[发明专利]一种用于电力变压器绝缘状态监测的湿度传感系统

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。本发明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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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。