CN110726930A - 传感器及制作方法、具有该传感器的检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

传感器及制作方法、具有该传感器的检测系统及检测方法。本发明涉及一种基于碳纳米管薄膜的检测六氟化硫断路器内局部放电的传感器、制作方法、检测系统及检测方法，通过制备高度取向的碳纳米管薄膜，使碳纳米管沿垂直于电极方向平行排列，使更多的碳纳米管参与了六氟化硫分解产物的检测，能提高检测灵敏度；悬空的结构则增加了整体表面积，加强了气体对流，能进一步提高传感器性能；此外，由于干式纺织法可以快速得到长达数米的高均一性薄膜，提高产品的可生产性，降低生产成本。

Description

传感器及制作方法、具有该传感器的检测系统及检测方法

技术领域：

本发明涉及六氟化硫断路器技术领域，尤其涉及一种基于碳纳米管薄膜的检测六氟化硫断路器内局部放电的传感器及该传感器的制作方法，以及具有该传感器的检测系统及基于该检测系统的检测方法。

背景技术：

六氟化硫断路器由于其紧凑的结构和较高的可靠性，已广泛应用于现在的输电配电系统中。然而实际运行中的实例表明，在制造、运输、装配等流程中，断路器不可避免地会产生影响绝缘性能的隐患，如表面金属毛刺、凸起和悬浮颗粒等。这些隐患引起的局部放电成为了六氟化硫断路器绝缘故障的主要原因。因此，检测六氟化硫断路器的局部放电对输电配电的安全运行有着重要意义。

在现有的检测断路器局部放电的检测手段中，检测六氟化硫分解产物被广泛证明为可行有效的方法。当断路器发生局部放电现象时，作为绝缘气体的六氟化硫会被电弧分解产生副产物，包括二氧化硫、硫化氢等气体。通过测量这些气体，即可实现对断路器局部放电现象的检测。另一方面，碳纳米管由于其半导体特性、极大的表面积、优异的电学性能等性质，是理想的气体检测材料。大量的实验和产品已经证明，通过碳纳米管薄膜来检测六氟化硫分解物、从而监测断路器局部放电的方法，具有高灵敏度、快速响应、低功耗等优点，是检测断路器局部放电的理想方案。

但是，碳纳米管薄膜的制备方法和构造限制了该方法的推广和商业化。在现在的研究和产品中，碳纳米管薄膜通常通过在电极上喷涂、滴蘸碳纳米管分散液等方式的湿法制备。这种制备方法也难以批量生产出均一性较好的产品，影响了传感器的大规模生产。此外，这种方法制备出来的碳纳米管薄膜通常无法控制膜中碳纳米管的排列取向，影响了气体检测性能。有部分研究和产品运用介电泳法(DEP)对碳纳米管分散液施加交流电场，改善了碳纳米管的取向排列。但这种方法使得生产流程更加复杂，成本升高，不适用于大规模生产。

发明内容：

本发明引入了高度取向排列的碳纳米管薄膜作为基础材料，相较于传统湿法制备的碳纳米管薄膜，该材料碳纳米管取向基本平行，成功弥补了碳纳米管取向不规则导致的性能损失，提高了对六氟化硫分解产物的灵敏度，同时，本发明中的碳纳米管薄膜通过干式纺织法得到，使得大规模制备高均一性的产品成为可能。

本发明提供一种检测六氟化硫断路器内局部放电的传感器，包括可纺织的碳纳米管阵列及电极，所述可纺织的碳纳米管阵列一侧向水平方向牵引形成多道碳纳米管薄膜，所述碳纳米管薄膜固定在电极上。

为了进一步提升传感器对六氟化硫分解产物的灵敏度，可通过蒸镀等方式在碳纳米管薄膜表面附着催化剂颗粒，如金属钯颗粒、金属镍颗粒、金属铂颗粒、氧化锡颗粒等。

作为优选方式，所述碳纳米管薄膜通过银胶或焊接固定在电极上。

本发明中所述的电极是使用玻璃板制备的方形电极基本，这是考虑到前期实验验证的便利而采取的方案。实际使用中，悬空结构也可以通过类似铂金丝、铜环、铜网阵列等结构实现。同时，非悬挂结构，诸如直接将高度取向的碳纳米管薄膜固定在无镂空电极基板的方案，也可部分实现本发明。

上述检测六氟化硫断路器内局部放电的传感器的制作方法，包括如下步骤：

步骤一、碳纳米管阵列的合成：采用化学气相沉积法合成得到碳纳米管阵列；

步骤二、碳纳米管薄膜的纺织：通过干式纺织法制得碳纳米管薄膜；

步骤三、传感器的装配：将碳纳米管薄膜固定在传感器的电极上，制得传感器。

其中，步骤一中，所述碳纳米管阵列的合成具体包括如下步骤：

通过在硅板上顺序蒸镀二氧化硅、氧化铝和氧化铁，得到合成用的催化剂基板；将催化剂基板放入管型石英玻璃管后，通入氩气、氢气和乙烯的混合气体，并加热到750℃；经过约15分钟的加热后，将石英玻璃管冷却至室温，即可得到可纺织的碳纳米管阵列。

步骤二中，所述碳纳米管膜的纺织具体包括如下步骤：

用胶带触碰碳纳米管阵列的边缘后，水平方向匀速牵引即可得到碳纳米管薄膜。

步骤三中，所述传感器的装配具体包括如下步骤：

将干式纺织法得到的碳纳米管薄膜直接覆盖到电极上，并用银胶或焊接方法固定，即可装配得到一个电阻式的六氟化硫分解产物传感器。

本发明还提供一种检测六氟化硫断路器内局部放电的检测系统，采用上述碳纳米管传感器，包括断路器气包、断路器操作机构、密度传感器、传感器气室、碳纳米管传感器、检测系统及上位机，所述断路器操作机构与断路器气包相连，所述密度传感器设置在断路器气包内，密度传感器通过气管与传感器气室相连，所述碳纳米管传感器设置在传感器气室内，碳纳米管传感器通过检测系统与上位机相连。

作为优选，所述密度传感器通过四通气管与传感器气室相连，所述四通气管上设置有换气阀门及自动阀门。

上述检测六氟化硫断路器内局部放电的检测方法，包括如下步骤：

步骤一、定时启动自动阀门，将断路器气包内气体吸入传感器气室；

步骤二、使用常规方法测量传感器阻值变化，判断断路器内部是否存在局部放电；

步骤三、启动换气阀门，排空传感器气室，等待下次检测。

步骤一具体包括如下步骤：

自动阀门按设定好的时间间隔定时启动，气包内气体被吸入传感器气室。阀门打开一定时间后关闭，打开时间可设，一般为5～60秒。

步骤二具体包括如下步骤：

使用常规方法，如电桥法、伏安法等，测量传感器阻值变化，并将此电信号上传至上位机。通过比对阻值变化是否超过预先设定阈值，判断断路器内部是否存在局部放电。

步骤三具体包括如下步骤：

测试结束后，换气阀门开启，将传感器气室内的气体排空。排气维持约3～10分钟后，关闭阀门，等待下次检测。

本发明具有以下积极的效果：本发明通过制备高度取向的碳纳米管薄膜，使碳纳米管沿垂直于电极方向平行排列，使更多的碳纳米管参与了六氟化硫分解产物的检测，能提高检测灵敏度；悬空的结构则增加了整体表面积，加强了气体对流，能进一步提高传感器性能；此外，由于干式纺织法可以快速得到长达数米的高均一性薄膜，提高产品的可生产性，降低生产成本。

附图说明：

图1为本发明的检测六氟化硫断路器内局部放电的传感器的结构示意图；

图2为本发明的检测六氟化硫断路器内局部放电的检测系统的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示，一种检测六氟化硫断路器内局部放电的传感器，包括可纺织的碳纳米管阵列10及电极12，所述可纺织的碳纳米管阵列10右侧向水平方向牵引形成多道碳纳米管薄膜11，所述碳纳米管薄膜11通过银胶12固定在电极13上。

该检测六氟化硫断路器内局部放电的传感器的制作工艺主要包括碳纳米管的合成、碳纳米管的纺织、传感器的装配。

碳纳米管阵列是通过化学气相沉积(CVD)法合成得到的。通过在硅板上顺序蒸镀二氧化硅、氧化铝和铁，得到合成用的催化剂基板。将催化剂基板放入管型石英玻璃管后，通入氩气、氢气和乙烯的混合气体，并加热到750℃。经过约15分钟的加热后，将石英玻璃管冷却至室温，即可得到可纺织的碳纳米管阵列。相比于其他通过CVD法合成得到的碳纳米管阵列，可纺织的碳纳米管阵列拥有更高的密度和更好的取向排列。需要通过精确控制催化剂层厚度、混合气体配比和加热温度，才能得到可纺织的碳纳米管阵列。

在得到可纺织的碳纳米管阵列后，高度取向的碳纳米管薄膜可以通过简单的干式纺织方法得到。用胶带触碰碳纳米管阵列的边缘后，水平方向匀速牵引即可得到碳纳米管薄膜。在如此制备出来的碳纳米管薄膜中，碳纳米管通过“手拉手”结构连接在一起，因此具有一定的机械强度。通过精确控制牵引速度，即快速可得到长达数米的均一性极高的碳纳米管薄膜。

传感器的电极通过在基板上电镀金或铜得到。将干式纺织法的得到的碳纳米管薄膜直接覆盖到电极上，并用银胶或焊接方法固定，即可装配得到一个电阻式的六氟化硫分解产物传感器。由于薄膜具有一定的机械强度，薄膜的悬空结构成为可能。装配完成后，可以通过蒸镀等方式在薄膜表面附着催化剂颗粒，进一步提升传感器对六氟化硫分解产物的灵敏度。

制备好的传感器可以安装在如图2所示的检测系统上。系统建立在断路器气包1已有的带有密度传感器3的换气口的基础上，从断路器气包1内部引出四通气管4，由自动阀门6定时将气体从断路器气包1抽到传感器气室7，四通管另一端设置SF6换气阀门5，断路器操作机构2用于调整断路器气包1。制备好的碳纳米管薄膜传感器8安装在传感器气室7内部，通过监测传感器电阻阻值变化，实现气体成分及浓度向电信号的转换。检测系统将收集到的电信号进行转换处理后上传到上位机9，实现六氟化硫断路器内部局部放电的监测。该系统直接连接在已有的换气口上，不需要对现有的断路器结构进行修改，具有较强兼容性。

检测时，自动阀门6按预设好的时间打开，打开时间可设，一般为5～60秒。待气包内气体充满传感器气室7，阀门关闭。使用常规方法，如电桥法、伏安法等，检测传感器的阻值变化，并将阻值变化上传至上位机。由于六氟化硫为惰性气体，当局部放电未发生时，此过程不会导致明显的传感器阻值变化。当局部放电发生时，六氟化硫因局部放电产生副产物，包括二氧化硫、硫化氢等气体，会使传感器阻值变小。通过比对传感器阻值下降是否达到预设阈值，可判断断路器内部是否发生了局部放电。测试完成后，换气阀门5打开，排空传感器气室7内的气体。排气约3～10分钟后，关闭阀门，等待下次检测。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种检测六氟化硫断路器内局部放电的传感器，其特征在于：包括可纺织的碳纳米管阵列及电极，所述可纺织的碳纳米管阵列一侧向水平方向牵引形成多道碳纳米管薄膜，所述碳纳米管薄膜固定在电极上。

2.根据权利要求1所述的检测六氟化硫断路器内局部放电的方法，其特征在于：所述碳纳米管薄膜表面附着催化剂。

3.根据权利要求1所述的检测六氟化硫断路器内局部放电的方法，其特征在于：所述碳纳米管薄膜通过银胶或焊接固定在电极上。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的检测六氟化硫断路器内局部放电的传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、碳纳米管阵列的合成：采用化学气相沉积法合成得到碳纳米管阵列；

步骤二、碳纳米管薄膜的纺织：通过干式纺织法制得碳纳米管薄膜；

步骤三、传感器的装配：将碳纳米管薄膜固定在传感器的电极上，制得传感器。

5.根据权利要求4所述的检测六氟化硫断路器内局部放电的传感器的制作方法，其特征在于，步骤一中，所述碳纳米管阵列的合成具体包括如下步骤：

通过在硅板上顺序蒸镀二氧化硅、氧化铝和氧化铁，得到合成用的催化剂基板；将催化剂基板放入管型石英玻璃管后，通入氩气、氢气和乙烯的混合气体，并加热到750℃；经过约15分钟的加热后，将石英玻璃管冷却至室温，即可得到可纺织的碳纳米管阵列。

6.根据权利要求4所述的检测六氟化硫断路器内局部放电的传感器的制作方法，其特征在于，步骤二中，所述碳纳米管膜的纺织具体包括如下步骤：

用胶带触碰碳纳米管阵列的边缘后，水平方向匀速牵引即可得到碳纳米管薄膜。

7.根据权利要求4所述的检测六氟化硫断路器内局部放电的传感器的制作方法，其特征在于，步骤三中，所述传感器的装配具体包括如下步骤：

将干式纺织法得到的碳纳米管薄膜直接覆盖到电极上，并用银胶或焊接方法固定，即可装配得到一个电阻式的六氟化硫分解产物传感器。

8.一种检测六氟化硫断路器内局部放电的检测系统，采用如权利要求1-3任一项所述的传感器，其特征在于：包括断路器气包、断路器操作机构、密度传感器、传感器气室、碳纳米管传感器、检测系统及上位机，所述断路器操作机构与断路器气包相连，所述密度传感器设置在断路器气包内，密度传感器通过气管与传感器气室相连，所述碳纳米管传感器设置在传感器气室内，碳纳米管传感器通过检测系统与上位机相连。

9.根据权利要求8所述的检测六氟化硫断路器内局部放电的检测系统，其特征在于：所述密度传感器通过四通气管与传感器气室相连，所述四通气管上设置有换气阀门及自动阀门。

10.一种检测六氟化硫断路器内局部放电的检测方法，采用如权利要求9所述的检测系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、定时启动自动阀门，将断路器气包内气体吸入传感器气室；

步骤二、测量传感器阻值变化，通过比对阻值变化阈值，判断断路器内部是否存在局部放电；

步骤三、启动换气阀门，排空传感器气室，等待下次检测。

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