面向智能输变电设备的传感技术需求与探讨

输变电装备研发中心汇报人：朱峰 目录 01研究院简介02输变电装备智能化需求03技术挑战04工程实践与典型案例05总结与讨论 一、整体情况 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 中国电气装备集团科学技术研究院是中国电气装备集团的一级研发机构，成立于2022年，是集团科技创新工作的战略性引领性力量，为集团的科技战略规划、产业控制力提升、新兴产业孵化等提供支撑保障。定位于战略发展支撑平台、基础共性与重大集成技术研发中心、产业技术孵化中心、研发协同创新中心、人才聚合及培养中心。并奋力成为集团新质生产力的先导者、推动者、创造者，为集团的“新技术策源地、新产品孵化区、新机制试验田、新效益培育者 新机制试验田 新技术策源地 在项自全流程管理体系、考核激励机制技术商业化全过程管理、引人用人机制及内外部资源整合分配机制等体制机制方面进行积极探索。 围绕集团发展定位及战新产业需求，策划未来中长期构成主要竞争优势的领先技术，为集团公司培育原创技术策源地支撑集团产业转型和升级 世界一流科技创新高地 新产品孵化区 新效益培育者 技术实力一流人才团队一流体制机制一流实验能力一流 利用技术推进成熟产品升级换代，打造技术壁垒提高市场占有率：在储能、综合能源、数智化等新业务领域加速成果转化形成以技术实现商业化获得新效益增长的价值实现路径。 建立集渠道网络、人才、资金、专业服务于一体的技术孵化体系和平台，孵化自主技术多元化来源技术和产品，与产业集团、投资公司等协同孵化出一批新兴产业种子，形成规模效应和造血能力。 机构设置 自前，研究院设置有4个管理部门和6个研发中心：立足一级研发功能定位，承拍集团新型储能集成技术与装备输配电装备人工智能、质量可靠性技术3个联合创新中心建设任务，支撑集团在新型储能、人工智能、可靠性机理及质量提升领域的发展：同时根据业务发展布局，与中国西电、许继电气、平高集团、平高电气陆续成立联合创新中心。未来，研究院将以价值为导向，以自标为牵引做好与二级、三级科技创新主体的研发协同与耦合，逐步打造可持续发展的组织架构及运作模式。 三、未来发展 口规划建设集科研办公、基础研究、技术开发、中试验证、测试评价、成果展示与孵化等功能于一体的现代化科研基地。该项目计划2025年10月开工建设，2027年底前竣工投运，目标打造世界一流的创新基地和人才高地预计可引进和培养高层次科研人才500人以上，将有力成为电气装备领域国家战略科技的重要力量。 目录 01研究院简介02输变电装备智能化需求03技术挑战04工程实践与典型案例05总结与讨论 智能化转型的必然趋势 随着新型电力系统的加速构建，输变电装备的角色正从单一的能量传输载体，向集能量传输、状态感知、边缘计算于一体的电网智能节点演变。实现这一转变的基石，在于对设备状态的深度、全息感知。 随着新型电力系统和智能化的需求，对传感器技术提出了更加具体的挑战。 二政策与技术的双重赋能 口国家战略与政策牵引 口前沿技术与产业融合 数学字技术渗透：A/、物联网、云计算技术成熟为海量传感数据的处理与价值挖掘提供了可能 新型电力系统内核：“清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能 料与器件进步：新型敏感材料、MEMS工艺头传感器微型化、低成本化与高可靠性奠定了基础。 装备发展目标：“高端化、智能化、绿色化（三化）与“高效性、可靠性”（两性） 具体路径：《加快电力装备绿色低碳创新发展行动计划》等文件明确要求发展基于状态感知与数字李生的智能输变电装备。 模式变革需求：运维模式从“定期检修向“预测性维护”变革，驱需连续、精准的状态数据作为决策依据。 外部政策与内部技术动能叠加，共同驱动输变电装备进入以“状态透明、决策智能为特征的智能化新阶段。 三、 状态感知由表及里-内置化 口传统监测多依赖于外部参量，对设备内部关键部件的真实运行状态难以真是掌握，监测具有滞后性，无法实现故障的早期预警与精准定位。 电气绝缘状态透视： ·变压器/电抗器：绕组温度、形变与应力、局部放电精准定位与模式识别GIS/GIL：局部放电、盆式绝缘子表面电荷分布、颗粒物运动与危害评估。 机械动力学状态感知 断路器/隔离开关：操动机构行程特性、触头接触压力、振动信号与机械故障关联性。 化学分解与老化评估： 绝缘油/气：微水、绝缘气体、特征气体（H2.C2H等）及其动态变化趋势的快速、在线监测。固体绝缘：绝缘纸（板）聚合度等老化指标的间接或直接感知。 四、信息从“单点”到“全域”一多参量 口单点、孤立的传感器信息价值有限，难以全面反映设备的整体健康状况，更无法支撑数字季生对高保真数据的需求，难以满足现在现在智能运维的输变电装备状态故障反演等需求。 中国电气装备五、集成从“附加”到“原生”-深度耦合 后期改造加装传感器，面临安装困难、破坏主设备绝缘与机械结构、可靠性无法与主设备匹配等问题。 设计前置： 在装备概念设计与研发阶段，将传感器作为标准部件进行一体化布局。 机电深度融合： 结构功能一体化：将传感器嵌入绝缘子、屏蔽罩等结构件中。封装与兼容性：解决传感器与环氧树脂、变压器油、SF6气体等介质的长期兼容性问题 与主设备同寿命 ·传感器的环境适应性（EMC、温湿度、振动）与预期寿命需与主设备（>25年）保持一致，不应成为系统的可靠性短板 六、数据从“监测”到“赋能”-智能化 口“数据洪流”与信息孤岛”并存，大量监测数据未被有效分析，未能转化为直接支持运维决策的“知识” 边缘智能： ·在传感器侧或边缘计算节点实现数据清洗、特征提取与初步诊断，实现本地快速响应，减轻主站负担。 AI驱动的预测与健康管理 ·利用机器学习、深度学习模型，实现对设备剩余寿命预测、故障风险早期预警。 与主设备同寿命： 传感数据作为数字李生体的实时输入，用于模型校准、状态推演与仿真决策，实现运维策略的优化 七、技术需求 口上述需求共同指向了下一代电力专用传感器的发展方向：它不仅是感知器件，更是集成了敏感单元、智能处理、可靠供能与先进封装的微型化智能系统。这也是电气装备对于智能传感的需求。 目录 01研究院简介02输变电装备智能化需求03技术挑战04工程实践与典型案例05总结与讨论 四方面技术挑战 口感知机理局限：关键状态“测不到、测不准” 内部状态感知手段乏：对变压器绕组机械应力、绝缘纸老化程度、开关机械特性等关键参量，缺之直接、在线、高性价比的敏感机理与传感方案。 多物理量交叉扰：强电磁、高温、振动等多物理场耦合环境下，传感器信号易产生漂移与失真，难以提取真实有效的状态信息。 灵敏度与稳定性难以兼顾：为捕捉早期微弱故障信号（如分解物）需要高灵敏度，但高精度的传感器往往稳定性较差，对传感器检测精度提出极高要求 口集成封装与长期可靠性：传感器成为系统“短板 “嵌入式”集成难题：将传感器植入设备内部，面临绝缘性能、机械强度、密封性的“三重考验”，运维单位难以接受，封装工艺复杂，成本高昂。 环境适应性与寿命不匹配：传感器在长期强电磁、高温、化学腐蚀等恶劣工况下，其寿命与稳定性难以与服役周期超过25年的主设备匹配取能瓶颈制约部署：一次设备内部的传感器，有线供电困难且存在安全隐患，电池供电寿命有限，自取能技术功率低、稳定性不足，制约其大规模部署。 ，无源 四方面技术挑战 古系统级应用与价值兑现困境 “数据孤岛”与信息碎片化：供应商数量大，不同厂商、不同类型的传感器数据格式、通信协议不一难以实现跨系统、多参量的协同分析与深度融合，数据价值大打折扣 智能算法与工程验证不足：许多A/诊断算法处于实验室阶段，缺之足量、高质量的现场故障数据训练其在真实、复杂工况下的泛化能力与可靠性有待长期工程验证 安装调试与全生命周期管理成本高：对于存量设备，传感器后期加装的改造风险、施工难度与综合成本高昂，往往需要停电，影响用户采纳意愿 口产业生态与标准化挑战 “卡脖子”风险与成本压力：部分核心芯片、特种材料依赖进口；同时，面向电力刻环境的专用传感器研发投入大、市场规模相对有限，导致产品成本居高不下，制约规模化应用。 技术标准与评估体系缺失：缺之统一的行业技术标准、测试规范与可靠性评估体系，市场准入门槛低，导致产品质量参差不齐，运维单位选型困难，市场信任度难以建立。 跨界协同待加强：电气、微电子、材料、通信、人工智能等领域的融合创新的产业链尚未完全打通 目录 01研究院简介02输变电装备智能化需求03技术挑战04工程实践与典型案例05总结与讨论 工程实践与典型案例 1、长距离复杂工况下GIL故障模拟和智能分析 （1）局放在线监测 研究内容：将围绕GIL设备局放监测，开展：1）基于特高频法与超声波法的监测技术研究：2）典型局放类型的识别算法开发：3）特高频局放监测装置、超声波局放监测装置研制。 研究路线：研制高灵敏度特高频与超声波传感器实现宽频带局放信号采集，设计局放ED解析超声波与特高频数据融合信息，结合气体状态传感器的分解物信息实现局放确认； 布点方案：外置式特高频传感器布置在GIL绝缘盆子浇筑孔处，内置式特高频传感器与超声波传感器应优先布置在GL绝缘盆子、三支柱绝缘子、导体对接处等高风险区域，并避免影响设备密封、强度及电场分布。 工程实践与典型案例 1、长距离复杂工况下GIL故障模拟和智能分析 （2）红外温度在线监测 研究内容：基于红外及可见光融合的非接触式温度传感器，实现对导体和G儿L壳体部件红外温度有效采集监测 研究路线：高灵敏度红外传感器实现高分辨率红外图像与温度信息采集，开发基于绝缘气体吸收的红外辐射能量损失算法实现内部导体温度反演，设计外部通信接口实现图像信息与温度信息矩阵输出。 布点方案：外置监测部分安装在GIL固定支架处，测量对向GIL法兰接缝、筒体的温度情况：内置部分通过法兰工装放置在预设安装点，监测GIL触头连接处。 该安装工装包含内法兰和外壳法兰工装，实现密封安装。 该模组包含功能电路板、光源补偿板和外壳工装，实现对GIL内部接线端子、固定连接、滑动连接温度状态的在线监测 工程实践与典型案例 1、长距离复杂工况下GIL故障模拟和智能分析 （3）SF6气体组分传感在线监测 研究内容：SF6气体状态多参量监测装置，实现对SF6气体中HS、SO，等分解物浓度、微水、压力、温度状态在线监测研究路线：研制基于化学吸附法的半导体气体分解物传感器，组建负载多种气敏材料的传感阵列，采用差分采样电路开发基于机器膜觉的混合气体交叉敏感识别算法，实现对SF6气体中SO2、H2S等分解物成分的浓度监测。 布点方案：每30m在GIL管道上增设补气口，传感器用G1/2接口固定在补气口处，通过与腔体内气体交换实现成分的识别。传感器未端链接五线制密闭航插端子，采用12VDC供电，RS485信号输出。 安装位置示例 工程实践与典型案例 1、长距离复杂工况下GIL故障模拟和智能分析 （4）糯滑形变监测 研究内容：围绕GIL滑形变开展基于激光位移传感器的形变监测技术研究与系统研制，验证传感器布点方案的合理性与有效性。 研究路线：研制激光位移传感器实现高分辨率GIL位移监测，开发基于蠕滑形变的激光阵列位移算法实现GIL偏心与拉伸程度拟合，实现伸缩+弯曲+支座滑移分段形变量监测并进行有效性验证 布点方案：在横向GIL伸缩节或纵向GIL筒体固定法兰处每隔120°安装1个激光位移传感器，监测的GIL水平段轴向位移与竖直段主轴径向偏心。 工程实践与典型案例 2、C4F7N分解物检测光纤FP传感器 针对传感器可植入电力设备的检测应用需求，优化设计并制备了基于游标效应的光纤法珀传感器和融合法珀结构的SCNS传感器两种光纤结构的气体传感器 透射谱：气体浓度传感（多模干涉）反射谱：气压传感（FP结构）实现不同参量的同时传感 多模干涉自影像效应 工程实践与典型案例 2、C4F7N分解物检测光纤FP传感器 对