Técnica todo-fibra sensora para la detección de hidrógeno disuelto en el aceite de transformador de potencia

Jun JIANG, Student Member, IEEE (Member number: 9215xxx)

State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North

China Electric Power University (NCEPU), Beijing, 102206, P.R.China

Artículo de referencia: F. Zhou, SJ Qiu, W. Luo, F. Xu, y YQ Lu, "Un todo-fibra óptica de reflexión Sensor de hidrógeno, basado en una fibra de cristal fotónico en línea Interferómetro, "Sensores Diario, IEEE, vol. 14, pp 1133 -. 1136 (disponible en IEEE Xplore, 2014)

El gas hidrógeno es responsable de filtrarse por la razón de su pequeño tamaño molecular, y también es un gas inflamable.
Así fugas en grandes instalaciones relacionadas con la producción, el transporte y el almacenamiento podría conducir a un grave accidente. Debido a la gran importancia de la medición de hidrógeno con una concentración baja, diversos tipos de sensores de hidrógeno se han investigado en décadas. En comparación con los sensores eléctricos, los sensores de fibra óptica son eléctricamente aislados, dicho que no tienen contacto eléctrico. Y no generan chispas ni dependen de intercambio de calor y no tienen riesgo de ignición de gas. Sin embargo, algunos de ellos tienen un sistema de detección totalmente de fibra óptica, sino una baja sensibilidad, mientras que otros poseen una alta sensibilidad, pero la introducción de componentes de mayor óptica que pueden introducir inestabilidad en el sistema óptico. Considerando que, de alta sensibilidad basada en toda la fibra de detección es
posible. Un sensor de hidrógeno ultra-compacto totalmente de fibra óptica de reflexión basado en un catalizador de paladio (Pd) depositado, fibra de cristal fotónico (PCF) interferómetro en línea (PCF-IF) se demuestra por F. Zhou. El PCF-IF consiste en un trozo de 125um gran modo de zona (LMA) PCF empalmado con el mismo tamaño monomodo de fibra estándar. En las regiones de corte y empalme, los huecos de la PCF se plegan por completo, permitiendo de este modo el acoplamiento y
recombinación de modos de núcleo y del revestimiento PCF. Entonces Pd se deposita en un extremo y la cara exterior de el PCF y constituyen un interferómetro en línea. Cuando PCF-IF está expuesto a hidrógeno, las propiedades opticas  de la capa de Pd y el espectro de interferencia del modo fundamental y el modo de revestimiento que transmiten en el cambio PCF. La interacción es detectable con una sencilla configuración de medición de transmisión.
Además, el procedimiento de fabricación es simple y no necesita tratamiento complementario como el grabado o cónica. El desarrollo de otros sensores de gas también es factible cuando la PCF se deposita con adecuados materiales permeables al gas.
Mientras tanto, el hidrógeno también se produce en la mayoría de los fallos térmicos y eléctricos del aceite dentro de transformadores de potencia, por lo que es significativo para detectar el proceso de degradación de los transformadores por monitoreo de hidrógeno disuelto. Los transformadores de potencia, como los convertidores de voltaje, son los componentes clave en el redes de potencia, por lo que debe garantizarse su gran fiabilidad. Si bien el envejecimiento y degradación de aislamiento
papel y aceite pueden dar lugar a un mal funcionamiento de los transformadores en baño de aceite. Así varios métodos de monitoreo y dispositivos se han llevado a cabo para evitar posibles defectos, y uno de los análisis más disponibles de gases son las tecnologias de gas disuelto (DGA). Desde método DGA convencional, es mucho tiempo, operación complicada y propensa a ajuste artificial. Estas limitaciones han motivado catalítica, térmica, electroquímica, mecánicas, acústicas y sensores ópticos de hidrógeno. Debido a obvias ventajas en la inmunidad a las interferencias electromagnéticas, sensores ópticos de hidrógeno han demostrado ser un buen candidato para ser colocados en el transformador de potencia.
Así nos hemos centrado en la investigación de la concentración de hidrógeno disuelto en el monitoreo de aceite de transformador basado en el principio de rejillas de Bragg de fibra (FBG). Del mismo modo, para formar una uniformidad para la capa en la fibra, también se adopta la tecnología de pulverización catódica con magnetrón. Al mismo tiempo, el hecho de que el paladio puede absorber con eficacia de hidrógeno para formar reversiblemente híbridos se toma en consideración y es
de hecho una buena elección para su alta selectividad a hidrógeno. Además, el titanio (Ti) capa de metal (20 nm) es bombardeada como capas de adhesión para evitar que el recubrimiento de paladio se desprenda. Sin lugar a dudas, hay una diferencia de grado determinado en la detección entre el hidrógeno disuelto en aceite y gases mezclados. Para un sensor de hidrógeno adecuado para el monitoreo en línea de transformadores de potencia, los siguientes requisitos deben ser
encontrados: un limite de detección (LOD) por debajo de 100 microL / L y el rango dinámico de al menos 2.000 microL / L; sobrevivir en un rango de temperatura del aceite de 50 ℃ a 120 ℃; no traer contaminación al transformador de aceite y daños eléctricos a la estructura; calibración estable en el período de un año o más. En conjunto, se trata de una cuestión muy difícil de cumplir los requisitos y solucionar todos los problemas.

Sin embargo, este trabajo que combina el nuevo material con tecnología única para lograr un novedoso totalmente de fibra óptica sensor de hidrógeno con alta sensibilidad, trae nuestra investigación un montón de inspiración:

(1) Una solución potencial para lograr una alta sensibilidad de hidrógeno disuelto en el aceite de transformador de potencia. En nuestra investigación anterior, la tecnología FBG es adoptado y la sensibilidad del sensor con capa de poliamida es 60.73 pm / 1% de H2 en el experimento mezcla de gas. Si bien, este sensor basado en PCF-IF muestra una sensibilidad acerca de 250pm / 1% de H2, que es 4 veces el método de FBG. Según nuestra experiencia, la sensibilidad de este método puede lograr una alta sensibilidad por debajo de 10 microL /L de hidrógeno disuelto Además, si se aplica una gruesa película de Pd, la sensibilidad sería mayor. Por lo tanto, ofrece una solución potencial para aumentar la sensibilidad de hidrógeno disuelto en aceite de transformador de potencia.

(2) Otra visión para medir la longitud de onda de desplazamiento por la fibra de cristal fotónico interferómetro en línea (PCF-IF). En este trabajo, la película Pd farfulló en la cara frontal de los actos PCF como un espejo de metal. Una vez que la sonda de detección se expone al hidrógeno, la película Pd tanto dentro como fuera de la PCF absorbe hidrógeno, causando así su volumen para aumentar y la densidad de volumen de electrones libres a disminuir, y tanto la verdadera
parte y parte imaginaria de la permitividad compleja eléctrica de la película de Pd se reducen. Por lo tanto, la concentración de hidrógeno puede calcularse a partir de los cambios de longitud de onda de interferencia de la unidad de detección.
En este método, la capa de sólo 50 nm de espesor de la película de Pd se depositó sobre una cara de extremo, que es más delgado que la pulverización sobre la superficie total y salva el metal noble.

(3) Más detalles necesarios que deben tenerse en cuenta para la aplicación de transformador de potencia. En el artículo, el sensor se mide en la mezcla de gas a la temperatura ambiente, que es bastante diferente de la condición dentro del aceite del transformador de potencia. De la opinión de los autores, la humedad y la temperatura pueden dañar la repetibilidad del dispositivo, ya que toma mucho tiempo para volver a hacer la medición. En particular, la la humedad en el tubo, que viene de el agua en el aceite, posiblemente tiene una gran influencia en la película Pd.
Prácticamente, la calibración de temperatura, repetibilidad y la sensibilidad del sensor se probará tanto en gases mixtos y aceite del transformador. Por otra parte, la instalación con un embalaje especial y prueba de fiabilidad a largo plazo en transformador de potencia real debería ser también en el horario.
Con el objetivo de supervisar hidrógeno disuelto y diagnóstico de fallas en transformadores de potencia basada en nuevos métodos ópticos en lugar de DGA convencional, diferentes estructuras ópticas, espesor de las capas de Pd y relación de composición de aleación de Pd se modela y se investigó para lograr un optimizado y de alta sensibilidad sensor de hidrógeno óptico. De hecho, nuestros planes futuros seguirán centrándose en la combinación novedosa de tecnología de detección óptica con el monitorio de condición tradicional y diagnóstico en el aparato de poder.