蒋碧波
【摘 要】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.%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.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】防辐射内裤2017(025)011
【总页数】5页(P307-310,315)
【关键词】柔性;纳米印制;传感器;电力
【作 者】蒋碧波
【作者单位】湖北大学计算机与信息工程学院,武汉430062
折叠帐篷【正文语种】中 文
【中图分类】TP311.52
水电安装开槽机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]。家用水果榨汁机
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。
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。
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：
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。
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。
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
机器视觉定位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。
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。
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