2024年柔性传感器在电网中的应用及发展趋势报告

数智赋能新质生产力·助力新型电力系统建设2024年电力信息通信EPIC 新技术大会 柔性传感器在电网中的应用 及发展趋势 陈川 中国电力科学研究院 2024年8月15日 CO目录ITSEPICT 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 EPICT DARTONE 01 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 2024年电力信息通信新技术大会EPIC 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 2024年电力信息通信新技术大会EPICT 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 准确性精准感知缺陷可靠性长期可靠应用 时效性及早发现缺陷适应性多场景适配智能化合理判断缺陷低成本可规模化应用 传感技术应用现状 2024年电力信息通信新技术大会EPICT 准确性 提升灵敏度 提升核心材料、器件灵敏度 ，对曲面介质，延表面贴敷，耦合更多信号 油溶气体实现原位测量，避免取油、脱气误差 时效性 减少影响环节超声信号实现内部测量，避免外壳衰减 电缆测温，直接内置于缓冲层 测量更早期电弧放电的高频电流检测特征信号 减少检测环节?油溶气体免脱气直接检测 柔性化、小型化、内置化、融合化 传感技术应用现状 2024年电力信息通信新技术大会EPIC 可靠性 成本 适应性 强化可靠封装提升耐环境、电磁场、振动等的能力提升校准频次和作用 避免选用刚性易损传感材料 材料及器件的低成本化 更多选用高分子等低成本材料 安装应用简便尽量无源、无线易安装部署方式 满足狭小空间需求 满足机器人搭载需求 柔性化、小型化、内置化、融合化 EPICT DARTTMO 02 柔性传感器典型应用 应用现状及现存问题 1.柔性广域声传感器 2024年电力信息通信新技术大会EPIC 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。 柔性复合压电传感器的SEM照片柔性声振功能材料压电性能模拟不同比例压电相电压输出 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 2024年电力信息通信新技术大会EPIC 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 传统超声传感器柔性传感器 电磁屏蔽层 电极层 声振功能材料层耐高温柔性衬底层电极层 聚酰亚胺-CNTs电磁屏蔽柔性器件结构电磁屏蔽层 导电聚合物 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 2024年电力信息通信新技术大会EPIC 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。 冲电装信 柔性压电超声传感器 Paftialdischa (b 声传感信号 !！高频电磁干扰GIS结构传播空气传播超 超声信号声信号 变压器局部放电检测GIS局部放电检测电缆局部放电检测 1.柔性广域声传感器 2024年电力信息通信新技术大会EPIC 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。 设备类型变压器GIS开关柜电缆中间接头/终端 检测项目局放异常振动局放局放局放 设备壳体为曲面，传 开关柜内部器件布置 对传感器灵敏度要60 传感器检测效果受变 感器接触不紧密；高 紧，通过柜体缝隙 求高，人工巡检检50 检测，无法准备定位 应用痛点压器振动影响较大；空作业、安装部署复测周期长、电缆终 异形部位安装困难。杂、部分检测空间小端绝缘故障发展速 (P) 40 灵敏度 难以全覆盖检测。到具体故障点。度快。跌落前 降低成本，实现大范对变压器外壳或异形围覆盖在线监测，在 以“壁布”形式预敷 20 做成柔性传感贴在10 跌落后 柔性传感器设在开关柜外壳内表 电缆终端表面，实 os100 150200 优势 结构连接管件紧密贴 合，便于安装。 GIS（开关）设备超 声局放关键部位大面 面置，，准确定位放电位 现接触式在线监测 频率（kHz） 积安装。传统超声传感器跌落后灵敏度显著降低 2024年电力信息通信新技术大会EPI 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。 截面积厚度 1cm21mm 传统磁芯柔性传感材料传感材料微观结构 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 2024年电力信息通信新技术大会 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%； 模压成型，需模具，固定尺寸流延成型，无需模具，可任意尺寸传感材料极佳柔韧性 实现极致的低成本、天尺寸、小质量应用 2024年电力信息通信新技术大会EPIC 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。 导线线圈卡扣定位槽口与标识 封装材料123455 便捷 安装柔性传感材料 卡扣 封装材料 输出接口 柔性传感器结构示意图柔性传感器及现场应用 2024年电力信息通信新技术大会EPIC 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 口变电领域口输电领域 实现套管本体及变压器所有进出线监测实现电缆综合监测 形式的电弧放电提前预警，避免爆燃。 结合缺陷诊断方法，提升直流电缆劣化水 平监测。 口整体高频电流检测技术口直流及储能领域 实现电力设备所有进出线监测，根据电实现换流阀每个IGBT芯片或晶闸管单体及 流流向、幅值等信息有效区分串扰，提储能电池每个单体电池监测 升缺陷诊断定位能力。提出单体电池预警方案，提升系统可靠性。 2024年电力信息通信新技术大会EPIC1 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。 标准建设可靠应用指导设备运维规模推广 EPICT DARTTHREE 03 柔性传感技术发展趋势 柔性传感技术未来应用场景及发展趋势 2024年电力信息通信新技术大会EPIC1 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。 2024年电力信息通信新技术大会EPICT 柔性传感器未来应用场景 初步探索广泛应用全面融合 实现部分典型柔性实现内置式、表贴式实现柔性传感器与设备传感器的功能验证和声、光、热、磁、电、外壳甚至绝缘介质的全面规模应用。分解产物等的柔性传感融合。 ·主要挑战包括灵敏 器广泛应用。 ·主要挑战是新材料和新 度、稳定性、线性度、·主要挑战是新材料和原理的突破。不仅限于物 可靠性、耐候性等方新机理的突破。多场景理上的结合，更包括功能 面的提升;的适配应用。上的互补和协同，如兼具 ·核心是优化传感器 ·核心是适应适各类复绝缘、支撑、感知等功能。 材料、结构设计以及杂的电力设备状态监测 制造工艺。和安全作业应用场景。 成为设备的“骨骼”和 “皮肤”。 数智赋能新质生产力·助力新型电力系统建设 2024年电力信息通信EPICT 新技术大会 THANKYOU