基于變壓器油中乙炔氣體的MEMS傳感器研究

國網(wǎng)棗莊供電公司 張 賽 陳培陽 吳 丹

油色譜分析系統(tǒng)已應(yīng)用于變壓器故障的檢測中，通過監(jiān)測變壓器故障產(chǎn)生的乙炔可評估其運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）氣體傳感器可對變壓器氣體進(jìn)行連續(xù)檢測，投入較少，發(fā)展前景可觀，有大面積普及性的發(fā)展趨勢。本文通過研究一種新型MEMS氣體傳感器，來代替油色譜分析，實(shí)現(xiàn)基于MEMS乙炔氣體傳感器的變壓器在線監(jiān)測。通過對新型MEMS氣體傳感器的電流-電壓特性測試，測試結(jié)果表明基于MEMS乙炔氣體傳感器的變壓器在線監(jiān)測可以實(shí)現(xiàn)要求。

1 新型MEMS氣體傳感器檢測原理

1.1 熱導(dǎo)氣體傳感器檢測原理

建立傳感器熱平衡方程來實(shí)現(xiàn)新型MEMS熱導(dǎo)氣體傳感器對變壓器中乙炔的檢測。混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)是各成分氣體導(dǎo)熱系數(shù)與其對應(yīng)氣體濃度乘積的和[1]，即：

式中，是混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，λi（i=1，2，…，n）是混合氣體中不同成分氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，對于確定的氣體成分，其導(dǎo)熱系數(shù)在一定情況下恒定不變，Ci（i=1，2，…，n）是不同成分氣體對應(yīng)的氣體濃度。

本文是檢測變壓器中油中乙炔的濃度，因此上式可轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

式中：λ1和λ2分別為變壓器油溶解氣體除乙炔外的混合氣體和乙炔的導(dǎo)熱系數(shù)，C1和C2分別表示油溶解氣體除乙炔外的混合氣體和乙炔濃度，且C1+C2=1[2]，因此上式可寫為：

因此乙炔氣體的濃度值為：

式中，K=λ2-λ1，C=λ/（λ2-λ1），都是常數(shù)。由上式可以看出，乙炔氣體的濃度與油溶解氣體的導(dǎo)熱系數(shù)λ是線性關(guān)系，只要知道了油溶解氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，即可得到乙炔氣體的濃度。

將熱導(dǎo)氣體傳感器放置于封閉氣室中，用恒流源給傳感器加熱，電流越大，傳感器溫度越高，但溫度過高可能會損壞傳感器，溫度過低無法檢測氣體濃度，因此需要一個適宜的工作溫度。傳感器受封閉氣室中氣體濃度的影響向四周散熱，氣體濃度越高，傳感器散熱效果越好，傳感器達(dá)到熱平衡時的溫度越低，電阻也越小，根據(jù)傳感器電阻值的變化量即可測得氣體的濃度。

圖1 熱導(dǎo)氣體傳感器檢測裝置示意圖

1.2 熱導(dǎo)氣體傳感器的熱平衡方程

假設(shè)熱導(dǎo)氣體傳感器的工作電流是I，電阻為r，則傳感器通過電流加熱獲得的熱功率是I2r。故傳感器的熱損耗為：

式中，Q1是氣體熱傳導(dǎo)引起的熱量損耗，表示為：

其中，λ1是氣室中油溶解氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，S1是傳感器的表面積，T是傳感器敏感元件的溫度，T0是氣室中環(huán)境溫度。

Q2是傳感器通過熱輻射損耗的熱量，由斯蒂芬-玻爾茲曼定律，即四次方定律可知：

其中，ε是輻射系數(shù)，若為絕對黑體，則ε=1；σ是斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，約為5.67×10-8W.m-2.k-4。

Q3是傳感器通過軸向連接的熱傳導(dǎo)所損耗的熱量，表示為：

λ2是傳感器敏感元件的導(dǎo)熱系數(shù)，S2是傳感器敏感元件的橫截面積。

本文所研究的熱導(dǎo)氣體傳感器采用MEMS技術(shù)研制而成，敏感元件是具有加熱作用的懸臂梁式微加熱器，懸臂長度大于300μm，而懸臂的厚度僅有幾個微米甚至更小，懸臂長度的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于懸臂厚度尺寸，因此通過傳感器軸向連接的懸臂梁結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)所損耗的熱量Q3可忽略不計(jì)。當(dāng)傳感器的邊長小于5mm時，其通過熱輻射所損耗的熱量可忽略不計(jì)，即Q2忽略不計(jì)。因此，傳感器熱平衡方程為：

然而，傳感器的電阻r并不是一成不變的，其還受到環(huán)境溫度的影響，即：

式中，r0為0℃時傳感器的電阻值，t為環(huán)境溫度，α是傳感器內(nèi)部敏感元件的溫度系數(shù)，

Δt是敏感元件與環(huán)境溫度直接溫度差。可見，熱導(dǎo)氣體傳感器在熱平衡時，乙炔氣體濃度與環(huán)境溫度、傳感器敏感元件溫度以及溫度系數(shù)均有直接關(guān)系，尤其是溫度對熱導(dǎo)氣體傳感器影響最大，因此對熱導(dǎo)氣體傳感器必須考慮溫度漂移問題。

2 新型MEMS氣體傳感器電流-電壓特性測試

通過電流對傳感器內(nèi)部的加熱器加熱，待其達(dá)到熱平衡狀態(tài)時，依據(jù)其變化的電阻得到氣體的濃度。因此，對傳感器的電流-電壓特性進(jìn)行測試，找到電流與電壓、電阻以及功耗的關(guān)系，從而確定傳感器的工作區(qū)間是有必要的。

設(shè)置Keithley 2611B精密電流源工作模式為電流掃描型，將精密電流源輸出的恒定電流接到傳感器的兩端。在電流掃描型工作模式下，傳感器的電壓會在精密電流源的顯示屏上被實(shí)時地顯示與記錄。傳感器的電流與電壓之間的關(guān)系見表1。

表1 傳感器電流-電壓測試數(shù)據(jù)

根據(jù)電流與電壓測試數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同電流下傳感器的電阻，得到傳感器電流-電阻特性曲線，隨著電流的增大，從圖2可以看出，隨著電流的增大，傳感器的電阻不斷變大，但是當(dāng)電流達(dá)到約17mA時，傳感器的電阻變化率由正轉(zhuǎn)負(fù)，即17mA是傳感器工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在轉(zhuǎn)折點(diǎn)的左側(cè)，電流增大引起傳感器溫度上升，溫度上升又導(dǎo)致傳感器電阻的增大，即在轉(zhuǎn)折點(diǎn)的左側(cè)，傳感器的電阻溫度系數(shù)TCR（temperature coefficient of resistance）是正數(shù)；而在轉(zhuǎn)折點(diǎn)的右側(cè)，電流增大引起傳感器溫度上升，傳感器溫度上升卻使得其電阻變小，即TCR為負(fù)值。也就是說，在17mA時傳感器的電阻達(dá)到最大的點(diǎn)是TCR符號發(fā)生改變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，簡稱TCR轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖2 傳感器電流-電阻特性曲線

使用便攜式紅外測溫儀PV11測得傳感器的敏感體在TCR轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的溫度約為740～760℃，而傳感器的溫度達(dá)到600℃時就足以實(shí)現(xiàn)對乙炔氣體的檢測。為了降低傳感器功耗，傳感器的工作區(qū)域應(yīng)該選擇在TCR轉(zhuǎn)折點(diǎn)的左側(cè)，如圖3所示。

圖3 傳感器工作區(qū)域示意圖

傳感器發(fā)出肉眼可見的白色光斑現(xiàn)象最初是在TCR轉(zhuǎn)折點(diǎn)的左側(cè)發(fā)生，隨著電流的不斷增大，白色光斑的亮度更亮，光斑的尺寸更大。當(dāng)加熱電流達(dá)到20mA時，可以明顯地看到傳感器產(chǎn)生的白色光斑，且光斑的尺寸大于微加熱器的尺寸，這表明當(dāng)電流達(dá)到20mA時，傳感器通過熱輻射損耗的熱量比預(yù)計(jì)要大得多，已經(jīng)不能忽略熱輻射損耗的熱量。此時傳感器敏感體溫度達(dá)到1000℃以上，傳感器存在損壞的可能。不斷增大的電流引起傳感器產(chǎn)生白色光斑現(xiàn)象如圖4所示。

圖4 傳感器產(chǎn)生光斑

同理，根據(jù)表1中電流與電壓測試數(shù)據(jù)，可得電流-功耗特性，當(dāng)電流為17mA時，傳感器的功率損耗僅約為90mW。從對傳感器的電流-電壓特性測試中，可總結(jié)出傳感器的工作區(qū)間應(yīng)該選擇在TCR轉(zhuǎn)折點(diǎn)的左側(cè)區(qū)域。當(dāng)電流為20mA時，傳感器對應(yīng)的電壓約為6V，此時傳感器發(fā)出強(qiáng)烈的白光，有可能造成傳感器的損壞，因此在使用傳感器中一定要確保工作電流在20mA以下，電壓小于6V。

3 新型MEMS氣體傳感器在模擬變壓器油環(huán)境下對乙炔的響應(yīng)特性測試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬變壓器油中氣體檢測，試驗(yàn)裝置主要有Keithley 2611B數(shù)字源表、封閉氣室、Environics En4000配氣系統(tǒng)、裝有從變壓器油中溶解氣分離出的氣體鋼瓶、含有4%乙炔氣體的變壓器油中溶解氣氣體鋼瓶、PC機(jī)一臺、便攜式氣體濃度檢測儀。

首先，為了排除氣室中原有氣體的影響，使用便攜式氣體濃度檢測儀的自動校準(zhǔn)功能，將氣室中的氣體抽出，抽氣時間約為7min。關(guān)掉便攜式氣體濃度檢測儀的自動校準(zhǔn)功能，停止抽氣，記錄此時傳感器的電壓值即為傳感器在空氣環(huán)境下的電壓。然后通過配氣系統(tǒng)分別配置1%、2%、3%、4%濃度的乙炔氣體，通入到氣室，待配氣系統(tǒng)軟件Environics Series En4000顯示已達(dá)到目標(biāo)濃度值時，使用便攜式氣體濃度檢測儀驗(yàn)證此時氣室中乙炔氣體的濃度是否與配置濃度相等，驗(yàn)證通過則記錄該濃度下傳感器的輸出電壓，如圖5所示。

圖5 傳感器氣體響應(yīng)特性曲線

從圖5可以看出，新型MEMS氣體傳感器對乙炔氣體的響應(yīng)呈現(xiàn)良好的線性度，這從根本上保證了傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)氣體濃度的檢測。此外，每1%乙炔氣體引起傳感器電壓的變化量約為13mV，即傳感器的靈敏度為13mV，相對于其他氣體傳感器產(chǎn)生的小信號而言，優(yōu)勢明顯。后續(xù)中，通過MEMS氣體傳感器檢測的乙炔氣體，分析得到變壓器老化過程及不同類型故障時乙炔氣體產(chǎn)生及演變規(guī)律，依托相應(yīng)的數(shù)學(xué)工具對統(tǒng)計(jì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整合，最后通過對變壓器運(yùn)行特性研究和試驗(yàn)，找到氣體變化規(guī)律與變壓器不同狀態(tài)的匹配關(guān)系，建立早期變壓器故障早期診斷及狀態(tài)預(yù)測模型。

新型MEMS氣體傳感器對乙炔氣體的響應(yīng)呈現(xiàn)良好的線性度，這從根本上保證了傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)氣體濃度的檢測。