(湖北大學 計算機與信息工程學院，武漢 430062)

智能柔性溫度壓力傳感器在電力系統(tǒng)中的應用研究

蔣碧波

(湖北大學計算機與信息工程學院，武漢430062)

通過分析現(xiàn)階段電力設備監(jiān)測手段存在的問題，提出將采用先進納米印制技術制備的智能柔性傳感器應用于電力物聯(lián)網(wǎng)中，在介紹智能柔性傳感器原理及材料配方、制備工藝的基礎上，對柔性傳感器在電力系統(tǒng)的適用場景進行分析，并給出了典型場景的應用方案，提出了柔性傳感器在應用過程中的固定封裝和高壓絕緣方案，為電力設備的測溫測壓技術提供了一種較好的解決方案。

柔性；納米印制；傳感器；電力

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)的示范應用是推動國家物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)發(fā)展的重要力量，其重中之重是利用最新的智能傳感器技術，與廣泛互聯(lián)、高度智能、開放互動的能源互聯(lián)網(wǎng)實際需求緊密結合，為智能電網(wǎng)發(fā)、輸、變、配、用等各環(huán)節(jié)提供智能、開放、交互式的服務。長期以來，電氣設備關鍵部位過熱是電力事故的重要誘因之一，電氣設備過熱缺陷診斷是設備缺陷管理的一項重要內容，各級電力公司高度關注。目前電力設備測溫主要技術手段包括示溫蠟片測溫技術、紅外測溫技術、光纖測溫技術、有源無線測溫技術等幾種。

1)示溫蠟片測溫技術：通過在帶電設備上貼上測溫蠟片，定期檢查，通過蠟片變色和融化程度來判斷溫度，此方法精度很低，且難以實現(xiàn)實時在線監(jiān)測[1]。

2)紅外測溫技術：通過檢測物體分子的熱運動向外輻射的紅外電磁波來測量溫度。在溫度測量時不需要和測溫點直接接觸，屬于非接觸式測溫，易受環(huán)境及周圍電磁場干擾，且需人工操作，無法實現(xiàn)在線測量，效率低[2]。

3)光纖測溫技術：采用光纖同時進行信號傳輸和溫度探測,由于其優(yōu)異的絕緣性能,測溫光纖能夠直接安裝到高壓帶電設備上。光纖測溫為接觸式測溫,絕緣性能很好,傳感器系統(tǒng)中傳感信號在光纖中傳輸，不受高電壓系統(tǒng)中的強電磁干擾；此外，傳感器可以實現(xiàn)在線監(jiān)測，能夠實時在線的反饋被測點的溫度情況。但光纖測溫具有解調設備造價昂貴、光纜易折斷且敷設困難等缺點，長時間運行光纖表面會受到污染，造成沿光纖表面“爬電”,降低系統(tǒng)的絕緣性能，限制了光纖測溫技術的廣泛應用。

4)有源無線測溫技術：以ZigBee技術為代表的無線溫度傳感器可以直接安裝在電纜接頭、閘刀觸點、開關觸點、銅排連接點等電氣設備關鍵測溫點，具有集成度高、體積小、安裝方便、成本低廉、自組網(wǎng)等諸多優(yōu)勢，但是這種測溫方式采用電池或者CT取電，屬于有源方式。電池取電存在壽命有限,需要定期更換電池的問題；同時電池不適于工作在高溫惡劣環(huán)境，容易發(fā)生爆炸，引發(fā)事故[3-4]。

由此可見，現(xiàn)有的測溫技術都存在各自的“瓶頸”，不能完全滿足電力應用需求?；谑澜缦冗M的柔性納米電子技術制備的智能柔性傳感器可以根據(jù)應用需求同時感知壓力、溫度等多參數(shù)，且具有安裝簡便、性能可靠、成本低等多重優(yōu)點，既可以制作成多種形態(tài)粘貼在線路和一次設備上，也可以直接集成在一次設備中，有效解決目前輸變電、配用電線路和設備在線監(jiān)測傳感器安裝困難、功耗大、功能單一等問題，實現(xiàn)電氣設備過熱點的準確實時監(jiān)測，保障電力系統(tǒng)運行安全。

柔性傳感器與傳統(tǒng)的CMOS和MEMS 傳感器的最大區(qū)別是利用納米傳感材料，通過印刷在不同的高溫絕緣材料，比如橡膠和塑料上，制作傳感器[5]。而CMOS和MEMS傳感器主要基于硅材料，并需要復雜的刻蝕工藝。柔性傳感器的主要優(yōu)勢有：1)基于不同的基底材料(如高溫橡膠)可實現(xiàn)傳感器輕便可靠；2)傳感器可以是任意尺寸，尤其是大幅度彎曲，如磁場和磁場電流傳感器的線圈可以做成各種形狀和尺寸；3)可利用不同的納米功能材料，如力敏材料可做壓力傳感器，溫敏材料可做溫度傳感器，電磁材料可做磁場電流傳感器；4)可利用納米印制技術，進行不同功能形狀的傳感器定制，適用于批量化生產；5)印制材料和工藝是綠色環(huán)保技術，以“加成法”制造工藝為基礎，在需要傳感材料的地方印制材料，步驟簡單，與目前CMOS和MEMS的刻蝕工藝相比，沒有廢料廢水，具備無污染的特點。

1 智能柔性傳感器

1.1 柔性壓力、溫度傳感器原理

柔性傳感器是納米印制電子的典型應用，是一種納米材料與印刷技術相結合的新興交叉科學，主要是利用最新的納米功能傳感材料，通過絲網(wǎng)、噴墨打印等納米印刷方式，并采用蒸鍍旋涂溫度處理等工藝，在陶瓷、塑料及橡膠等基底上印刷電子線路及器件?；诟鞣N納米功能傳感材料的不同特性，可制備出不同的柔性傳感器，如壓力、溫度和磁場電流等傳感器。

柔性壓力傳感器的原理是通過力敏材料感應靜態(tài)和動態(tài)的形變和壓力壓強變化。柔性壓力傳感器可等效為壓敏電阻。當壓力傳感器無外界負載時，電路處于高阻狀態(tài)。當外界壓力施加到傳感器上時，電路電阻隨之下降。使用萬用表，可以直接通過連接到外部的兩個端子讀取電阻數(shù)值，電阻數(shù)值隨外部壓力的變化而對應的變化。圖1顯示了壓力與電阻成反向比率，但是壓力與電導是呈現(xiàn)線性的，因此電導可被用于校驗計算。

圖1 柔性壓力傳感器電阻、電導隨壓力變化曲線

柔性溫度傳感器的原理是通過納米級的半導體溫敏材料，來測試靜態(tài)和動態(tài)的溫度變化。溫度變化會造成大的阻值改變，材料特性為負溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。若溫敏材料中，電子和空穴的濃度分別為n、p，遷移率分別為μn、μp，則半導體的電導為：

σ=q(nμn+pμp)

(1)

因為n、p、μn、μp都是依賴溫度T的函數(shù)，所以電導是溫度的函數(shù)，因此可由測量電導而推算出溫度的高低，并能做出電阻-溫度特性曲線，如圖2所示。

圖2 柔性溫度傳感器的電阻值隨溫度變化的關系曲線

1.2 材料配方及制備工藝

材料與工藝是傳感器研究的核心，柔性傳感器的制備首先需要選擇相關的基底材料，之后制作納米油墨材料，將油墨壓印到基底上，并進行真空溫度等的控制處理，使油墨材料具有傳感特性，形成不同的傳感器。油墨配方可以根據(jù)實際應用需求加以改進，制備出不同的功能油墨，以滿足不同的傳感特性需求。功能油墨的研發(fā)技術路線如圖3所示，包括壓力敏感納米材料的制備、油墨組分的混合分散以及油墨化3個主要方面。

圖3 功能性油墨的制備技術流程

針對具體的應用環(huán)境確定傳感器的性能指標，完成傳感器結構及工藝參數(shù)設計。在制造方式上采用納米壓印技術，主要有絲網(wǎng)和噴墨兩種工藝，由于噴墨技術的效率難以滿足批量生產的要求，本文主要介紹采用絲網(wǎng)技術來制造傳感器，其設計及生產制造流程如圖4所示，主要包括基底預處理、基于多層壓印的絲網(wǎng)印刷(導線層、絕緣層、敏感層等)、套印對準、網(wǎng)版清洗、印刷后干燥、封裝等步驟。

圖4 柔性傳感器的壓印流程

2 智能柔性傳感器在電網(wǎng)的適用場景分析

2.1 電容器溫度及形變監(jiān)測應用

電力電容器是無功補償?shù)闹匾骷哂刑岣吖β室驍?shù)，改善電壓質量，降低線路損耗的重要作用，但是由于受到工作環(huán)境(如溫度、灰塵等)、電流過載損耗、超額定電壓工作等因素影響，長期使用的電容器組，會發(fā)生泄漏、異響等問題，導致電容器組發(fā)生故障，直接影響到生產的安全性。當用電高峰到來時，例如夏季等極端天氣條件下，電容器無功補償作用更加明顯，電容器在長期運行過程中容易出現(xiàn)發(fā)熱、滲漏油、鼓肚、外殼閃烙、熔斷器熔斷等故障現(xiàn)象，其中鼓肚現(xiàn)象在電容器故障中占比最大，同時幾乎所有電容器故障都伴隨有溫度升高的現(xiàn)象，因此電容器溫度和形變監(jiān)測可以及早發(fā)現(xiàn)電容器故障隱患，有效避免電容器故障造成的電網(wǎng)事故。

現(xiàn)階段傳統(tǒng)的監(jiān)測方式只能監(jiān)測電容器的溫度，不能監(jiān)測其形變；另外傳統(tǒng)的監(jiān)測方式還存在成本高、安裝不方便、絕緣性能不能保證等缺點。本文提出的柔性傳感器可以制作為膠帶的形式覆蓋電容器表面，實現(xiàn)溫度與應變的分布式測量，安裝方便、實施簡單，可以實現(xiàn)實時監(jiān)測，同時對潛在的故障進行報警，有效排除安全隱患。

2.2 蓄電池溫度及形變監(jiān)測應用

蓄電池是電力電源系統(tǒng)重要組成部分，為電力系統(tǒng)中的二次設備提供安全、可靠、穩(wěn)定的直流電源，正常運行溫度在20～40 ℃之間，高溫運行容易加速蓄電池的老化，甚至有爆炸的危險，同時蓄電池在長期運行過程中容易出現(xiàn)鼓肚、極板變形等故障現(xiàn)象，存在安全隱患。此外，蓄電池使用時的溫度對其壽命影響很大，溫度升高時，蓄電池的極板腐蝕加劇，同時將消耗更多的水，從而使電池壽命縮短，如果水損耗加劇，將使蓄電池有干涸的危險，甚至會造成蓄電池報廢，不利于環(huán)境保護和能源的充分利用。因此有必要對蓄電池的溫度與形變進行實時監(jiān)測，保障電源系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

目前蓄電池的溫度監(jiān)測方式主要是采用人工巡檢的方式通過紅外測溫的方法對蓄電池的溫度一一監(jiān)測，這種方式人工成本高，智能化水平低，不能實現(xiàn)在線監(jiān)測[6]。本文提出的柔性傳感器可以制作為膠帶的形式纏繞在蓄電池的表面，實現(xiàn)溫度與應變的分布式測量，安裝方便、實施簡單，可以實現(xiàn)實時監(jiān)測與故障預警，降低安全隱患。

2.3 電纜溫度監(jiān)測應用

目前，由電力電纜引起的故障是影響電力正常供應的主要因素。電力電纜發(fā)生故障時，有很大一部分原因是在電力長期運行供應過程中，電纜會產生很高的溫度，電力電纜會隨著電纜溫度的增加，發(fā)生故障的概率就會加大。經(jīng)過大量調查發(fā)現(xiàn)，電力電纜發(fā)生故障的位置，大多數(shù)情況下都是在電纜接頭處。由于目前還沒有非常有效的電力電纜溫度監(jiān)測裝置，電纜事故發(fā)生的概率會隨之增加。一旦發(fā)生電纜事故，將會產生非常嚴重的經(jīng)濟損失。所以用科學的方法來研究電纜接頭溫度的實時監(jiān)測和溫度預警對于現(xiàn)實生活有很重要的意義。

目前，國內和國外的電纜接頭溫度監(jiān)測技術主要有熱敏電阻式測溫系統(tǒng)、電纜感溫式測溫系統(tǒng)、離子感應測溫系統(tǒng)、光纖傳感測溫系統(tǒng)這4種。熱敏電阻式測溫布線復雜，不易維護，易受電磁干擾；電纜感溫式測溫系統(tǒng)安裝繁瑣，不易維護；離子感應測溫系統(tǒng)能夠實現(xiàn)在線監(jiān)測，但易受電磁干擾的影響，無法保證其測量精度；光纖傳感測溫系統(tǒng)是現(xiàn)階段學者研究較多的測溫方式，可實現(xiàn)溫度與應變的同時測量，具有本質絕緣、抗電磁干擾強、分布式測量等優(yōu)點，但其施工較復雜、光纜在管道中易折易斷、成本較高[7-8]。

現(xiàn)有的測量技術都有其自身的缺點，同時也不能夠用于測量電纜的形變。柔性溫度壓力傳感器可以制作為膠帶的形式分布式粘貼或纏繞在電纜表面，實時監(jiān)測電纜溫度與形變，并通過采集器實時采集和上傳數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心，實現(xiàn)對電纜溫度和形變的在線監(jiān)測和預警，既克服了無線傳感器無法分布式測量的缺點，又克服了光纖傳感器容易折斷的缺點。同時，柔性溫度壓力傳感器體積小、功耗低，易于安裝，其溫度的測量范圍(-40～125 ℃)均可以滿足電纜測溫的要求。因此本文提出的柔性溫度壓力傳感器可適用于電力電纜測溫場景中。

2.4 輸配電線路擺動、震動及溫度監(jiān)測應用

輸配電線路分布在廣闊的地域上，承擔著電力輸送的重任，隨著線路里程的延伸，對輸配電線路進行管理與維護的工作量也成幾何級數(shù)的增加，亟需實現(xiàn)輸配電線路關鍵狀態(tài)量的在線監(jiān)測，為運維檢修提供輔助決策依據(jù)。輸配電線路狀態(tài)監(jiān)測，首先依賴于傳感器網(wǎng)絡作為“智能信息感知末梢”，通過各種傳感器技術，結合廣域通信技術和信息處理技術可以實現(xiàn)對線路溫度、擺動、震動等狀態(tài)量監(jiān)測、分析，從而提高線路綜合防災和安全保障能力，對提升電網(wǎng)穩(wěn)定性具有積極而深遠的意義。但是輸配電線路里程長、自然環(huán)境惡劣、電磁環(huán)境復雜、取電困難等因素為狀態(tài)監(jiān)測制造了較大困難[9-10]。

目前應用于輸配電線路狀態(tài)監(jiān)測的傳感器主要有光纖傳感器與無線傳感器兩類，光纖傳感技術在長距離線路狀態(tài)監(jiān)測中面臨著精度低、空間分辨率不足、監(jiān)測對象不全面等諸多問題，離實用化尚有一定差距；各類無線傳感器面臨監(jiān)測功能單一的問題，需要部署溫度、應變等不同類型傳感器實現(xiàn)多種參量的監(jiān)測，同時無線傳感器在惡劣戶外條件下面臨電磁干擾、測量可靠性的考驗。

柔性傳感器可以直接印刷在基底材料上，本質上容易實現(xiàn)多維傳感器的一體化封裝，在同一基底材料上實現(xiàn)溫度、應變等多種傳感功能的集成，大大降低了傳感器部署的數(shù)量與難度；另一方面，柔性傳感器易于與絕緣吊環(huán)、間隔棒等線路電氣一次設備集成，內嵌在一次設備內部，形成零電場強度區(qū)，可有效簡化抗電磁干擾防護電路設計，避免成為外部帶電制高點，造成電暈放電等，破壞原一次設備的電磁場平衡，導致絕緣損壞。由以上分析可知，本文提出的柔性溫度壓力傳感器集成度高，能同時監(jiān)測溫度和壓力兩種參量，同時易于與一次電氣設備集成，具有良好的抗電磁干擾、絕緣特性，可以適用于該應用場景。

3 智能柔性傳感器在電網(wǎng)的應用技術研究

3.1 在典型應用場景的應用方案

本文以電容器和蓄電池溫度及形變監(jiān)測為例，智能柔性傳感器溫度壓力傳感器狀態(tài)感知總體方案如圖5所示。具體如下：

1)柔性溫度壓力傳感器通過某種方式固定封裝在監(jiān)測對象表面，同時感知溫度、壓力(形變)信息。信息采集終端實時采集傳感器的數(shù)據(jù)，并通過有線或者無線通信方式向上級上傳。根據(jù)實際應用場景的需要，信息采集終端之間可能需要實現(xiàn)通信，必要時布設一個網(wǎng)關節(jié)點，實現(xiàn)信息的匯聚與轉發(fā)，通信方式可以現(xiàn)場應用情況選擇RS485、低壓PLC、Zigbee等。

2)集中器承擔感知信息初級放大、AD轉換、信息上傳等功能。信息上傳方式支持周期主動上傳與召測兩種。

3)工控主機匯聚變電站內柔性溫度壓力傳感器的信息，并實現(xiàn)信息可視化、告警等功能。

4)工控主機與集中器之間支持RS485與無線公網(wǎng)兩種通信方式：RS485適用于具備電纜敷設條件的站點；無線公網(wǎng)適用于不支持電纜敷設條件的站點。

圖5 柔性傳感器溫度壓力采集總體方案圖

3.2 固定封裝技術

納米傳感材料封裝在橡膠或塑料基底中后，通常通過膠貼的方式固定在被測對象表面，進而感知壓力變化。被測對象壓力、形態(tài)變化傳遞到敏感元需要經(jīng)過中間環(huán)節(jié)(膠粘劑、基底材料)，膠粘劑、基底材料的形變特性會影響測量精度；同時一些特殊的測量場合(高溫、高電壓等)對膠粘劑、基底材料的耐高溫特性與絕緣特性要求較高，普通材料難以適用。本文主要從兩方面考慮提出解決思路：一是研究不同的膠貼封裝方式對傳感器壓力測量的影響，提出膠貼方式的不同行業(yè)應用的適用性建議；二是提出傳感元與被測對象緊密耦合的無膠封裝方案，減少中間環(huán)節(jié)的干擾，提高測量精度。

(1)膠貼封裝方式。

膠貼封裝是一種廣泛應用的傳感器固定封裝方式，光纖光柵、電阻應變片測溫都有使用。膠貼封裝方式實施簡單，直接通過硅膠、聚酯膠等膠粘劑將傳感器粘帖在被測對象表面，如圖6所示。

圖6 膠貼封裝方式

膠貼材料與工藝對傳感器測壓有較大影響，具體包括如圖7所示幾個方面：

1)膠粘劑材料本身的老化、蠕變特性會影響測量精度與傳感器壽命，如部分膠粘劑在高溫環(huán)境下會加速老化失效，造成傳感器更換。

2)不同的被測對象(金屬、橡膠等)需要選擇針對性的膠粘劑才能達到最好的粘帖強度，否則粘帖強度不足會形成“接觸不良”現(xiàn)象，影響測量的一致性。

3)粘帖工藝(粘帖長度、粘帖厚度等)的不一致或不均勻會影響壓力、形變傳遞性能，進而影響測量精度。

圖7 膠貼封裝方式的主要影響

因此，需要建立柔性傳感器實驗室測試環(huán)境，首先通過應用環(huán)境建模研究抽象出柔性傳感器測量需求，如測量范圍、測量精度等；然后通過反復的比對實驗確定不同應用場景適宜的膠貼封裝方式。

(2)無膠封裝方式研究。

納米壓印工藝具有很高的靈活性，基底材料可以靈活選擇，因此可以將壓敏油墨材料直接印刷在被測對象表面，無需任何中間環(huán)節(jié)實現(xiàn)與被測對象的緊密耦合，可以獲得較高的測量精度，如圖8所示。無膠封裝方式在一些民用領域(如玻璃杯測溫)已有一定應用，具備極高的應用前景，但是應用于電力復雜的工業(yè)環(huán)境，與電力一次設備(電容器、變壓器繞組等)相結合，給壓印工藝提出了較高的挑戰(zhàn)。

圖8 無膠封裝方案

3.3 高壓絕緣技術

柔性傳感器在電力系統(tǒng)的應用過程中，由于部分電力應用場景的高電壓屬性，信號的引出必須解決高壓絕緣的問題。本文主要提出無線絕緣與光絕緣兩種解決思路：

1)思路1：通過無線通信將信號傳遞到安全區(qū)，再進行接收處理。該方案將傳感、信號檢測、通信、天線、紐扣電源封裝到同一的基底材料中，輕便可靠，難點在于印制式天線集成在變壓器繞組內部，信號覆蓋范圍需要通過測試驗證，如圖9所示。

圖9 無線絕緣方式

2)思路2：通過光通信將信號傳遞到安全區(qū)，再進行接收處理。該方案將溫度信息調制為光脈沖信息，通過光源發(fā)射到安全區(qū)，再進行接收處理，光脈沖信息的發(fā)射與接收過程與無線通信相似，難點在于光接收的對準比無線接收要困難的多，光源的色散與老化會造成信息失真，如圖10所示。

圖 10光絕緣方式

4 結論

文章引進了先進的納米印制技術，提出將智能柔性傳感器應用于電力系統(tǒng)中，通過對電力系統(tǒng)不同應用場景的現(xiàn)狀及需求進行分析，得出柔性傳感器可以應用在電容器、蓄電池、電纜等設備的監(jiān)測中。對于典型的應用場景，文中還給出了應用方案，并對應用過程中的固定封裝技術、高壓絕緣方案提出了解決思路，為柔性傳感器在電力系統(tǒng)中的應用提供了參考方案。雖然柔性傳感器具有安裝簡便、性能可靠、成本低等多重優(yōu)點，但是由于電網(wǎng)不同的應用場景環(huán)境復雜，對抗干擾、高壓絕緣、耐腐蝕等性能要求高，因此未來還需要做大量實驗以及傳感器材料及工藝改進，以匹配不同應用環(huán)境的需要。

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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。

蔣碧波(1975-)，男，湖北武漢人，講師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術方向的研究。

1671-4598(2017)11-0307-04

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

TP311.52

A