电容式水凝胶传感器在现场作业风险监控设计中的应用

钟业荣 阮国恒 江嘉铭

摘 要：随着近些年变电站现场作业安全事故频发，使用三维可视化对变电站现场作业时电缆监控可有效降低事故发生率。目前用于三维可视化监控变电站现场作业电缆时的传感器传递效率底，无法有效監控电缆快速脉冲电压。研究生物基水凝胶传感器在现场作业风险监控设计中的应用。结果表明，当使用短电缆时，所设计的电容式水凝胶传感器的上升时间可以达到1.5 ns。增加低压臂的电容或电缆入口处的电阻将增加水凝胶传感器的时间常数，从而改善其低频损失；而长电缆将显著降低水凝胶传感器的高频响应和信号幅度。且该水凝胶传感器采用同轴结构设计时，适合于安装在二次水绝缘输电线路的内部高压电极上。可为三维可视化的变电站现场作业风险监控设计提供参考。

关键词：水凝胶；变电站；风险监控；电缆

中图分类号：TQ427.2+6

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）04-0178-04

Application of capacitive hydrogel sensor on monitoring design of on-site operational risk

ZHONG Yerong，RUAN Guoheng，JIANG Jiaming

（Qingyuan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co.，Ltd.Qingyuan，Guangdong，511515，China）

Abstract：With the frequent occurrence of safety accidents at substation sites in recent years，the use of three-dimensional（3D） visualisation for monitoring cables during substation site operations can effectively reduce the incidence of accidents.However，the current sensors used for 3D visualisation to monitor the cables during substation field operations have a low transfer efficiency and cannot effectively monitor the fast pulse voltage of the cables.This paper therefore investigated the application of bio-based hydrogel sensors in the design of field operation risk monitoring.Experimental results showed that the designed capacitive hydrogel sensor could achieve a rise time of 1.5 ns when using short cables.Increasing the capacitance of the low voltage arm or the resistance at the cable entry increased the time constant of the hydrogel sensor，thus improving its low frequency losses.A long cable significantly reduced the high frequency response and signal amplitude of the hydrogel sensor.The hydrogel sensor was also suitable for installation on the internal high-voltage electrodes of a secondary water-insulated transmission line when designed with a coaxial structure.The results of the study can provide a reference for the design of three-dimensional visualisation of substation site operation risk monitoring.

Key words：hydrogel;substations;risk monitoring;cables

“三型两网”建设在国家实施智能电网战略后得到了快速发展。因此加快变电站现场作业监控数字化、信息化、图形化的发展［1］，这是电力系统发展的必备条件。而三维可视化可实现数据和图像的集成建模，且该模型与现场实际的电力设备物理数据进行集成，从而对变电站现场作业时电缆工作状况得到了有效的监控。但目前三维可视化监控中所需的传感器［2-4］，无法快速传输电缆电压数据，且监测电缆中得的快脉冲电压常导致数据不准确。因此为进一步提高传感器综合性能，使其更好的适用于变电站现场作业风险监控设计中。

作为传感器的潜在材料，水凝胶因其优异的延展性、柔韧性和生物相容性等优点而备受关注［5］。传感器中的聚苯胺有2种形式：薄膜和纳米纤维。与薄膜相比，聚苯胺纳米纤维因其优异的性能，包括优秀的电化学性能和物理化学性能，吸引了更多的关注［6］。因此，将水凝胶材料与传感器相结合是一个可行的方案。

基于此，设计了一种带有水凝胶传感器，以监测变电站现场作业时电缆电压变化。此外，低压臂的电容可以灵活地调整。水凝胶传感器采用同轴结构设计，可以安装在二次水绝缘电缆的内部高压电极上［7］。通过时域响应和频率响应，分别讨论和设计了测量电缆的最佳设计方案。并采用上升时间为1.5 ns、脉冲宽度为200 ns的方波来验证所设计的电容式水凝胶传感器的特性。

1 电容式水凝胶传感器设计

1.1 低压臂的设计

低电压臂对电容式水凝胶传感器来说是非常重要的。首先，低压臂应具有低电感量，以确保高频响应和相对宽的带宽［8］。其次，为了测量传输线中大范围的脉冲高电压，低压臂的电容应方便地调整。

为了满足这些要求，设计一种带有水凝胶传感器的低压臂。低压臂其直径可以根据安装空间进行调整［9］。低压臂的每一面都覆盖有2个环形铜箔。在2个铜箔之间形成焊盘，用于焊接水凝胶传感器。大量的通孔作为双侧环形铜箔外部之间的电气连接。低压臂的整个电容根据2侧电容的串联。匹配电阻的引脚可以通过中心的通孔焊接在低压臂的上侧。为了避免短路，底面的环形铜箔的内径要比顶面的大。由于水凝胶传感器的高耐受电压性及热稳定性，可以确保低压臂的可靠性。因此本文将低压臂的直径和厚度分别设计为38、0.9 mm。并将多个水凝胶传感器焊接在低压臂的每一侧。

1.2 电容式水凝胶传感器的总体设计

电容式水凝胶传感器的整体设计符合3个主要的设计要求。首先，电容式传感器的结构应该是紧凑的，以减少残余电感。其次，水凝胶传感电极的开口要小，以避免干扰现场作业监控的的正常运行［10-12］。最后，低压臂应易于变电站现场更换而不影响传输线中的电介质材料。

由于低压臂通常为紧凑圆形结构，电容式水凝胶传感器可以设计成同轴结构，便于加工和安装。此外，通过设计的结构还可以减少残余电感。传输线上的开口选择直径为30 mm，必要时可以进一步缩小。感应电极的直径设计为26 mm。且由于水凝胶传感器良好的灵活性，将聚四氟乙烯（PTFE）用作绝缘材料。为了避免表面闪络［13］，绝缘层的上表面要低于水凝胶传感电极的上表面。而水凝胶传感器的法兰盘固定传感电极、连接电极和绝缘层。低压臂两侧的内环形铜箔分别作为与连接电极和盖板法兰的电气连接。同时将四分之一长度的聚丙烯材料电阻焊接在水凝胶传感器的顶部和表面之间。

1.3 电容式水凝胶传感器制备

将0.7 g聚苯胺纤维放在去离子水中，用匀浆器高速（400 r/min）分散，形成总体积为40 mL的悬浮液。将制备好的40 mL聚苯胺纤维悬浮液放入80 ℃恒温的磁水浴中进行保温。然后以750 r/min的转速向溶液中加入0.4 g氯胺酮（KC）粉末。溶解后，快速加入0.8 g魔芋葡甘露聚糖粉末和0.16 g氯化物。得到的均匀溶液在80 ℃的水浴中保持30 min。取出的溶液倒入60 mm×20 mm×2 mm的模板中凝固［9］，冷卻后形成水凝胶网络结构。同时在印刷电路板中，分别加入了水凝胶材料和聚苯胺纤维制备成电容式水凝胶传感器。

2 试验结果分析

为了验证电容式水凝胶传感器的特性，进行了验证实验。首先，研究了变电站现场作业电缆监控的两种匹配方案方波响应，并确定方案的合理性。然后，研究了电容式传感器的可重复性。此外，还讨论了低压臂的电容和电缆入口处的电阻对水凝胶传感器方波响应的影响。最后，进行了实验以评估变电站现场作业监控中不同电缆长度对信号的影响。

2.1 方波响应

由于原始方波发生器的振幅很低。因此，为了在变电站现场作业监控中下获得有效的数据，在方案A（R=Z=50 Ω，R0=1 MΩ）和方案B的测量电缆双端匹配（R=R0=Z=50 Ω）的情况下，低电压臂电容设计为5 nF。此外，为了验证2级划分的特性，C2和R分别被选为541 pF和1 000 Ω。方案A和方案B的方波响应如图1所示，所设计的方案的方波响应分别在2 m长的电缆上进行了测试。

从图1可以看出，电容式水凝胶传感器的信号与来自电阻分压器的信号保持一致，进一步抵消变电站现场作业监控中电缆中第1个传输延迟的影响［14］。电容式水凝胶传感器的上升时间为4 ns，主要由水凝胶传感器测量电缆的衰减引起的，且水凝胶材料可以形成导电路径，有效将加速电子传输，便于对变电站电缆监测。且可观察到方案A的信号振幅是方案B的2倍，这是由于水凝胶材料具有较好的导电性，可以促进电压波在电缆末端发生全反射。在测量电缆双端匹配的情况下，方案B的分压比为123 508∶1，与120 048∶1的计算结果接近。由于方案B的时间常数与信号的持续时间相当，输出信号不能保持其平顶。而方案A的反射波在20 ns（2 m电缆的传输延迟的2倍）时补偿其输出信号，与方案B相比，方案A呈现出更大的时间常数。

方案A的信号在500 ns处有一个反射电压波，一方面由于电缆中传输时间较长；另一方面由于水凝胶中的离子与电压中的电子相互吸引从而出现反射电波。进而导致2 m电缆中的传输延迟时间为250 ns，这对于三维可视化变电站现场作业监控影响较大［15］，无法准确掌握电缆实时变化。由于电缆末端的高阻抗，电压波有一个全反射，2 ns之后，反射的电压波返回到示波器。与设计的方案结果相比，反射会导致长测量电缆的信号失真。因此，方案A只能用短电缆进行脉冲电压测量。然而，由于水凝胶传感器产生的高压、高温和强辐射及水凝胶材料在高压状态下的体积膨胀和厚度降低，且在变电站现场作业监控应用中，测量电缆的长度可能是几十或几百米。因此方案A不适合在水凝胶传感器上进行电缆脉冲高压监控。

2.2 电容式水凝胶传感器的可重复性

三维可视化变电站现场作业监控时间通常较长，因此为了保证水凝胶传感器在长期工作中的可靠性，使用方案B（C2=2.26 nF和R=50 Ω）的电容式水凝胶传感器进行可重复性验证。利用一根2 m的测量电缆进行了5次实验，计算结果如图2所示。

从图2可以看出，电阻分压器和电容水凝胶传感器在相同条件下使用5次时的方波响应基本相同，表明电容传感器的重复性较好，可满足现场作业长期监控。同时可观察到，在水凝胶传感器监控时的前20 ns内，方波响应呈增加趋势，主要由于电缆中的材料易发生去质子化。为了中和产生的电荷，移动的反离子从周围的材料扩散到水凝胶材料中，导致水凝胶中电荷量增加，从而发生前期方波响应增加［16-17］。而在监控时间20 ns后，方波响应呈平稳递增趋势，传感器中的水凝胶可以促进表面的官能团首先变成质子化。由此产生的静电排斥导致方波响应较为平稳。

2.3 电缆长度对水凝胶传感器的影响

由于变电站现场作业三维可视化监控中需要使用水凝胶传感器对不同电缆进行监测，而电缆长度越长，其水凝胶传感器监测反应时间越长，因此研究电缆长度对水凝胶传感器的影响［18］。使用方案B的低压电容（541 pF，电阻R为1 000 Ω）进行实验。图3为在不同电缆长度2、5、10和20 m条件下的方波响应结果。

从图3可以看出，当电缆长度为20 m时，电容式水凝胶传感器的分压比会增加。由于长电缆中的信号损失不能被忽视，信号振幅会被衰减。此外，当电缆长度增加时，电容式水凝胶传感器的上升时间明显增加；当电缆较短时，电容式水凝胶传感器的上升时间为2～4 ns，偏差很小，这主要由于水凝胶材料的导电性能［19］。且当电缆为50 m时，上升时间明显上升，表明电容式水凝胶传感器的高频响应大大降低，不利于水凝胶传感器对变电站现场作业时电缆进行监测。这种现象是由电缆对高频成分的衰减引起，且衰减随着频率的上升而变得更加严重，从而产生波前传播。因此可以采取2种措施来消除长电缆的影响：（1）转移或收集附近电容式水凝胶传感器的信号；（2）通过电缆的频率响应或方波响应来调节收集后的信号。利用去卷积函数，可以将信号恢复为原始波形。

2.4 水凝胶传感器电信号监测

水凝膠传感器在三维可视化变电站现场作业监控设计中的应用主要取决于将变电站现场电缆电压转换为有规律的电信号输出。图4为水凝胶传感器随着现场电缆电压有规律地输出电信号（ΔR/R0）［20］。

从图4可以观察到，水凝胶传感器监测到现场作业电缆电压变化时，电阻将增大，曲线呈下降趋势。在每个测试周期中，保持水凝胶传感器持续监控现场作业，曲线将呈“四边形”，而且现场电缆电压变化越快，曲线形状越尖锐。这表明，水凝胶传感器可以根据不同的电压变化速度产生不同的电信号。因此，水凝胶传感器可有效监控三维可视化的变电站现场作业风险。

3 结语

研制并设计了一种水凝胶传感器用于监测变电站现场作业时电缆快速脉冲电压变化，并对其特性进行了分析。试验结果表明，该电容式水凝胶传感器适用于测量电缆中的快速脉冲电压，变电站现场作业监测的电缆不宜过长，长度应控制在2～10 m，且方案B导致水凝胶传感器时间常数增加，可实时监测电缆电压变化。

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