基于柔性電阻式溫度傳感器的GIS無線測溫系統(tǒng)

李運甲， 陳 川， 關(guān) 桐， 鞠登峰， 郭經(jīng)紅

(1. 西安交通大學電氣工程學院，陜西 西安 710049; 2. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 102200)

0 引 言

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear，GIS）是指將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)等一次設(shè)備，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后集成于絕緣性能好的六氟化硫氣體氛圍中，以提升開關(guān)設(shè)備的滅弧性質(zhì)和可靠性。GIS在我國電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，然而隨著大量GIS設(shè)備逐漸老化，其運行故障數(shù)量不斷增長。由于GIS操作次數(shù)的增加會導致其觸頭接觸不均或偏移，致使觸頭接觸不良，接觸電阻增大。當GIS母線電流通過升高的電阻時會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，而當負荷電流值較大時，則會引起劇烈的發(fā)熱甚至燃燒、爆炸等事故[1]。因此，對GIS設(shè)備的關(guān)鍵位置進行溫度監(jiān)測，對保證其可靠運行、預防故障具有重要的意義。

針對GIS的異常溫升問題，傳統(tǒng)的運維檢測方法是通過人工觀察觸頭表面顏色或測量回路電阻，但該兩種方法均需要停電檢修[2]，大幅降低了設(shè)備的運行效率。面向非停機溫度監(jiān)測的需求，GIS關(guān)鍵位置溫度測量的方法主要包括：光纖測溫法、紅外熱成像測溫法和紅外傳感測溫法。其中，光纖測溫法通過將光纖光柵溫度傳感器直接敷設(shè)于GIS關(guān)鍵位置進行測溫，具有抗電磁干擾能力強、可靠性高等優(yōu)點，但同時也存在測溫精度較低、傳感器安裝布置方案復雜等問題[2-3]。紅外熱成像測溫法常采用紅外成像儀對GIS外殼進行整體測溫形成熱分布圖，并對關(guān)鍵區(qū)域進行溫度提取與計算，但其測溫精度受外界環(huán)境影響較大，精度和分辨率較低[4-5]。紅外傳感測溫法通過在GIS內(nèi)部或手孔布置紅外測溫探頭實現(xiàn)對關(guān)鍵部位溫度的直接測量，然而被測表面的幾何曲率及反射率、SF6氣體對紅外光的吸收均會對紅外熱成像法的精度產(chǎn)生明顯的影響，導致測溫精度低[5]。綜上所述，GIS的測溫需求對溫度測量技術(shù)提出了多種挑戰(zhàn)，若將溫度傳感器布置于GIS腔體內(nèi)部，會受到高電磁場、高壓氣體等多種因素影響，并會影響GIS可靠性；但若將溫度傳感器置于GIS殼體外部，又面臨著難以與其柱狀外殼緊密貼合、點測溫誤報率高、受到環(huán)境因素影響明顯等問題。因此，若能實現(xiàn)緊密貼合GIS外殼曲率并可進行較大范圍的分布式測溫，將對GIS的溫度監(jiān)測技術(shù)具有重要實踐意義。柔性傳感器通常為沉積在柔性襯底的功能材料，由于其靈敏度高、可貼合復雜測量表面、成本低等優(yōu)點在消費和工業(yè)電子領(lǐng)域獲得了廣泛的應用[6]，也為本工作的開展提供了實現(xiàn)方案。

本文設(shè)計并制造了一種基于柔性電阻式溫度傳感器的GIS無線測溫系統(tǒng)，可緊密貼合GIS的柱狀金屬外殼安裝，并對外殼溫度進行持續(xù)監(jiān)測。柔性傳感器與GIS外殼的緊密貼合保證了其對溫度變化的靈敏性，而基于傳感器陣列的設(shè)計保證了良好的拓展性，可適用于各類型GIS設(shè)備。柔性溫度傳感器陣列沿GIS外殼周向排列，擴大了測溫區(qū)域，更容易發(fā)現(xiàn)溫度異常區(qū)域，提高了發(fā)現(xiàn)外殼異常溫升的幾率。測溫系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理與無線通信功能，能夠?qū)⑻幚磉^的測溫數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測主機，實現(xiàn)了在線溫度檢測，不需要對GIS設(shè)備停電測溫，降低了運維人員的工作量，提高了測溫工作效率。

1 測溫原理分析與系統(tǒng)設(shè)計

1.1 柔性溫度傳感器測溫原理與設(shè)計

電阻式傳感器的測溫原理是基于金屬電阻率與溫度成正比的材料特性。傳統(tǒng)的電阻式溫度傳感器主要采用宏觀電阻絲（高阻值金屬導線），在較小的體積下難以實現(xiàn)較高的電阻和溫度分辨率。基于金屬沉積技術(shù)的薄膜溫度傳感器，通過光刻與沉積技術(shù)實現(xiàn)微米級寬度、微米甚至納米級厚度的金屬導線，充分降低導線的橫截面積而大幅提升其電阻值，最終實現(xiàn)溫度測量的高分辨率。常見的柔性電阻式溫度傳感器如圖1所示，通常由金屬材料通過物理氣相沉積或電鍍方法淀積于柔性襯底上并圖形化實現(xiàn)。其圖形化方法可通過刻蝕或剝離技術(shù)實現(xiàn)。曲折型導線設(shè)計有助于進一步增加電阻值。

圖1 柔性溫度傳感器原理示意圖

相較于常見的鉑、金電阻式溫度傳感器，銅基熱電阻傳感器加工工藝簡單且成本低廉，可通過電鍍技術(shù)實現(xiàn)微米級銅電阻的沉積和成型。盡管銅電阻的電阻率線性范圍較鉑、金等熱電阻窄，但其在-25～250 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)具有良好線性特性[7]，足以實現(xiàn)GIS外殼測溫的需求（＜150 ℃）。銅電阻的阻值隨溫度變化關(guān)系可以描述為：

式中：t——待測溫度，℃；

Rt——溫度t下的電阻值， Ω ；

tref——參考溫度，℃；

Rref——參考溫度下的電阻值，Ω；

αref——參考溫度下的電阻溫升系數(shù)，Ω/℃。

根據(jù)式(1)，在20 ℃的參考溫度下銅電阻的阻值[8]為：

其中R20為參考溫度為20 ℃時銅電阻的阻值，系數(shù)α20=0.003 94 Ω/℃。通過選取合適的參考溫度與參考電阻，并實際測量銅電阻的阻值，即可以通過式(1)得到阻值對應的溫度，實現(xiàn)溫度測量。

雖然銅電阻能夠在GIS異常溫度區(qū)間內(nèi)保持良好的線性度與精度，但商用銅電阻溫度傳感器如Cu50、Cu100等均采用剛性平面結(jié)構(gòu)，與GIS弧形表面難以貼合與安裝，無法準確測量GIS外殼溫度，測溫精確度和可重復性均有待提升。因此本文將銅電阻集成在低剛度、可變形的柔性襯底上，設(shè)計了柔性溫度傳感器陣列，測溫時傳感器與GIS緊密配合，將有效解決上述測溫難的問題。

1.2 測溫系統(tǒng)設(shè)計

測溫系統(tǒng)集成多個柔性溫度傳感器，并完成信號的采集、放大、處理及發(fā)送，其架構(gòu)示意圖如圖2所示。測溫系統(tǒng)的主要功能部件包括：基于單片機的中央控制模塊、電源管理模塊、柔性溫度傳感器組、ADC采樣電路、LoRa無線通信模塊和監(jiān)測主機。其中，本文所采用的單片機中央控制模塊為STM32F103RCT7；采樣電路是以24位AD轉(zhuǎn)換器ADS124S08為核心的四線制測溫電路，該測溫方法可消除系統(tǒng)內(nèi)各種引線電阻造成的測量誤差；采用LoRa模塊作為無線通信模塊，將測溫數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測主機并實現(xiàn)了在線溫度檢測。LoRa技術(shù)已在電力設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)中廣泛應用，具有抗電磁干擾能力強、成本低、可靠性與安全性高等優(yōu)點[9]。針對室外安裝的GIS，系統(tǒng)充分考慮了環(huán)境溫度對測溫系統(tǒng)的影響，內(nèi)部集成了環(huán)境因素采集模塊：包括對環(huán)境溫度、風速和光照進行數(shù)據(jù)采集，這些采集模塊主要用于補償由環(huán)境因素對測溫系統(tǒng)引起的影響，在現(xiàn)階段工作尚未被接入測溫系統(tǒng)內(nèi)，因此圖2中并未顯示此模塊。

圖2 測溫系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖

從圖2可見，測溫系統(tǒng)包含由多個柔性溫度傳感器構(gòu)成的傳感器陣列，陣列中每三個溫度傳感器共用一個ADC進行數(shù)據(jù)同步采樣。針對不同類型、不同尺寸GIS設(shè)備及不同的測溫位置需求，可以通過改變測溫陣列中傳感器的尺寸與數(shù)量實現(xiàn)高度的適用性。圖3展示了將測溫系統(tǒng)安裝在220 kV單相GIS母線筒的案例示意圖：其中GIS外殼（母線筒）外表面直徑為376 mm，測溫主單元安裝于殼體頂部，殼體周向共安裝了6個柔性溫度傳感器單元，均勻分布于GIS殼體外表面兩側(cè)。測溫系統(tǒng)的主單元內(nèi)部封裝了除溫度傳感器外的其他主要硬件電路，包括：單片機、電源管理模塊、LoRa通信模塊、ADC采樣電路。

圖3 安裝于220 kV單相GIS的測溫系統(tǒng)示意圖

柔性溫度傳感器之間通過柔性連接器連接，柔性連接器是集成了金屬引線的聚酰亞胺薄膜。兩者通過位于連接部位的剛性夾具固定機構(gòu)實現(xiàn)彼此的電氣與機械連接。傳感器陣列與測溫主單元通過兩組可彈性拉伸的緊固裝置連接，形成貼合于GIS外殼的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。緊固裝置的彈性回復力使整個系統(tǒng)緊密貼合于GIS外殼之上，充分提升測溫的準確性。面對GIS外殼周長由于加工精度或熱脹冷縮等因素而產(chǎn)生的微小變化，緊固裝置的彈性回復力可使測溫系統(tǒng)自動適應該變化。面向各類不同尺寸GIS的應用場景，可通過調(diào)整柔性連接器的長度、增減柔性溫度傳感器的數(shù)量以實現(xiàn)該測溫系統(tǒng)的適用。另外，也可通過測溫傳感器陣列中傳感器的數(shù)量，實現(xiàn)不同位置、不同間距的測溫需求。

2 測溫傳感器工藝及系統(tǒng)制造

2.1 柔性傳感器制造工藝

本文柔性溫度傳感器的制造工藝主要基于銅材料的沉積與刻蝕，工藝流程如圖4所示。

圖4 柔性溫度傳感器制造工藝示意圖

圖4中的具體工藝步驟可詳述如下：

1）本文傳感器選用聚酰亞胺薄膜柔性襯底。聚酰亞胺具有優(yōu)秀的耐熱特性、絕緣性能、導熱性能、機械強度[10-11]，選用其作為襯底可充分保證傳感器的耐熱、導熱、絕緣性能和機械強度。襯底在使用前需要丙酮、異丙醇、蒸餾水先后進行清洗準備。

2）在柔性襯底正面通過基于硫酸銅溶液的電鍍技術(shù)沉積一層12 μm厚的金屬銅，經(jīng)過貼干膜、曝光、顯影、刻蝕、去干膜、清洗等步驟后形成熱電阻銅導線及電極圖形。

3）為保證熱電阻銅導線的絕緣性能，在襯底正反兩面貼合聚酰亞胺薄膜(圖中使用不同顏色表示便于區(qū)分)，并通過光刻技術(shù)進行電極區(qū)域的開孔，便于電極的電氣連接。該絕緣層會降低溫度傳感器的響應速度，但仍然適用于GIS外殼的緩慢溫升過程。

4）為電極安裝復合連接器，位于柔性傳感器背面，可使傳感器通過該接口建立與其他部件的電氣和機械連接。

所加工的柔性傳感器實物如圖5所示。圖5(a)為柔性溫度傳感器的整體照片，其中銅電阻所在的溫度感應區(qū)域較其他區(qū)域略寬，以最大限度增加銅電阻的總長度，提高其靈敏度。安裝時，其正面的銅電阻應朝向GIS外殼。柔性溫度傳感器的兩端較窄的區(qū)域為圖3中的連接部位，通過背面的復合連接器與柔性連接器固定，從而接入測溫系統(tǒng)。傳感器整體長度為110 mm，連接部位寬度20 mm，銅電阻測溫區(qū)域?qū)挾?0 mm，傳感器厚度0.3 mm。針對不同測溫需求，測溫區(qū)域的銅電阻面積可按需進行縮放設(shè)計，通過調(diào)整相應的銅電阻淀積厚度即可實現(xiàn)預期的銅電阻值。銅電阻測溫區(qū)域作為敏感端與GIS外殼貼合測溫，其局部放大后如圖5(b)所示，銅電阻總長3 380 mm，厚度為12 μm，寬度為120 μm，30 ℃下測得的電阻值約為60 Ω。

圖5 柔性溫度傳感器實物照片

2.2 測溫系統(tǒng)制造

測溫主單元實物如圖6(a)所示，其內(nèi)部集成了除柔性溫度傳感器組之外的主要硬件電路，外部留有4個功能接口。其中緊固裝置連接端在主單元左右兩側(cè)，通過此接口主單元與外部的柔性溫度傳感陣列實現(xiàn)機械與電氣連接。其余三個接口分別接用于外部通信的LoRa模塊天線、用于連接外部電源的電源接口和手動投切電源的電源開關(guān)。圖6(b)～(d)為測溫主單元內(nèi)包含的主要電路模塊實物照片。

圖6 測溫系統(tǒng)實物照片

圖6(e)為測溫系統(tǒng)安裝于220 kV單相GIS外殼的照片，此時主單元與兩側(cè)的緊固裝置配合將整個測溫系統(tǒng)固定，并緊密貼合于GIS外殼之上。當主單元采集到傳感器測量的溫度數(shù)據(jù)后，會通過LoRa模塊發(fā)至監(jiān)測主機端。監(jiān)測主機內(nèi)含GIS測溫系統(tǒng)的測量上位機，可對傳感器陣列采集的溫度進行分析、監(jiān)測與報警。

上位機軟件界面如圖7所示，可以完成對多個測溫系統(tǒng)以及各測溫系統(tǒng)中所有柔性傳感器的數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析。通過上方的操作界面可實現(xiàn)特定測溫系統(tǒng)的選擇，而通過左下的圖形操作界面可實現(xiàn)具體傳感器的選擇。行選擇左側(cè)的顯示模塊可以實時顯示繪制傳感器測量溫度變化曲線；右側(cè)的報警模塊可以通過預設(shè)系統(tǒng)的報警溫度對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行判斷，當前傳感器通道所采集的溫度數(shù)據(jù)超過預設(shè)值會進行報警提示。圖7中的上位機可以顯示7路傳感器通道的數(shù)據(jù)，可以通過相關(guān)程序設(shè)置完成測量通道數(shù)量的設(shè)置，使其符合當前的測溫需求。

圖7 測試系統(tǒng)上位機顯示界面

3 柔性溫度傳感器測試結(jié)果與分析

研究表明，GIS母線關(guān)鍵位置的異常溫升故障，僅可在25 ℃室溫時使外殼溫度達到約45 ℃[1]，因此直接將GIS外殼升溫到100 ℃以上完成對傳感器的校準較難實現(xiàn)。本文設(shè)計并加工了一種模擬GIS結(jié)構(gòu)的簡易母線筒，其直徑（376 mm）及外部曲率與220 kV單相GIS母線筒完全相同，并僅設(shè)計并加工了0.5 m長度的母線筒節(jié)段使其更容易加熱至高溫，以完成對柔性傳感器性能測試。圖8(a)為測溫系統(tǒng)安裝于測試校準平臺的示意圖，傳感器均勻安裝于外殼兩側(cè)，左右兩側(cè)傳感器分別編號為S1、S2、S3、S4、S5和S6。圖8(b)展示了測溫系統(tǒng)安裝于溫升實驗平臺實物照片。

圖8 測試系統(tǒng)安裝于溫實驗平臺設(shè)計圖與實物照片

在實際應用環(huán)境中，GIS內(nèi)部不同位置的部件發(fā)熱會在外殼形成不同的溫度分布場，而風速、光照、室溫等外部環(huán)境因素又會進一步加劇其外殼溫度分布的復雜性[12-13]。因此，本文在對傳感器性能進行驗證時，僅測溫系統(tǒng)的一側(cè)設(shè)置熱源，使溫度分布具有梯度效應，模擬GIS實際運行時其溫度分布不均勻的狀況。

圖9展示了陣列內(nèi)各柔性溫度傳感器的電阻值隨溫度變化的規(guī)律，該電阻值由四線制電阻測量法測量而得。實驗中測溫系統(tǒng)安裝在外殼最接近熱源的位置，以探測最大幅度的溫度變化。圖中橫坐標表示傳感器測溫區(qū)域的溫度，范圍為30～150 ℃。該溫度由加溫裝置的自帶傳感器測量所得，為加溫裝置所在位置金屬母線筒外壁的溫度。縱坐標表示傳感器銅電阻的阻值。由于加工工藝的誤差，導致銅電阻沉積厚度有一定偏差，S1-S6的初始電阻值具有一定偏差，在60～65 Ω范圍內(nèi)變化。

圖9 傳感器電阻值隨溫度變化關(guān)系圖

圖9中傳感器阻值隨溫度變化的規(guī)律基本呈線性關(guān)系，與理論相符。然而，在50℃以下的溫度范圍內(nèi)，傳感器的線性度較差，這主要是由于此時感應區(qū)域接近室溫，而熱量在由加熱裝置向測溫傳感器傳遞時，熱損耗較高溫時影響更加明顯。在120 ℃以上的高溫區(qū)域測溫曲線存在波動，這是由于測溫裝置自帶的溫度傳感器只能測量外殼上一個特定點的溫度，而當溫度越高時外殼溫度分布的不均勻性就越明顯，導致測溫裝置的溫度傳感器所測溫度與金屬外殼實際溫度出現(xiàn)偏差。另外，各個溫度傳感器的電阻隨溫度變化率存在偏差，這是由于不同測溫區(qū)域溫度分布的差異性導致的。

針對低溫范圍內(nèi)傳感器線性度差的問題，本文開發(fā)了一種可適應不同熱源的補償算法，通過中高溫區(qū)域的線性變化趨勢對低溫區(qū)域的數(shù)據(jù)進行擬合，并通過實際位置溫度測量進行驗證（將在下節(jié)討論），補償后的測溫結(jié)果如圖10所示，低溫區(qū)域內(nèi)線性度差的問題得到了有效解決。外殼溫度在30 ℃時S1-S6溫度傳感器的初始電阻值位于57～62 Ω的范圍內(nèi)，外殼升溫至150 ℃時，溫度傳感器的電阻值線性變化至78～85 Ω的區(qū)間，此過程中傳感器的靈敏度約為 0.19 Ω/℃。

圖10 補償后傳感器電阻值隨溫度變化關(guān)系圖

針對傳感器測溫區(qū)域內(nèi)溫度分布不均及其影響，本文也進行了測試與驗證。在升溫過程中，使用高精度紅外測溫裝置對柔性溫度傳感器測溫區(qū)域中心與四周的5個測溫點進行了實時溫度測量，測溫點分布如圖11所示，測溫點1設(shè)置于遠離熱源的位置，測溫點5設(shè)置于靠近熱源的位置，測溫點2-4設(shè)置于中間位置。從室溫開始升溫至150 ℃，傳感器測溫點5的升溫速率最快，驗證結(jié)果如圖12所示。從圖中可以得在升溫過程中當傳感器阻值增加約5 Ω時，測溫點5溫度變化最大，約為27 ℃，測溫點1溫度變化最小，約為21 ℃，測溫點2-4的溫度變化接近，約為23 ℃。單一柔性傳感器所覆蓋的區(qū)域內(nèi)可能存在不均勻溫度分布，而傳感器阻值的變化可反映其測溫區(qū)域內(nèi)任何部位溫度的升高，對實際GIS外殼溫升的彌散性和復雜性有很好的針對性。因此，該柔性溫度傳感器可用于監(jiān)測GIS外殼上大范圍的溫度變化，相較于傳統(tǒng)溫度傳感器只能測量特定一點的溫度，柔性溫度傳感器更加適用于監(jiān)控體積巨大、溫度分布狀況復雜的GIS設(shè)備溫升過程。

圖11 柔性溫度傳感器測溫區(qū)域

圖12 傳感器測溫區(qū)域溫度驗證

4 結(jié)束語

本文設(shè)計并制造了一種應用于GIS的無線測溫系統(tǒng)，由柔性銅電阻溫度傳感器陣列構(gòu)成，可對GIS設(shè)備的外殼溫度進行分布式測量。柔性銅電阻溫度傳感器通過將銅電阻沉積于柔性聚酰亞胺襯底之上并刻蝕實現(xiàn)。本文對該測溫系統(tǒng)在GIS母線筒溫升平臺上進行了表征和測試，校準了溫度值與傳感器阻值的關(guān)系，研究了傳感器測溫區(qū)域內(nèi)的溫度分布與變化對傳感器性能的影響。結(jié)果表明，該傳感器可在30 ℃至150 ℃的外殼溫度區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)線性輸出，靈敏度約為0.19 Ω/℃。低溫段具有非線性特性，但可通過補償算法提升其線性度。此外，該測溫系統(tǒng)可覆蓋較大的測溫區(qū)域，更容易發(fā)現(xiàn)GIS外殼溫度異常區(qū)域，適用于GIS此類體積巨大、溫度分布復雜、溫升過程緩慢的設(shè)備。本文的研究結(jié)果對新型GIS的測溫系統(tǒng)的研發(fā)具有理論和實踐意義。未來的研究工作將主要集中于測溫系統(tǒng)的環(huán)境因素補償算法之上。