CN110031513A - 用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，包括传感器基底，传感器基底的上表面为电流感应薄膜，电流感应薄膜用于输出传感器响应电流；电流感应薄膜上表面涂覆Cu蒸气感应膜，Cu蒸气感应膜上表面为凝胶材料层，凝胶材料层用于吸附Cu蒸气；传感器基底的下表面为粘合材料层，粘合材料层用于固定传感器基底。本发明的微型传感器，能有效识别环保开关设备内Cu蒸气、检测Cu蒸气浓度，体积小、操作简单、便于安装，不影响电力设备正常工作，可应用于高压电力设备故障诊断和状态监测。

Description

用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器
技术领域
本发明属于高压电气设备技术领域，涉及一种用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器。
背景技术
寻找新型SF6替代气体并开发对应的环保型开关设备，可以有效的削减SF6的使用，从而应对全球气候变暖问题、保证电力从业者的健康，具有极大的环境效益和社会效益。
目前SF6替代气体的主要研究方案可以分为以下四类：常规气体(N2、空气、CO2等)、SF6混合气体(SF+N2、SF6+O2、SF6+CF4等)、强电负性气体(CF3I、C2F6、C3F8等)及其混合气体以及新型人工合成环保气体(C4F7N和C5F10O)及其混合气体等。对于常规气体，日本日立公司和名古屋大学开展了相关实验，研究发现：0.5MPa Air的绝缘强度高于N2、CO2，与80％N2+20％O2混合气体的绝缘能力相当；30％CO2+70％O2(He)的电弧开断能力较其他混合气体相比具有显著提升。在SF6混合气体中，SF6+N2和SF6+CF4在绝缘性能上表现突出。德国西门子公司在2001年率先将SF6+N2混合气体应用于气体绝缘金属封闭输电线路作为绝缘介质；随后西安交通大学与生产企业合作开发了SF6混合气体绝缘开关柜、电容器等电力设备。对于强电负性气体及其混合气体的研究，CF3I以其较低的GWP值和优良的绝缘性能，受到人们关注。重庆大学研究表明，0.3MPa 30％CF3I+70％N2混合气体可以用作中压电气设备的绝缘介质。值得注意的是，美国3M公司推出的新型人工合成气体C5F10O和C4F7N，它们均具有较强绝缘能力，较低的GWP值且无毒性，通常与CO2、Air或N2等背景气体混合来降低液化温度，替代SF6作为绝缘介质的潜力远远超过其余气体。ABB公司和阿尔斯通分别采用C5F10O+Air和C4F7N+CO2混合气体开发了145kV的GIS样机，绝缘强度与SF6相当。
由于放电作用，以C5F10O、C4F7N等环保气体作为绝缘或灭弧介质的环保型开关设备在长期运行中会产生无法避免的Cu蒸气杂质，一方面可以间接反映设备的电寿命，另一方面通过改变环保气体放电分解组分对设备绝缘特性产生影响。因此，如何得到一种能够精确检测环保型开关设备内Cu蒸气的微型传感器，从而对环保型开关设备的电寿命和绝缘状态进行实时监测，仍然是现有技术亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，能够对检测环保型开关设备内Cu蒸气含量进行实时监测。
本发明所采用的技术方案是，用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，包括传感器基底，传感器基底的上表面为电流感应薄膜，电流感应薄膜用于输出传感器响应电流；电流感应薄膜上表面涂覆Cu蒸气感应膜，Cu蒸气感应膜上表面为凝胶材料层，凝胶材料层用于吸附Cu蒸气；传感器基底的下表面为粘合材料层，粘合材料层用于固定传感器基底。
本发明的特点还在于：
传感器基底采用聚全氟乙丙烯或LSR液态硅胶材料制成。
电流感应薄膜采用薄膜电阻材料制成，通过屏蔽电缆输出响应电流。
Cu蒸气感应膜为普鲁士蓝材料层。
普鲁士蓝材料层由黄血盐法制备而成。
凝胶材料层为具有强吸附性的SiO2气凝胶。
SiO2气凝胶利用超临界干燥法制备得到。
粘合材料层为低渗透性的聚乙烯薄膜。
本发明的有益效果是：
本发明用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，能有效识别环保开关设备内Cu蒸气、检测Cu蒸气浓度，体积小、操作简单、便于安装，不影响电力设备正常工作，可应用于高压电力设备故障诊断和状态监测。
附图说明
图1是本发明用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器的结构示意图；
图2是本发明用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器相应电流与Cu蒸气含量之间的关系。
图中，1.传感器基底，2.电流感应薄膜，3.Cu蒸气感应膜，4.凝胶材料层，5.粘合材料层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，其结构如图1所示，包括传感器基底1，传感器基底1采用聚全氟乙丙烯或LSR液态硅胶材料制成；传感器基底1的上表面为电流感应薄膜2，电流感应薄膜2采用薄膜电阻材料制成，电流感应薄膜2通过屏蔽电缆输出响应电流；电流感应薄膜2上表面涂覆Cu蒸气感应膜3，Cu蒸气感应膜3为只对Cu蒸气敏感的普鲁士蓝材料层，其化学名称为亚铁氰化铁，利用黄血盐法制备而成；Cu蒸气感应膜3上表面为凝胶材料层4，凝胶材料层4为利用超临界干燥法制备得到，具有强吸附性的SiO2气凝胶，凝胶材料层4用于吸附Cu蒸气。
传感器基底1的下表面为粘合材料层5，粘合材料层5为低渗透性的聚乙烯薄膜，粘合材料层5用于固定传感器基底1。
本发明用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，检测对象为环保型气体开关设备，包括但不限于C5F10O、C4F7N、CF3I、C3F8等环保气体作为绝缘或灭弧介质的环保型开关设备在等，以及上述气体分别与CO2、干燥空气、N2等背景气体的混合气体等环保气体作为绝缘或灭弧介质的环保型开关设备在开关设备。所述环保型气体开关设备经过长期运行均会产生Cu蒸气。
本发明用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器中，传感器基底1采用延展性好、绝缘强度高的材料制成，如聚全氟乙丙烯、LSR液态硅胶等；电流感应薄膜2是由延展性好的薄膜电阻材料制成，使得传感器具有较好的柔韧性，一方面通过适当形变以适应不同电力设备的复杂构型，从而检测环保型开关设备内Cu蒸气在不同空间的浓度；另一方面发生适当形变的传感器不会影响Cu蒸气感应膜3和电流感应薄膜2的正常工作，从而具有较高的使用寿命。Cu蒸气感应膜3为对Cu蒸气敏感的亚铁氰化铁，产生的电信号可用于反映所述Cu蒸气的浓度。Cu蒸气与Cu蒸气感应膜3中的亚铁氰化铁发生化学反应，形成亚铁氰化铜，在上述反应过程中亚铁氰化铁分子通过电子的得失产生微弱电信号，可用于反映所述环保型气体开关中Cu蒸气的浓度。凝胶材料层4为具有强吸附性SiO2气凝胶，可以提高传感器的吸附性能，SiO2气凝胶本身性质稳定，可以避免Cu蒸气感应膜3被腐蚀；本发明采用渗透性低的聚乙烯薄膜作为粘合材料，一方面保证传感器在长期工作中不会从设备上脱落，另一方面粘合材料分子不会渗透进入电流感应薄膜2和Cu蒸气感应膜3，保证传感器的敏感度和准确性。
本发明用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，响应电流为nA级。图2所示为本发明中的微型传感器响应电流与待测Cu蒸气含量之间的关系。从图2中可见，在实际应用中，随着Cu蒸气含量的增加，响应电流与Cu蒸气含量正相关。
本发明用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，采用对Cu敏感的普鲁士蓝气敏材料层，保证了传感器选择性；其次由于本发明将吸附性强的SiO2气凝胶作为气敏材料的涂层，进一步提高了传感器的灵敏度和精确度；再次，本发明通过测量电流感应薄膜2上的传感器响应电流，进而反映Cu蒸气的浓度。这样一来，当Cu蒸气感应膜3检测到环保型开关设备内Cu蒸气时，传感器产生响应电流，通过测量电流感应薄膜2上响应电流的大小可以获得Cu蒸气的浓度。
本发明用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，具体的，将传感器贴于环保型开关设备腔体内壁，使传感器粘合材料层5与腔体内壁紧密贴合，当传感器检测到腔体内的Cu蒸气时，通过产生微弱电信号来反映Cu蒸气的浓度。
本发明用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，用对Cu敏感的普鲁士蓝材料的Cu蒸气感应膜3检测环保型开关设备内Cu蒸气，适用于气体在线监测；采用普鲁士蓝作为气敏材料，通过产生电信号以反映环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，灵敏度高、选择性好、实际操作难度低；采用SiO2气凝胶材质的凝胶材料层4作为Cu蒸气吸附材料，提高了传感器的吸附性能；环保开关设备包括但不限于C5F10O、C4F7N、CF3I、C3F8气体开关设备等，以及上述气体分别与CO2、干燥空气、N2等背景气体的混合物所对应的环保型开关设备；本发明能有效识别环保开关设备内Cu蒸气、检测Cu蒸气浓度，体积小、操作简单、便于安装，不影响电力设备正常工作，可应用于高压电力设备故障诊断和状态监测。

Claims (8)

1.用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，其特征在于，包括传感器基底(1)，所述传感器基底(1)的上表面为电流感应薄膜(2)，所述电流感应薄膜(2)用于输出传感器响应电流；所述电流感应薄膜(2)上表面涂覆Cu蒸气感应膜(3)，所述Cu蒸气感应膜(3)上表面为凝胶材料层(4)，所述凝胶材料层(4)用于吸附Cu蒸气；所述传感器基底(1)的下表面为粘合材料层(5)，所述粘合材料层(5)用于固定传感器基底(1)。
2.根据权利要求1所述的用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，其特征在于，所述传感器基底(1)采用聚全氟乙丙烯或LSR液态硅胶材料制成。
3.根据权利要求1所述的用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，其特征在于，所述电流感应薄膜(2)采用薄膜电阻材料制成，通过屏蔽电缆输出响应电流。
4.根据权利要求1所述的用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，其特征在于，所述Cu蒸气感应膜(3)为普鲁士蓝材料层。
5.根据权利要求4所述的用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，其特征在于，所述普鲁士蓝材料层由黄血盐法制备而成。
6.根据权利要求1所述的用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，其特征在于，所述凝胶材料层(4)为具有强吸附性的SiO2气凝胶。
7.根据权利要求6所述的用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，其特征在于，所述SiO2气凝胶利用超临界干燥法制备得到。
8.根据权利要求1所述的用于检测环保型开关设备内Cu蒸气含量的微型传感器，其特征在于，所述粘合材料层(5)为低渗透性的聚乙烯薄膜。
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