用于电力设备的自充电测压柔性传感器研究

李 龙，姚俊钦，陈 鹏

LI Long*，YAO Jun-qin，CHEN Peng

（广东电网有限责任公司东莞供电局，东莞 523000）

0 引言

在电力设备长期运行过程中，受环境或人为因素影响，可能会发生逐渐的失压、形变等异常现象，形成安全隐患，严重时可能导致设备损坏、线路停电等电力事故，因而对设备的受力情况或形变程度进行实时监测有着非常重要的意义[1]。

目前主要通过部署无线传感器对电力设备进行监测，此类传感器一般使用非柔性材质制作，难以实现各种不同外形电力设备的压力测量。采用柔性技术制作传感器，可有效解决这一问题。传感器采用电池取电，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潮湿等恶劣环境中，容易发生爆炸，引发事故。在电力场景下，由于电力设备在运行过程中会存在发热、产生电磁场的现象，因此可充分利用环境能量，通过电磁能量采集与热电能量采集来满足无线传感器及信息传输网络的供电需求。目前柔性传感器的制作工艺比较成熟，因此本文重点研究电力场景下的环境能量收集。

国内外研究人员对电磁能量收集和热电能量收集进行了一系列研究。在电磁能量收集方面，2009年，Rohit Moghe等人在进行电磁能量采集时[2]，提出一种X型磁芯结构，实验证明了X型磁芯的磁通集中器可使邻近区域的磁通得到最有效集中，同时磁通集中器还拥有体积小，可贴附在导体上的特点。采用这种磁芯结构，当导线电流为200A时，输出功率可达到257mW。2010年，Rashed H.Bhuiyan等人提出一种新型电磁能量采集器[3]，该采集器包含多个线圈绕组和若干个高磁导率材料，由于该能量采集器需要安装在电力电缆上，该采集器被设计为带开口的空心圆柱形，结构如图1所示。在电流为13.5A时，输出功率达到10.358mW。2015年，Li Ping等采用双U型正切式磁芯结构进行电缆电磁能量采集[4]，在电流为3A的情况下，最大输出功率达到14.5mW。在热电能量收集方面，Acut，RVP[5]等提出了一种用于无线传感网络的热-光联合供能的能量采集系统，该系统能够在100Ω的负载下提供1.92mW的最大输出功率。Magno，Michele[6]等设计了一种用热电模块供能的磨损检测的无线传感器网络，该网络可在超低功耗水平上达到100%的算法精度。

图1 空心圆柱形电磁能量采集器

本文结合目前新兴的柔性传感器技术，研制了可用于电力设备的自充电测压柔性传感器。柔性的结构使传感器所占空间更小，可灵活部署。同时，该传感器可吸收热能与电磁场能量对自身进行供电，相比以往的仅利用热能供电或仅利用电磁能供电，双模式联合供电在同等条件下可提供更高的输出功率，实现传感器无电池运行。除此之外，电力设备一般会在发生故障的前一段时间出现异常的发热现象，由于出现异常状况，此时传感器会频繁向接收基站发送异常信息和预警信号，因此传感器的发射功率增大、耗能增加。通过利用异常发热产生的热能进行自充电能够补偿传感器所需的发射功率，实现持续预警和及时检修，减少财产损失。

1 原理介绍

与传统的以固态基底材料为基础的电子器件及电路相较，柔性电子器件与电路是基于对柔性基底材料的运用，各种柔性基底材料能够为传感器提供机械柔韧、耐腐蚀以及热稳定等性能[7]。常见的柔性基底材料包括聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜等，以不同纳米功能传感材料的差异化特性为基础，可完成对温度、压力等不同柔性传感器的制备。

1.1 柔性压力传感器

柔性压力传感器是一种压电型传感器，以可以产生压电效应的压电元件为其核心构件，原理即基于压电材料在受到外界载荷作用时产生的极化现象而开展工作。所谓压电效应[8]，指的是在无电力场施加的前提条件下，外界载荷作用引起石英晶体等部分电介质发生形变，进而使电介质内部正负电荷发生偏移，在表面上形成极化电荷[9]。如图2与图3所示，压电效应包括正压电效应与逆压电效应两类，前者是外界载荷作用时的形变介质化，后者则是电场作用时电介质的形变。

图2 正压电效应

图3 逆压电效应

1.2 电磁能量吸收

由于电力设备附近存在较为大量的电磁泄漏，可收集该泄漏电磁能量为传感器供电，解决传感器需要更换、维护电池的问题。电磁能量收集技术利用“动电生磁，动磁生电”的电磁感应原理，如图4所示，将导线上变化的交流电流，通过电磁耦合的方式在二次线圈上产生电压和电流，实现取电功率的传送，达到自导线上取电的目的[10]。此方式取电稳定，不受环境和大电流影响。

图4 电磁感应现象

1.3 热电能量吸收

一般电力设备都会自发热，与周围环境形成温度差。除此之外，电力设备一般会在发生故障的前一段时间出现异常的发热现象，因此可充分利用这一热能，实现无线传感器自供电。基于热电材料的Seeback效应，利用器件内部载流子运动实现热能和电能直接相互交换，当材料内部存在温度梯度时，材料中将产生电子移动，通过外电路形成电流。热电能量收集模块由多对热电偶构成，每对热电偶由N型热电元件和P型热电元件的柱体结构组成。整体电路结构属于串联式，其目的是增加温差电势，而电路中的热量传递部分通过并联连接来增加热能的使用效率，热电器件结构如图5所示。

图5 热电器件结构图

热电器件分为热端和冷端，热端为靠近电力设备一侧，温度为TH，冷端为远离电力设备的一侧并装有散热器，温度为TL。热端和冷端之间由于存在温度梯度产生电流，实现了将热能转化为电能。运行中的电力设备将不断地向周围空间散发出热量，致使电力设备出现显著的高温热点，构成了合适的环境热源。通过合理设计集热、散热结构，可在热电模块两端产生可利用的温度差，驱动其输出电能。热电模块的输出功率表示如式(1)所示：

式(1)中，α是Seeback系数，ΔT为热电模块冷端和热端的温度差，Ri为热电模块的内阻。

2 传感器设计

2.1 压力信号处理电路设计

柔性传感器相当于一个可变电阻，当电阻受到压力的影响时，其阻值会发生相应的变化。压力信号处理电路是传感器电路中最为关键的电路，其能将压力转化为电压的输出，决定着传感器测量的准确度。压力信号处理电路如图6所示，在压力信号处理电路中，J4、C41以及R6i（i=1，2，3，4）所代表的分别为压敏热阻、滤波稳压电容器以及4个串并联电阻，其中，R6i的作用体现在为整个电路提供可调控阻值。R56与R57联合之路电容一起将滤波作用发挥出来。MAX4494是两级运放，其中，第一级运放的功能为稳压，避免由于微弱电流注入而引起的测量精度降低这一状况的发生，接着便可视为第二级运放单独作用，有如式(2)所示：

图6 压力信号处理电路

输出的Vout在经过R66的分压处理以及电容电阻滤波处理之后，由AIN0输出。AIN0电压经AD变换后输入到神经网络进行自校正补偿，输出压力数据。

2.2 电磁能量收集模块设计

电磁能量收集模块由双层铜箔电极能量采集器、储能电容、开关电路、降压稳压电路四部分组成。双层铜箔电极能量采集器有五层，第一层和第三层为铜箔电极，第二层和第四层为拥有高介电常数和高磁导率材料，最外层为多匝线圈。此设计在文献[3]的基础上加入了铜箔电极和高介电常数的材料，提高采集器对电场能量的吸收效率。能量采集器采集电力设备周围的电磁能量后以位移电流的形式通过导线输出。位移电流经过整流电路变为带交流分量的直流电流，开始对储能电容进行充电，开关电路对储能电容的电压进行监控，控制充放电，降压稳压电路将电容释放的能量转换为稳定的电源，并对传感器进行供电。电磁能量收集模块如图7所示。

图7 电磁能量收集模块结构图

2.3 热电能量收集模块设计

热电器件的结构图如图5所示，材料选用碲化铋，后续电路选取LTC3108，LTC3108结构图如图8所示。LTC3108是一款非常适合于收集和管理来自热电发生器、热电堆和小型太阳能电池等极低输入电压电源的剩余能量的DC/DC转换器。该器件所采用的升压型拓扑结构可在输入电压低至20mV的情况下正常运作。

图8 LTC3108结构图

3 实验结果及分析

本实验以高压电力传输线中间接头作为实验对象。将柔性压力传感器紧包在电缆接头处测量接头处压力，同时收集中间接头附近的电磁能量及热能为压力传感器自供电。

3.1 柔性压力传感器指标测量

在电缆接头处外接气泵，调节电缆接头处的内部压力用于模拟电缆潮湿漏水气化后产生的不同压力。

1）灵敏度

选取两个传感器样品T1和T2，从小到大调整气泵压力大小，待输出稳定后采集电阻值，测量五次并取其平均值作为最终测量值，得到电阻一压力曲线，该曲线反映了电阻与传感器受力之间的关系，如图9所示。可看出随着压力的增大，传感器输出电阻也逐渐增加，两者成正比关系，因此该压力传感器能表现出较好的正压阻效应。

图9 电阻-压力曲线

2）迟滞

调整气泵压力，压力先从小到大再从大到小，待输出电阻值稳定后采集，得到电阻-压力曲线，如图10所示。

图10 迟滞测试曲线

可得在传感器的弯曲程度不断变化的情况下，传感器的迟滞效应比较小。

从上图可见，本文设计的柔性压力传感器能有效测量电缆接头处的压力。

3.2 自充电性能分析

柔性传感器自充电性能测试分为两部分：一是构造一个模拟环境测量自充电性能，二是在实际电缆接头处测量。

3.2.1 模拟环境测试

首先通过实验研究本文热电模块的发电性能，实验环境温度为25℃，设定加热台初始温度为55℃，步进温度为10℃，加热台最高温度为125℃。热电能量采集通过热电模块冷端和热端的温度差进行发电，待冷热两端的温度处于稳定状态，测量负载端两端电压，实验得到的输出电压-温差如图11所示。图12展示了通过改变热电模块冷热两端的温度与负载电阻阻值，测量在不同温差、不同负载下的输出功率。在负载相同时，输出电压随着温差增大而增大，温差相同时，输出电压随着负载电阻的增大而增大。输出功率在690Ω时可达到最大值，输出功率也会随着冷热端温差的升高而升高。

图11 输出功率随线圈一侧电流变化曲线

图12 线圈输出功率曲线

对于图11的不同温差，记录不同温差下LTC3108的输入电压，即热电器件所产生的电压，负载电阻为1135Ω，输出电压的变化如表1所示。

表1 输入-输出电压表

实验探究电磁能量吸收模块的发电性能，电磁能量吸收模块的线圈匝数为800匝，输出功率随着线圈一次侧电流的增加近似呈线性增长。取线圈一次侧电流为10A，测量不同负载电阻阻值下的输出功率，当负载电阻为700Ω时，输出功率最大，为32.7mW。

图13 输出功率随线圈一侧电流变化曲线

图14 线圈输出功率曲线

将传感器的负载电阻设为700Ω，热电模块两端温差为18.7℃，线圈一次侧电流为10A，由于本传感器为电磁能量与热电能量联合供电，得到的总输出功率为53.2mW。表2为本文设计与文献[2]～文献[4]的指标对比，可得本文设计在单位电流上可获得更高的输出功率。

表2 本文设计与现有文献性能对比

3.2.2 实际电缆接头测试

将电力电缆及其中间接头放置在可调温湿度的箱子里，模拟实际工况。调节三相电缆电流为600A，初始环境温度为25℃，环境湿度为83%。当接头导体温度升高至80℃时，每隔5℃取一个样本点，使用电缆接头温度监控软件记录此时外护套温度与环境温度的差值并测量自充电模块的输出功率，直至100℃，温度监控界面如图15所示。因为在实际工况中，高压电缆在中高负荷的情况下，接头导体温度可达到80℃～100℃。

图15 温度监控界面

表3 不同温差下的自充电模块各项指标

本文传感器采用的压力测量电路工作电压为4.5V-7.5V，工作电流小于0.9mA，由实测数据可得，本文所设计的自供电模块可保证传感器正常工作。

4 结语

本文提出的自充电测压柔性传感器拥有良好的压力测量灵敏度、线性度和较小的迟滞效应，总体性能良好。通过对传感器加装本文所设计的电磁能量收集模块和热电能量收集模块可实现将电磁能量与热能转换为电能，使传感器无电池工作，减少了维护工作和成本。本文所提出的这种联合供电方案可提供53.2mW的最大输出功率和7.132V的输出电压，与现有的几种方案相比，本方案可在单位电流上可获得更高的输出功率，同时经实测得本文设计的自供电模块可满足压力传感器的电压和功率需求。

本文传感器可在电力系统电容器、蓄电池以及电力电缆等相关设备的温度与压力监测中得到良好的应用，减轻了更新维护的工作。但是，尽管柔性传感器表现出安装便捷、性能可靠以及成本低等各种优势，但是电力系统不同设备所处的环境复杂，要求有较为突出的抗干扰、高压绝缘以及耐腐蚀等性能，今后，相关人员还需进一步优化柔性传感器的材料与工艺，以实现对各种电力设备应用环境所需的良好匹配。