用于监测绝缘油中气体含量的气体传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种用于监测绝缘油中气体含量的气体传感器，特别是用于在线监测绝缘油中乙炔气体含量的气体传感器，它包括中空结构的一体化外壳，在外壳内装有复合式油气分离膜和燃料电池型气敏部件；其中，在所述复合式油气分离膜与燃料电池之间还装有用于滤除干扰气体的选择性电催化过滤层。选择性乙炔燃料电池中的阳极和阴极采用由金（Ａｕ）合金电催化剂组成的相同的气体扩散电极。所述选择性电催化过滤层对干扰气体的活性高于燃料电池本身对干扰气体的活性；而且随着活性比的增加，其过滤效果也增加。本发明专利技术的气体传感器能耐各种环境压力和温度变化，能在高浓度的干扰气体如氢气、一氧化碳和乙烯环境中准确、稳定地检测到低浓度乙炔气体的含量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种油浸式高压电气设备故障在线监测技术，更具体地说， 涉及用于在线连续监测绝缘油中乙炔气体浓度的微型一体化选择性燃料电池 型乙炔气体传感器。
技术介绍
电力系统对高压电气设备如变压器、电抗器、互感器等的维护(规程)计 划中，广泛采用油中溶解气体的分析结果作为判断其内部故障的主要指标。 其中，乙炔气体含量是判断变压器内部是否存在高能放电的重要依据。即使 是很少量的乙炔也预示着充油电气设备出现了严重的故障隐患。所以准确及 时地检测油中溶解乙炔气体浓度对于充油电气设备的可靠安全的运行具有重 要意义。传统的乙炔气体含量分析是在实验室中完成的，它包括定期现场取样、送样、脱气及气相色谱分析。其结果是基于定期检测， 一般以3个月至1年为检测周期，这种方式对演变速度快的故障无能为力，无法做到防微杜渐， 防患于未然。油中气体(俗称油色谱)在线监测在定期取样分析之间搭起了桥梁。它 可以在不影响被监测变压器正常运行的条件下，对变压器油中的故障气体进 行连续的监测，此外，还可在已有监测历史数据基础上，通过对监测数据变 化的分析，推断变压器内部已经或正在发生的故障的变化或演变趋势，以便 及时采取措施。在线监测乙炔气体的手段之一是类似于实验室使用的气相色谱方法，但气相色谱技术用于在线监测存在着局限性，如安装复杂、需要用消耗品和易 损件、维护量大、成本高等缺点，因此难于大量推广。而基于燃料电池气体传感技术的油中气体在线监测装置具有灵敏度高、 反应速度快、动态测定范围大、性能稳定、重复性好等特点，在可靠性、重 复性和成本上具有无可比拟的优势(具体可参见秦仁炎，燃料电池型油中气体在线监测技术的新进展，《变压器》，V44， No.6， June 2007， pp45-50)。但燃料电池型乙炔气体传感器面临以下挑战-(1) 提高选择性一意味着提高准确性，要在高浓度非目标气体(如氢气、 一氧化碳)的环境中准确检测低浓度目标气体，即乙炔；例如要在几百|LiL/L 浓度的氢气、上千|uL/L浓度的一氧化碳混合气体中检测到几个pL/L浓度的 乙炔气体；这是因为高压电气设备发生故障时主要的特征气体是氢气、 一氧 化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯和乙炔，其中氢气、 一氧化碳和乙烯的 含量通常远大于乙炔的含量，而且在常温下具有电化学活性，通常会对乙炔 的检测产生干扰；(2) 提高稳定性一意味着提高可靠性，在无维护情况下长期稳定工作。提高目标气体选择性的方法之一是采用选择性乙炔气体传感器，例如以 纯微晶金(Au)作为电催化剂制成的电极是电化学传感器中常用的选择性乙炔 电极；尽管如此，其它气体的交叉灵敏度还是不能忽视，例如Peter C.Hauser 发现乙烯在Au电极上的相对灵敏度可以达到14% (具体可参见 Amperometric Gas Sensors of High Sensitivity, Electroanalysis 1999, 11, No 10-11, pp782-787)，而乙烯也是绝缘油中常见的故障气体之一。.在美国专利US6436257B1(对应于中国专利CN00808500.5)中，公开了一 种燃料电池型乙炔传感器。其设计原理基本上采用了前面提到的Hauser的工 作。其特点是以沉积到Nafion质子膜的Au电极作为阳极，以Pt电极作为阴 极，阳极的质子膜与阴极的Pt电极之间靠凝胶(gd)状的酸性电解质来保证接 触。但这种传感器的长期稳定性和可靠性较差，具体体现在以下几点-(1) 使用固体和液体混合电解质，由于Nafion质子膜缺乏气体扩散电极 所具有的憎水性，因此凝胶电解质在温度、压力的影响下会产生泄漏现象， 导致传感器的性能发生变化最终导致失灵；(2) 由于使用Au和Pt的不对称电极，因此传感器的动态稳定性较差；(3) 用该方法制备的Au电极和Nafion质子膜的接触性差，由于电化学 反应涉及到质子的迁移，金属电极层必须和Nafion质子膜接触才能产生电信 号，用该方法制备的金属Au电极大部分表面不能和Nafion接触，因此效率 低，且沉积金属层容易脱落；(4) Au电极对其它气体如H2、 CO和C2H4的交叉灵敏度问题无法解决， 因此影响乙炔气体监测的准确性；(5) 由于采用高分子薄膜作为油气分离膜，在受到一定的环境正压、负 压或高温时，容易塑性变形，即永久性拉伸变形甚至破裂，其结果轻则导致 传感器校准失效，重则导致渗油，传感器报废.提高目标气体选择性的方法之二是用选择性化学净化的方法除去(或至 少降低)混合气体中的非目标气体(也称干扰气体)，即提高目标气体的相对含 量。选择性化学净化又分为两种， 一种是消耗型，即活化剂本身参与反应并 生成非活性化合物。在美国专利US6284545B1，中国专利CN02104274.8、 CN02104277.2 、 CN200310115871.X 、 CN200310115872.4 、 以及 CN200410011271.3中详细介绍了这类净化剂和制备这类净化剂的方法。但这 种净化剂的缺点是它自身在不断地消耗，活化成分会越来越少，因此无法满 足气体传感器长期工作的需要。选择性化学净化的另一种方案是催化型，即活化剂本身参与反应但不会 改变自身的活性状态，可循环使用。中国专利CN98113813.6中公开了一种 用于煤矿安全的乙烯传感器的一氧化碳催化过滤剂。但该催化过滤剂对乙炔 分子有活性，因此不能用于乙炔气体传感器中，另外该传感器的结构与油中 气体在线监测装置所用的传感器要求相差甚远。
技术实现思路
针对现有乙炔气体传感器存在的缺陷，本专利技术要提供一种可靠性好、选 择性高、能对高压电气设备绝缘油中的乙炔气体进行长期连续在线监测的一 体化微型燃料电池型乙炔气体传感器。为解决上述技术问题，本专利技术提供用于监测绝缘油中气体含量的气体传 感器，包括中空结构的一体化外壳，在所述外壳内装有复合式油气分离膜和用于传感气体以输出相应电信号的气敏部件；其中，在所述复合式油气分离 膜与气敏部件之间还装有用于滤除干扰气体的选择性电催化过滤层；所述外 壳的第一端用于与充油电气设备连接，所述复合式油气分离膜的本体膜一面 朝向所述第一端，所述气敏部件则装在所述油气分离膜的多孔金属烧结片一 面，并通过金属引线向外输出电信号。所述复合式油气分离膜由高分子本体膜与多孔金属烧结片高温烧结而 成，允许气体分子(包括乙炔)透过，但不允许绝缘油透过。复合式油气分 离膜最显著的特点是具有抵抗正压，负压和不同环境温度的能力。所述高分 子本体膜可以是聚四氟乙烯(PTFE)、聚过氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯/六氟 丙烯共聚物(PFEP)、聚四氟乙烯/全氟丙乙烯醚共聚物(PFA)、聚乙烯/四氟 乙烯共聚物(PETFE)、硅橡胶(SR)、或氟化硅橡胶(FSR)中的一种或多种 的组合。最好采用层压(Lamination)组合的方式。为了得到用于监测绝缘油中乙炔气体浓度的选择性乙炔气体传感器，本 专利技术中，所述气敏部件最好是选择性微型乙炔燃料电池，包括阳极、阳极金 属引线、电解质、阴极、以及阴极金属引线。所述燃料电池中的阳极和阴极 最好为同样的多孔气体扩散电极(对称电极)，其中的活性成分，即电催化剂 为金(Au)、钌(Ru)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于监测绝缘油中气体含量的气体传感器，包括中空结构的一体化外壳，在所述外壳内装有复合式油气分离膜和用于传感气体以输出相应电信号的气敏部件；　其特征在于，在所述复合式油气分离膜与气敏部件之间还装有用于滤除干扰气体的选择性电催化过滤层；　所述外壳的第一端用于与充油电气设备连接，所述复合式油气分离膜的本体膜一面朝向所述第一端，所述气敏部件则装在所述油气分离膜的多孔金属烧结片一面，并通过金属引线向外输出电信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：秦仁炎，赵莉，
申请(专利权)人：深圳市奥特迅传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]