電容式水凝膠傳感器在現(xiàn)場作業(yè)風險監(jiān)控設計中的應用

鐘業(yè)榮 阮國恒 江嘉銘

摘 要：隨著近些年變電站現(xiàn)場作業(yè)安全事故頻發(fā)，使用三維可視化對變電站現(xiàn)場作業(yè)時電纜監(jiān)控可有效降低事故發(fā)生率。目前用于三維可視化監(jiān)控變電站現(xiàn)場作業(yè)電纜時的傳感器傳遞效率底，無法有效監(jiān)控電纜快速脈沖電壓。研究生物基水凝膠傳感器在現(xiàn)場作業(yè)風險監(jiān)控設計中的應用。結果表明，當使用短電纜時，所設計的電容式水凝膠傳感器的上升時間可以達到1.5 ns。增加低壓臂的電容或電纜入口處的電阻將增加水凝膠傳感器的時間常數(shù)，從而改善其低頻損失；而長電纜將顯著降低水凝膠傳感器的高頻響應和信號幅度。且該水凝膠傳感器采用同軸結構設計時，適合于安裝在二次水絕緣輸電線路的內部高壓電極上?？蔀槿S可視化的變電站現(xiàn)場作業(yè)風險監(jiān)控設計提供參考。

關鍵詞：水凝膠；變電站；風險監(jiān)控；電纜

中圖分類號：TQ427.2+6

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）04-0178-04

Application of capacitive hydrogel sensor on monitoring design of on-site operational risk

ZHONG Yerong，RUAN Guoheng，JIANG Jiaming

（Qingyuan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co.，Ltd.Qingyuan，Guangdong，511515，China）

Abstract：With the frequent occurrence of safety accidents at substation sites in recent years，the use of three-dimensional（3D） visualisation for monitoring cables during substation site operations can effectively reduce the incidence of accidents.However，the current sensors used for 3D visualisation to monitor the cables during substation field operations have a low transfer efficiency and cannot effectively monitor the fast pulse voltage of the cables.This paper therefore investigated the application of bio-based hydrogel sensors in the design of field operation risk monitoring.Experimental results showed that the designed capacitive hydrogel sensor could achieve a rise time of 1.5 ns when using short cables.Increasing the capacitance of the low voltage arm or the resistance at the cable entry increased the time constant of the hydrogel sensor，thus improving its low frequency losses.A long cable significantly reduced the high frequency response and signal amplitude of the hydrogel sensor.The hydrogel sensor was also suitable for installation on the internal high-voltage electrodes of a secondary water-insulated transmission line when designed with a coaxial structure.The results of the study can provide a reference for the design of three-dimensional visualisation of substation site operation risk monitoring.

Key words：hydrogel;substations;risk monitoring;cables

“三型兩網”建設在國家實施智能電網戰(zhàn)略后得到了快速發(fā)展。因此加快變電站現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)控數(shù)字化、信息化、圖形化的發(fā)展［1］，這是電力系統(tǒng)發(fā)展的必備條件。而三維可視化可實現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像的集成建模，且該模型與現(xiàn)場實際的電力設備物理數(shù)據(jù)進行集成，從而對變電站現(xiàn)場作業(yè)時電纜工作狀況得到了有效的監(jiān)控。但目前三維可視化監(jiān)控中所需的傳感器［2-4］，無法快速傳輸電纜電壓數(shù)據(jù)，且監(jiān)測電纜中得的快脈沖電壓常導致數(shù)據(jù)不準確。因此為進一步提高傳感器綜合性能，使其更好的適用于變電站現(xiàn)場作業(yè)風險監(jiān)控設計中。

作為傳感器的潛在材料，水凝膠因其優(yōu)異的延展性、柔韌性和生物相容性等優(yōu)點而備受關注［5］。傳感器中的聚苯胺有2種形式：薄膜和納米纖維。與薄膜相比，聚苯胺納米纖維因其優(yōu)異的性能，包括優(yōu)秀的電化學性能和物理化學性能，吸引了更多的關注［6］。因此，將水凝膠材料與傳感器相結合是一個可行的方案。

基于此，設計了一種帶有水凝膠傳感器，以監(jiān)測變電站現(xiàn)場作業(yè)時電纜電壓變化。此外，低壓臂的電容可以靈活地調整。水凝膠傳感器采用同軸結構設計，可以安裝在二次水絕緣電纜的內部高壓電極上［7］。通過時域響應和頻率響應，分別討論和設計了測量電纜的最佳設計方案。并采用上升時間為1.5 ns、脈沖寬度為200 ns的方波來驗證所設計的電容式水凝膠傳感器的特性。

1 電容式水凝膠傳感器設計

1.1 低壓臂的設計

低電壓臂對電容式水凝膠傳感器來說是非常重要的。首先，低壓臂應具有低電感量，以確保高頻響應和相對寬的帶寬［8］。其次，為了測量傳輸線中大范圍的脈沖高電壓，低壓臂的電容應方便地調整。

為了滿足這些要求，設計一種帶有水凝膠傳感器的低壓臂。低壓臂其直徑可以根據(jù)安裝空間進行調整［9］。低壓臂的每一面都覆蓋有2個環(huán)形銅箔。在2個銅箔之間形成焊盤，用于焊接水凝膠傳感器。大量的通孔作為雙側環(huán)形銅箔外部之間的電氣連接。低壓臂的整個電容根據(jù)2側電容的串聯(lián)。匹配電阻的引腳可以通過中心的通孔焊接在低壓臂的上側。為了避免短路，底面的環(huán)形銅箔的內徑要比頂面的大。由于水凝膠傳感器的高耐受電壓性及熱穩(wěn)定性，可以確保低壓臂的可靠性。因此本文將低壓臂的直徑和厚度分別設計為38、0.9 mm。并將多個水凝膠傳感器焊接在低壓臂的每一側。

1.2 電容式水凝膠傳感器的總體設計

電容式水凝膠傳感器的整體設計符合3個主要的設計要求。首先，電容式傳感器的結構應該是緊湊的，以減少殘余電感。其次，水凝膠傳感電極的開口要小，以避免干擾現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)控的的正常運行［10-12］。最后，低壓臂應易于變電站現(xiàn)場更換而不影響傳輸線中的電介質材料。

由于低壓臂通常為緊湊圓形結構，電容式水凝膠傳感器可以設計成同軸結構，便于加工和安裝。此外，通過設計的結構還可以減少殘余電感。傳輸線上的開口選擇直徑為30 mm，必要時可以進一步縮小。感應電極的直徑設計為26 mm。且由于水凝膠傳感器良好的靈活性，將聚四氟乙烯（PTFE）用作絕緣材料。為了避免表面閃絡［13］，絕緣層的上表面要低于水凝膠傳感電極的上表面。而水凝膠傳感器的法蘭盤固定傳感電極、連接電極和絕緣層。低壓臂兩側的內環(huán)形銅箔分別作為與連接電極和蓋板法蘭的電氣連接。同時將四分之一長度的聚丙烯材料電阻焊接在水凝膠傳感器的頂部和表面之間。

1.3 電容式水凝膠傳感器制備

將0.7 g聚苯胺纖維放在去離子水中，用勻漿器高速（400 r/min）分散，形成總體積為40 mL的懸浮液。將制備好的40 mL聚苯胺纖維懸浮液放入80 ℃恒溫的磁水浴中進行保溫。然后以750 r/min的轉速向溶液中加入0.4 g氯胺酮（KC）粉末。溶解后，快速加入0.8 g魔芋葡甘露聚糖粉末和0.16 g氯化物。得到的均勻溶液在80 ℃的水浴中保持30 min。取出的溶液倒入60 mm×20 mm×2 mm的模板中凝固［9］，冷卻后形成水凝膠網絡結構。同時在印刷電路板中，分別加入了水凝膠材料和聚苯胺纖維制備成電容式水凝膠傳感器。

2 試驗結果分析

為了驗證電容式水凝膠傳感器的特性，進行了驗證實驗。首先，研究了變電站現(xiàn)場作業(yè)電纜監(jiān)控的兩種匹配方案方波響應，并確定方案的合理性。然后，研究了電容式傳感器的可重復性。此外，還討論了低壓臂的電容和電纜入口處的電阻對水凝膠傳感器方波響應的影響。最后，進行了實驗以評估變電站現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)控中不同電纜長度對信號的影響。

2.1 方波響應

由于原始方波發(fā)生器的振幅很低。因此，為了在變電站現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)控中下獲得有效的數(shù)據(jù)，在方案A（R=Z=50 Ω，R0=1 MΩ）和方案B的測量電纜雙端匹配（R=R0=Z=50 Ω）的情況下，低電壓臂電容設計為5 nF。此外，為了驗證2級劃分的特性，C2和R分別被選為541 pF和1 000 Ω。方案A和方案B的方波響應如圖1所示，所設計的方案的方波響應分別在2 m長的電纜上進行了測試。

從圖1可以看出，電容式水凝膠傳感器的信號與來自電阻分壓器的信號保持一致，進一步抵消變電站現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)控中電纜中第1個傳輸延遲的影響［14］。電容式水凝膠傳感器的上升時間為4 ns，主要由水凝膠傳感器測量電纜的衰減引起的，且水凝膠材料可以形成導電路徑，有效將加速電子傳輸，便于對變電站電纜監(jiān)測。且可觀察到方案A的信號振幅是方案B的2倍，這是由于水凝膠材料具有較好的導電性，可以促進電壓波在電纜末端發(fā)生全反射。在測量電纜雙端匹配的情況下，方案B的分壓比為123 508∶1，與120 048∶1的計算結果接近。由于方案B的時間常數(shù)與信號的持續(xù)時間相當，輸出信號不能保持其平頂。而方案A的反射波在20 ns（2 m電纜的傳輸延遲的2倍）時補償其輸出信號，與方案B相比，方案A呈現(xiàn)出更大的時間常數(shù)。

方案A的信號在500 ns處有一個反射電壓波，一方面由于電纜中傳輸時間較長；另一方面由于水凝膠中的離子與電壓中的電子相互吸引從而出現(xiàn)反射電波。進而導致2 m電纜中的傳輸延遲時間為250 ns，這對于三維可視化變電站現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)控影響較大［15］，無法準確掌握電纜實時變化。由于電纜末端的高阻抗，電壓波有一個全反射，2 ns之后，反射的電壓波返回到示波器。與設計的方案結果相比，反射會導致長測量電纜的信號失真。因此，方案A只能用短電纜進行脈沖電壓測量。然而，由于水凝膠傳感器產生的高壓、高溫和強輻射及水凝膠材料在高壓狀態(tài)下的體積膨脹和厚度降低，且在變電站現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)控應用中，測量電纜的長度可能是幾十或幾百米。因此方案A不適合在水凝膠傳感器上進行電纜脈沖高壓監(jiān)控。

2.2 電容式水凝膠傳感器的可重復性

三維可視化變電站現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)控時間通常較長，因此為了保證水凝膠傳感器在長期工作中的可靠性，使用方案B（C2=2.26 nF和R=50 Ω）的電容式水凝膠傳感器進行可重復性驗證。利用一根2 m的測量電纜進行了5次實驗，計算結果如圖2所示。

從圖2可以看出，電阻分壓器和電容水凝膠傳感器在相同條件下使用5次時的方波響應基本相同，表明電容傳感器的重復性較好，可滿足現(xiàn)場作業(yè)長期監(jiān)控。同時可觀察到，在水凝膠傳感器監(jiān)控時的前20 ns內，方波響應呈增加趨勢，主要由于電纜中的材料易發(fā)生去質子化。為了中和產生的電荷，移動的反離子從周圍的材料擴散到水凝膠材料中，導致水凝膠中電荷量增加，從而發(fā)生前期方波響應增加［16-17］。而在監(jiān)控時間20 ns后，方波響應呈平穩(wěn)遞增趨勢，傳感器中的水凝膠可以促進表面的官能團首先變成質子化。由此產生的靜電排斥導致方波響應較為平穩(wěn)。

2.3 電纜長度對水凝膠傳感器的影響

由于變電站現(xiàn)場作業(yè)三維可視化監(jiān)控中需要使用水凝膠傳感器對不同電纜進行監(jiān)測，而電纜長度越長，其水凝膠傳感器監(jiān)測反應時間越長，因此研究電纜長度對水凝膠傳感器的影響［18］。使用方案B的低壓電容（541 pF，電阻R為1 000 Ω）進行實驗。圖3為在不同電纜長度2、5、10和20 m條件下的方波響應結果。

從圖3可以看出，當電纜長度為20 m時，電容式水凝膠傳感器的分壓比會增加。由于長電纜中的信號損失不能被忽視，信號振幅會被衰減。此外，當電纜長度增加時，電容式水凝膠傳感器的上升時間明顯增加；當電纜較短時，電容式水凝膠傳感器的上升時間為2～4 ns，偏差很小，這主要由于水凝膠材料的導電性能［19］。且當電纜為50 m時，上升時間明顯上升，表明電容式水凝膠傳感器的高頻響應大大降低，不利于水凝膠傳感器對變電站現(xiàn)場作業(yè)時電纜進行監(jiān)測。這種現(xiàn)象是由電纜對高頻成分的衰減引起，且衰減隨著頻率的上升而變得更加嚴重，從而產生波前傳播。因此可以采取2種措施來消除長電纜的影響：（1）轉移或收集附近電容式水凝膠傳感器的信號；（2）通過電纜的頻率響應或方波響應來調節(jié)收集后的信號。利用去卷積函數(shù)，可以將信號恢復為原始波形。

2.4 水凝膠傳感器電信號監(jiān)測

水凝膠傳感器在三維可視化變電站現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)控設計中的應用主要取決于將變電站現(xiàn)場電纜電壓轉換為有規(guī)律的電信號輸出。圖4為水凝膠傳感器隨著現(xiàn)場電纜電壓有規(guī)律地輸出電信號（ΔR/R0）［20］。

從圖4可以觀察到，水凝膠傳感器監(jiān)測到現(xiàn)場作業(yè)電纜電壓變化時，電阻將增大，曲線呈下降趨勢。在每個測試周期中，保持水凝膠傳感器持續(xù)監(jiān)控現(xiàn)場作業(yè)，曲線將呈“四邊形”，而且現(xiàn)場電纜電壓變化越快，曲線形狀越尖銳。這表明，水凝膠傳感器可以根據(jù)不同的電壓變化速度產生不同的電信號。因此，水凝膠傳感器可有效監(jiān)控三維可視化的變電站現(xiàn)場作業(yè)風險。

3 結語

研制并設計了一種水凝膠傳感器用于監(jiān)測變電站現(xiàn)場作業(yè)時電纜快速脈沖電壓變化，并對其特性進行了分析。試驗結果表明，該電容式水凝膠傳感器適用于測量電纜中的快速脈沖電壓，變電站現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)測的電纜不宜過長，長度應控制在2～10 m，且方案B導致水凝膠傳感器時間常數(shù)增加，可實時監(jiān)測電纜電壓變化。

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