和红外光谱吸收原理的监测手段成为在线油色谱技术的热点[7,8]。但是这种光学方法对光源、检测气室等要求非常高，造价昂贵，限制了其推广应用。并且，该方法均需要气池，没有摆脱油气分离的环节。
反射型、周期性的光纤布喇格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）是一种使用较为广泛的光纤光栅传感器[6,9]。光纤布喇格光栅的基本原理是利用波长调制，由于光源输出功率、探测器失准、光纤弯折损耗和连接器损耗等因素造成的光强变化都不会对测量产生影响。波长调制利用不同的中心波长分布实现波分复用，可在同一根光纤上刻蚀多个光纤布喇格光栅，达到准分布式测量和故障定位效果。常用光纤和光栅非常纤细，便于预埋在变压器内进行近距离的含量和温度测量，有助于保证测量准确度[10]。基于光纤布喇格光栅的氢气传感器已经应用于氢气含量的检测和预警[11-14]，但是检测精度不高，远不能满足油中溶解氢气检测的实际需求[15]。
为了实现高灵敏度的变压器油中溶解氢气检测，本文基于光纤光栅基本原理，设计了光纤布喇格光栅溶解氢传感方案，建立了侧边抛磨光纤的传感模型并对比分析了轴向形变和弯曲形变的灵敏度差异。在此基础上制作了侧边抛磨光纤光栅传感器并研制了高灵敏度光纤光栅油中溶解氢气传感器样机，通过相关试验研究，实现了变压器油中溶解氢气的直接测量，为变压器油中溶解氢气监测提供了一种技术手段。
1 光纤布喇格溶解氢气传感方案设计
将油中溶解氢气测量传感器和油温测量传感器安装在电力变压器箱体内部，利用光纤通信把布置在不同位置处的光纤光栅传感器连接到波长解调设备，波长解调设备一般可放置于地理位置较近的变电站内。其中，波长解调设备中会配置宽带光源，涵盖所有安装的光纤光栅中心波长范围。用于电力变压器油中溶解氢气检测的常规油色谱法和基于FBG传感方法的对比示意图如图1所示。氢气传感器用于检测氢气含量，参考光纤光栅用于补偿温度的影响，均固定在变压器内部某个位置（建议安装在易发生故障的重点监测区域）。通过光纤将光信号传送至解调仪，经解调仪解调光信号得到两传感器的波长。波长值通过数据连接线传送并储存到计算机终端，可采用扬声器等作为执行机构发出报警信号。
图1 常规油色谱在线监测方法与基于FBG传感方法对比示意图
Fig.1 Comparison of conventional DGA technique and FBG-based sensing technique
以变压器油中溶解氢气的监测为例，图2为油中溶解氢气监测与预警工作流程，由解调仪传输到计算机终端的波长值经过处理得到去除环境温度影响的波长变化量。通过波长变化量与油中溶解氢气含量的关系可得出此时油中溶解氢气的含量，并将其与设定值相比较。当氢气含量高于设定值时，由计算机终端控制执行机构发出报警信号，提醒值班人员及时排除解决故障。
图2 基于FBG的油中溶解氢气检测系统工作流程
Fig.2 Detection procedure of FBG-based dissolved hydrogen analysis
光纤布喇格光栅溶解气体测量和温度测量系统在变压器内只有无源的光纤布喇格光栅传感器，不需要提供电源或取能。波长解调设备中的宽带光源发出光信号，在各布喇格光栅处发生透射和反射，其中中心波长处的光信号被折返到波长解调装置中，获得的波长数据可被转换成温度或气体含量信息，实现变压器内部参量的远程监测。针对载气、油气分离等环节，常规油色谱监测方法和基于FBG传感方法的对比见表1。
表1 常规油色谱在线监测方法与基于FBG传感方法对比
Tab.1 Comparison of conventional gas chromatography and FBG-based sensing method in oil
所采用的光纤光栅传感器体积小巧，因此可直接内置于变压器油室内部，与变压器油直接接触。常规变压器油中溶解气体检测手段要求油气分离，至少需要几个小时甚至几天的时间才能使得气室内的气体与油中气体达到平衡。文中的光纤光栅氢气传感器直接放置在变压器油中，能够实时监测变压器油中的溶解氢气含量，及时有效地发现故障，防止故障进一步发展。
2 FBG传感器制备与建模
2.1 基本原理
光纤布喇格波长变化与温度、应变两个因素有关，关系式为[16]
式中，Pe为光纤布喇格光栅弹光系数；α 为光纤布喇格光栅热膨胀系数；ζ 为光纤布喇格光栅的热光系数；TΔ为温度变化量；εΔ为应变变化量；Bλ为布喇格中心波长；BλΔ为中心波长的偏移量。对于光纤布喇格光栅来说，一旦确定了光纤的材料，上述三个参数Pe、α、ζ 就为确定的常数，从理论层面保证了光纤布喇格光栅的线性输出。光纤布喇格光栅的中心波长偏移受控于环境温度和外力引起的应变，这两个因素相互独立而且可线性叠加。对于理想的光纤布喇格光栅应变传感模型，如果温度保持恒定，代入典型的弹光系数等参数，对应的布喇格波长偏移量BλΔ与轴向的应变ε呈线性关系，即
纯金属钯物理化学性质稳定，很难在常温下被氧化，与环境中的氢气发生可逆的反应，呈现特殊的活性。金属钯对氢气的吸收能力非常强，单位体积的金属钯可吸收900倍体积的氢气。因此，在传感器制备的过程中，本文选择金属钯作为传感材料。当环境中的氢含量较低时，钯与氢气生成固溶相；若环境中的氢含量较高时，钯与氢气生成氢化物。在生成固溶相的过程中，氢气分子被钯俘获分解成氢原子，氢原子进入到钯原子间形成固溶相[17,18]，导致金属钯的原子间距增加，体积增大，相当于对钯金属施加了内部的应力。因此，当涂覆有金属钯膜的FBG传感器置于氢环境中，外界氢含量的变化导致栅区所受应力变化，进而导致其中心波长的偏移，通过建立布喇格光栅中心波长偏移量与待测氢气含量的关系反演得到油中溶解氢气的含量。
通过安装相同工艺的FBG传感器，标定FBG温度传感器和油中溶解氢气传感器的灵敏度系数，利用温度系数可以消除温度对氢气传感的影响。此外，为了避免变压器油中温度分布不均对测试结果的影响，在传感器布置的过程中，FBG温度传感器与氢气传感器位置接近。
为了提高吸氢后应变的灵敏程度，本文提出了一种侧边抛磨FBG传感模式，如图3c所示。吸氢后，布喇格光栅发生弯曲应变代替轴向应变。在相同氢气环境中，会得到更大的应变量，对应产生更多的波长偏移量。
图3 侧边抛磨FBG的传感模型
Fig.3 Sensing model of side polishing FBG
为了能够达到弯曲应变的效果，一般采用侧边抛磨光纤的方法。通过侧边抛磨后，对应的光纤厚度减小，相对于未抛磨处理的普通光纤，氢敏传感膜离纤芯距离更近，有利于将吸氢膨胀的应变传递至布喇格栅区。
2.2 传感器制备
在制备侧边抛磨布喇格光栅过程中，首先利用轮式抛磨法对布喇格栅区的光纤进行抛磨[19]。抛磨完成后，采用磁控溅射方法在光纤表面溅射氢敏钯膜材料。为了能够实现弯曲形变，需要保证仅在抛磨面上溅射钯膜材料。在抛磨工艺完成后，将FBG的抛磨面向上布置，并采用紫外胶固定侧边抛磨面的两侧，便于磁控溅射镀膜工艺的定向控制。在磁控溅射镀膜时，采用中间挖去同栅区等长、略宽的纸片遮挡，以保证在磁控溅射镀膜时不会溅射到栅区外的部位，并且尽量少地溅射到侧边抛磨FBG的侧面。侧边抛磨FBG布置示意图如图4所示。最终，制备得到的侧边抛磨光纤光栅传感器如图5所示。
图4 侧边抛磨FBG布置示意图
Fig.4 Arrangement of side polishing FBG
图5 侧边抛磨光纤光栅传感器结构
Fig.5 Structure of side polishing FBG
该传感器以侧边抛磨FBG为基底，抛磨后的FBG呈现D形。显微镜下观察抛磨后的FBG如图5右上方所示，两条明显黑线之间的光亮部位即是抛磨后的平面。在该平面上采用磁控溅射的方式制备钛膜作为连接层增加光纤及氢敏薄膜的粘附力，使氢敏薄膜膨胀产生应力更好地耦合到光纤上。钯银合金及纯钯膜作为氢敏薄膜，银元素的加入可以抑制相变，进而改善氢敏薄膜的脆性，并增加传感器的机械强度，同时延长膜的使用寿命。此外，银元素的加入，能引起晶格的膨胀，增加渗氢速率，提高传感器的灵敏度。最外层的纯钯膜可以有效催化氢分子分解为氢原子从而更好地渗透入氢敏薄膜中，并且纯钯膜可以有效防止钯银合金薄膜中银的氧化，提高传感器的使用寿命。
3 FBG传感器性能测试
3.1 测试平台
为了测试FBG传感器的性能，在实验室搭建了变压器油试验平台，结构示意图如图6所示，油试验平台中的进气采用氮气和氢气流量计控制不同配比，得到不同含量氢气的混合气体。
图6 油试验平台布置示意图
Fig.6 Diagram of experiment setup in transform er oil
油试验平台为在气相试验平台的基础上，将气室改造为变压器油容器，并采用曝气管向变压器油中通入一定氢气含量的氮-氢混合气体。曝气管作为气体的通道将混合气体以弥散的小气泡的形式通入到变压器油中，而变压器油不会流入气管中，并且弥散的小气泡增加了气泡与变压器油的接触面积，有利于气体更好地溶解于变压器油中。变压器油容器置于导热油中，采用导热油油浴加热，导热油不仅导热速率快而且有利于均匀加热。而加热棒、热电偶及温控仪等用于方便、精准地控制油温，模拟变压器的不同运行温度和工况。
3.2 测试结果
设定油温为60℃，待温度稳定后，首先向变压器油中通入氮气30min。随后待每次波长变化量稳定后分别向变压器油中通入氢气含量为0.2%～0.9%的氮-氢混合气体。待每次波长变化量稳定后，取油样分析变压器油中溶解气体的油色谱。在不同溶解氢气含量下侧边抛磨和普通光纤光栅传感器的波长变化量如图7所示。
侧边抛磨光纤传感器的拟合方程为
式中，B1λΔ为波长变化量（pm）；H2c为油中溶解氢气含量（μL/L）。
从图7中可以看出，当油中溶解氢气含量为750μL/L时，该传感器的波长变化量为330pm。从测试结果来看，以解调设备1pm分辨率为基准，得出当前传感器的分辨率约为2.1μL/L（拟合复相关系数R2=0.977），较普通光纤布喇格传感器提高约11倍。
图7 侧边抛磨和普通光纤光栅传感器的灵敏度对比
Fig.7 Sensitivity comparison of side polishing FBG and standard FBG
为了考核氢气FBG传感器受温度变化的影响，将氢气FBG传感器与温度FBG传感器的波长偏移量作差并进行简单平滑滤波处理，差值分布如图8所示。在恒温控制箱中对温度补偿FBG传感器和氢气FBG传感器进行温度标定，设定升温速度为2/min℃，每个温度点设置为30min，温度补偿FBG传感器和氢气FBG传感器在不同温度下的波长偏移量如图8所示。
图8 不同温度下温度补偿FBG传感器和氢气FBG传感器的波长偏移量差值
Fig.8 Wavelength shift difference of temperature compensation FBG and hydrogen FBG at different temperatures
在温度变化的过程中，传感器的波长偏移量差值较大，这是因为氢气FBG传感器表面涂覆有金属钯膜，与未经处理的温度FBG传感器相比，热传导性能较好，对温度变化的响应速度更快；在不同温度阶梯中，达到恒温后（如图8中的虚线方框所示），两个传感器的波长偏移量差值控制在±2pm范围内（图8中横向虚线所示）。
考虑到实际运行的变压器油温不会发生剧变，因此，所研制的氢气FBG传感器能够有效地应用于实际变压器油中溶解氢气的监测。按照文中所提到的0.477μL/L灵敏度换算，温度测量误差导致氢气传感器的测量偏差不高于4.2μL/L。
通过分析图7中侧边抛磨光纤光栅传感器的数据，得到文中侧边抛磨光纤布喇格光栅氢气传感器的综合测量误差可以基本控制在10%范围以内。根据IEEE[20]、电力行业[21]和国家电网公司[22]的相关标准，电力变压器的油中溶解氢气含量注意值为150μL/L，少组分在线监测装置的氢气最低检测限为5μL/L，测量误差要求为5μL/L或测量值的±30%（取其大者），因此所研制光纤光栅氢气传感器达到了相关的工程监测指标，有望服务于变压器油中溶解氢气的在线监测。
4 结论
本文提出一种基于侧边抛磨光纤布喇格光栅的高灵敏度油中溶解氢气传感方法，研制了侧边抛磨深度20μm的光纤布喇格氢气传感器。在实验室搭建了油中溶解氢气传感测试平台，验证了侧边抛磨和弯曲形变的高灵敏度，得到所研制的传感器灵敏度达到0.477μL/L，实验结果具有较高的重复性，可以满足实际变压器油中溶解氢气的传感需求。
基于侧边抛磨的光纤布喇格光栅油中氢气传感器实现了变压器油中溶解气体的直接测量，彻底避免了油气分离环节，摆脱了对标气和载气的依赖，为变压器油中溶解氢气在线监测提供了一种传感思路和技术手段。
