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.

Contenido de Agua

La prueba de contenido de humedad nos determina la cantidad de mg/kg de agua existente en el aceite, el método más utilizado para la realización de esta prueba es el Karl Fischer. El agua es uno de los enemigos principales del aceite por lo que es necesario mantener un nivel bajo de contenido de humedad en el mismo a fin de conservar bajas las características de perdida dieléctrica y minimizar la corrosión interna en el equipo. Un alto contenido de humedad puede conducir a una descarga eléctrica en el transformador, provocada por el deterioro de su sistema de aislamiento, principalmente por la descomposición de las fibras del papel aislante que es causada por la gran afinidad de este elemento con el agua.


Es de gran importancia también contar con la incertidumbre de medida en estas pruebas, ya que dicha incertidumbre contrastada contra los limites operacionales del fluido nos pueden dar mas información acerca del cumplimiento o incumplimiento del mismo.


En apoyo a nuestros lectores en caso de requerir estos servicios o bien laboratorios, hemos puesto a su disposición una hoja de calculo en excel así como una guía muy básica para entender mas y estimar la incertidumbre de medida para el mensurando aquí mencionado.


Les recordamos que nos ayuda mucho y nos motiva el escuchar sus comentarios a través de este blog.

Así mismo si desean colaborar con nosotros estaremos felices de que nos apoyen.


GUÍA BÁSICA PARA ESTIMAR INCERTIDUMBRE CA

GUÍA PARA ESTIMAR INCERTIDUMBRE CENAM

HOJA DE CALCULO

Los Laboratorios

Los laboratorios son parte importante cuando de mantenimiento preventivo y predictivo se trata, esto debido a que los transformadores contienen en su interior un liquido vital para su funcionamiento, el aceite aislante, dicho material no solo funciona como aislante sino también como refrigerante.
En publicaciones anteriores mencionamos algunas pruebas de laboratorio las cuales nos dan información sobre la calidad o estado del fluido aislante.

Para que podamos auxiliarnos de algún laboratorio para la realización de estas determinaciones estos deben cumplir con algunos requisitos, los cuales principalmente nos proporcionaran mas confianza para poder apoyarnos en ellos.

Entre los principales requisitos que debe cumplir un laboratorio están los siguientes:

Un sistema de gestión de calidad basado en la ISO:IEC 17025, la cual proporciona las directrices para el correcto funcionamiento de un laboratorio de ensayo y de calibración.

Como parte opcional el laboratorio podrá contar con un sistema basado en IEC:ISO 9001, pero hay que tener en cuenta que esta norma solo menciona requisitos administrativos y en ningún momento nos dará una certeza al 100% de la competencia técnica del personal ni de la buena practica de las determinaciones y métodos de ensayo, algo que su homologa si nos proporciona.

Pondremos mas énfasis en los requisitos de ISO:IEC 17025, entre los principales vemos que no solo se debe regir un laboratorio por estas directrices sino también deberá comprobarlo al someterse a un proceso de auditoria externa por algún organismo evaluador, en méxico se cuenta con la Entidad Mexicana de Acreditación (EMA), aunque también se podrá contar con acreditación emitida por cualquier organismo aceptado mediante los acuerdos de reconocimiento mutuo entre ILAC, IAAC, etc.

Un laboratorio no solo podrá ser auditado por un organismo evaluador, también podrá someterse a evaluación por sus clientes o prospecto a contratarlo, esto dará la confianza de que el laboratorio hace las cosas debidamente. Lo mas recomendable es auditar de manera imprevista, ya que los laboratorios deben estar preparados para ello ya que al regirse por un sistema de gestión de calidad deberán estar al día en el mismo. Así mismo demostraran conocimiento amplio sobre los servicios que ofrecen.

En cuanto a los ensayos ofertados puede ser sujeto de evaluación por parte de las entidades evaluadoras como por clientes las validaciones de las técnicas analíticas ofertadas, la incertidumbre de medida, esto de manera general o solo para las muestras analizadas pertenecientes al cliente.

El laboratorio deberá contar con ensayos interlaboratorios como muestra del control interno de la calidad de las mediciones, en su caso también deberá contar con participaciones en ensayos de aptitud técnica.

Alguna negativa por parte de los laboratorios podrá ser atendida mediante un proceso de quejas por el mismo laboratorio o bien ante la entidad que provee de la acreditación al mismo.

Esperamos que la información presentada pueda ser de mucha utilidad a ustedes, así mismo les recordamos que nos ayudan mucho con sus opiniones y sugerencias en el blog.