１　一般燃料电池传感器的特点及存在的问题
１.１　特点
（１）能监测与变压器故障有关的特征组分，即氢气、一氧化碳、乙炔和乙烯（这几种组分的增长几乎伴随着所有的故障机理）；原理及构件简单，技术成熟，无消耗材料（消耗材料是空气中的氧气），无易损件。
（２）对气体灵敏度高，响应速度快，动态测定范围大，重复性好。

１.２　存在的问题
燃料电池型油中气体在线监测装置是全世界范围内用户最广、使用数量最多的在线监测装置（近３万套安装使用），有许多成功的案例，获得了广泛认可。但市场上常用的燃料电池型油中气体在线监测装置由于受到当时的技术限制，也出现了一些问题。在传感器方面问题主要表现在：
（１）油气分离膜破损导致传感器失灵。据统计，原有的传感器在现场使用过程中失灵的约80％是由于油气分离膜不耐负压受损而造成的，目前国内一些装置退出运行也主要是由于这原因。由于任何油中气体在线监测都离不开油气分离，膜的变形或破损实际上存在于所有使用膜分离技术的在线监测装置中。
（２）监测仪误报警。电力系统习惯于将电力设备修试规程中的油中溶解气体注意值设定为监测仪的报警值，例如氢气（H2）的注意值为150µL/L。但由于早期的燃料电池型油中气体在线监测装置监测的是复合（混合）气体信号，变压器油中一氧化碳（CO）的相对灵敏度较高，因此即使H2含量很低，在变压器油中存在高浓度CO的情况下，监测仪的读书仍有可能超过报警值。

２　新型燃料电池气体传感器的结构及特点
图１是新型一体化燃料电池气体传感器结构示意图。它主要由传感器外壳、油气分离膜、微型燃料电池、温度传感器（未标出）、传感器盖及传感器信号输出接头等组成。这里的一体化机构是指油气分离（油气分离膜）、气体检测（燃料电池）、温度补偿为一体的物理集成，可直接安装于单个变压器阀门上。不同型号传感器检测气体的差别在于油气分离膜和燃料电池电极不同的化学性能。

图１　一体化燃料电池气体传感器结构示意图

　　一体化燃料电池气体传感器最突出的特点是油气分离、气体检测和温度补偿完全是自发进行，无需外界干预和激发，整体来说属于无源器件。其原理是：油中溶解气体在油气分离膜两侧分压的作用下自动渗透；透过膜后的气体分子直接在一体化气体传感器电极上转换为电信号、电信号经微处理器换算出气体浓度及其变化趋势，通过网络实时地传送到监测终端。它便于对所有被监测的变压器进行集中在线监测。如变压器在运行中有异常，监测系统测量故障气体的浓度或其变化趋势超过设定的注意值时，会自动启动警报，使运行、检修人员能及时掌握变压器的状况并采取相应措施。

３　新型燃料电池气体传感技术在在线监测装置中的应用
３.１　可靠性的提高
新型复合式油气分离膜的开发成功克服了过去油气分离膜不能耐真空负压的技术难关，极大地提高了气体传感器的可靠性。图２是复合式油气分离膜示意图。高分子膜本体分离如PTFE与多孔金属烧结片在多孔粘接剂的作用下经300~400℃高温烧结成一个复合式油气分离膜。高透气性的粘结层的透气率比高分子膜的透气率高2~3个数量级，基本不影响整体透气速率。它既保留了本体高分子膜的透气性能，又具备了金属材料的机械性能。

图２　复合式油气分离膜结构示意图

　　从现场实际使用情况来看，还没有发现因复合式油气分离膜破损造成的传感器故障。新型燃料电池气体传感器特有的自我测试和诊断能力是高可靠性的另一个有利因素，它充分利用了燃料电池原理上的特性，采用类似于电容器的充放电试验，即给传感器两极反向接通一定时间直流电源，同时检测传感器的响应。图３是两个使用中KG2100A型传感器的自我测试响应曲线对比。其中，损坏传感器的自我测试，结果会显示：“立即更换传感器”。
现场使用过程中，在线监测仪会定期自动地对传感器进行自我测试，并与仪器出厂时的测试值进行比较，确保长期监测过程中传感器始终处于正常工作状态。
另外，选择性燃料电池气体传感器是化学气体传感器的一个重要突破。它克服了复合气体传感器不能直接读出单一气体浓度的不足。

表１　选择性燃料电池传感器与复合气体传感器的性能比较

　　传感器的高可靠性还得益于近十几年来材料科学的发展，例如，早期气体传感器有“中毒”现象，即油中大量的一氧化碳气体会降低传感器的灵敏度，现已通过合金电催化剂得到了解决。

３.２　免维护性
新型燃料电池传感技术免维护的概念主要有以下两方面。
（１）无需易损件和消耗品，燃料电池的“燃料”是被监测气体，而“燃烧”过程是在电催化剂作用下不见火焰的常温氧化反应，唯一的消耗品是空气中源源不断的氧气。另外，一体化燃料电池传感器也不需要油泵、气泵和阀门等易损件。
（２）在运行周期内无需进行校准，也就是说，传感器本身有足够的稳定性，在长期偏差允许的范围之内不需要再进行校准。
如图４是KG2100A燃料电池型油中气体传感器在使用3年多时间内的零漂变化。有些在线气象色谱仪的高精度指标只是短期偏差，是要以频繁的校准、维护作为代价的。因此，建议用户在购买在线色谱仪时要关注达到精度要求所需的校准周期。

图４　型传感器零漂随时间的变化

４　燃料电池技术与气相色谱技术产品的比较
目前，市场上常见的油中气体在线监测装置主要有两种，它们分别采用气象色谱技术和燃料电池气体传感技术，两者各有特点。前者可以监测6~7种组分（即全组分），便于在线利用经验模型（如比值法）等进行故障类型分析。但由于其原理及构件复杂，要长期用于在线监测具有一定的局限性，虽然近年来，有些部件的可靠性有了明显提高，但整体技术的局限性依然存在。例如在油气分离、气气分离，气体检测及环境控制四个步骤上，在线气象色谱仪常采用机械方法脱气、色谱柱分离组分及相应的定量系统和控温单元。因其构件、单元复杂，这对其零部件的可靠性要求是一个很大的挑战。因为系统的可靠性几乎是各个单元的可靠性的乘积。另外，在线气象色谱仪的构件中有易损件和消耗件，要更换载气、标气，色谱分离柱老化再生，空调过滤网清洗，更换检测器、油泵、气泵、电磁阀、流量开关等，要有相应的基本维护量。表２是在规划安装50台气相色谱类在线监测装置或50台燃料电池类产品时的维护工作量对照。
从表2可以看出，在线气象色谱仪维护要求高，它适合于需要重点呵护的变压器；而燃料电池在线监测装置基本上不需要维护，成本（购买及使用成本）低，因此适合于作为更多变压器的“看门狗”或“哨兵”。
在线气象色谱仪的工作模式为间歇式（与此相对应的是燃料电池技术工作模式为连续式），其维护周期还与检测分析周期的长短有关。以增加检测间隔或牺牲监测精度来延长维护的间隔，例如每天甚至更长时间测一次，从某种意义上讲已经达不到在线监测的要求。

表２　气象色谱技术和燃料电池技术产品正常维护工作量的估算

５　结语
燃料电池气体传感技术的发展为变压器在线监测装置实现长期高可靠性（鲁棒性）、免（少）维护性和可普及性成为可能。