智能柔性温度压力传感器在电力系统中的应用研究

(湖北大学 计算机与信息工程学院，武汉 430062)

智能柔性温度压力传感器在电力系统中的应用研究

蒋碧波

(湖北大学计算机与信息工程学院，武汉430062)

通过分析现阶段电力设备监测手段存在的问题，提出将采用先进纳米印制技术制备的智能柔性传感器应用于电力物联网中，在介绍智能柔性传感器原理及材料配方、制备工艺的基础上，对柔性传感器在电力系统的适用场景进行分析，并给出了典型场景的应用方案，提出了柔性传感器在应用过程中的固定封装和高压绝缘方案，为电力设备的测温测压技术提供了一种较好的解决方案。

柔性；纳米印制；传感器；电力

0 引言

物联网在智能电网的示范应用是推动国家物联网产业发展的重要力量，其重中之重是利用最新的智能传感器技术，与广泛互联、高度智能、开放互动的能源互联网实际需求紧密结合，为智能电网发、输、变、配、用等各环节提供智能、开放、交互式的服务。长期以来，电气设备关键部位过热是电力事故的重要诱因之一，电气设备过热缺陷诊断是设备缺陷管理的一项重要内容，各级电力公司高度关注。目前电力设备测温主要技术手段包括示温蜡片测温技术、红外测温技术、光纤测温技术、有源无线测温技术等几种。

1)示温蜡片测温技术：通过在带电设备上贴上测温蜡片，定期检查，通过蜡片变色和融化程度来判断温度，此方法精度很低，且难以实现实时在线监测[1]。

2)红外测温技术：通过检测物体分子的热运动向外辐射的红外电磁波来测量温度。在温度测量时不需要和测温点直接接触，属于非接触式测温，易受环境及周围电磁场干扰，且需人工操作，无法实现在线测量，效率低[2]。

3)光纤测温技术：采用光纤同时进行信号传输和温度探测,由于其优异的绝缘性能,测温光纤能够直接安装到高压带电设备上。光纤测温为接触式测温,绝缘性能很好,传感器系统中传感信号在光纤中传输，不受高电压系统中的强电磁干扰；此外，传感器可以实现在线监测，能够实时在线的反馈被测点的温度情况。但光纤测温具有解调设备造价昂贵、光缆易折断且敷设困难等缺点，长时间运行光纤表面会受到污染，造成沿光纤表面“爬电”,降低系统的绝缘性能，限制了光纤测温技术的广泛应用。

4)有源无线测温技术：以ZigBee技术为代表的无线温度传感器可以直接安装在电缆接头、闸刀触点、开关触点、铜排连接点等电气设备关键测温点，具有集成度高、体积小、安装方便、成本低廉、自组网等诸多优势，但是这种测温方式采用电池或者CT取电，属于有源方式。电池取电存在寿命有限,需要定期更换电池的问题；同时电池不适于工作在高温恶劣环境，容易发生爆炸，引发事故[3-4]。

由此可见，现有的测温技术都存在各自的“瓶颈”，不能完全满足电力应用需求。基于世界先进的柔性纳米电子技术制备的智能柔性传感器可以根据应用需求同时感知压力、温度等多参数，且具有安装简便、性能可靠、成本低等多重优点，既可以制作成多种形态粘贴在线路和一次设备上，也可以直接集成在一次设备中，有效解决目前输变电、配用电线路和设备在线监测传感器安装困难、功耗大、功能单一等问题，实现电气设备过热点的准确实时监测，保障电力系统运行安全。

柔性传感器与传统的CMOS和MEMS 传感器的最大区别是利用纳米传感材料，通过印刷在不同的高温绝缘材料，比如橡胶和塑料上，制作传感器[5]。而CMOS和MEMS传感器主要基于硅材料，并需要复杂的刻蚀工艺。柔性传感器的主要优势有：1)基于不同的基底材料(如高温橡胶)可实现传感器轻便可靠；2)传感器可以是任意尺寸，尤其是大幅度弯曲，如磁场和磁场电流传感器的线圈可以做成各种形状和尺寸；3)可利用不同的纳米功能材料，如力敏材料可做压力传感器，温敏材料可做温度传感器，电磁材料可做磁场电流传感器；4)可利用纳米印制技术，进行不同功能形状的传感器定制，适用于批量化生产；5)印制材料和工艺是绿色环保技术，以“加成法”制造工艺为基础，在需要传感材料的地方印制材料，步骤简单，与目前CMOS和MEMS的刻蚀工艺相比，没有废料废水，具备无污染的特点。

1 智能柔性传感器

1.1 柔性压力、温度传感器原理

柔性传感器是纳米印制电子的典型应用，是一种纳米材料与印刷技术相结合的新兴交叉科学，主要是利用最新的纳米功能传感材料，通过丝网、喷墨打印等纳米印刷方式，并采用蒸镀旋涂温度处理等工艺，在陶瓷、塑料及橡胶等基底上印刷电子线路及器件。基于各种纳米功能传感材料的不同特性，可制备出不同的柔性传感器，如压力、温度和磁场电流等传感器。

柔性压力传感器的原理是通过力敏材料感应静态和动态的形变和压力压强变化。柔性压力传感器可等效为压敏电阻。当压力传感器无外界负载时，电路处于高阻状态。当外界压力施加到传感器上时，电路电阻随之下降。使用万用表，可以直接通过连接到外部的两个端子读取电阻数值，电阻数值随外部压力的变化而对应的变化。图1显示了压力与电阻成反向比率，但是压力与电导是呈现线性的，因此电导可被用于校验计算。

图1 柔性压力传感器电阻、电导随压力变化曲线

柔性温度传感器的原理是通过纳米级的半导体温敏材料，来测试静态和动态的温度变化。温度变化会造成大的阻值改变，材料特性为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。若温敏材料中，电子和空穴的浓度分别为n、p，迁移率分别为μn、μp，则半导体的电导为：

σ=q(nμn+pμp)

(1)

因为n、p、μn、μp都是依赖温度T的函数，所以电导是温度的函数，因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线，如图2所示。

图2 柔性温度传感器的电阻值随温度变化的关系曲线

1.2 材料配方及制备工艺

材料与工艺是传感器研究的核心，柔性传感器的制备首先需要选择相关的基底材料，之后制作纳米油墨材料，将油墨压印到基底上，并进行真空温度等的控制处理，使油墨材料具有传感特性，形成不同的传感器。油墨配方可以根据实际应用需求加以改进，制备出不同的功能油墨，以满足不同的传感特性需求。功能油墨的研发技术路线如图3所示，包括压力敏感纳米材料的制备、油墨组分的混合分散以及油墨化3个主要方面。

图3 功能性油墨的制备技术流程

针对具体的应用环境确定传感器的性能指标，完成传感器结构及工艺参数设计。在制造方式上采用纳米压印技术，主要有丝网和喷墨两种工艺，由于喷墨技术的效率难以满足批量生产的要求，本文主要介绍采用丝网技术来制造传感器，其设计及生产制造流程如图4所示，主要包括基底预处理、基于多层压印的丝网印刷(导线层、绝缘层、敏感层等)、套印对准、网版清洗、印刷后干燥、封装等步骤。

图4 柔性传感器的压印流程

2 智能柔性传感器在电网的适用场景分析

2.1 电容器温度及形变监测应用

电力电容器是无功补偿的重要器件，具有提高功率因数，改善电压质量，降低线路损耗的重要作用，但是由于受到工作环境(如温度、灰尘等)、电流过载损耗、超额定电压工作等因素影响，长期使用的电容器组，会发生泄漏、异响等问题，导致电容器组发生故障，直接影响到生产的安全性。当用电高峰到来时，例如夏季等极端天气条件下，电容器无功补偿作用更加明显，电容器在长期运行过程中容易出现发热、渗漏油、鼓肚、外壳闪烙、熔断器熔断等故障现象，其中鼓肚现象在电容器故障中占比最大，同时几乎所有电容器故障都伴随有温度升高的现象，因此电容器温度和形变监测可以及早发现电容器故障隐患，有效避免电容器故障造成的电网事故。

现阶段传统的监测方式只能监测电容器的温度，不能监测其形变；另外传统的监测方式还存在成本高、安装不方便、绝缘性能不能保证等缺点。本文提出的柔性传感器可以制作为胶带的形式覆盖电容器表面，实现温度与应变的分布式测量，安装方便、实施简单，可以实现实时监测，同时对潜在的故障进行报警，有效排除安全隐患。

2.2 蓄电池温度及形变监测应用

蓄电池是电力电源系统重要组成部分，为电力系统中的二次设备提供安全、可靠、稳定的直流电源，正常运行温度在20～40 ℃之间，高温运行容易加速蓄电池的老化，甚至有爆炸的危险，同时蓄电池在长期运行过程中容易出现鼓肚、极板变形等故障现象，存在安全隐患。此外，蓄电池使用时的温度对其寿命影响很大，温度升高时，蓄电池的极板腐蚀加剧，同时将消耗更多的水，从而使电池寿命缩短，如果水损耗加剧，将使蓄电池有干涸的危险，甚至会造成蓄电池报废，不利于环境保护和能源的充分利用。因此有必要对蓄电池的温度与形变进行实时监测，保障电源系统稳定运行。

目前蓄电池的温度监测方式主要是采用人工巡检的方式通过红外测温的方法对蓄电池的温度一一监测，这种方式人工成本高，智能化水平低，不能实现在线监测[6]。本文提出的柔性传感器可以制作为胶带的形式缠绕在蓄电池的表面，实现温度与应变的分布式测量，安装方便、实施简单，可以实现实时监测与故障预警，降低安全隐患。

2.3 电缆温度监测应用

目前，由电力电缆引起的故障是影响电力正常供应的主要因素。电力电缆发生故障时，有很大一部分原因是在电力长期运行供应过程中，电缆会产生很高的温度，电力电缆会随着电缆温度的增加，发生故障的概率就会加大。经过大量调查发现，电力电缆发生故障的位置，大多数情况下都是在电缆接头处。由于目前还没有非常有效的电力电缆温度监测装置，电缆事故发生的概率会随之增加。一旦发生电缆事故，将会产生非常严重的经济损失。所以用科学的方法来研究电缆接头温度的实时监测和温度预警对于现实生活有很重要的意义。

目前，国内和国外的电缆接头温度监测技术主要有热敏电阻式测温系统、电缆感温式测温系统、离子感应测温系统、光纤传感测温系统这4种。热敏电阻式测温布线复杂，不易维护，易受电磁干扰；电缆感温式测温系统安装繁琐，不易维护；离子感应测温系统能够实现在线监测，但易受电磁干扰的影响，无法保证其测量精度；光纤传感测温系统是现阶段学者研究较多的测温方式，可实现温度与应变的同时测量，具有本质绝缘、抗电磁干扰强、分布式测量等优点，但其施工较复杂、光缆在管道中易折易断、成本较高[7-8]。

现有的测量技术都有其自身的缺点，同时也不能够用于测量电缆的形变。柔性温度压力传感器可以制作为胶带的形式分布式粘贴或缠绕在电缆表面，实时监测电缆温度与形变，并通过采集器实时采集和上传数据至监控中心，实现对电缆温度和形变的在线监测和预警，既克服了无线传感器无法分布式测量的缺点，又克服了光纤传感器容易折断的缺点。同时，柔性温度压力传感器体积小、功耗低，易于安装，其温度的测量范围(-40～125 ℃)均可以满足电缆测温的要求。因此本文提出的柔性温度压力传感器可适用于电力电缆测温场景中。

2.4 输配电线路摆动、震动及温度监测应用

输配电线路分布在广阔的地域上，承担着电力输送的重任，随着线路里程的延伸，对输配电线路进行管理与维护的工作量也成几何级数的增加，亟需实现输配电线路关键状态量的在线监测，为运维检修提供辅助决策依据。输配电线路状态监测，首先依赖于传感器网络作为“智能信息感知末梢”，通过各种传感器技术，结合广域通信技术和信息处理技术可以实现对线路温度、摆动、震动等状态量监测、分析，从而提高线路综合防灾和安全保障能力，对提升电网稳定性具有积极而深远的意义。但是输配电线路里程长、自然环境恶劣、电磁环境复杂、取电困难等因素为状态监测制造了较大困难[9-10]。

目前应用于输配电线路状态监测的传感器主要有光纤传感器与无线传感器两类，光纤传感技术在长距离线路状态监测中面临着精度低、空间分辨率不足、监测对象不全面等诸多问题，离实用化尚有一定差距；各类无线传感器面临监测功能单一的问题，需要部署温度、应变等不同类型传感器实现多种参量的监测，同时无线传感器在恶劣户外条件下面临电磁干扰、测量可靠性的考验。

柔性传感器可以直接印刷在基底材料上，本质上容易实现多维传感器的一体化封装，在同一基底材料上实现温度、应变等多种传感功能的集成，大大降低了传感器部署的数量与难度；另一方面，柔性传感器易于与绝缘吊环、间隔棒等线路电气一次设备集成，内嵌在一次设备内部，形成零电场强度区，可有效简化抗电磁干扰防护电路设计，避免成为外部带电制高点，造成电晕放电等，破坏原一次设备的电磁场平衡，导致绝缘损坏。由以上分析可知，本文提出的柔性温度压力传感器集成度高，能同时监测温度和压力两种参量，同时易于与一次电气设备集成，具有良好的抗电磁干扰、绝缘特性，可以适用于该应用场景。

3 智能柔性传感器在电网的应用技术研究

3.1 在典型应用场景的应用方案

本文以电容器和蓄电池温度及形变监测为例，智能柔性传感器温度压力传感器状态感知总体方案如图5所示。具体如下：

1)柔性温度压力传感器通过某种方式固定封装在监测对象表面，同时感知温度、压力(形变)信息。信息采集终端实时采集传感器的数据，并通过有线或者无线通信方式向上级上传。根据实际应用场景的需要，信息采集终端之间可能需要实现通信，必要时布设一个网关节点，实现信息的汇聚与转发，通信方式可以现场应用情况选择RS485、低压PLC、Zigbee等。

2)集中器承担感知信息初级放大、AD转换、信息上传等功能。信息上传方式支持周期主动上传与召测两种。

3)工控主机汇聚变电站内柔性温度压力传感器的信息，并实现信息可视化、告警等功能。

4)工控主机与集中器之间支持RS485与无线公网两种通信方式：RS485适用于具备电缆敷设条件的站点；无线公网适用于不支持电缆敷设条件的站点。

图5 柔性传感器温度压力采集总体方案图

3.2 固定封装技术

纳米传感材料封装在橡胶或塑料基底中后，通常通过胶贴的方式固定在被测对象表面，进而感知压力变化。被测对象压力、形态变化传递到敏感元需要经过中间环节(胶粘剂、基底材料)，胶粘剂、基底材料的形变特性会影响测量精度；同时一些特殊的测量场合(高温、高电压等)对胶粘剂、基底材料的耐高温特性与绝缘特性要求较高，普通材料难以适用。本文主要从两方面考虑提出解决思路：一是研究不同的胶贴封装方式对传感器压力测量的影响，提出胶贴方式的不同行业应用的适用性建议；二是提出传感元与被测对象紧密耦合的无胶封装方案，减少中间环节的干扰，提高测量精度。

(1)胶贴封装方式。

胶贴封装是一种广泛应用的传感器固定封装方式，光纤光栅、电阻应变片测温都有使用。胶贴封装方式实施简单，直接通过硅胶、聚酯胶等胶粘剂将传感器粘帖在被测对象表面，如图6所示。

图6 胶贴封装方式

胶贴材料与工艺对传感器测压有较大影响，具体包括如图7所示几个方面：

1)胶粘剂材料本身的老化、蠕变特性会影响测量精度与传感器寿命，如部分胶粘剂在高温环境下会加速老化失效，造成传感器更换。

2)不同的被测对象(金属、橡胶等)需要选择针对性的胶粘剂才能达到最好的粘帖强度，否则粘帖强度不足会形成“接触不良”现象，影响测量的一致性。

3)粘帖工艺(粘帖长度、粘帖厚度等)的不一致或不均匀会影响压力、形变传递性能，进而影响测量精度。

图7 胶贴封装方式的主要影响

因此，需要建立柔性传感器实验室测试环境，首先通过应用环境建模研究抽象出柔性传感器测量需求，如测量范围、测量精度等；然后通过反复的比对实验确定不同应用场景适宜的胶贴封装方式。

(2)无胶封装方式研究。

纳米压印工艺具有很高的灵活性，基底材料可以灵活选择，因此可以将压敏油墨材料直接印刷在被测对象表面，无需任何中间环节实现与被测对象的紧密耦合，可以获得较高的测量精度，如图8所示。无胶封装方式在一些民用领域(如玻璃杯测温)已有一定应用，具备极高的应用前景，但是应用于电力复杂的工业环境，与电力一次设备(电容器、变压器绕组等)相结合，给压印工艺提出了较高的挑战。

图8 无胶封装方案

3.3 高压绝缘技术

柔性传感器在电力系统的应用过程中，由于部分电力应用场景的高电压属性，信号的引出必须解决高压绝缘的问题。本文主要提出无线绝缘与光绝缘两种解决思路：

1)思路1：通过无线通信将信号传递到安全区，再进行接收处理。该方案将传感、信号检测、通信、天线、纽扣电源封装到同一的基底材料中，轻便可靠，难点在于印制式天线集成在变压器绕组内部，信号覆盖范围需要通过测试验证，如图9所示。

图9 无线绝缘方式

2)思路2：通过光通信将信号传递到安全区，再进行接收处理。该方案将温度信息调制为光脉冲信息，通过光源发射到安全区，再进行接收处理，光脉冲信息的发射与接收过程与无线通信相似，难点在于光接收的对准比无线接收要困难的多，光源的色散与老化会造成信息失真，如图10所示。

图 10光绝缘方式

4 结论

文章引进了先进的纳米印制技术，提出将智能柔性传感器应用于电力系统中，通过对电力系统不同应用场景的现状及需求进行分析，得出柔性传感器可以应用在电容器、蓄电池、电缆等设备的监测中。对于典型的应用场景，文中还给出了应用方案，并对应用过程中的固定封装技术、高压绝缘方案提出了解决思路，为柔性传感器在电力系统中的应用提供了参考方案。虽然柔性传感器具有安装简便、性能可靠、成本低等多重优点，但是由于电网不同的应用场景环境复杂，对抗干扰、高压绝缘、耐腐蚀等性能要求高，因此未来还需要做大量实验以及传感器材料及工艺改进，以匹配不同应用环境的需要。

[1] 陈 军,李永丽.应用于高压电缆的光纤分布式温度传感新技术[J].电力系统及其自动化学报,2011,(10):12-15.

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[10] 周 垚．高压输电线路导线温度在线监测系统研究与实现[D].北京：北京交通大学,2009.

StudyonApplicationofIntelligentFlexibleTemperaturePressureSensorinPowerSystem

Jiang Bibo

(School of Computer Science and Information Engineering, Hubei University, Wuhan 430062, China)

By analyzing the existing problems in the present stage of power equipment monitoring, A novel method is put forward to apply the advanced nano printing technology for electric power systems. Based on the introduction of the principle of smart sensor and material formula and preparation technology, the application scenarios of flexible sensors in power system are analyzed, and the application scheme of the typical scenario is presented. Also, the fixed encapsulation and high voltage insulation scheme are proposed in the process of application of flexible sensor, which provides a better solution for the temperature and pressure measurement technology of power equipment.

flexible; nano printing; sensor; electric power system

2017-09-07；

2017-10-11。

蒋碧波(1975-)，男，湖北武汉人，讲师，主要从事物联网技术方向的研究。

1671-4598(2017)11-0307-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.078

TP311.52

A