在線監(jiān)測(cè)是狀態(tài)維修的重要組成部分。長(zhǎng)期以來，變壓器油中氣體在線監(jiān)測(cè)的重要性和必要性在電力系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)人員中形成共識(shí)。應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)設(shè)備的自身故障較多，其中，傳感器和測(cè)量單元占了較大的比例；另外，用戶在選用在線監(jiān)測(cè)裝置時(shí)，往往忽視了有些監(jiān)測(cè)裝置本身固有的維護(hù)量要求。
　　燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)直接把化學(xué)能（氣體或液體燃料）轉(zhuǎn)換成電能，而無需通過熱能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換裝置。其主要特點(diǎn)是節(jié)能和環(huán)保。
　　燃料電池氣體傳感器通過檢測(cè)燃料電池兩電極之間的電流信號(hào)（電流強(qiáng)度與氣體濃度成正比）監(jiān)測(cè)變壓器油中氣體的變化。燃料電池氣體傳感器成功應(yīng)用于變壓器油中氣體在線監(jiān)測(cè)已有近３０年的歷史，但由于傳感技術(shù)的瓶頸，效果一直不理想。2003年，深圳市奧特迅?jìng)鞲屑夹g(shù)有限公司自主開發(fā)了具有*水平的復(fù)合型燃料電池氣體傳感器，在隨后的幾年中又陸續(xù)開發(fā)了*的選擇性氫氣和乙炔燃料電池氣體傳感器，使變壓器油中氣體在線監(jiān)測(cè)裝置的低維護(hù)、高可靠性得以實(shí)現(xiàn)。

１　一般燃料電池傳感器的特點(diǎn)及存在的問題
１.１　特點(diǎn)
（１）能監(jiān)測(cè)與變壓器故障有關(guān)的特征組分，即氫氣、一氧化碳、乙炔和乙烯（這幾種組分的增長(zhǎng)幾乎伴隨著所有的故障機(jī)理）；原理及構(gòu)件簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，無消耗材料（消耗材料是空氣中的氧氣），無易損件。
（２）對(duì)氣體靈敏度高，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)測(cè)定范圍大，重復(fù)性好。

１.２　存在的問題
　　燃料電池型油中氣體在線監(jiān)測(cè)裝置是*范圍內(nèi)用戶zui廣、使用數(shù)量zui多的在線監(jiān)測(cè)裝置（近３萬套安裝使用），有許多成功的案例，獲得了廣泛認(rèn)可。但市場(chǎng)上常用的燃料電池型油中氣體在線監(jiān)測(cè)裝置由于受到當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制，也出現(xiàn)了一些問題。在傳感器方面問題主要表現(xiàn)在：
（１）油氣分離膜破損導(dǎo)致傳感器失靈。據(jù)統(tǒng)計(jì)，原有的傳感器在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中失靈的約80％是由于油氣分離膜不耐負(fù)壓受損而造成的，目前國(guó)內(nèi)一些裝置退出運(yùn)行也主要是由于這原因。由于任何油中氣體在線監(jiān)測(cè)都離不開油氣分離，膜的變形或破損實(shí)際上存在于所有使用膜分離技術(shù)的在線監(jiān)測(cè)裝置中。
（２）監(jiān)測(cè)儀誤報(bào)警。電力系統(tǒng)習(xí)慣于將電力設(shè)備修試規(guī)程中的油中溶解氣體注意值設(shè)定為監(jiān)測(cè)儀的報(bào)警值，例如氫氣（H2）的注意值為150µL/L。但由于早期的燃料電池型油中氣體在線監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)的是復(fù)合（混合）氣體信號(hào)，變壓器油中一氧化碳（CO）的相對(duì)靈敏度較高，因此即使H2含量很低，在變壓器油中存在高濃度CO的情況下，監(jiān)測(cè)儀的讀書仍有可能超過報(bào)警值。

２　新型燃料電池氣體傳感器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
　　圖１是新型一體化燃料電池氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。它主要由傳感器外殼、油氣分離膜、微型燃料電池、溫度傳感器（未標(biāo)出）、傳感器蓋及傳感器信號(hào)輸出接頭等組成。這里的一體化機(jī)構(gòu)是指油氣分離（油氣分離膜）、氣體檢測(cè)（燃料電池）、溫度補(bǔ)償為一體的物理集成，可直接安裝于單個(gè)變壓器閥門上。不同型號(hào)傳感器檢測(cè)氣體的差別在于油氣分離膜和燃料電池電極不同的化學(xué)性能。

圖１　一體化燃料電池氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

　　一體化燃料電池氣體傳感器zui突出的特點(diǎn)是油氣分離、氣體檢測(cè)和溫度補(bǔ)償*是自發(fā)進(jìn)行，無需外界干預(yù)和激發(fā)，整體來說屬于無源器件。其原理是：油中溶解氣體在油氣分離膜兩側(cè)分壓的作用下自動(dòng)滲透；透過膜后的氣體分子直接在一體化氣體傳感器電極上轉(zhuǎn)換為電信號(hào)、電信號(hào)經(jīng)微處理器換算出氣體濃度及其變化趨勢(shì)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地傳送到監(jiān)測(cè)終端。它便于對(duì)所有被監(jiān)測(cè)的變壓器進(jìn)行集中在線監(jiān)測(cè)。如變壓器在運(yùn)行中有異常，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量故障氣體的濃度或其變化趨勢(shì)超過設(shè)定的注意值時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)警報(bào)，使運(yùn)行、檢修人員能及時(shí)掌握變壓器的狀況并采取相應(yīng)措施。

３　新型燃料電池氣體傳感技術(shù)在在線監(jiān)測(cè)裝置中的應(yīng)用
３.１　可靠性的提高
　　新型復(fù)合式油氣分離膜的開發(fā)成功克服了過去油氣分離膜不能耐真空負(fù)壓的技術(shù)難關(guān)，極大地提高了氣體傳感器的可靠性。圖２是復(fù)合式油氣分離膜示意圖。高分子膜本體分離如PTFE與多孔金屬燒結(jié)片在多孔粘接劑的作用下經(jīng)300~400℃高溫?zé)Y(jié)成一個(gè)復(fù)合式油氣分離膜。高透氣性的粘結(jié)層的透氣率比高分子膜的透氣率高2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，基本不影響整體透氣速率。它既保留了本體高分子膜的透氣性能，又具備了金屬材料的機(jī)械性能。

圖２　復(fù)合式油氣分離膜結(jié)構(gòu)示意圖

　　從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況來看，還沒有發(fā)現(xiàn)因復(fù)合式油氣分離膜破損造成的傳感器故障。新型燃料電池氣體傳感器*的自我測(cè)試和診斷能力是高可靠性的另一個(gè)有利因素，它充分利用了燃料電池原理上的特性，采用類似于電容器的充放電試驗(yàn)，即給傳感器兩極反向接通一定時(shí)間直流電源，同時(shí)檢測(cè)傳感器的響應(yīng)。圖３是兩個(gè)使用中KG2100A型傳感器的自我測(cè)試響應(yīng)曲線對(duì)比。其中，損壞傳感器的自我測(cè)試，結(jié)果會(huì)顯示：“立即更換傳感器”。
　　現(xiàn)場(chǎng)使用過程中，在線監(jiān)測(cè)儀會(huì)定期自動(dòng)地對(duì)傳感器進(jìn)行自我測(cè)試，并與儀器出廠時(shí)的測(cè)試值進(jìn)行比較，確保長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過程中傳感器始終處于正常工作狀態(tài)。
另外，選擇性燃料電池氣體傳感器是化學(xué)氣體傳感器的一個(gè)重要突破。它克服了復(fù)合氣體傳感器不能直接讀出單一氣體濃度的不足。

表１　選擇性燃料電池傳感器與復(fù)合氣體傳感器的性能比較

　　傳感器的高可靠性還得益于近十幾年來材料科學(xué)的發(fā)展，例如，早期氣體傳感器有“中毒”現(xiàn)象，即油中大量的一氧化碳?xì)怏w會(huì)降低傳感器的靈敏度，現(xiàn)已通過合金電催化劑得到了解決。

３.２　免維護(hù)性
　　新型燃料電池傳感技術(shù)免維護(hù)的概念主要有以下兩方面。
（１）無需易損件和消耗品，燃料電池的“燃料”是被監(jiān)測(cè)氣體，而“燃燒”過程是在電催化劑作用下不見火焰的常溫氧化反應(yīng)，*的消耗品是空氣中*的氧氣。另外，一體化燃料電池傳感器也不需要油泵、氣泵和閥門等易損件。
（２）在運(yùn)行周期內(nèi)無需進(jìn)行校準(zhǔn)，也就是說，傳感器本身有足夠的穩(wěn)定性，在長(zhǎng)期偏差允許的范圍之內(nèi)不需要再進(jìn)行校準(zhǔn)。
　　如圖４是KG2100A燃料電池型油中氣體傳感器在使用3年多時(shí)間內(nèi)的零漂變化。有些在線氣象色譜儀的高精度指標(biāo)只是短期偏差，是要以頻繁的校準(zhǔn)、維護(hù)作為代價(jià)的。因此，建議用戶在購(gòu)買在線色譜儀時(shí)要關(guān)注達(dá)到精度要求所需的校準(zhǔn)周期。

圖４　型傳感器零漂隨時(shí)間的變化

４　燃料電池技術(shù)與氣相色譜技術(shù)產(chǎn)品的比較
　　目前，市場(chǎng)上常見的油中氣體在線監(jiān)測(cè)裝置主要有兩種，它們分別采用氣象色譜技術(shù)和燃料電池氣體傳感技術(shù)，兩者各有特點(diǎn)。前者可以監(jiān)測(cè)6~7種組分（即全組分），便于在線利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄈ绫戎捣ǎ┑冗M(jìn)行故障類型分析。但由于其原理及構(gòu)件復(fù)雜，要長(zhǎng)期用于在線監(jiān)測(cè)具有一定的局限性，雖然近年來，有些部件的可靠性有了明顯提高，但整體技術(shù)的局限性依然存在。例如在油氣分離、氣氣分離，氣體檢測(cè)及環(huán)境控制四個(gè)步驟上，在線氣象色譜儀常采用機(jī)械方法脫氣、色譜柱分離組分及相應(yīng)的定量系統(tǒng)和控溫單元。因其構(gòu)件、單元復(fù)雜，這對(duì)其零部件的可靠性要求是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。因?yàn)橄到y(tǒng)的可靠性幾乎是各個(gè)單元的可靠性的乘積。另外，在線氣象色譜儀的構(gòu)件中有易損件和消耗件，要更換載氣、標(biāo)氣，色譜分離柱老化再生，空調(diào)過濾網(wǎng)清洗，更換檢測(cè)器、油泵、氣泵、電磁閥、流量開關(guān)等，要有相應(yīng)的基本維護(hù)量。表２是在規(guī)劃安裝50臺(tái)氣相色譜類在線監(jiān)測(cè)裝置或50臺(tái)燃料電池類產(chǎn)品時(shí)的維護(hù)工作量對(duì)照。
　　從表2可以看出，在線氣象色譜儀維護(hù)要求高，它適合于需要重點(diǎn)呵護(hù)的變壓器；而燃料電池在線監(jiān)測(cè)裝置基本上不需要維護(hù)，成本（購(gòu)買及使用成本）低，因此適合于作為更多變壓器的“看門狗”或“哨兵”。
　　在線氣象色譜儀的工作模式為間歇式（與此相對(duì)應(yīng)的是燃料電池技術(shù)工作模式為連續(xù)式），其維護(hù)周期還與檢測(cè)分析周期的長(zhǎng)短有關(guān)。以增加檢測(cè)間隔或犧牲監(jiān)測(cè)精度來延長(zhǎng)維護(hù)的間隔，例如每天甚至更長(zhǎng)時(shí)間測(cè)一次，從某種意義上講已經(jīng)達(dá)不到在線監(jiān)測(cè)的要求。

表２　氣象色譜技術(shù)和燃料電池技術(shù)產(chǎn)品正常維護(hù)工作量的估算

５　結(jié)語
　　燃料電池氣體傳感技術(shù)的發(fā)展為變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期高可靠性（魯棒性）、免（少）維護(hù)性和可普及性成為可能。