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CN107966217B - 浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置 - Google Patents

浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置 Download PDF

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CN107966217B CN201711193223.4A CN201711193223A CN107966217B CN 107966217 B CN107966217 B CN 107966217B CN 201711193223 A CN201711193223 A CN 201711193223A CN 107966217 B CN107966217 B CN 107966217B
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Abstract

本发明公开了一种浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，包括用于测温和测量氢气浓度的敏感芯片，敏感芯片通过信号传输引线将信号传输给控制模块，控制模块将数据进行处理并通过显示单元显示测量结果。本发明的浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，克服了传统油色谱体积大、成本高的缺点，具有灵敏度高、稳定性好、精度高、抗干扰性强等优点。不需要控温传感芯体，通过温度补偿，消除工作中变压器油温变化对测氢单元的干扰，可同时实现油温及油中氢气浓度两种参量的测量。

Description

浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置
技术领域
本发明涉及一种测量装置，具体涉及一种浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，属于传感测量设备技术领域。
背景技术
当前，随着工业的发展和人民生活水平的提高，对电力的依赖越来越强，同时也就对电力供应的可靠性提出了更高的要求，变压器是发电厂和变电站的主要设备之一，一旦出现故障，都可能造成电力供应系统局部瘫痪，甚至造成停电事故。因此变压器的运行状态监测是预防突发性断电，提高供电可靠性的一项重要工作。
油浸式变压器是广泛应用的一类变压器，该类变压器工作中，由于局部过热、局部放电或电弧放电等问题，会导致变压器内绝缘材料和变压器油发生老化分解，产生H2、CO、CO2、CH4、C2H6等气体，研究发现：变压器内部出现问题，大多情况下变压器油中都会出现氢气浓度增长，因此可以通过监测变压器油中氢气来预警变压器故障隐患。
在油浸式变压器中，变压器油主要起到绝缘、散热及消弧作用，在变压器工作中，由于发热，变压器油温会升高，升高的幅度与变压器工作状态及环境状态密切相关，最高可能会达到近百度，在油温存在明显温度波动情况下，氢气传感器想要实现控温基本不可能，因此在变压器工作中，专利CN 105116024A和CN 104749223A提出的需要控温的氢气监测设备基本是不可用的。
在我国电力行业标准DL/T 572-2010《电力变压器运行规程》中对变压器顶层油温提出了一般运行温度要求及极限温度要求，因此变压器运行中，非常有必要进行油温的监测。另外变压器工作中存在较大电磁辐射，因此传感器必须具备较强电磁屏蔽能力，这些都是专利CN 105116024 A和CN 104749223 A中提出的设备所难于满足的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可直接浸入变压器油中，同时测量变压器油温度和油中溶解氢气浓度的浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置。
为了解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，包括用于测温和测量氢气浓度的敏感芯片，敏感芯片通过信号传输引线将信号传输给控制模块，控制模块将数据进行处理并通过显示单元显示测量结果。
更进一步的方案是：
所述浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，还包括一个屏蔽壳体，屏蔽壳体包括依次相连的多孔保护帽、探头屏蔽管和控制模块屏蔽壳，敏感芯片和信号传输引线设置在探头屏蔽管内，敏感芯片前方设置有多孔保护帽，控制模块外部设置有控制模块屏蔽壳。
更进一步的方案是：
所述敏感芯片，包括基底、位于基底上方的用于监测氢气浓度的氢气测量单元、用于测量温度的温度测量单元及用于信号连接引出的连接单元，且在所述温度测量单元表面设有测温保护层，所述氢气测量单元表面具有选择性渗透保护层。基底上设置有一层绝缘层，绝缘层位于基底与氢气测量单元、温度测量单元及连接单元之间。
所述氢气测量单元包括测氢敏感层、选择性渗透保护层，选择性渗透保护层位于测氢敏感层上方，覆盖了测氢敏感层。
所述温度测量单元包含测温保护层和测温敏感层，测温保护层位于测温敏感层上方，覆盖住测温敏感层。
所述基底为硅或陶瓷。
所述绝缘层为二氧化硅或氮化硅或两者的复合体。
所述测氢敏感层为钯-镍，钯-银、钯-金或钯-铬合金材料；选择性渗透保护层为二氧化硅。
所述测温敏感层为为铂、镍或铜；测温保护层为氮化硅或碳化硅。
更进一步的方案是：
所述测温敏感层的电阻在不同温度下具有不同数值，通过测量测温层电阻值体现变压器油温度。
更进一步的方案是：
所述电阻测量采用四线电阻测量方法，以消除信号传输引线电阻对测量的影响。
更进一步的方案是：
所述信号传输引线优选使用柔性扁平电缆排线。
更进一步的方案是：
所述控制模块包括信号放大与调理单元、AD转换单元、电源管理单元、MCU单元、显示单元、传输单元、报警单元及存储单元，敏感芯片输出的信号通过信号放大与调理单元进行放大、滤波后，通过AD转换单元转换为数字信号，MCU单元将AD转换单元输出数字信号进行采集处理，通过补偿和校正，转换为变压器油温及油中氢气浓度数值，并可以将数值传输到显示单元进行显示，或者将数值通过传输单元传输给上位机，或者在数据出现异常时通过报警单元输出报警信号，或者将数据保存至存储单元中。
更进一步的方案是：
通过传输单元传输给上位机，是利用无线数据传输方式。
更进一步的方案是：
所述无线数据传输方式包括GPRS网络、Zigbee网络、Bluetooth网络、Wifi网络。
更进一步的方案是：
所述电源模块采用电池供电和/或外接电源供电。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，克服了传统油色谱体积大、成本高的缺点，具有灵敏度高、稳定性好、精度高、抗干扰性强等优点。
2、本发明的浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，采用不需要控温传感芯体，通过温度补偿，消除工作中变压器油温变化对测氢单元的干扰，可同时实现油温及油中氢气浓度两种参量的测量。
3、本发明的浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，不需要温控电路，可大大降低工作式功耗，可使用电池进行供电。
4、本发明的浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，采用了电磁屏蔽技术，能屏蔽变压器工作中产生的电磁干扰，有效实现油温及油中氢气浓度两种参量的测量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明敏感芯片结构示意图。
图3为本发明敏感芯片的A-A截面示意图。
图4为本发明敏感芯片的B-B截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
首先对本发明的敏感芯片进行说明。
如图2～3所示，一种敏感芯片6，包括基底1，设置在基底1上的测量氢气浓度的氢气测量单元3、用于温度测量的温度测量单元2及用于信号引出的连接单元4。
本例中，基底有基底1及设在基底表面的绝缘层5构成,。
本例中，温度测量单元有测温层2a及用于物理隔离保护测温层的保护层2b构成。
本例中，氢气测量单元由氢敏感层3a及能选择性透氢且又能保护氢敏感层的选择性透氢保护层3b构成。
本例中，制作基底1的材料为硅，基底上的绝缘层5材料为氮化硅。
本例用，测温层2a的材料为Pt，在测温层2a下，测温层的保护层2b材料为氮化硅。
本例中，氢敏感层3a的材料为Pd-Ni合金，Pd与Ni比例为90:10，选择性透氢保护层材料为SiO2。
在对敏感芯片进行了充分说明的基础上，对本发明的浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置进行更具体的说明。
如附图1所示，浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，包括：
敏感芯片6，包括测温层和氢敏感层。测温层的电阻在不同温度下具有不同数值，变压器油温可通过测量测温层电阻值体现出来；如果油中溶有氢气，氢气分子会透过氢敏感层表面的选择性透过层，与氢敏感层发生作用，引起氢敏感层的电阻(或电容)发生变化，因此油中氢气浓度的变化可通过氢敏感层电性质的变化表现出来。
所述控制模块8，包括信号放大与调理单元81、AD转换单元82、电源管理单元83、MCU单元84、显示单元85、传输单元86、报警单元87及存储单元88。根据敏感芯片6的特性，控制模块8通过信号传输引线7给敏感芯片6施加工作驱动电源，再利用信号放大与调理单元81对敏感芯片6反馈的电信号进行滤波、放大、调理，得到的模拟信号通过AD转换单元82转换为数字信号后传输给MCU单元84进行运算处理，包括数值转换和温度补偿。
MCU单元84将结果与预设报警值进行比较，如果达到报警限，则通过报警单元87输出报警信号。
MCU单元84将结果通过显示单元85显示于显示屏上。
MCU单元84通过传输单元86和通讯天线将结果传输至上位计算机。
在通讯不畅时，MCU单元84将结果通过存储单元88进行存储，推荐使用TF存储卡，待通讯恢复时，在从存储单元中读出并发送至上位计算机。
信号传输引线7为耐老化性好的PI基柔性排线。
屏蔽壳体9由多孔保护帽91、探头屏蔽管92及述控制模块屏蔽壳93构成，多孔保护帽91为多孔烧结不锈钢材料，主要作用是屏蔽和保护敏感芯片6，变压器油可通过多孔保护帽91扩散至敏感芯片6。
浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置的敏感芯片6及信号传输引线7通过电子灌封胶灌封固定于探头屏蔽管92中。
浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置通过连接螺帽和密封组件与变压器连接，从而完成温度和氢气含量的测量。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (8)

1.一种浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，其特征在于：包括用于测温和测量氢气浓度的敏感芯片，敏感芯片通过信号传输引线将信号传输给控制模块，控制模块将数据进行处理并通过显示单元显示测量结果；
所述敏感芯片，包括基底、位于基底上方的用于监测氢气浓度的氢气测量单元、用于测量温度的温度测量单元及用于信号连接引出的连接单元，且在所述温度测量单元表面设有测温保护层，所述氢气测量单元表面具有选择性渗透保护层；基底上设置有一层绝缘层，绝缘层位于基底与氢气测量单元、温度测量单元及连接单元之间；
所述氢气测量单元包括测氢敏感层、选择性渗透保护层，选择性渗透保护层位于测氢敏感层上方，覆盖了测氢敏感层；
所述温度测量单元包含测温保护层和测温敏感层，测温保护层位于测温敏感层上方，覆盖住测温敏感层；
所述控制模块包括信号放大与调理单元、AD转换单元、电源管理单元、MCU单元、显示单元、传输单元、报警单元及存储单元，敏感芯片输出的信号通过信号放大与调理单元进行放大、滤波后，通过AD转换单元转换为数字信号，MCU单元将AD转换单元输出数字信号进行采集处理，通过补偿和校正，转换为变压器油温及油中氢气浓度数值，并可以将数值传输到显示单元进行显示，或者将数值通过传输单元传输给上位机，或者在数据出现异常时通过报警单元输出报警信号，或者将数据保存至存储单元中。
2.根据权利要求1所述浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，其特征在于：
所述浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，还包括一个屏蔽壳体，屏蔽壳体包括依次相连的多孔保护帽、探头屏蔽管和控制模块屏蔽壳，敏感芯片和信号传输引线设置在探头屏蔽管内，敏感芯片前方设置有多孔保护帽，控制模块外部设置有控制模块屏蔽壳。
3.根据权利要求1所述浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，其特征在于：
所述测温敏感层的电阻在不同温度下具有不同数值，通过测量温敏单元电阻值体现变压器油温度。
4.根据权利要求3所述浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，其特征在于：
所述电阻的测量采用四线电阻测量方法，以消除信号传输引线电阻对测量的影响。
5.根据权利要求1所述浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，其特征在于：
所述信号传输引线优选使用柔性扁平电缆排线。
6.根据权利要求1所述浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，其特征在于：
通过传输单元传输给上位机，是利用无线数据传输方式。
7.根据权利要求6所述浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，其特征在于：
所述无线数据传输方式包括GPRS网络、Zigbee网络、Bluetooth网络、Wifi网络。
8.根据权利要求1所述浸入式变压器油温度及溶解氢气浓度传感测量装置，其特征在于：
所述电源模块采用电池供电和/或外接电源供电。
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