用于電力設(shè)備的自充電測壓柔性傳感器研究

李 龍，姚俊欽，陳 鵬

LI Long*，YAO Jun-qin，CHEN Peng

（廣東電網(wǎng)有限責任公司東莞供電局，東莞 523000）

0 引言

在電力設(shè)備長期運行過程中，受環(huán)境或人為因素影響，可能會發(fā)生逐漸的失壓、形變等異常現(xiàn)象，形成安全隱患，嚴重時可能導致設(shè)備損壞、線路停電等電力事故，因而對設(shè)備的受力情況或形變程度進行實時監(jiān)測有著非常重要的意義[1]。

目前主要通過部署無線傳感器對電力設(shè)備進行監(jiān)測，此類傳感器一般使用非柔性材質(zhì)制作，難以實現(xiàn)各種不同外形電力設(shè)備的壓力測量。采用柔性技術(shù)制作傳感器，可有效解決這一問題。傳感器采用電池取電，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潮濕等惡劣環(huán)境中，容易發(fā)生爆炸，引發(fā)事故。在電力場景下，由于電力設(shè)備在運行過程中會存在發(fā)熱、產(chǎn)生電磁場的現(xiàn)象，因此可充分利用環(huán)境能量，通過電磁能量采集與熱電能量采集來滿足無線傳感器及信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的供電需求。目前柔性傳感器的制作工藝比較成熟，因此本文重點研究電力場景下的環(huán)境能量收集。

國內(nèi)外研究人員對電磁能量收集和熱電能量收集進行了一系列研究。在電磁能量收集方面，2009年，Rohit Moghe等人在進行電磁能量采集時[2]，提出一種X型磁芯結(jié)構(gòu)，實驗證明了X型磁芯的磁通集中器可使鄰近區(qū)域的磁通得到最有效集中，同時磁通集中器還擁有體積小，可貼附在導體上的特點。采用這種磁芯結(jié)構(gòu)，當導線電流為200A時，輸出功率可達到257mW。2010年，Rashed H.Bhuiyan等人提出一種新型電磁能量采集器[3]，該采集器包含多個線圈繞組和若干個高磁導率材料，由于該能量采集器需要安裝在電力電纜上，該采集器被設(shè)計為帶開口的空心圓柱形，結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電流為13.5A時，輸出功率達到10.358mW。2015年，Li Ping等采用雙U型正切式磁芯結(jié)構(gòu)進行電纜電磁能量采集[4]，在電流為3A的情況下，最大輸出功率達到14.5mW。在熱電能量收集方面，Acut，RVP[5]等提出了一種用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的熱-光聯(lián)合供能的能量采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在100Ω的負載下提供1.92mW的最大輸出功率。Magno，Michele[6]等設(shè)計了一種用熱電模塊供能的磨損檢測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可在超低功耗水平上達到100%的算法精度。

圖1 空心圓柱形電磁能量采集器

本文結(jié)合目前新興的柔性傳感器技術(shù)，研制了可用于電力設(shè)備的自充電測壓柔性傳感器。柔性的結(jié)構(gòu)使傳感器所占空間更小，可靈活部署。同時，該傳感器可吸收熱能與電磁場能量對自身進行供電，相比以往的僅利用熱能供電或僅利用電磁能供電，雙模式聯(lián)合供電在同等條件下可提供更高的輸出功率，實現(xiàn)傳感器無電池運行。除此之外，電力設(shè)備一般會在發(fā)生故障的前一段時間出現(xiàn)異常的發(fā)熱現(xiàn)象，由于出現(xiàn)異常狀況，此時傳感器會頻繁向接收基站發(fā)送異常信息和預警信號，因此傳感器的發(fā)射功率增大、耗能增加。通過利用異常發(fā)熱產(chǎn)生的熱能進行自充電能夠補償傳感器所需的發(fā)射功率，實現(xiàn)持續(xù)預警和及時檢修，減少財產(chǎn)損失。

1 原理介紹

與傳統(tǒng)的以固態(tài)基底材料為基礎(chǔ)的電子器件及電路相較，柔性電子器件與電路是基于對柔性基底材料的運用，各種柔性基底材料能夠為傳感器提供機械柔韌、耐腐蝕以及熱穩(wěn)定等性能[7]。常見的柔性基底材料包括聚酰亞胺、聚醚醚酮、聚醚砜等，以不同納米功能傳感材料的差異化特性為基礎(chǔ)，可完成對溫度、壓力等不同柔性傳感器的制備。

1.1 柔性壓力傳感器

柔性壓力傳感器是一種壓電型傳感器，以可以產(chǎn)生壓電效應的壓電元件為其核心構(gòu)件，原理即基于壓電材料在受到外界載荷作用時產(chǎn)生的極化現(xiàn)象而開展工作。所謂壓電效應[8]，指的是在無電力場施加的前提條件下，外界載荷作用引起石英晶體等部分電介質(zhì)發(fā)生形變，進而使電介質(zhì)內(nèi)部正負電荷發(fā)生偏移，在表面上形成極化電荷[9]。如圖2與圖3所示，壓電效應包括正壓電效應與逆壓電效應兩類，前者是外界載荷作用時的形變介質(zhì)化，后者則是電場作用時電介質(zhì)的形變。

圖2 正壓電效應

圖3 逆壓電效應

1.2 電磁能量吸收

由于電力設(shè)備附近存在較為大量的電磁泄漏，可收集該泄漏電磁能量為傳感器供電，解決傳感器需要更換、維護電池的問題。電磁能量收集技術(shù)利用“動電生磁，動磁生電”的電磁感應原理，如圖4所示，將導線上變化的交流電流，通過電磁耦合的方式在二次線圈上產(chǎn)生電壓和電流，實現(xiàn)取電功率的傳送，達到自導線上取電的目的[10]。此方式取電穩(wěn)定，不受環(huán)境和大電流影響。

圖4 電磁感應現(xiàn)象

1.3 熱電能量吸收

一般電力設(shè)備都會自發(fā)熱，與周圍環(huán)境形成溫度差。除此之外，電力設(shè)備一般會在發(fā)生故障的前一段時間出現(xiàn)異常的發(fā)熱現(xiàn)象，因此可充分利用這一熱能，實現(xiàn)無線傳感器自供電?；跓犭姴牧系腟eeback效應，利用器件內(nèi)部載流子運動實現(xiàn)熱能和電能直接相互交換，當材料內(nèi)部存在溫度梯度時，材料中將產(chǎn)生電子移動，通過外電路形成電流。熱電能量收集模塊由多對熱電偶構(gòu)成，每對熱電偶由N型熱電元件和P型熱電元件的柱體結(jié)構(gòu)組成。整體電路結(jié)構(gòu)屬于串聯(lián)式，其目的是增加溫差電勢，而電路中的熱量傳遞部分通過并聯(lián)連接來增加熱能的使用效率，熱電器件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 熱電器件結(jié)構(gòu)圖

熱電器件分為熱端和冷端，熱端為靠近電力設(shè)備一側(cè)，溫度為TH，冷端為遠離電力設(shè)備的一側(cè)并裝有散熱器，溫度為TL。熱端和冷端之間由于存在溫度梯度產(chǎn)生電流，實現(xiàn)了將熱能轉(zhuǎn)化為電能。運行中的電力設(shè)備將不斷地向周圍空間散發(fā)出熱量，致使電力設(shè)備出現(xiàn)顯著的高溫熱點，構(gòu)成了合適的環(huán)境熱源。通過合理設(shè)計集熱、散熱結(jié)構(gòu)，可在熱電模塊兩端產(chǎn)生可利用的溫度差，驅(qū)動其輸出電能。熱電模塊的輸出功率表示如式(1)所示：

式(1)中，α是Seeback系數(shù)，ΔT為熱電模塊冷端和熱端的溫度差，Ri為熱電模塊的內(nèi)阻。

2 傳感器設(shè)計

2.1 壓力信號處理電路設(shè)計

柔性傳感器相當于一個可變電阻，當電阻受到壓力的影響時，其阻值會發(fā)生相應的變化。壓力信號處理電路是傳感器電路中最為關(guān)鍵的電路，其能將壓力轉(zhuǎn)化為電壓的輸出，決定著傳感器測量的準確度。壓力信號處理電路如圖6所示，在壓力信號處理電路中，J4、C41以及R6i（i=1，2，3，4）所代表的分別為壓敏熱阻、濾波穩(wěn)壓電容器以及4個串并聯(lián)電阻，其中，R6i的作用體現(xiàn)在為整個電路提供可調(diào)控阻值。R56與R57聯(lián)合之路電容一起將濾波作用發(fā)揮出來。MAX4494是兩級運放，其中，第一級運放的功能為穩(wěn)壓，避免由于微弱電流注入而引起的測量精度降低這一狀況的發(fā)生，接著便可視為第二級運放單獨作用，有如式(2)所示：

圖6 壓力信號處理電路

輸出的Vout在經(jīng)過R66的分壓處理以及電容電阻濾波處理之后，由AIN0輸出。AIN0電壓經(jīng)AD變換后輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行自校正補償，輸出壓力數(shù)據(jù)。

2.2 電磁能量收集模塊設(shè)計

電磁能量收集模塊由雙層銅箔電極能量采集器、儲能電容、開關(guān)電路、降壓穩(wěn)壓電路四部分組成。雙層銅箔電極能量采集器有五層，第一層和第三層為銅箔電極，第二層和第四層為擁有高介電常數(shù)和高磁導率材料，最外層為多匝線圈。此設(shè)計在文獻[3]的基礎(chǔ)上加入了銅箔電極和高介電常數(shù)的材料，提高采集器對電場能量的吸收效率。能量采集器采集電力設(shè)備周圍的電磁能量后以位移電流的形式通過導線輸出。位移電流經(jīng)過整流電路變?yōu)閹Ы涣鞣至康闹绷麟娏?，開始對儲能電容進行充電，開關(guān)電路對儲能電容的電壓進行監(jiān)控，控制充放電，降壓穩(wěn)壓電路將電容釋放的能量轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電源，并對傳感器進行供電。電磁能量收集模塊如圖7所示。

圖7 電磁能量收集模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3 熱電能量收集模塊設(shè)計

熱電器件的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，材料選用碲化鉍，后續(xù)電路選取LTC3108，LTC3108結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。LTC3108是一款非常適合于收集和管理來自熱電發(fā)生器、熱電堆和小型太陽能電池等極低輸入電壓電源的剩余能量的DC/DC轉(zhuǎn)換器。該器件所采用的升壓型拓撲結(jié)構(gòu)可在輸入電壓低至20mV的情況下正常運作。

圖8 LTC3108結(jié)構(gòu)圖

3 實驗結(jié)果及分析

本實驗以高壓電力傳輸線中間接頭作為實驗對象。將柔性壓力傳感器緊包在電纜接頭處測量接頭處壓力，同時收集中間接頭附近的電磁能量及熱能為壓力傳感器自供電。

3.1 柔性壓力傳感器指標測量

在電纜接頭處外接氣泵，調(diào)節(jié)電纜接頭處的內(nèi)部壓力用于模擬電纜潮濕漏水氣化后產(chǎn)生的不同壓力。

1）靈敏度

選取兩個傳感器樣品T1和T2，從小到大調(diào)整氣泵壓力大小，待輸出穩(wěn)定后采集電阻值，測量五次并取其平均值作為最終測量值，得到電阻一壓力曲線，該曲線反映了電阻與傳感器受力之間的關(guān)系，如圖9所示。可看出隨著壓力的增大，傳感器輸出電阻也逐漸增加，兩者成正比關(guān)系，因此該壓力傳感器能表現(xiàn)出較好的正壓阻效應。

圖9 電阻-壓力曲線

2）遲滯

調(diào)整氣泵壓力，壓力先從小到大再從大到小，待輸出電阻值穩(wěn)定后采集，得到電阻-壓力曲線，如圖10所示。

圖10 遲滯測試曲線

可得在傳感器的彎曲程度不斷變化的情況下，傳感器的遲滯效應比較小。

從上圖可見，本文設(shè)計的柔性壓力傳感器能有效測量電纜接頭處的壓力。

3.2 自充電性能分析

柔性傳感器自充電性能測試分為兩部分：一是構(gòu)造一個模擬環(huán)境測量自充電性能，二是在實際電纜接頭處測量。

3.2.1 模擬環(huán)境測試

首先通過實驗研究本文熱電模塊的發(fā)電性能，實驗環(huán)境溫度為25℃，設(shè)定加熱臺初始溫度為55℃，步進溫度為10℃，加熱臺最高溫度為125℃。熱電能量采集通過熱電模塊冷端和熱端的溫度差進行發(fā)電，待冷熱兩端的溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)，測量負載端兩端電壓，實驗得到的輸出電壓-溫差如圖11所示。圖12展示了通過改變熱電模塊冷熱兩端的溫度與負載電阻阻值，測量在不同溫差、不同負載下的輸出功率。在負載相同時，輸出電壓隨著溫差增大而增大，溫差相同時，輸出電壓隨著負載電阻的增大而增大。輸出功率在690Ω時可達到最大值，輸出功率也會隨著冷熱端溫差的升高而升高。

圖11 輸出功率隨線圈一側(cè)電流變化曲線

圖12 線圈輸出功率曲線

對于圖11的不同溫差，記錄不同溫差下LTC3108的輸入電壓，即熱電器件所產(chǎn)生的電壓，負載電阻為1135Ω，輸出電壓的變化如表1所示。

表1 輸入-輸出電壓表

實驗探究電磁能量吸收模塊的發(fā)電性能，電磁能量吸收模塊的線圈匝數(shù)為800匝，輸出功率隨著線圈一次側(cè)電流的增加近似呈線性增長。取線圈一次側(cè)電流為10A，測量不同負載電阻阻值下的輸出功率，當負載電阻為700Ω時，輸出功率最大，為32.7mW。

圖13 輸出功率隨線圈一側(cè)電流變化曲線

圖14 線圈輸出功率曲線

將傳感器的負載電阻設(shè)為700Ω，熱電模塊兩端溫差為18.7℃，線圈一次側(cè)電流為10A，由于本傳感器為電磁能量與熱電能量聯(lián)合供電，得到的總輸出功率為53.2mW。表2為本文設(shè)計與文獻[2]～文獻[4]的指標對比，可得本文設(shè)計在單位電流上可獲得更高的輸出功率。

表2 本文設(shè)計與現(xiàn)有文獻性能對比

3.2.2 實際電纜接頭測試

將電力電纜及其中間接頭放置在可調(diào)溫濕度的箱子里，模擬實際工況。調(diào)節(jié)三相電纜電流為600A，初始環(huán)境溫度為25℃，環(huán)境濕度為83%。當接頭導體溫度升高至80℃時，每隔5℃取一個樣本點，使用電纜接頭溫度監(jiān)控軟件記錄此時外護套溫度與環(huán)境溫度的差值并測量自充電模塊的輸出功率，直至100℃，溫度監(jiān)控界面如圖15所示。因為在實際工況中，高壓電纜在中高負荷的情況下，接頭導體溫度可達到80℃～100℃。

圖15 溫度監(jiān)控界面

表3 不同溫差下的自充電模塊各項指標

本文傳感器采用的壓力測量電路工作電壓為4.5V-7.5V，工作電流小于0.9mA，由實測數(shù)據(jù)可得，本文所設(shè)計的自供電模塊可保證傳感器正常工作。

4 結(jié)語

本文提出的自充電測壓柔性傳感器擁有良好的壓力測量靈敏度、線性度和較小的遲滯效應，總體性能良好。通過對傳感器加裝本文所設(shè)計的電磁能量收集模塊和熱電能量收集模塊可實現(xiàn)將電磁能量與熱能轉(zhuǎn)換為電能，使傳感器無電池工作，減少了維護工作和成本。本文所提出的這種聯(lián)合供電方案可提供53.2mW的最大輸出功率和7.132V的輸出電壓，與現(xiàn)有的幾種方案相比，本方案可在單位電流上可獲得更高的輸出功率，同時經(jīng)實測得本文設(shè)計的自供電模塊可滿足壓力傳感器的電壓和功率需求。

本文傳感器可在電力系統(tǒng)電容器、蓄電池以及電力電纜等相關(guān)設(shè)備的溫度與壓力監(jiān)測中得到良好的應用，減輕了更新維護的工作。但是，盡管柔性傳感器表現(xiàn)出安裝便捷、性能可靠以及成本低等各種優(yōu)勢，但是電力系統(tǒng)不同設(shè)備所處的環(huán)境復雜，要求有較為突出的抗干擾、高壓絕緣以及耐腐蝕等性能，今后，相關(guān)人員還需進一步優(yōu)化柔性傳感器的材料與工藝，以實現(xiàn)對各種電力設(shè)備應用環(huán)境所需的良好匹配。