用于变电设备状态感知的SF6气体传感器及传感方法与流程

本发明涉及电力设备绝缘气体探测，涉及一种用于变电设备状态感知的sf6气体传感器及传感方法。

背景技术：

1、六氟化硫(sf6)气体具有优异的绝缘性能和灭弧特性，目前被广泛应用与高压电气设备领域，如气体绝缘开关设备(gis)、气体断路器和隔离开关等。由于电气设备的制造和安装存在一定的差异，以及长时间运行以后会出现产品材料老化等现象，电气设备系统中sf6气体泄漏是普遍存在的问题。

2、sf6气体的泄漏会降低电气设备的绝缘强度和灭弧能力，对电力系统的安全运行和电力系统稳定和可靠性造成严中威胁，严重影响设备的安全运行。此外，sf6气体具有强大的温室效应，其单分子温室效应是二氧化碳的23900多倍，在大气中的寿命约为3400年，泄漏到大气中会造成严中的环境污染。因此，对电气设备中sf6气体泄漏的检测具有非常重要的意义。

3、目前，电气设备中sf6气体的检测主要包括传统的液体表面张力法、压力下降法、紫外电离检测法、电子捕获检测法、负离子捕获检测法、激光光声光谱法及红外成像法等，虽然这些sf6气体检测技术在一定的范围内都能实现对sf6气体的检测，但是这技术也都存在明显的局限性。

4、如传统的液体表面张力法和压力下降法，检测灵敏度低，仅适合大量sf6气体泄漏的场景；紫外电离检测法、电子捕获检测法、负离子捕获检测法等技术存在使用寿命短、误报警率高、环境适应性差等问题；激光光声光谱法和红外成像法面临着高成本、复杂的光源和电路设计的挑战，限制了应用。因此，亟需开发出高灵敏度、检测速度快、使用寿命长、环境适应性强，经济实惠且能够实现在线检测sf6气体的方案。

5、现有技术文件(cn106872564b)提供了一种sf6气体传感器，传感器包括直流电源和电极，电极由对应设置的平板电极和硅尖阵列电极组成，其间设有绝缘膜。该气体传感器采用平行板结构，在反复放电的情况下，抗氧化性能较低，电源电流不稳定，影响使用寿命，同时，其采用复杂的光刻、刻蚀工艺，成本高，硅针尖阵列脆弱，安装调试过程中针尖易破碎，安全性能较低。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于变电设备状态感知的sf6气体传感器及传感方法，采用负电晕放电原理和多针尖-球放电结构，使用碳薄膜针尖阵列负极取代传统的单针放电电极，有效的降低了单个针尖电极的放电电流，提高了检测的灵敏度与速度，也可以有效避免传统单针尖电极经过长时间放电发生氧化现象，提高了传感器的性能和寿命，且经济实惠且能够实现在线检测。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明的第一方面提供了一种用于变电设备状态感知的sf6气体传感器，包括第一中空金属圆球、第二中空金属圆球以及直流电源；

4、第一中空金属圆球嵌套在第二中空金属圆球内部；第一中空金属圆球、第二中空金属圆球分别与直流电源的正极、负极连接；

5、第一中空金属圆球的内表面均匀覆盖碳薄膜并均匀布设小孔阵列，且第一中空金属圆球一处开口并与绝缘进气管相连接；

6、第二中空金属圆球内表面均匀覆盖碳薄膜并均匀布设有碳薄膜针尖，形成碳薄膜针尖阵列；第二中空金属圆球一处开口并与排气绝缘管相连接，与开口相对的另一处留有供绝缘进气管经过的圆孔。

7、优选地，所述小孔阵列的小孔为圆形，且直径为0.5-5mm，通过激光打孔或者机械打孔得到。

8、优选地，所述碳薄膜针尖为碳纳米管薄膜针尖或无定型碳薄膜针尖。

9、优选地，所述碳纳米管薄膜针尖或无定型碳薄膜针尖为等腰三角形的几何结构，顶角为3-20度，两等腰边长为0.5-5mm，薄膜的厚度为0.05-1.0mm。

10、优选地，所述碳纳米管薄膜针尖或无定型碳薄膜针尖通过导电胶带或者导电银浆固定。

11、优选地，所述第一中空金属圆球外表面均匀覆盖碳薄膜，覆碳薄膜的厚度为0.1-2.0微米，金属圆球的直径为4-20mm。

12、优选地，所述第一中空金属圆球、第二中空金属圆球的材质为普通金属，厚度为0.5-5mm。

13、优选地，所述第二中空金属圆球内表面所覆碳薄膜的厚度为0.1-2.0微米。

14、优选地，所述绝缘进气管、排气绝缘管的材质均为绝缘材质，且直径为2-8mm。

15、本发明的第二方面提供了一种用于变电设备状态感知的sf6气体传感方法，包括：

16、1)采集变电设备状态感知现场的sf6气体传感需求；

17、2)制备第一中空金属圆球：在金属材质表面构造均匀分布的小孔后构造金属中空金属圆球，并在其外表面没有小孔分布的区域均匀覆盖碳薄膜；同时在圆球一处留有圆孔，该圆孔的直径与对应的绝缘进气管直径匹配，其中绝缘进气管外表面标有刻度；

18、3)制备第二中空金属圆球：在第一中空金属圆球外部采用金属材质构造金属中空金属圆球，使第一中空金属圆球嵌套在其内部，并在其内表面均匀覆盖碳薄膜后进行清洗，且圆球一处留有圆孔，该圆孔的直径与排气绝缘管匹配，圆球上与该圆孔相对的另一处也留有圆孔，圆孔的直径与绝缘进气管直径匹配；

19、4)选择碳纳米管薄膜或者无定型碳薄膜，使用激光切割成多个碳薄膜针尖，形成碳薄膜针尖阵列，并固定在步骤3)中清洗好的第二中空金属圆球内表面；

20、5)选择绝缘材料的绝缘进气管、排气绝缘管分别与第一中空金属圆球、第二中空金属圆球预留的对应圆孔连接；

21、6)通过绝缘进气管外表面的刻度，调试第一中空金属圆球、第二中空金属圆球间距并封装，再通过外部导线分别将第一中空金属圆球、第二中空金属圆球与直流电源的正极、负极相连接，构成电晕放电的sf6气体传感器；

22、7)上电运行电晕放电的sf6气体传感器，进行变电设备状态感知现场的sf6气体传感。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

24、本发明采用负电晕放电原理和多针尖-球放电结构，使用第二中空金属圆球的碳薄膜针尖阵列取代传统的单极金属针尖电极，使用碳薄膜修饰第一中空金属圆球的外表面，本发明结构可有效提高气流流通性以及电场稳定性，碳薄膜材质有效避免了传统金属电极在高压状态下容易被空气氧化，传感器灵敏度和性能下降，传感器寿命和稳定性低等缺点，使用碳薄膜针尖阵列有效的降低了每个针尖的电晕放电电流，降低了针球之间的距离，增大了sf6气体与碳薄膜针尖的接触面积，降低了发生电晕放电所需要的电压，提高了传感器的灵敏度，增加了放电区域，延缓了电极老化的过程，有效的延长了传感器的使用寿命。本发明碳纳米管薄膜针尖或无定型碳薄膜针尖的结构可进一步稳定电场，增强导电性。

25、本发明首先意识到性能变化的问题，分析找到了性能变劣的原因，将传统的金属材质的单针电极改用碳薄膜材质阵列，可以有效避免传统金属单针电极的缺点，延长传感器的使用寿命；更进一步地，给出碳纳米管薄膜或者无定形碳薄膜优先结构进一步提高了电场稳定性。

26、本发明使用碳纳米薄膜针尖阵列，在反复放电的情况下，抗氧化性能卓越，确保电源电流稳定，延长使用寿命；本发明使用激光切割碳纳米针尖阵列，与复杂的光刻、刻蚀工艺相比，具有明显的低成本优势；本发明使用碳纳米针尖阵列与脆弱的硅针尖阵列相比，具有一定的柔韧性，安装调试过程中针尖不易破碎，安全性能较高。

27、本发明采用的球形结构内部电场稳定性较高，器件工作状态稳定，更有利于检测气流的稳定，探测效果更稳定。

28、本发明sf6气体传感方法，根据现场需求制造sf6气体传感器，将调制和现场需求进行耦合，实现更加符合变电设备状态感知现场需求的sf6气体传感。