文婷

(廣東電網(wǎng)公司管理科學(xué)研究院，廣州 510600)

1 引言

電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)是提高電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性和可靠性的有效措施之一[1，2]，絕緣油中氣體在線監(jiān)測(cè)則是目前應(yīng)用最廣泛、最有效的監(jiān)測(cè)手段[3]，一般通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絕緣油中甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)、一氧化碳(CO)、氫氣(H2)等六種氣體濃度的時(shí)間變化，結(jié)合變壓器試驗(yàn)結(jié)果即可確定潛在危險(xiǎn)以及故障類型。該方法的氣體檢測(cè)器主要有:熱導(dǎo)檢測(cè)器、離子檢測(cè)器、電化學(xué)傳感器、半導(dǎo)體傳感器、光敏傳感器[3，4]。

熱導(dǎo)檢測(cè)器對(duì)工藝的要求相當(dāng)高;離子檢測(cè)器在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)安全性很難得到保證;電化學(xué)傳感器的壽命過短，而且對(duì)于甲烷反應(yīng)差;由于半導(dǎo)體傳感器成本低、壽命長[4－6]，國內(nèi)主要采用該技術(shù)。

半導(dǎo)體傳感器的一大缺點(diǎn)是:穩(wěn)定性較差，漂移嚴(yán)重。就目前的技術(shù)而言，尚不可能使使半導(dǎo)體傳感器不存在漂移或者響應(yīng)特性恒定不變，對(duì)很多類型的傳感器而言，溫漂始終是個(gè)大問題[7]。為了提高半導(dǎo)體傳感器的穩(wěn)定性，國內(nèi)外專家通過多種方法:

①恒定傳感器的工作問題;②在半導(dǎo)體材料中加催化劑，改善制造工藝;③采用在線定標(biāo)的方法進(jìn)行修正。從目前的效果來看，溫度漂移、時(shí)間偏移等問題仍舊是大家高度關(guān)注的問題。為此，本文擬引入副傳感器，優(yōu)化傳感器的適配電路，提高對(duì)極低濃度氣體的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性。

2 傳感器適配電路優(yōu)化

常用傳感器的適配電路如圖1所示。

其輸出電壓為:

圖1 氣敏傳感器工作原理

傳感器結(jié)構(gòu)內(nèi)部加熱回路和測(cè)量回路在同一結(jié)構(gòu)件內(nèi)，無隔熱措施，勢(shì)必會(huì)影響傳感器的性能，導(dǎo)致傳感器有很大的溫度漂移，一般會(huì)從電子電路設(shè)計(jì)和軟件角度進(jìn)行溫度引起的誤差補(bǔ)償[5，6];同時(shí)也可能由傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不理想引起計(jì)算波形面積時(shí)引起的誤差，針對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)、暫態(tài)響應(yīng)，文獻(xiàn)[4]分別建立了數(shù)學(xué)模型，通過仿真驗(yàn)證了其正確性。雖然近些年來，關(guān)于氣敏傳感器的非線性補(bǔ)償，由氣體濃度與氣敏電阻的數(shù)學(xué)關(guān)系出發(fā)，設(shè)計(jì)電子電路以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)难芯砍晒芏?，但是?yīng)用在工程項(xiàng)目產(chǎn)品之中的很少。其基本思想是:用一個(gè)同型號(hào)的副傳感器組成橋式取樣電路來抵消處在同種工況下主傳感器的測(cè)試誤差，并改變傳統(tǒng)適配電路的非線性數(shù)學(xué)關(guān)系。本文設(shè)計(jì)兩路溫度、速度相同的氣體分別通過主傳感器和副傳感器，通過主傳感器的氣體為經(jīng)過色譜柱分離后的氣體，而通過副傳感器的氣體為標(biāo)準(zhǔn)的載氣。經(jīng)主、副傳感器組成的橋式分壓電路可有效補(bǔ)償傳感器的測(cè)量誤差，從而提高油色譜的工作性能。開發(fā)了新型在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)證明，此項(xiàng)監(jiān)測(cè)技術(shù)合理可行，可以提高傳感器測(cè)試精度，保證油色譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

3 優(yōu)化電路的傳感器輸出信號(hào)分析

傳感器橋式取樣電路如圖2所示。

圖2 傳感器新型適配電路

當(dāng)有氣體通過傳感器時(shí)，若能夠供給電子，其電阻變化量為為ΔRS負(fù)值，傳感器輸出值為:

其中，RS1、RS2分別為傳感器 A、B有 0.3～0.45MPa載氣通過時(shí)的電阻值大小，ΔRS為傳感器A有采樣氣體通過時(shí)的電阻變化量;VCC為傳感器的工作電壓。

本文VCC=5V;R1=R2=10K。對(duì)于同批傳感器，靜態(tài)電阻RS相差小，近似認(rèn)為RS1≈RS2，同時(shí)由于

得:

因此，傳感器模擬信號(hào)線性輸出，基線電壓為:

同批傳感器的靜態(tài)電阻相差小，差異性主要表現(xiàn)在有樣品氣體通過時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及恢復(fù)后的線性保持度，如式(5)，信號(hào)采集電路用一個(gè)同型號(hào)的傳感器構(gòu)成橋式電路后，外界溫濕度變化、傳感器響應(yīng)慣性等因素引起輸出信號(hào)的波動(dòng)均可由同工況中的補(bǔ)償傳感器B抵消，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償。在色譜柱未進(jìn)樣時(shí)(基線時(shí)間)，VO的值在零附近，如圖3油品測(cè)試曲線中基線位置所示，波動(dòng)只取決于傳感器的工藝制造因素，即兩個(gè)傳感器的靜態(tài)電阻RS和傳感器有載氣通過時(shí)電阻值的差別大小，按照氣敏傳感器的技術(shù)參數(shù)，此兩項(xiàng)阻值誤差均在0.3%之內(nèi)，差值很小，所以，當(dāng)各組分氣體經(jīng)色譜柱分離進(jìn)入傳感器A，傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間均縮短，從而提高了分辨能力和靈敏度;一種氣體波峰產(chǎn)生結(jié)束與下一種氣體波形出現(xiàn)之前，由于恢復(fù)時(shí)間的縮短，使得這段時(shí)間內(nèi)輸出信號(hào)與基線的一直性保持較好，提高軟件計(jì)算波形面積的準(zhǔn)確度，有利于氣體濃度的測(cè)定。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了300次實(shí)驗(yàn)對(duì)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)的測(cè)試溫漂誤差，結(jié)果如圖3所示。

4 應(yīng)用案例分析

基于該傳感器開發(fā)的變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在現(xiàn)場投運(yùn)，現(xiàn)場運(yùn)行圖如圖4所示。

圖3 油品測(cè)試曲線

表1 各種氣體的綜合溫漂誤差對(duì)比

圖4 油色譜現(xiàn)場試驗(yàn)安裝示意圖

表2 為在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)的比較。

由表2可知，能有效檢測(cè)油中溶解的 H2、CO、CH4、C2H2、C2H4和 C2H6等6 種氣體;測(cè)量值穩(wěn)定，無較大的離散點(diǎn);測(cè)量值(在線)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值(離線)之間誤差小(除乙炔外，其他氣體濃度測(cè)量誤差小于5%，氣體濃度較小時(shí)，誤差小于5μL/L)。

5 結(jié)論

傳感器是變壓器絕緣油中溶解氣體監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，由于成本較低，壽命較長，半導(dǎo)體氣敏傳感器在我國的變壓器色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，但其溫漂和時(shí)漂問題一直是難以克服的困難之一。本文通過分析，認(rèn)為:同批傳感器在相同溫度、速度的氣流下，其行為特征相似，基于這一觀點(diǎn)，優(yōu)化了傳感器適配電路結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了主、副傳感器橋式電路，用副傳感器補(bǔ)償傳統(tǒng)采集電路所具有的非線性誤差，以改善傳感器的響應(yīng)特性，提高了系統(tǒng)的工作性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):適配電路優(yōu)化后的傳感器溫漂誤差明顯小于傳統(tǒng)電路。傳感器結(jié)構(gòu)電路已經(jīng)在色譜中應(yīng)用，取得了較好的效果。

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