在線監測是狀態維修的重要組成部分。長期以來，變壓器油中氣體在線監測的重要性和必要性在電力系統運行和維護人員中形成共識。應用中，監測設備的自身故障較多，其中，傳感器和測量單元占了較大的比例；另外，用戶在選用在線監測裝置時，往往忽視了有些監測裝置本身固有的維護量要求。
　　燃料電池是一種通過電化學反應直接把化學能（氣體或液體燃料）轉換成電能，而無需通過熱能或機械能轉換的能量轉換裝置。其主要特點是節能和環保。
　　燃料電池氣體傳感器通過檢測燃料電池兩電極之間的電流信號（電流強度與氣體濃度成正比）監測變壓器油中氣體的變化。燃料電池氣體傳感器成功應用于變壓器油中氣體在線監測已有近３０年的歷史，但由于傳感技術的瓶頸，效果一直不理想。2003年，深圳市奧特迅傳感技術有限公司自主開發了具有*水平的復合型燃料電池氣體傳感器，在隨后的幾年中又陸續開發了*的選擇性氫氣和乙炔燃料電池氣體傳感器，使變壓器油中氣體在線監測裝置的低維護、高可靠性得以實現。

１　一般燃料電池傳感器的特點及存在的問題
１.１　特點
（１）能監測與變壓器故障有關的特征組分，即氫氣、一氧化碳、乙炔和乙烯（這幾種組分的增長幾乎伴隨著所有的故障機理）；原理及構件簡單，技術成熟，無消耗材料（消耗材料是空氣中的氧氣），無易損件。
（２）對氣體靈敏度高，響應速度快，動態測定范圍大，重復性好。

１.２　存在的問題
　　燃料電池型油中氣體在線監測裝置是*范圍內用戶zui廣、使用數量zui多的在線監測裝置（近３萬套安裝使用），有許多成功的案例，獲得了廣泛認可。但市場上常用的燃料電池型油中氣體在線監測裝置由于受到當時的技術限制，也出現了一些問題。在傳感器方面問題主要表現在：
（１）油氣分離膜破損導致傳感器失靈。據統計，原有的傳感器在現場使用過程中失靈的約80％是由于油氣分離膜不耐負壓受損而造成的，目前國內一些裝置退出運行也主要是由于這原因。由于任何油中氣體在線監測都離不開油氣分離，膜的變形或破損實際上存在于所有使用膜分離技術的在線監測裝置中。
（２）監測儀誤報警。電力系統習慣于將電力設備修試規程中的油中溶解氣體注意值設定為監測儀的報警值，例如氫氣（H2）的注意值為150µL/L。但由于早期的燃料電池型油中氣體在線監測裝置監測的是復合（混合）氣體信號，變壓器油中一氧化碳（CO）的相對靈敏度較高，因此即使H2含量很低，在變壓器油中存在高濃度CO的情況下，監測儀的讀書仍有可能超過報警值。

２　新型燃料電池氣體傳感器的結構及特點
　　圖１是新型一體化燃料電池氣體傳感器結構示意圖。它主要由傳感器外殼、油氣分離膜、微型燃料電池、溫度傳感器（未標出）、傳感器蓋及傳感器信號輸出接頭等組成。這里的一體化機構是指油氣分離（油氣分離膜）、氣體檢測（燃料電池）、溫度補償為一體的物理集成，可直接安裝于單個變壓器閥門上。不同型號傳感器檢測氣體的差別在于油氣分離膜和燃料電池電極不同的化學性能。

圖１　一體化燃料電池氣體傳感器結構示意圖

　　一體化燃料電池氣體傳感器zui突出的特點是油氣分離、氣體檢測和溫度補償*是自發進行，無需外界干預和激發，整體來說屬于無源器件。其原理是：油中溶解氣體在油氣分離膜兩側分壓的作用下自動滲透；透過膜后的氣體分子直接在一體化氣體傳感器電極上轉換為電信號、電信號經微處理器換算出氣體濃度及其變化趨勢，通過網絡實時地傳送到監測終端。它便于對所有被監測的變壓器進行集中在線監測。如變壓器在運行中有異常，監測系統測量故障氣體的濃度或其變化趨勢超過設定的注意值時，會自動啟動警報，使運行、檢修人員能及時掌握變壓器的狀況并采取相應措施。

３　新型燃料電池氣體傳感技術在在線監測裝置中的應用
３.１　可靠性的提高
　　新型復合式油氣分離膜的開發成功克服了過去油氣分離膜不能耐真空負壓的技術難關，極大地提高了氣體傳感器的可靠性。圖２是復合式油氣分離膜示意圖。高分子膜本體分離如PTFE與多孔金屬燒結片在多孔粘接劑的作用下經300~400℃高溫燒結成一個復合式油氣分離膜。高透氣性的粘結層的透氣率比高分子膜的透氣率高2~3個數量級，基本不影響整體透氣速率。它既保留了本體高分子膜的透氣性能，又具備了金屬材料的機械性能。

圖２　復合式油氣分離膜結構示意圖

　　從現場實際使用情況來看，還沒有發現因復合式油氣分離膜破損造成的傳感器故障。新型燃料電池氣體傳感器*的自我測試和診斷能力是高可靠性的另一個有利因素，它充分利用了燃料電池原理上的特性，采用類似于電容器的充放電試驗，即給傳感器兩極反向接通一定時間直流電源，同時檢測傳感器的響應。圖３是兩個使用中KG2100A型傳感器的自我測試響應曲線對比。其中，損壞傳感器的自我測試，結果會顯示：“立即更換傳感器”。
　　現場使用過程中，在線監測儀會定期自動地對傳感器進行自我測試，并與儀器出廠時的測試值進行比較，確保長期監測過程中傳感器始終處于正常工作狀態。
另外，選擇性燃料電池氣體傳感器是化學氣體傳感器的一個重要突破。它克服了復合氣體傳感器不能直接讀出單一氣體濃度的不足。

表１　選擇性燃料電池傳感器與復合氣體傳感器的性能比較

　　傳感器的高可靠性還得益于近十幾年來材料科學的發展，例如，早期氣體傳感器有“中毒”現象，即油中大量的一氧化碳氣體會降低傳感器的靈敏度，現已通過合金電催化劑得到了解決。

３.２　免維護性
　　新型燃料電池傳感技術免維護的概念主要有以下兩方面。
（１）無需易損件和消耗品，燃料電池的“燃料”是被監測氣體，而“燃燒”過程是在電催化劑作用下不見火焰的常溫氧化反應，*的消耗品是空氣中*的氧氣。另外，一體化燃料電池傳感器也不需要油泵、氣泵和閥門等易損件。
（２）在運行周期內無需進行校準，也就是說，傳感器本身有足夠的穩定性，在長期偏差允許的范圍之內不需要再進行校準。
　　如圖４是KG2100A燃料電池型油中氣體傳感器在使用3年多時間內的零漂變化。有些在線氣象色譜儀的高精度指標只是短期偏差，是要以頻繁的校準、維護作為代價的。因此，建議用戶在購買在線色譜儀時要關注達到精度要求所需的校準周期。

圖４　型傳感器零漂隨時間的變化

４　燃料電池技術與氣相色譜技術產品的比較
　　目前，市場上常見的油中氣體在線監測裝置主要有兩種，它們分別采用氣象色譜技術和燃料電池氣體傳感技術，兩者各有特點。前者可以監測6~7種組分（即全組分），便于在線利用經驗模型（如比值法）等進行故障類型分析。但由于其原理及構件復雜，要長期用于在線監測具有一定的局限性，雖然近年來，有些部件的可靠性有了明顯提高，但整體技術的局限性依然存在。例如在油氣分離、氣氣分離，氣體檢測及環境控制四個步驟上，在線氣象色譜儀常采用機械方法脫氣、色譜柱分離組分及相應的定量系統和控溫單元。因其構件、單元復雜，這對其零部件的可靠性要求是一個很大的挑戰。因為系統的可靠性幾乎是各個單元的可靠性的乘積。另外，在線氣象色譜儀的構件中有易損件和消耗件，要更換載氣、標氣，色譜分離柱老化再生，空調過濾網清洗，更換檢測器、油泵、氣泵、電磁閥、流量開關等，要有相應的基本維護量。表２是在規劃安裝50臺氣相色譜類在線監測裝置或50臺燃料電池類產品時的維護工作量對照。
　　從表2可以看出，在線氣象色譜儀維護要求高，它適合于需要重點呵護的變壓器；而燃料電池在線監測裝置基本上不需要維護，成本（購買及使用成本）低，因此適合于作為更多變壓器的“看門狗”或“哨兵”。
　　在線氣象色譜儀的工作模式為間歇式（與此相對應的是燃料電池技術工作模式為連續式），其維護周期還與檢測分析周期的長短有關。以增加檢測間隔或犧牲監測精度來延長維護的間隔，例如每天甚至更長時間測一次，從某種意義上講已經達不到在線監測的要求。

表２　氣象色譜技術和燃料電池技術產品正常維護工作量的估算

５　結語
　　燃料電池氣體傳感技術的發展為變壓器在線監測裝置實現長期高可靠性（魯棒性）、免（少）維護性和可普及性成為可能。