CN108956700B - 用于检测sf6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于检测SF6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器，包括传感器基底，传感器基底上表面为电流感应薄膜，用于输出传感器响应电流，传感器基底下表面为粘合材料层，用于固定传感器基底，电流感应薄膜上设置有气敏探针阵列，气敏探针阵列外部涂覆有无定型氟聚合物层，其中，传感器基底采用聚四氟乙烯或者液态硅胶材料制成，电流感应薄膜采用金属材料制成，通过屏蔽电缆输出响应电流，粘合材料层为低渗透性的聚丙烯薄膜，气敏探针阵列材料为对氟原子敏感的叶绿素，气敏探针阵列利用等离子体化学气相沉积法制备而成，本发明解决了现有技术中缺乏能够精确检测环境友好型SF6替代气体分解组分的设备的问题。

Description

用于检测SF6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器
技术领域
本发明属于高压电气设备故障诊断和运行状态监测技术领域，具体涉及一种用于检测SF6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器。
背景技术
寻找新型SF6替代气体以削减SF6的使用可以有效应对全球气候变暖、保证电力从业者的健康，具有极大的环境效益和社会效益。
目前主要研究的SF6替代气体可以分为以下四种：常规气体(N2、Air、 CO2等)、SF6混合气体(SF6+N2、SF6+CF4、SF6+O2等)、强电负性气体(CF3I、 c-C4F8、C3F8等)及其混合气体、新型人工合成环保气体(C4F7N和C5F10O) 及其混合气体等。对于常规气体，日立公司和AE电力公司开展了大量的实验研究，结果表明：干燥空气在针-板电极下的局部放电起始电压大于N2； 0.5MPa Air的绝缘击穿特性优于N2、CO2，与80％N2+20％O2混合气体的绝缘效果相当。在SF6混合气体中，SF6+N2和SF6+CF4具有较为突出的绝缘性能。德国西门子公司率先采用SF6+N2混合气体作为气体绝缘金属封闭输电线路的绝缘介质，于2001年投入应用。在强电负性气体及其混合气体研究中，CF3I以其接近CO2的GWP值及优于SF6的绝缘强度，受到人们关注。重庆大学开展的实验研究表明，0.3MPa 30％CF3I+70％N2混合气体可以作为绝缘介质应用于中压电气设备中。值得注意的是，3M公司推出的C5F10O和 C4F7N气体具有很好的绝缘能力，自身GWP值很低且无毒，通常与CO2、 Air或O2等背景气体混合来降低液化温度，替代SF6作为绝缘介质的潜力远远超过其余气体。阿尔斯通和ABB公司分别采用C4F7N+CO2和C5F10O+Air混合气体开发了145kV GIS样机，绝缘强度接近SF6水平。
但是，C5F10O、C4F7N等环境友好型SF6替代气体分解组分仍然未知，其对绝缘特性的影响也无完整结论。因此，如何得到一种能够精确检测环境友好型SF6替代气体分解组分的微型传感器，从而应用于高压电力设备故障诊断，仍然是现有技术亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于检测SF6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器，解决了现有技术中缺乏能够精确检测环境友好型SF6替代气体分解组分的设备的问题。
本发明所采用的技术方案是，用于检测SF6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器，其特征在于，包括传感器基底，传感器基底上表面为电流感应薄膜，用于输出传感器响应电流，传感器基底下表面为粘合材料层，用于固定传感器基底，电流感应薄膜上设置有气敏探针阵列，气敏探针阵列外部涂覆有无定型氟聚合物层。
本发明的特点还在于，
传感器基底采用聚四氟乙烯或者液态硅胶材料制成。
电流感应薄膜采用金属材料制成，通过屏蔽电缆输出响应电流。
粘合材料层为低渗透性的聚丙烯薄膜。
气敏探针阵列材料为对氟原子敏感的叶绿素，气敏探针阵列利用等离子体化学气相沉积法制备而成。
气敏探针阵列的探针长度为亚微米级。
本发明的有益效果是，用于检测SF6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器，该传感器利用对氟原子敏感的气敏探针阵列材料检测环境友好型SF6替代气体分解产物的含量，适用于气体含量在线监测；采用叶绿素作为气敏探针阵列材料，通过产生微弱电信号以反映环境友好型SF6替代气体分解产物的含量，灵敏度高、选择性好、降低实际操作难度；采用无定型氟聚合物作为气敏探针阵列材料涂层，提高传感器使用寿命，避免气体大分子对检测结果的干扰；环境友好型SF6替代气体包括但不限于C5F10O、C4F7N、CF3I、 C3F8等，以及上述气体分别与CO2、干燥空气、O2等背景气体的混合物；本发明能有效识别气体、检测气体含量，体积小、操作简单、便于安装，不影响电力设备正常工作，可应用于高压电力设备故障诊断和状态监测。
附图说明
图1是本发明用于检测SF6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器的平面结构侧视图；
图2是本发明中的亚微米级薄膜传感器响应电流与待测气体含量之间的关系；
图3是本发明中的气敏探针阵列的长度、传感器响应电流、待测气体类型之间的关系。
图中，1.传感器基底，2.电流感应薄膜，3.粘合材料层，4.气敏探针阵列， 5.无定型氟聚合物层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明用于检测SF6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器，结构图如图1所示，包括传感器基底1，传感器基底1上表面为电流感应薄膜2，用于输出传感器响应电流，传感器基底1下表面为粘合材料层3，用于固定传感器基底1，电流感应薄膜2上设置有气敏探针阵列4，气敏探针阵列4外部涂覆有无定型氟聚合物层5。
传感器基底1采用聚四氟乙烯或者液态硅胶材料制成。
电流感应薄膜2采用金属材料制成，通过屏蔽电缆输出响应电流。
粘合材料层3为低渗透性的聚丙烯薄膜。
气敏探针阵列4材料为对氟原子敏感的叶绿素，气敏探针阵列4利用等离子体化学气相沉积法制备而成。
气敏探针阵列4的探针长度为亚微米级。
本发明用于检测SF6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器，检测对象环境友好型SF6替代气体包括但不限于C5F10O、C4F7N、CF3I、C3F8等，以及上述气体分别与CO2、干燥空气、O2等背景气体的混合物。所述环境友好型SF6替代气体分解产物均含氟原子。
本发明用于检测SF6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器中，传感器基底1采用延展性好、绝缘强度高的材料制成，如聚四氟乙烯、液态硅胶等；电流感应薄膜2是由延展性好的金属材料制成，使得传感器具有较好的柔韧性，一方面可以通过适当形变以适应电力设备的复杂构型，从而检测环境友好型SF6替代气体分解产物在不同空间的含量；另一方面使得适当形变的传感器不会影响气敏探针阵列和电流感应薄膜的正常工作，从而具有较高的使用寿命。气敏探针阵列4材料为对氟原子敏感的叶绿素，叶绿素对氟原子含量的变化比较敏感，产生的微弱电信号可用于反映所述环境友好型SF6替代气体分解产物的含量。氟原子与叶绿素中的如镁离子发生化学反应，形成去镁叶绿素，在上述反应过程中镁离子通过电子的得失产生微弱电信号，可用于反映所述环境友好型SF6替代气体分解产物的含量。无定型氟聚合物层5 具有稳定的化学性质，可以避免气敏探针阵列4被腐蚀；无定型氟聚合物层 5还具有良好的筛选性，可以避免环境友好型SF6替代气体大分子对检测结果的干扰。因此本发明将无定型氟聚合物作为气敏探针阵列的本发明采用渗透性低的聚丙烯薄膜作为粘合材料，一方面保证传感器在长期工作中不会从设备上脱落，另一方面粘合材料分子不会渗透进入电流感应薄膜和气敏探针阵列，保证传感器的敏感度和准确性。
本发明用于检测SF6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器，响应电流为nA级。图2所示为本发明中的亚微米级薄膜传感器响应电流与待测气体含量之间的关系。从图2中可见，在实际应用中，随着气体含量的增加，响应电流与气体含量呈正相关线性关系。从图2还可以看出，本发明中的亚微米级薄膜传感器对于CF3、CF4、CN、CF2等环境友好型SF6替代气体分解产物具有不同的电流响应特性，据此可检测待测气体含量，并识别气体种类。
不仅于此，本发明所公开的亚微米级薄膜传感器还可以进行混合气体的测量。图3所示为本发明中的气敏探针阵列的长度、传感器响应电流、待测气体类型之间的关系，从图3可以看出，不同被测气体类型与气敏探针长度、传感器响应电流之间的特征曲线具有明显差异，据此选用多个具有不同长度和密度的探针的气敏探针阵列的传感器组成传感器阵列，气敏探针阵列可以同时对混合气体进行检测，用于区分气体种类。
本发明用于检测SF6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器，采用对氟原子敏感的气敏探针阵列，提高了传感器选择性，降低了交叉敏感度；其次由于本发明将稳定性高、筛选性好的无定型氟聚合物作为气敏探针阵列的涂层，进一步提高了传感器的灵敏度和精确度，同时使得传感器的寿命大幅度提高；再次，本发明通过测量电流感应薄膜上的传感器响应电流，进而反映待测气体的含量。这样一来，当气敏探针检测到环境友好型SF6替代气体分解产物时，传感器产生响应电流，通过测量电流感应薄膜上响应电流的大小可以获得待测气体的含量。

Claims (3)

1.用于检测SF6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器，其特征在于，包括传感器基底(1)，传感器基底(1)上表面为电流感应薄膜(2)，用于输出传感器响应电流，所述传感器基底(1)下表面为粘合材料层(3)，用于固定传感器基底(1)，电流感应薄膜(2)上设置有气敏探针阵列(4)，气敏探针阵列(4)外部涂覆有无定型氟聚合物层(5)；
所述粘合材料层(3)为低渗透性的聚丙烯薄膜；
所述气敏探针阵列(4)材料为对氟原子敏感的叶绿素，气敏探针阵列(4)利用等离子体化学气相沉积法制备而成；
所述气敏探针阵列(4)的探针长度为亚微米级。
2.根据权利要求1所述的用于检测SF6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器，其特征在于，所述传感器基底(1)采用聚四氟乙烯或者液态硅胶材料制成。
3.根据权利要求1所述的用于检测SF6替代气体分解产物的亚微米薄膜传感器，其特征在于，所述电流感应薄膜(2)采用金属材料制成，通过屏蔽电缆输出响应电流。
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