CN104062350A - 一种用于检测铜金属蒸气浓度的多电极微型传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于检测铜金属蒸气浓度的多电极微型传感器，其下而上包括：包括金属放电针阵列的放电阴极，所述放电阴极接地，通过在金属放电针尖端局部小区域内产生强电场从而场致发射电子；用于隔绝放电阴极和提取电极的第一绝缘支撑；连接直流电源的提取电极，用于提取被测气体通过电离、碰撞、扩散后产生的正离子流，实现电子和正离子流的分离；用于隔绝提取电极和收集电极的第二绝缘支撑；连接直流电源的收集电极，使正离子流被电场加速从而被收集电极吸收。本发明所公开的传感器可以在常温、大气压及较低电压的条件下使被测气体发生微弱放电，并在收集电极上得到相应放电电流，可用于检测断路器灭弧室内铜蒸气浓度。

Description

一种用于检测铜金属蒸气浓度的多电极微型传感器

技术领域

本发明涉及断路器电寿命检测领域，特别的，涉及一种用于检测铜金属蒸气浓度的多电极微型传感器。

背景技术

在电力系统中，断路器是开关电气中最重要的设备之一，其性能的可靠性关系到电力系统的安全运行。实践表明，断路器的电寿命是断路器寿命诊断的重要参数。目前，高压SF₆断路器的机械特性、局部放电(绝缘特性)、SF₆气体特性等都得到了深入研究，并有切实可行的实用技术可供应，但是高压SF₆断路器的电寿命特性研究仅有基于N-I_b曲线、能量累积法等少数大致估算的方法。

现有的电寿命监测方法主要依赖于断路器开断电流参数，如累积能量法，是通过累积一定时间内断路器触头两端流过的电流而获得的能量，将该能量乘以系数后对应于断路器的电寿命。但该方法完全没有考虑流过触头两端的电流与断路器触头烧蚀之间的复杂关系，也未考虑流过触头的能量到底有多少用于触头的烧蚀，因此所得的结果非常粗略，难以实际应用。

研究表明，影响电寿命的主要因素是电磨损，包括灭弧室、灭弧介质、触头三方面，起决定性作用的是触头的电磨损。伴随电弧的燃烧过程，触头烧蚀产生大量金属蒸气，同时在电弧作用下SF₆分解产生带电粒子，与杂质反应后形成稳定的中性粒子，如SOF₂，SO₂F₂等，长期存在于灭弧室内。因此，金属蒸气的含量与触头的烧蚀程度及断路器的电寿命密切相关，而且SF₆部分分解产物也与触头烧蚀情况有关，可作为断路器电寿命的特征量。

而对于现有技术中的各种传感器而言，近年来，随着碳纳米管技 术的飞跃发展，碳纳米管传感器以其独特的优势已逐步应用到高压GIS局部放电的监测，使其具备了应用到高压SF₆断路器电寿命监测的可能性。但是如何得到一种能够精确地检测铜蒸汽浓度的微型传感器，从而应用于断路器寿命和GIS绝缘寿命检测，仍然是现有技术亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种监测铜金属浓度的新型微米尺寸传感器，从而通过SF₆断路器弧触头烧蚀状况来监测和评估断路器的电寿命。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于检测铜金属蒸气浓度的多电极微型传感器，其下而上包括：

放电阴极，所述放电阴极包括金属放电针阵列，所述放电阴极接地，通过在金属放电针尖端局部小区域内产生强电场从而场致发射电子，实现电极间被测气体分子电离；

第一绝缘支撑，用于隔绝放电阴极和提取电极；

提取电极，所述提取电极连接直流电源，提取被测气体通过电离、碰撞、扩散后产生的正离子流，实现电子和正离子流的分离；

第二绝缘支撑，用于隔绝提取电极和收集电极；

收集电极，所述收集电极连接直流电源，使正离子流被电场加速从而被收集电极收集。

优选地，所述放电阴极包括位于底部的底板，在所述底板内表面中部的金属薄膜基底，以及在所述金属薄膜基底上的金属放电针阵列。

进一步优选地，所述底板采用高硼硅玻璃底板，所述金属薄膜基底为Ti金属薄膜，所述金属放电针阵列利用等离子体沉积法制备得 到。

优选地，所述提取电极采用SiO₂材料作为底板，两侧面附着金属膜，所述收集电极采用SiO₂材料作为底板，内侧附着金属膜。所述提取电极表面具有多个通气孔。

优选地，所述金属放电针阵列中的单个放电针的长度约为100μm到1mm，各放电针之间的距离约为50μm到100μm。进一步优选地，所述放电针的长度约为10μm，直径约为1μm。

优选地，所述提取电极使用100V到200V的直流电源，所述收集电极使用的直流电压低于所述提取电极和放电电极之间的电压。

优选地，所述第一绝缘支撑为方框形，其边界制作成锯齿形，所述第二绝缘支撑为多个矩形绝缘块，位于所述提取电极的边缘。

优选地，所述第一绝缘支撑和所述第二绝缘支撑为高硼硅玻璃材质或者聚酰亚胺。

本发明能够检测和评估断路器的电寿命，具有适用于气体浓度在线监测，降低实际操作难度，便于安装，减少气体击穿的起始电压，能有效识别不同的气体、检测气体浓度，可应用于断路器电寿命和GIS绝缘寿命监测的优点。

附图说明

图1是根据本发明的具体实施例的微型微米尺度传感器的立体结构侧视图；

图2是本发明的微型微米尺度传感器和现有技术的传感器在电极间距改变时，能够得到的铜金属蒸气的放电起始电压对比图；

图3是本发明中的微型微米尺度传感器放电电流取对数与被测各种蒸汽的气体浓度之间的关系。

图中的附图标记所分别指代的技术特征为：

1、收集电极；2、提取电极；3、第一绝缘支撑；4、金属放电针 阵列；5、底板；6、第二绝缘支撑；7、金属薄膜基底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

参见图1，公开了根据本发明具体实施例的一种用于检测铜金属蒸气浓度的多电极微型传感器，其下而上包括：

放电阴极，所述放电阴极包括金属放电针阵列4，所述放电阴极接地，通过在金属放电针尖端局部小区域内产生强电场从而场致发射电子，实现电极间被测气体分子电离；

第一绝缘支撑3，用于隔绝放电阴极和提取电极2；

提取电极2，所述提取电极连接直流电源，提取被测气体通过电离、碰撞、扩散后产生的正离子流，实现电子和正离子流的分离；

第二绝缘支撑6，用于隔绝提取电极2和收集电极1，优选地；

收集电极1，所述收集电极连接直流电源，使正离子流被电场加速从而被收集电极收集。

因此，首先本发明采用金属放电针阵列，解决气体击穿需要较高电压的问题，实现了在较低电压下产生高电场使被测气体击穿；其次由于本发明采用金属放电针阵列和提取电极结构，传感器的寿命大幅度提高；再次，本发明采用收集电极吸收正离子流，其上流过的放电电流可以灵敏的反应被测气体浓度。这样一来，被测气体在放电电极和提取电极之间发生微弱放电，收集电极上流过放电电流，可用于检测被测气体浓度。

优选的，所述放电阴极包括位于底部的底板5，在底板5内表面中部的金属薄膜基底7，以及在所述金属薄膜基底7上的金属放电针 阵列4。

进一步优选地，所述底板采用高硼硅玻璃底板，金属薄膜基底7为Ti金属薄膜，利用等离子体沉积法制备所述金属放电针阵列4。采用高硼硅玻璃底板，能够提高其耐高温特性；采用Ti金属薄膜作为基底生长金属放电针阵列，有助于紧密结合基底和金属放电针阵列，并具有足够强度、足够小的接触电阻，保证在加工过程中大部分放电针不会脱离。利用等离子体沉积法制备金属放电针阵列，能够使得得到的金属放电针具有足够的密度而且放电针间距大于针长，保证有足够数量的放电针参与电离和场发射过程，并且减小放电针之间的电场屏蔽作用。

进一步优选地，所述收集电极使用的直流电压低于所述提取电极和放电电极之间的电压。因此，能够加速前文所述的正离子流向收集电极运动。

为了实现较好的测量效果，所述提取电极2采用正的直流电源，例如，使用100V到200V的直流电源。实际应用中，不同被测气体具有不同起始放电电压，提取电极使用的直流电压选择范围在100V-200V。

优选地，所述提取电极2采用SiO₂材料作为底板，两侧面附着金属膜。这样，由于提取电极上所加电压为100—200V，所以提取电极和放电阴极之间的电场方向指向放电阴极；而收集电极上所施加的电压低于提取电极和放电阴极之间的电压，所以提取电极和收集电极之间的电场方向指向收集电极；所以提取电极两侧的电场方向相反，进一步的利用提取电极两侧的反向电场，实现电子和离子流的分离。

进一步优选地，在所述提取电极2表面具有多个通气孔，优选为，3至4个椭圆形通气孔，这样就能够提取正离子流而不会破坏放电针。在实际应用中，如前文所述的正离子流能够克服提取电极2附 近的微弱电场通过所述提取电极的通气孔进入提取电极2和收集电极1之间的区域，避免轰击放电针，从而提高所述新型传感器的使用寿命。

优选地，所述收集电极采用SiO₂材料作为底板，内侧附着金属膜。优选地，底板内侧金属膜采用A1或Cu材料。

优选地，所述金属放电针阵列4中的单个放电针的长度约为100μm到1mm，各放电针之间的距离约为50μm到100μm。因此，可以利用体积小这一特点，避免反复拆装，保证被测气体不被污染从而提高测量精确度，从而便于将所述传感器安装于断路器灭弧室内或GIS腔体内壁。

进一步的，参见图2，是本发明的微型微米尺度传感器和现有技术的传感器在电极间距改变时，能够得到的铜金属蒸气的放电起始电压对比图。将电极间距控制在较小范围内，可以降低被测气体放电的起始电压。

进一步优选地，所述放电针的长度约为10μm，直径约为1μm。因此，利用放电针尖端大曲率这一特点，在尖端附近较小区域内产生非常高的非线性电场，从而在周围离子化气体中发生介质击穿现象，使得在相对较低电压下产生微弱的放电电流。

因此，本发明所公开的新型微米尺度传感器可以测量铜金属蒸汽，以及SF₆在发生放电时的主要分解产物(如SOF₂、SO₂F₂等)作为主要放电气体。这些被测气体是反应断路器电寿命或GIS绝缘寿命的关键成分，精确测量这些气体的浓度可以很好的反应断路器电寿命或GIS绝缘寿命。

不仅于此，并且，本发明所公开的新型微米尺度传感器还可以用于环境测量，此时，被测气体可以是CO、NH₃、O₃、C₂H₂、SO₂等有害气体。在另一个实施例中，为区别和测量多种气体，选用多个具有不同 间距的传感器组成传感器阵列，所述传感器阵列可以同时对混合的多种气体进行检测，用于区分气体种类。

同时，所述第一绝缘支撑3为方框形，其边界制作成锯齿形，并且优选采用高硼硅玻璃作为绝缘材料进行隔离和支撑。将第一绝缘支撑3的边界制作成锯齿形，是为保证所述新型传感器内外被测气体分布的均一性，并且加强支撑作用。采用高硼硅玻璃隔离具有不同电位的所述放电阴极和提取电极，具有高强度、耐磨耗、耐高温、防腐蚀以及电气绝缘等特殊性能。

所述第二绝缘支撑6为多个矩形绝缘块，位于所述提取电极2的边缘，也采用高硼硅玻璃作为绝缘材料进行隔离和支撑。

同时，所述第一绝缘支撑和所述第二绝缘支撑均可以采用聚酰亚胺材料代替高硼硅玻璃。

在本发明的新型微米尺度传感器中，所述传感器的放电电流为nA级。不同被测气体具有不同放电电流响应规律。图3示出了本发明中的微型微米尺度传感器放电电流取对数与被测铜金属蒸气、SOF₂、SO₂F₂、O₂、SF₆等气体浓度之间的关系，从图中可见，在实际应用中，随着气体浓度的增加，放电电流的对数与气体浓度呈正相关线性关系。不同气体的放电电流有明显区别，即本发明对不同种类的气体有不同的灵敏度。据此可检测被测气体浓度，并识别气体成分。

综上所述，本发明所述的新型微米尺度传感器具有以下优点：

(1)本发明提出一种全新的多电极结构微米尺度传感器，这种传感器结构通过金属放电针阵列产生高场强而场致发射电子，在较小的外加电压下满足气体的放电条件，就可以在分段的电极间隙内产生大量正离子流和电子，而由于提取电极的镂空结构和附近弱电场，实现正离子流和电子的分离，从而提高所述的新型微米尺度传感器，适用于气体浓度在线监测；

(2)采用金属放电针作为放电电极，利用其在尖端附近区域形成的非常高的非线性电场，使得在较低电压下达到被测气体的击穿条件，降低实际操作难度；

(3)采用微米尺度结构，利于本发明安装在断路器灭弧室和GIS腔体内壁，并且微米尺度电极间距进一步能减小气体击穿的起始电压：

(4)被测气体为铜金属蒸气以及SF₆在发生放电时的主要分解产物(如SOF₂、SO₂F₂等)，本发明能有效识别气体、检测气体浓度，可应用于断路器电寿命和GIS绝缘寿命监测。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (10)

1.一种用于检测铜金属蒸气浓度的多电极微型传感器，其下而上包括：

放电阴极，所述放电阴极包括金属放电针阵列，所述放电阴极接地，通过在金属放电针尖端局部小区域内产生强电场从而场致发射电子，实现电极间被测气体分子电离；

第一绝缘支撑，用于隔绝放电阴极和提取电极；

提取电极，所述提取电极连接直流电源，提取被测气体通过电离、碰撞、扩散后产生的正离子流，实现电子和正离子流的分离；

第二绝缘支撑，用于隔绝提取电极和收集电极；

收集电极，所述收集电极连接直流电源，使正离子流被电场加速从而被收集电极收集。

2.根据权利要求1所述的多电极微型传感器，其特征在于：

优选的，所述放电阴极包括位于底部的底板，在所述底板内表面中部的金属薄膜基底，以及在所述金属薄膜基底上的金属放电针阵列。

3.根据权利要求2所述的多电极微型传感器，其特征在于：

所述底板采用高硼硅玻璃底板，所述金属薄膜基底为Ti金属薄膜，所述金属放电针阵列利用等离子体沉积法制备得到。

4.根据权利要求1所述的多电极微型传感器，其特征在于：

所述提取电极采用SiO₂材料作为底板，两侧面附着金属膜，所述收集电极采用SiO₂材料作为底板，内侧附着金属膜。

5.根据权利要求4所述的多电极微型传感器，其特征在于：

所述提取电极表面具有多个通气孔。

6.根据权利要求1-5所述的多电极微型传感器，其特征在于：

所述金属放电针阵列中的单个放电针的长度约为100μm到1mm，各放电针之间的距离约为50μm到100μm。

7.根据权利要求6所述的多电极微型传感器，其特征在于：

所述放电针的长度约为10μm，直径约为1μm。

8.根据权利要求6所述的多电极微型传感器，其特征在于：

所述提取电极使用100V到200V的直流电源，所述收集电极使用的直流电压低于所述提取电极和放电电极之间的电压。

9.根据权利要求6所述的多电极微型传感器，其特征在于：

所述第一绝缘支撑为方框形，其边界制作成锯齿形，所述第二绝缘支撑为多个矩形绝缘块，位于所述提取电极的边缘。

10.根据权利要求9所述的多电极微型传感器，其特征在于：

所述第一绝缘支撑和所述第二绝缘支撑为高硼硅玻璃材质或者聚酰亚胺。