2024年柔性传感器在电网中的应用及发展趋势报告

陈川 中国电力科学研究院 2024年8月15日 目录 01传感技术应用现状 02柔性传感器典型应用 03柔性传感技术发展趋势 DARTONE传感技术应用现状 应用现状及现存问题 传感技术应用现状 数字化、智能化技术深入融合电网生产运行与管理运营过程是数智化坚强电网的重要环节 基础条件是实现电网全环节全链条全要素灵敏感知和实时洞悉，要求电力传感器可靠性和智能化程度进一步提升，更大规模应用。 自前输变电领域已广泛应用各类传感器，如变压器油温、油位、油溶气体、铁芯接地电流；GIS特高频、超声局放、伸缩节开关柜超声-TEV局放：换流阀红外-可见光双目摄像机；电缆互层接地电流、高频局放、光纤测温；输电线路可见光摄像机、金具温度等。 新兴的声纹、光纤局放、套管气体-油压-温度等传感器也正在开展试点或初步推广。 传感技术应用现状 但目前传感器准确性、时效性、智能化、可靠性、适应性及成本均与设备管理需求有很大差距需提升已有传感技术的长期可靠应用能力，并针对电力场景特征需求研发新材料、新技术，开展原创性引领性科技攻关，实现关键核心技术突破，提升技术源头供给能力。 电缆测温光纤传感器，延外壳安装，数据主要测试环境温度，无法反应电缆运行信息。 变压器油色谱检测周期至少半小时，而近期的换流变事故从工频录波看仅40mS。 特高频、高频传感器受外界干扰、串扰影响大，数据分析能力有待提升。 传感器普遍存在长期可靠性不足，成本高难以规模推广等问题 传感技术应用现状 传感技术应用现状 DARTTMO柔性传感器典型应用 02应用现状及现存问题 1.柔性广域声传感器 材料优化：制备高性能压电功能材料Bi3.92（K0.04Ce0.04）Ti2.86Wo14O12.调控柔性声振功能材料三维修饰压电功能填充相、导电相、偶联剂材料成分及其配比，优化异性材料结合界面，提高材料力学、电学性能，实现衬底材料与压电填充材料高性能复合，优化柔性耐高温声振传感材料性能。 对压电相进行三维结构修饰后有效提高了制备器件的灵敏度 1.柔性广域声传感器 器件设计：基于高压静电纺丝技术，形成连续的薄膜实现大覆盖面积器件制备，制备出“耐高温+柔性”相兼顾的高灵敏度声振功能材料，满足了复杂结构设备异形曲面贴敷要求。通过聚酰亚胺中加入足量导电碳纳米管制备导电复合材料作为器件封装，实现外部环境电磁干扰屏蔽 可实现柔性大面积覆盖，有效提高器件灵敏度， 1.柔性广域声传感器 现场应用：已在宁夏沙坡头750kV变电站开展试点应用工作，已在变压器、GIS等设备的典型部位完成柔性传感装置安装工作。 1.柔性广域声传感器 高准确：具有良好的柔性，可与GS等曲面充分贴合，耦合更多信息，提升检测灵度频带覆盖可听声及超声频带，可获得更好的检测能力 低成本：柔性传感材料耐跌落，而传统压电陶瓷材料跌落后灵敏度大幅降低高适应：厚度为mm级，可应用于换流阀电容器等狭小空间。 2.柔性高频电流传感器 配方升级：通过设计磁性离子占位分布，调整分子磁矩的方式，大幅增加核心传感材料单位截面积的磁导率，从而提升传感器灵敏度。 截面积1cm2 实现小体积和极小尺寸应用达到传输阻抗10mV/mA，超过Q/GDW11304.5要求 2.柔性高频电流传感器 工艺优化：采用流延工艺替代模压成型工艺，无需模具，调控材料显微结构演化过程中动力和阻力，可制造任意尺寸，柔韧性高，180°折弯2000次以上，性能衰减不超过1%； 实现极致的低成本、天尺寸、小质量应用 2.柔性高频电流传感器 时效性高：监测变压器所有出线及接地线，可以秒级甚至分钟级提前发现电弧放电，及时发现缺陷，避免重大事故发生 适应性好：质量轻，应用于大口径电缆本体的在线监测，不会给电缆应力，防止缓冲层烧蚀等问题；体积小，可安装于配电变压器套管等狭小部位； 成本低：对于套管、电缆等大口径设备可大幅降低应用成本，从万元级别降低至干元级别。 柔性传感器结构示意图 2.柔性高频电流传感器 体积小、成本低、灵敏度高，全场景适用，可规模推广 口输电领域 口变电领域 实现套管本体及变压器所有进出线监测形式的电弧放电提前预警，避免爆燃。 实现电缆综合监测 结合缺陷诊断方法，提升直流电缆劣化水平监测。 口直流及储能领域 口整体高频电流检测技术 实现电力设备所有进出线监测，根据电流流向、幅值等信息有效区分串扰，提升缺陷诊断定位能力。 实现换流阀每个IGBT芯片或晶闸管单体及储能电池每个单体电池监测 提出单体电池预警方案，提升系统可靠性。 3.柔性传感器存在问题 由于柔性传感器的核心功能材料、封装材料及传感器形式均较传统传感器有较大差异需要制定新的标准和规范指导研发及应用；柔性传感器处于新兴阶段，其长期可靠性、耐候性等需要通过应用验证，继续改进升级由于柔性传感器的检测频带更宽、灵敏度更高，可在更深、更广的层次实现设备状态监测，需要进一步研究测试结果与设备状态之间的关联度，探索新的设备状态评价方法；目前柔性传感器的类型仍较少，且仅在部分厂站开展试点应用工作，需进一步加强验证实现规模化应用。 DARTTHREE柔性传感技术发展趋势 03柔性传感技术未来应用场景及发展趋势 柔性传感器未来应用场景 1.面向设备运行管理 主要面向输变配用电各类装备，感知各类状态参量，提供有效数据，指导设备的运行状态评价： 利用柔性传感器的表面贴合度好、体积小、质量轻、灵敏度高、频带宽等特点，提升感知的深度和广度。 2.面向人员安全作业 ·针对高空带电作业、配电带电作业和不带电施工作业等电力特殊作业场景，针对作业过程中施工人员体征状态特征参数，提前预警，保障作业人员安全。 解决自前的体征监测研究仅停留在静态人体体征分析，缺之运动过程中体征分析的难题。 柔性传感器未来应用场景 初步探索 广泛应用 全面融合 实现部分典型柔性传感器的功能验证和规模应用。·主要挑战包括灵敏度、稳定性、线性度、可靠性、耐候性等方面的提升;·核心是优化传感器材料、结构设计以及制造工艺。 实现柔性传感器与设备外壳甚至绝缘介质的全面融合。·主要挑战是新材料和新原理的突破。不仅限于物理上的结合，更包括功能上的互补和协同，如兼具绝缘、支撑、感知等功能。成为设备的“骨骼”和“皮肤”。 实现内置式、表贴式声、光、热、磁、电、分解产物等的柔性传感器广泛应用。·主要挑战是新材料和新机理的突破。多场景的适配应用。·核心是适应适各类复杂的电力设备状态监测和安全作业应用场景。 THANKYOU