一种用于电力变压器绝缘状态监测的湿度传感系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电力变压器绝缘状态监测的湿度传感系统，包括变压器油箱、油气分离膜、渗透气体引出室、湿度传感元件、电容-电压转换电路、ATmega 128微处理器、HC-12无线通讯模块、声光报警器。所述湿度传感元件采用纳米氧化锌修饰氧化石墨烯复合膜作为湿敏传感薄膜，制备在具有回形叉指电极的陶瓷衬底上。该系统将变压器油中渗透气体经油气分离膜过滤后导入引出室，将湿度传感元件置于变压器油中渗透气体的引出室中，通过检测湿敏薄膜的电容变化实现变压器油环境的湿度检测，具有数据采集、存储、显示，声光报警功能，将监测数据传送给上位机及无线远程通讯。该设备根据相应的湿度变化判断电力变压器绝缘状态及做出预警，具有抗电磁干扰、高灵敏度、稳定可靠等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种湿度传感系统及其制作方法，具体涉及一种用于电力变压器绝缘状态监测的纳米氧化锌修饰氧化石墨烯薄膜电容型湿度传感系统。
技术介绍
大型电力变压器作为电力系统的枢纽设备，其安全运行对保障电力系统安全稳定显得尤为重要，一旦变压器发生故障，将给国民经济造成巨大的损失。电力变压器绝缘状态监测在智能电网建设中备受重视。我国各发电厂和变电站中使用的电力变压器90％为油浸式变压器，该类变压器的绝缘系统以绝缘油和绝缘纸为主，在长期运行中其湿度的变化会导致绝缘性能严重劣化，引发电力设备故障甚至发生爆炸。因此，电力变压器绝缘油环境的湿度监测是诊断电力变压器故障、预防灾难性事故发生较为有效的重要手段和决策依据，对于电网稳定安全运行、提高设备利用率和降低设备检修费用至关重要。湿度传感器的湿敏元件主要有电阻式和电容式两大类，而电容式湿度传感器是目前商业化最为成功的一类湿度传感器，由于其具有灵敏度高、功耗低、成本低等优点。随着MEMS加工技术的不断成熟，用MEMS工艺加工的湿度传感器具有体积小、成本低、功耗低、易于批量生产等优点，因此非常适合小型化、低功耗湿度传感器。湿敏元件是湿度传感器检测外界环境湿度的核心元件，目前多采用高分子聚合物、陶瓷材料，金属氧化物作为电容式湿度传感器的湿敏材料，高分子聚合物类湿敏器件采用较为广泛，但由于其吸湿层的耐高温性差，这使得该类传感器不能应用于高温环境，并且在高湿条件下出现严重的湿滞；半导体陶瓷类湿敏器件具有性能稳定、高温适用性、检测范围宽等优点，但易受环境烟雾及有机气体的干扰，需定期加热已再生其湿度敏感特性；金属氧化物湿敏器件具有耐高温和高灵敏等特性，但只能工作需要高温下，功耗大，寿命短等缺点。研制和开发新型纳米湿敏材料具有较为重要的现实意义，而且是湿度传感元件发展的一个重要方向。石墨烯，于2004年被英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中分离出，两人因“在二维石墨烯材料的开创性实验”而共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯材料是完美的二维晶体材料，具有高的电导率、优异的机械特性、大比表面积以及卓越的气体吸附性能，显示出在气湿敏传感元件上的应用前景，其发现为研发新型湿敏传感元件及系统提供了一种新途径。氧化石墨烯作为石墨烯的一类重要衍生物，其基本结构与石墨烯类似，可以看作在碳原子层以及碳原子层边缘连接有含氧官能团的功能化石墨烯。由于富含氧官能团，使得氧化石墨烯不仅具有大比表面积、较好的化学结构和稳定性，还具有优异的溶液分散特性和亲水特性。因而相比较于石墨烯，氧化石墨烯成为一种更具潜力的湿敏材料。随着纳米复合敏感材料的发展，基于金属氧化物修饰氧化石墨烯的复合敏感材料将获得更为优异的湿敏性能。本专利技术公开了一种用于电力变压器绝缘状态监测的湿度传感系统，采用纳米氧化锌修饰氧化石墨烯复合膜作为湿敏传感薄膜制作湿度敏感元件，具有工艺简单、抗电磁干扰、高灵敏度、稳定可靠等技术优势。
技术实现思路
本专利技术目的是克服现有技术的不足，提供一种电力变压器绝缘状态监测的湿度传感系统，包括变压器油箱、油气分离膜、渗透气体引出室、湿度传感元件、电容-电压转换电路、微处理器、无线通讯模块、声光报警器。所述湿度传感元件采用纳米氧化锌修饰氧化石墨烯复合膜作为湿敏传感薄膜，制备在具有回形叉指电极的陶瓷衬底上，通过检测湿敏薄膜的电容变化实现变压器油环境的湿度检测，根据相应的湿度变化判断电力变压器绝缘状态及做出预警，具有高灵敏度高、快速响应、抗电磁干扰等优点。本专利技术是通过以下技术方案实现上述目的，采用自下而上的沉积制备工艺在具有回形叉指电极的陶瓷衬底上构筑纳米氧化锌修饰氧化石墨烯复合膜作为湿敏传感薄膜，置于变压器油中渗透气体引出室中，与检测电路和计算机相连，实现监测数据传送给上位机及无线远程传输，对变压器绝缘状态作出评估。本专利技术所述湿度传感元件的陶瓷衬底厚度为130微米，其上制作有回形叉指电极图案和电极焊盘。本专利技术所述湿度传感元件的回形叉指电极是铜镍复合电极，由第一电极和第二电极构成，电极间距为25微米，厚度为15微米。本专利技术所述湿度传感元件的湿敏传感薄膜厚度为0.5-0.7微米，是纳米氧化锌和氧化石墨烯构成的层状交替的纳米薄膜。本专利技术所述纳米氧化锌采用以下方法制备：首先将6.7g硝酸锌溶解到100mL去离子水中，并向上述溶液缓慢加入30mL氢氧化钠溶液(3mol/L)；然后将上述混合溶液搅拌1-2h后转移到高温反应釜中，在160℃下反应10h，之后自然冷却至室温；最后离心分离，将所得样品依次用去离子水和无水乙醇洗涤4-5次后得到纳米氧化锌溶液。本专利技术所述纳米氧化锌修饰氧化石墨烯薄膜制备方法如下：首先配置3mg/mL浓度的纳米氧化锌溶液和10mg/mL浓度的聚二烯丙基二甲基氯化铵共混溶液，配制0.4mg/mL浓度的氧化石墨烯分散液，分别在30kHz超声波下振荡处理40分钟；然后，在上述纳米氧化锌-聚二烯丙基二甲基氯化铵共混溶液中浸泡上述具有回形叉指电极的陶瓷衬底25分钟，取出，去离子水清洗，氮气吹干；其次，在氧化石墨烯溶液中浸泡上述具有回形叉指电极的陶瓷衬底25分钟，取出，去离子水清洗，氮气吹干；上述操作重复4次，最后将制备的器件放入真空干燥箱80℃处理3.5小时，得到覆盖有纳米氧化锌修饰氧化石墨烯复合膜的湿敏传感元件。本专利技术所述纳米氧化锌溶液和聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液共混并超声处理后，带有弱正电荷，氧化石墨烯粒子带有弱负电荷。本专利技术所述湿度传感元件与电容-电压转换电路、ATmega128微处理器、声光报警器、HC-12无线通讯模块相连，具有数据采集、存储、显示，声光报警功能，将监测数据传送给上位机及无线远程传输。本专利技术采用的湿敏传感元件制备工艺简单方便，不依赖于苛刻的制备设备，成本低廉，而且具有响应速度快，重复性和稳定性好的特点。附图说明图1为本专利技术实施方式的一个示例，1为变压器油箱，2为变压器，3为绝缘油，4为油气分离膜，5为变压器油中渗透气体引出室，6为纳米氧化锌修饰氧化石墨烯薄膜湿度传感元件，7为电容-电压转换电路，8为ATmega128微处理器，9为声光报警器、10为HC-12无线通讯模块，11为计算机。图2为本专利技术中的纳米氧化锌修饰氧化石墨烯薄膜湿度传感元件截面示意图，1为陶瓷衬底，2为回形叉指电极的第一电极，3为回形叉指电极的第二电极，4为纳米氧化锌修饰氧化石墨烯薄膜。图3为本专利技术中的纳米氧化锌修饰氧化石墨烯复合膜的扫描电子显微镜图像。图4为本专利技术中的纳米氧化锌修饰氧化石墨烯薄膜湿度传感元件在不同相对湿度下的电容响应。图5为本专利技术中的纳米氧化锌修饰氧化石墨烯薄膜湿度传感元件在0％、12％、23％、33％、43％、52％、67％、75％、85％、97％湿度下的电容和时间响应曲线。具体实施方式以下实施例将结合附图对本专利技术作进一步说明。参见图1，本专利技术实施例用于电力变压器2绝缘油3中的湿度检测，置于经油气分离膜4过滤后的变压器油中渗透气体引出室5中，通过检测湿敏薄本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电力变压器绝缘状态监测的湿度传感系统，包括变压器油箱、油气分离膜、渗透气体引出室、湿度传感元件、电容‑电压转换电路、微处理器、无线通讯模块、声光报警器，其特征在于该湿度传感元件采用纳米氧化锌修饰氧化石墨烯复合膜作为湿敏传感薄膜，沉积在具有回形叉指电极的陶瓷衬底上；该湿度传感元件置于变压器油中渗透气体引出室中，通过检测湿敏薄膜的电容变化实现变压器油环境的湿度检测，根据相应的湿度变化判断电力变压器绝缘状态，并做出预警。

【技术特征摘要】
1.一种电力变压器绝缘状态监测的湿度传感系统，包括变压器油箱、油气分离膜、渗透气体引出室、湿度传感元件、电容-电压转换电路、微处理器、无线通讯模块、声光报警器，其特征在于该湿度传感元件采用纳米氧化锌修饰氧化石墨烯复合膜作为湿敏传感薄膜，沉积在具有回形叉指电极的陶瓷衬底上；该湿度传感元件置于变压器油中渗透气体引出室中，通过检测湿敏薄膜的电容变化实现变压器油环境的湿度检测，根据相应的湿度变化判断电力变压器绝缘状态，并做出预警。
2.根据权利要求1所述的湿度传感系统，其特征在于：所述湿度传感元件的湿敏传感薄膜厚度为0.5-0.7微米，是纳米氧化锌和氧化石墨烯构成的层状交替的纳米薄膜。
3.根据权利要求1所述的湿度传感系统，其特征在于：所述湿度传感元件的陶瓷衬底厚度为130微米，其上制作有回形叉指电极图案和电极焊盘。
4.根据权利要求1所述的湿度传感系统，其特征在于：所述湿度传感元件的回形叉指电极是铜镍复合电极，由第一电极和第二电极构成，电极间距为25微米，厚度为15微米。
5.根据权利要求1所述的湿度...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冬至，刘静静，夏伯锴，廖一帆，朱子兰，郝爽，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心，
类型：发明
国别省市：山东;37