基于柔性电阻式温度传感器的GIS无线测温系统
时间：2023-06-20 17:10:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李运甲， 陈 川， 关 桐， 鞠登峰， 郭经红
(1. 西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049; 2. 全球能源互联网研究院有限公司，北京 102200)
气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear，GIS）是指将断路器、隔离开关、接地开关等一次设备，经优化设计后集成于绝缘性能好的六氟化硫气体氛围中，以提升开关设备的灭弧性质和可靠性。GIS在我国电力系统中得到了广泛的应用，然而随着大量GIS设备逐渐老化，其运行故障数量不断增长。由于GIS操作次数的增加会导致其触头接触不均或偏移，致使触头接触不良，接触电阻增大。当GIS母线电流通过升高的电阻时会产生发热现象，而当负荷电流值较大时，则会引起剧烈的发热甚至燃烧、爆炸等事故[1]。因此，对GIS设备的关键位置进行温度监测，对保证其可靠运行、预防故障具有重要的意义。
针对GIS的异常温升问题，传统的运维检测方法是通过人工观察触头表面颜色或测量回路电阻，但该两种方法均需要停电检修[2]，大幅降低了设备的运行效率。面向非停机温度监测的需求，GIS关键位置温度测量的方法主要包括：光纤测温法、红外热成像测温法和红外传感测温法。其中，光纤测温法通过将光纤光栅温度传感器直接敷设于GIS关键位置进行测温，具有抗电磁干扰能力强、可靠性高等优点，但同时也存在测温精度较低、传感器安装布置方案复杂等问题[2-3]。红外热成像测温法常采用红外成像仪对GIS外壳进行整体测温形成热分布图，并对关键区域进行温度提取与计算，但其测温精度受外界环境影响较大，精度和分辨率较低[4-5]。红外传感测温法通过在GIS内部或手孔布置红外测温探头实现对关键部位温度的直接测量，然而被测表面的几何曲率及反射率、SF6气体对红外光的吸收均会对红外热成像法的精度产生明显的影响，导致测温精度低[5]。综上所述，GIS的测温需求对温度测量技术提出了多种挑战，若将温度传感器布置于GIS腔体内部，会受到高电磁场、高压气体等多种因素影响，并会影响GIS可靠性；
但若将温度传感器置于GIS壳体外部，又面临着难以与其柱状外壳紧密贴合、点测温误报率高、受到环境因素影响明显等问题。因此，若能实现紧密贴合GIS外壳曲率并可进行较大范围的分布式测温，将对GIS的温度监测技术具有重要实践意义。柔性传感器通常为沉积在柔性衬底的功能材料，由于其灵敏度高、可贴合复杂测量表面、成本低等优点在消费和工业电子领域获得了广泛的应用[6]，也为本工作的开展提供了实现方案。
本文设计并制造了一种基于柔性电阻式温度传感器的GIS无线测温系统，可紧密贴合GIS的柱状金属外壳安装，并对外壳温度进行持续监测。柔性传感器与GIS外壳的紧密贴合保证了其对温度变化的灵敏性，而基于传感器阵列的设计保证了良好的拓展性，可适用于各类型GIS设备。柔性温度传感器阵列沿GIS外壳周向排列，扩大了测温区域，更容易发现温度异常区域，提高了发现外壳异常温升的几率。测温系统具有数据处理与无线通信功能，能够将处理过的测温数据发送至监测主机，实现了在线温度检测，不需要对GIS设备停电测温，降低了运维人员的工作量，提高了测温工作效率。
1.1 柔性温度传感器测温原理与设计
电阻式传感器的测温原理是基于金属电阻率与温度成正比的材料特性。传统的电阻式温度传感器主要采用宏观电阻丝（高阻值金属导线），在较小的体积下难以实现较高的电阻和温度分辨率。基于金属沉积技术的薄膜温度传感器，通过光刻与沉积技术实现微米级宽度、微米甚至纳米级厚度的金属导线，充分降低导线的横截面积而大幅提升其电阻值，最终实现温度测量的高分辨率。常见的柔性电阻式温度传感器如图1所示，通常由金属材料通过物理气相沉积或电镀方法淀积于柔性衬底上并图形化实现。其图形化方法可通过刻蚀或剥离技术实现。曲折型导线设计有助于进一步增加电阻值。
图1 柔性温度传感器原理示意图
相较于常见的铂、金电阻式温度传感器，铜基热电阻传感器加工工艺简单且成本低廉，可通过电镀技术实现微米级铜电阻的沉积和成型。尽管铜电阻的电阻率线性范围较铂、金等热电阻窄，但其在-25～250 ℃的温度区间内具有良好线性特性[7]，足以实现GIS外壳测温的需求（＜150 ℃）。铜电阻的阻值随温度变化关系可以描述为：
式中：t——待测温度，℃；
Rt——温度t下的电阻值， Ω ；
tref——参考温度，℃；
Rref——参考温度下的电阻值，Ω；
αref——参考温度下的电阻温升系数，Ω/℃。
根据式(1)，在20 ℃的参考温度下铜电阻的阻值[8]为：
其中R20为参考温度为20 ℃时铜电阻的阻值，系数α20=0.003 94 Ω/℃。通过选取合适的参考温度与参考电阻，并实际测量铜电阻的阻值，即可以通过式(1)得到阻值对应的温度，实现温度测量。
虽然铜电阻能够在GIS异常温度区间内保持良好的线性度与精度，但商用铜电阻温度传感器如Cu50、Cu100等均采用刚性平面结构，与GIS弧形表面难以贴合与安装，无法准确测量GIS外壳温度，测温精确度和可重复性均有待提升。因此本文将铜电阻集成在低刚度、可变形的柔性衬底上，设计了柔性温度传感器阵列，测温时传感器与GIS紧密配合，将有效解决上述测温难的问题。
1.2 测温系统设计
测温系统集成多个柔性温度传感器，并完成信号的采集、放大、处理及发送，其架构示意图如图2所示。测温系统的主要功能部件包括：基于单片机的中央控制模块、电源管理模块、柔性温度传感器组、ADC采样电路、LoRa无线通信模块和监测主机。其中，本文所采用的单片机中央控制模块为STM32F103RCT7；
采样电路是以24位AD转换器ADS124S08为核心的四线制测温电路，该测温方法可消除系统内各种引线电阻造成的测量误差；
采用LoRa模块作为无线通信模块，将测温数据发送至监测主机并实现了在线温度检测。LoRa技术已在电力设备在线监测系统中广泛应用，具有抗电磁干扰能力强、成本低、可靠性与安全性高等优点[9]。针对室外安装的GIS，系统充分考虑了环境温度对测温系统的影响，内部集成了环境因素采集模块：包括对环境温度、风速和光照进行数据采集，这些采集模块主要用于补偿由环境因素对测温系统引起的影响，在现阶段工作尚未被接入测温系统内，因此图2中并未显示此模块。
图2 测温系统的总体设计框图
从图2可见，测温系统包含由多个柔性温度传感器构成的传感器阵列，阵列中每三个温度传感器共用一个ADC进行数据同步采样。针对不同类型、不同尺寸GIS设备及不同的测温位置需求，可以通过改变测温阵列中传感器的尺寸与数量实现高度的适用性。图3展示了将测温系统安装在220 kV单相GIS母线筒的案例示意图：其中GIS外壳（母线筒）外表面直径为376 mm，测温主单元安装于壳体顶部，壳体周向共安装了6个柔性温度传感器单元，均匀分布于GIS壳体外表面两侧。测温系统的主单元内部封装了除温度传感器外的其他主要硬件电路，包括：单片机、电源管理模块、LoRa通信模块、ADC采样电路。
图3 安装于220 kV单相GIS的测温系统示意图
柔性温度传感器之间通过柔性连接器连接，柔性连接器是集成了金属引线的聚酰亚胺薄膜。两者通过位于连接部位的刚性夹具固定机构实现彼此的电气与机械连接。传感器阵列与测温主单元通过两组可弹性拉伸的紧固装置连接，形成贴合于GIS外壳的环状结构。紧固装置的弹性回复力使整个系统紧密贴合于GIS外壳之上，充分提升测温的准确性。面对GIS外壳周长由于加工精度或热胀冷缩等因素而产生的微小变化，紧固装置的弹性回复力可使测温系统自动适应该变化。面向各类不同尺寸GIS的应用场景，可通过调整柔性连接器的长度、增减柔性温度传感器的数量以实现该测温系统的适用。另外，也可通过测温传感器阵列中传感器的数量，实现不同位置、不同间距的测温需求。
2.1 柔性传感器制造工艺
本文柔性温度传感器的制造工艺主要基于铜材料的沉积与刻蚀，工艺流程如图4所示。
图4 柔性温度传感器制造工艺示意图
图4中的具体工艺步骤可详述如下：
1）本文传感器选用聚酰亚胺薄膜柔性衬底。聚酰亚胺具有优秀的耐热特性、绝缘性能、导热性能、机械强度[10-11]，选用其作为衬底可充分保证传感器的耐热、导热、绝缘性能和机械强度。衬底在使用前需要丙酮、异丙醇、蒸馏水先后进行清洗准备。
2）在柔性衬底正面通过基于硫酸铜溶液的电镀技术沉积一层12 μm厚的金属铜，经过贴干膜、曝光、显影、刻蚀、去干膜、清洗等步骤后形成热电阻铜导线及电极图形。
3）为保证热电阻铜导线的绝缘性能，在衬底正反两面贴合聚酰亚胺薄膜(图中使用不同颜色表示便于区分)，并通过光刻技术进行电极区域的开孔，便于电极的电气连接。该绝缘层会降低温度传感器的响应速度，但仍然适用于GIS外壳的缓慢温升过程。
4）为电极安装复合连接器，位于柔性传感器背面，可使传感器通过该接口建立与其他部件的电气和机械连接。
所加工的柔性传感器实物如图5所示。图5(a)为柔性温度传感器的整体照片，其中铜电阻所在的温度感应区域较其他区域略宽，以最大限度增加铜电阻的总长度，提高其灵敏度。安装时，其正面的铜电阻应朝向GIS外壳。柔性温度传感器的两端较窄的区域为图3中的连接部位，通过背面的复合连接器与柔性连接器固定，从而接入测温系统。传感器整体长度为110 mm，连接部位宽度20 mm，铜电阻测温区域宽度50 mm，传感器厚度0.3 mm。针对不同测温需求，测温区域的铜电阻面积可按需进行缩放设计，通过调整相应的铜电阻淀积厚度即可实现预期的铜电阻值。铜电阻测温区域作为敏感端与GIS外壳贴合测温，其局部放大后如图5(b)所示，铜电阻总长3 380 mm，厚度为12 μm，宽度为120 μm，30 ℃下测得的电阻值约为60 Ω。
图5 柔性温度传感器实物照片
2.2 测温系统制造
测温主单元实物如图6(a)所示，其内部集成了除柔性温度传感器组之外的主要硬件电路，外部留有4个功能接口。其中紧固装置连接端在主单元左右两侧，通过此接口主单元与外部的柔性温度传感阵列实现机械与电气连接。其余三个接口分别接用于外部通信的LoRa模块天线、用于连接外部电源的电源接口和手动投切电源的电源开关。图6(b)～(d)为测温主单元内包含的主要电路模块实物照片。
图6 测温系统实物照片
图6(e)为测温系统安装于220 kV单相GIS外壳的照片，此时主单元与两侧的紧固装置配合将整个测温系统固定，并紧密贴合于GIS外壳之上。当主单元采集到传感器测量的温度数据后，会通过LoRa模块发至监测主机端。监测主机内含GIS测温系统的测量上位机，可对传感器阵列采集的温度进行分析、监测与报警。
上位机软件界面如图7所示，可以完成对多个测温系统以及各测温系统中所有柔性传感器的数据监测与分析。通过上方的操作界面可实现特定测温系统的选择，而通过左下的图形操作界面可实现具体传感器的选择。行选择左侧的显示模块可以实时显示绘制传感器测量温度变化曲线；
右侧的报警模块可以通过预设系统的报警温度对系统工作状态进行判断，当前传感器通道所采集的温度数据超过预设值会进行报警提示。图7中的上位机可以显示7路传感器通道的数据，可以通过相关程序设置完成测量通道数量的设置，使其符合当前的测温需求。
图7 测试系统上位机显示界面
研究表明，GIS母线关键位置的异常温升故障，仅可在25 ℃室温时使外壳温度达到约45 ℃[1]，因此直接将GIS外壳升温到100 ℃以上完成对传感器的校准较难实现。本文设计并加工了一种模拟GIS结构的简易母线筒，其直径（376 mm）及外部曲率与220 kV单相GIS母线筒完全相同，并仅设计并加工了0.5 m长度的母线筒节段使其更容易加热至高温，以完成对柔性传感器性能测试。图8(a)为测温系统安装于测试校准平台的示意图，传感器均匀安装于外壳两侧，左右两侧传感器分别编号为S1、S2、S3、S4、S5和S6。图8(b)展示了测温系统安装于温升实验平台实物照片。
图8 测试系统安装于温实验平台设计图与实物照片
在实际应用环境中，GIS内部不同位置的部件发热会在外壳形成不同的温度分布场，而风速、光照、室温等外部环境因素又会进一步加剧其外壳温度分布的复杂性[12-13]。因此，本文在对传感器性能进行验证时，仅测温系统的一侧设置热源，使温度分布具有梯度效应，模拟GIS实际运行时其温度分布不均匀的状况。
图9展示了阵列内各柔性温度传感器的电阻值随温度变化的规律，该电阻值由四线制电阻测量法测量而得。实验中测温系统安装在外壳最接近热源的位置，以探测最大幅度的温度变化。图中横坐标表示传感器测温区域的温度，范围为30～150 ℃。该温度由加温装置的自带传感器测量所得，为加温装置所在位置金属母线筒外壁的温度。纵坐标表示传感器铜电阻的阻值。由于加工工艺的误差，导致铜电阻沉积厚度有一定偏差，S1-S6的初始电阻值具有一定偏差，在60～65 Ω范围内变化。
图9 传感器电阻值随温度变化关系图
图9中传感器阻值随温度变化的规律基本呈线性关系，与理论相符。然而，在50℃以下的温度范围内，传感器的线性度较差，这主要是由于此时感应区域接近室温，而热量在由加热装置向测温传感器传递时，热损耗较高温时影响更加明显。在120 ℃以上的高温区域测温曲线存在波动，这是由于测温装置自带的温度传感器只能测量外壳上一个特定点的温度，而当温度越高时外壳温度分布的不均匀性就越明显，导致测温装置的温度传感器所测温度与金属外壳实际温度出现偏差。另外，各个温度传感器的电阻随温度变化率存在偏差，这是由于不同测温区域温度分布的差异性导致的。
针对低温范围内传感器线性度差的问题，本文开发了一种可适应不同热源的补偿算法，通过中高温区域的线性变化趋势对低温区域的数据进行拟合，并通过实际位置温度测量进行验证（将在下节讨论），补偿后的测温结果如图10所示，低温区域内线性度差的问题得到了有效解决。外壳温度在30 ℃时S1-S6温度传感器的初始电阻值位于57～62 Ω的范围内，外壳升温至150 ℃时，温度传感器的电阻值线性变化至78～85 Ω的区间，此过程中传感器的灵敏度约为 0.19 Ω/℃。
图10 补偿后传感器电阻值随温度变化关系图
针对传感器测温区域内温度分布不均及其影响，本文也进行了测试与验证。在升温过程中，使用高精度红外测温装置对柔性温度传感器测温区域中心与四周的5个测温点进行了实时温度测量，测温点分布如图11所示，测温点1设置于远离热源的位置，测温点5设置于靠近热源的位置，测温点2-4设置于中间位置。从室温开始升温至150 ℃，传感器测温点5的升温速率最快，验证结果如图12所示。从图中可以得在升温过程中当传感器阻值增加约5 Ω时，测温点5温度变化最大，约为27 ℃，测温点1温度变化最小，约为21 ℃，测温点2-4的温度变化接近，约为23 ℃。单一柔性传感器所覆盖的区域内可能存在不均匀温度分布，而传感器阻值的变化可反映其测温区域内任何部位温度的升高，对实际GIS外壳温升的弥散性和复杂性有很好的针对性。因此，该柔性温度传感器可用于监测GIS外壳上大范围的温度变化，相较于传统温度传感器只能测量特定一点的温度，柔性温度传感器更加适用于监控体积巨大、温度分布状况复杂的GIS设备温升过程。
图11 柔性温度传感器测温区域
图12 传感器测温区域温度验证
本文设计并制造了一种应用于GIS的无线测温系统，由柔性铜电阻温度传感器阵列构成，可对GIS设备的外壳温度进行分布式测量。柔性铜电阻温度传感器通过将铜电阻沉积于柔性聚酰亚胺衬底之上并刻蚀实现。本文对该测温系统在GIS母线筒温升平台上进行了表征和测试，校准了温度值与传感器阻值的关系，研究了传感器测温区域内的温度分布与变化对传感器性能的影响。结果表明，该传感器可在30 ℃至150 ℃的外壳温度区间内实现线性输出，灵敏度约为0.19 Ω/℃。低温段具有非线性特性，但可通过补偿算法提升其线性度。此外，该测温系统可覆盖较大的测温区域，更容易发现GIS外壳温度异常区域，适用于GIS此类体积巨大、温度分布复杂、温升过程缓慢的设备。本文的研究结果对新型GIS的测温系统的研发具有理论和实践意义。未来的研究工作将主要集中于测温系统的环境因素补偿算法之上。
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