一种基于油液老化自动监测的油浸式变压器及监测传感器的制作方法

1.本发明属于油浸式变压器技术领域；具体涉及一种基于油液老化自动监测的油浸式变压器及监测传感器。


背景技术：

2.电力系统的长期中断通常是由于电压转换故障引起的。这些故障通常会导致重大的经济损失。因此，油浸式电力变压器需要有一个定期的监测计划，以确保其持续运行。此类变压器的寿命通常通过检查其绝缘材料来预测。绝缘材料的老化可以通过其水分含量、溶解气体分析、呋喃含量、酸度和油的耗散系数来确定。这些参数储存在变压器油中，需要进行预测量并判断变压器的早期故障或剩余寿命或健康状况。因此，对油样进行不同的测试，以发现变压器中的绝缘劣化。呋喃中的2-糠醛（又称2-fal）分子含量是确定固体绝缘材料的最佳参数。现阶段应用于变压器寿命监测技术是通过光学方法对其2-fal浓度进行检测，但该种方法虽灵敏度高但是检测范围较小，检测浓度范围低于1ppm，只能作为变压器的早期预警。而本发明通过在电容传感器电极上制备2-fal分子印迹聚合物，可检测更高浓度范围的2-fal分子，检测浓度范围为0-20ppm，可作为变压器的长期监测。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于油液老化自动监测的油浸式变压器及监测传感器，利用电容表面的分子印迹聚合物反映油浸式变压器中的2-糠醛浓度，并再利用分子印迹聚合物吸附不同量的2-糠醛带来的电容变化，实现2-糠醛浓度变化情况的数值提取，以此来反映油浸式变压器内的绝缘介质的老化程度，监测油浸式变压器的寿命。
4.第一方面，本发明提供一种基于油液老化自动监测的油浸式变压器，其包括变压器主体和健康监测传感器。所述的健康监测传感器安装在变压器主体内，并浸泡在变压器主体内的绝缘介质中。所述的健康监测传感器用于检测绝缘介质的老化程度，其包括电极、分子印迹聚合物层和电容介电层。分子印迹聚合物层能够特异性吸附的分子为2-糠醛分子。两片电极分别设置在电容介电层的相反侧。两个分子印迹聚合物层分别设置在两片电极的相反侧。健康监测传感器的电容值越小，变压器主体内的绝缘介质老化越严重。
5.作为优选，所述的分子印迹聚合物层、电极和电容介电层均呈梳状结构。
6.作为优选，所述的电极采用铜片。电容介电层的材料为环氧树脂。
7.作为优选，所述的分子印迹聚合物层上设有与2-糠醛分子空间互补的分子空穴。分子空穴通过将2-糠醛分子与功能单体共同聚合后去除2-糠醛分子的方式得到。
8.作为优选，所述分子印迹聚合物层的材料为聚二甲基硅氧烷。
9.作为优选，该基于油液老化自动监测的油浸式变压器还包括电容读取电路；所述的电容读取电路与两片电极连接，用于读取两片电极之间的电容值；所述的电容读取电路包括电容-电压转换电路、仪表放大电路和峰值检测电路。电容-电压转换电路用于读取两个电极之间的电容相比于初始电容值的变化程度，并将该变化程度转化为交流信号；仪表
放大电路用于放大电容-电压转换电路输出的交流信号。峰值检测电路用于提取仪表放大电路输出的交流信号的幅值。
10.作为优选，所述电容-电压转换电路包括第一运算放大器和第二运算放大器。第一运算放大器及第二运算放大器的同相输入端均接交流输入信号vi。第一运算放大器的反相输入端接电阻r1、电阻r3的一端及其中一个电极。电阻r1的另一端接地。另一个电极接电阻r4的一端。电阻r3及电阻r4的另一端均接第一运算放大器的输出端。第二运算放大器的反相输入端接电阻r2、电阻r6及电容c1的一端。电阻r1的另一端接地。电容c1接电阻r5的一端。电阻r5及电阻r6的另一端均接第二运算放大器的输出端。电容c1的容值与两块电极之间的初始容值相等。第一运算放大器和第二运算放大器的输出端组成电容-电压转换电路的输出接口。
11.作为优选，所述仪表放大电路采用三运放构成的精密差分放大器，其包括第三运算放大器、第四运算放大器和第五运算放大器。第三运算放大器、第四运算放大器的同相输入端与电容-电压转换电路的输出接口连接。第三运算放大器的反相输入端接电阻r7、电阻r8的一端。第四运算放大器的反相输入端接电阻r9的一端及电阻r8的另一端。第三运算放大器的输出端接电阻r10的一端及电阻r7的另一端；第四运算放大器的输出端接电阻r11的一端及电阻r9的另一端。电阻r11的另一端接第五运算放大器的同相输入端及电阻r13的一端。电阻r13的另一端接地。电阻r10的另一端接第五运算放大器的反相输入端及电阻r12的一端。电阻r12的另一端接第五运算放大器的输出端。第五运算放大器的输出端作为仪表放大电路的输出端。
12.作为优选，所述峰值检测电路包括第六运算放大器和第七运算放大器。第六运算放大器的同相输入端接仪表放大电路的输出端。第六运算放大器的反相输入端接二极管d1的正极及电阻r14的一端。第六运算放大器的输出端接二极管d2的正极及二极管d1的负极。二极管d2的负极接电容c2、清零开关k的一端及第七运算放大器的同相输入端。电容c2、清零开关k的另一端均接地。电阻r14的另一端接第七运算放大器的反相输入端及输出端。
13.第二方面，本发明提供一种健康监测传感器，其用于根据自身电容变化监测油浸式变压器中的绝缘介质的老化程度。该健康监测传感器包括电极、分子印迹聚合物层和电容介电层。分子印迹聚合物层能够特异性吸附的分子为2-糠醛分子。两片电极分别设置在电容介电层的相反侧。两个分子印迹聚合物层分别设置在两片电极的相反侧。
14.第三方面，本发明提供所述的健康监测传感器的制备方法，其包括以下步骤。
15.步骤一、在环氧树脂的两侧设置铜片，形成平板电容器。将平板电容器切割成梳状结构，形成梳状电容。
16.步骤二、打磨梳状电容的表面。
17.步骤三、将梳状电容在丙酮中进行超声清洗。
18.步骤四、将梳状电容放入去离子水中进行清洗后烘干。
19.步骤五、将二甲基硅氧烷与固化剂混合后，加入2-糠醛溶液。
20.步骤六、对步骤五所得产物进行消泡处理后，涂覆在梳状电容的两个侧面上。
21.步骤七、对带有涂覆层的梳状电容进行加热，使得涂覆层固化，形成分子印迹聚合物层。
22.步骤八、使用乙醇溶液清洗分子印迹聚合物层中的2-糠醛分子，使分子印迹聚合
物层中形成分子空穴，得到健康监测传感器。
23.作为优选，步骤五中，二甲基硅氧烷、固化剂、2-fal溶液的质量比为10：1：4。
24.本发明具有以下有益效果。
25.1.本发明利用2-fal分子印迹聚合物的活性位点来检测油浸式变压器的绝缘材料老化产生的呋喃活性物质中的2-fal分子，并根据测到2-fal分子浓度判断油浸式变压器的绝缘材料的老化程度。
26.2.本发明利用2-fal分子印迹聚合物对2-fal浓度进行检测的方式，具有在较宽浓度范围（0-20ppm）内定量检测2-fal浓度的能力，相比于现有技术中只能定量检测1ppm浓度以下的2-fal的光学原理检测方式，大大提高了油浸式变压器健康检测的可持续性。
27.3.本发明中的健康监测传感器采用梳状结构，增加了传感器的总边缘长度，进而增加了传感器的边缘电容，提高了传感器的灵敏度。
28.4.油浸式变压器的绝缘介质老化会产生较多种化学物质，而针对复杂的油样环境，本发明使用的2-fal分子印迹聚合物可选择性吸附绝缘介质中的单一物质，即传感器只针对2-fal分子浓度敏感，能够有效提高检测性能。此外，本发明中使用的分子印迹聚合物层的材质为聚二甲基硅氧烷（pdms），其具有疏水性能，这使得本发明中的健康监测传感器对绝缘介质中的湿度变化不敏感，故传感器的电容值仅随油中2-fal浓度的不同而变化，提高了传感器检测结果的可靠性。
29.5.本发明提供了一种健康监测传感器的简单制备方法，能够有效降低成本并提高传感器的可靠性。此外，本发明针对传感器的监测原理和等效电路，提供了配套的电容读取电路，有效提高了本发明的实际应用水平。
附图说明
30.图1为本发明的整体结构示意图。
31.图2为本发明中健康监测传感器的整体结构及等效电路示意图（图1中a部分的局部放大图）。
32.图3为本发明中健康监测传感器的爆炸及尺寸参数示意图。
33.图4为本发明中健康监测传感器的等效电路简化过程示意图。
34.图5为本发明中电容读取电路的原理图。
35.图6为本发明中健康监测传感器的制备流程图。
具体实施方式
36.以下结合附图对本发明进行进一步说明。
37.实施例1如图1和图2所示，一种基于油液老化自动监测的油浸式变压器，包括变压器主体、健康监测传感器和电容读取电路。健康监测传感器安装在变压器主体内，并浸泡在变压器主体内的绝缘介质5中。健康监测传感器包括电极1、分子印迹聚合物层2和电容介电层6。分子印迹聚合物层2能够特异性吸附的分子为2-fal分子。
38.如图2所示，两片电极1分别设置在电容介电层6的相反侧。两个分子印迹聚合物层2分别设置在两片电极1的相反侧。分子印迹聚合物层2、电极1和电容介电层6的截面均呈梳
状结构；电极1的梳状结构中，梳齿的宽度为2mm，相邻两个输出的间距为2mm；电极1的整体长度为50mm，宽度为18mm。分子印迹聚合物层2、电极1和电容介电层6上的梳齿部分形状相同并层叠在一起。分子印迹聚合物层2的整体长度比电极1的整体长度短5mm，使得电极1的端部外侧露出。分子印迹聚合物层2的厚度为60μm。
39.电极1的内侧面与电容介电层6贴合，外侧面与分子印迹聚合物层2贴合。电极1为薄铜片。电容介电层6的材料为环氧树脂。分子印迹聚合物层2上设有与目标分子3空间互补的分子空穴4。分子印迹聚合物层2上的分子空穴4通过将目标分子与功能单体以共价或非共价作用进行预组装与交联剂共聚后，除去目标分子的方式形成。分子空穴4能够吸附目标分子3。分子印迹聚合物层2吸附目标分子3的量随体系中目标分子3的浓度变化而变化。当目标分子3的浓度处于0-20ppm之间时，两片电极1之间的电容变化能够定量反映目标分子3的浓度值。目标分子3为2-fal分子，具体为油浸式变压器中的绝缘介质发生老化所产生的一种有机化合物2-糠醛，其分子式为c5h4o2。
40.如图2和图3所示，所述分子印迹聚合物层2为薄且疏水的聚二甲基硅氧烷（pdms）构成。分子印迹聚合物层2的内侧面与对应的电极1贴合，外侧面被油浸式变压器的绝缘介质5所浸泡。绝缘介质5为变压器绝缘材料的油样环境，具有一定的介电常数。绝缘介质5中存在一定浓度的2-fal分子。所述印迹聚合物2上的分子空穴4能够吸附绝缘介质5中的2-fal分子。
41.在电容器工作中具有电容边缘场效应，即电荷主要分布在电极的边缘和尖角处，边缘的电荷量高于中心的电荷量，尖角的电荷量高于边缘。因此，将整个电容式变压器健康监测传感器设计为梳状结构，有助于提高增加电容边缘场容量，提高感应活性分子能力，进而提高传感器的灵敏度。
42.该传感器的等效电路原理图如图4所示，图4的(a)部分中，cz1为在两片电极1相对侧之间由电容介电层6带来的电容；rz1为在两片电极1相对侧之间的电阻；cz2为两片电极1相背侧之间由绝缘介质5带来的电容；rz2为在两片电极1相背侧之间的电阻；cz6和cz5分别为两片电极1相背侧之间由两个分子印迹聚合物层2带来的电容；cz3和cz4分别为两片电极1相背侧之间由两个分子印迹聚合物层2上吸附的目标分子带来的电容。rz1、rz2、cz1、cz2、cz6和cz5的数值均为恒定值；仅cz3和cz4的数值根据两个分子印迹聚合物层2吸附目标分子的数量多少而发生改变，形成反映绝缘介质中2-fal分子浓度的可变电容。
43.如图4的(b)部分所示，进一步简化健康监测传感器的等效电路，因为电容介电层6的电阻rz1、绝缘介质5的电阻rz2很大，因此可以看作是断路，电阻并联可忽略不计。此外，在图4的(a)部分的基础上，将同一种可变电容cz3和cz4，简化为一个可变电容cm，将电容cz6和cz5简化为一个恒定cd。
44.如图4的(c)部分所示，进一步简化健康监测传感器的等效电路，将图4的(b)部分中的电容cm、cd和cz2 电容简化为一个可变电容cz2-fal
；整个传感器简化为一个可变电容与一个定值电容并联电路。两个并联电容可视为传感器总电容csensor。电容csensor为该传感器的检测电容值；当绝缘介质5中的2-fal分子浓度增加时，csensor电容值降低。
45.健康监测传感器的初始电容值为24pf；当2-fa在绝缘介质中的浓度达到20ppm时，健康监测传感器的电容值下降3.5 pf。
46.如图5所示，电容读取电路包括电容-电压转换电路1-1、仪表放大电路1-2、峰值检
测电路1-3。所述电容-电压转换电路1-1包括第一同相比例运算放大电路和第二同相比例运算放大电路。两个同相比例运算放大电路分别接健康监测传感器和定值电容c1。第一同相比例运算放大电路包括第一运算放大器a1。第二同相比例运算放大电路包括第二运算放大器a2。第一运算放大器a1及第二运算放大器a2的同相输入端均接交流输入信号vi。第一运算放大器a1的反相输入端接电阻r1、电阻r3的一端及其中一个电极1。电阻r1的另一端接地。另一个电极1接电阻r4的一端。电阻r3及电阻r4的另一端均接第一运算放大器a1的输出端vo1。第二运算放大器a2的反相输入端接电阻r2、电阻r6及定值电容c1的一端。电阻r1的另一端接地。定值电容c1接电阻r5的一端。电阻r5及电阻r6的另一端均接第二运算放大器a2的输出端vo2。第一运算放大器a1和第二运算放大器a2的输出端组成电容-电压转换电路1-1的输出接口。
47.在交流信号下的电容具有一定的容抗，可视为一个电阻。因此，在输入vi和电阻r1、r4不变的情况下，第一运算放大器a1的输出端vo1的输出信号幅值变化与电容csensor成正比关系。此外，c1电容值固定，且电容值为电容csensor初始值，所以初始状态下vo1和vo2信号相同。
48.如图5所示，所述仪表放大电路1-2采用三运放构成的精密差分放大器，其包括第三运算放大器a3、第四运算放大器a4和第五运算放大器a5。
49.第三运算放大器a3、第四运算放大器a4的同相输入端与第一运算放大器a1的输出端vo1、第二运算放大器a2的输出端vo2分别连接。第三运算放大器a3的反相输入端接电阻r7、电阻r8的一端。第四运算放大器a4的反相输入端接电阻r9的一端及电阻r8的另一端。第三运算放大器a3的输出端接电阻r10的一端及电阻r7的另一端，第四运算放大器a4的输出端接电阻r11的一端及电阻r9的另一端。电阻r11的另一端接第五运算放大器a5的同相输入端及电阻r13的一端。电阻r13的另一端接地。电阻r10的另一端接第五运算放大器a5的反相输入端及电阻r12的一端。电阻r12的另一端接第五运算放大器a5的输出端vi2。
50.该仪表放大电路1-2以信号vo2为参考输入信号，信号vo1为检测输入信号，信号vi2为输出信号。
51.可推导得到仪表放大器1-2输出端输出电压信号v
i2
如下。
[0052]vi2
=(1+2r4/r5)(r7/r6)(v
i1
/jωc1r1)(δc
sensor
/(δc
sensor
+c
sensor
))（公式1）其中，r1、r4、r5、r6、r7分别为电阻r1、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7的阻值；c1分别为电容c1的容值；j为虚数单位；ω为交流输入信号vi的角频率。c
sensor
为两个电极1的电容初始值；δc
sensor
为两个电极1的电容变化值。
[0053]
如图5所示，所述峰值检测电路1-3用于检测交流信号中峰值大小，即将交流信号转换为直流信号，且直流信号幅值大小为该交流信号的峰值大小。
[0054]
峰值检测电路1-3包括第六运算放大器a6和第七运算放大器a7。第六运算放大器a6的同相输入端接第五运算放大器a5的输出端。第六运算放大器a6的反相输入端接二极管d1的正极及电阻r14的一端。第六运算放大器a6的输出端接二极管d2的正极及二极管d1的负极。二极管d2的负极接电容c2、清零开关k的一端及第七运算放大器a7的同相输入端。电容c2、清零开关k的另一端均接地。电阻r14的另一端接第七运算放大器a7的反相输入端及输出端vo。
[0055]
当峰值检测电路1-3输出的交流信号vi2的幅值逐渐变大时，二极管d2由第六运算
放大器a6输出模拟信号向电容c2充电，直至峰值电压；当交流信号vi2低于峰值电压时，二极管d2断开，电容c2保持电压不变，二极管d1导通。此时，第六运算放大器a6所构成电路为电压跟随电路。此外，运算放大器a7构成电压跟随电路，其正向输入端电压值为电容c2一端电压，即峰值电压，所以vo输出直流模拟信号，幅值为交流信号vi2峰值电压。电阻r14为第六运算放大器a6的反向端反馈电阻，使其在电容充电过程中，运算放大器a6也视为，电压跟随电路，其输出端电压始终为交流信号vi2幅值。
[0056]
因此，电容读取电路的输出信号v0为仪表放大器1-2输出信号的峰值电压信号v
i2ρ
如下。
[0057]v0
=v
i2ρ
（公式2）基于本发明健康监测传感器初始电容值及其变化范围，提出读出电路元器件参数要求。所述元器件参数要求为：r1=r2=100kω，r4=r5=10kω，r6=r3=6mω，r7=r9=r
10
=r
11
=r
12
=r
13
=1kω，r8=200ω，r
14
=500ω。所有运算放大器的型号均为op07。
[0058]
实施例2如图6所示，一种健康监测传感器的制备方法，包括以下步骤。
[0059]
步骤一、如图6的a部分所示，使用环氧树脂隔开两块铜片，得到一个厚度为16mm的平板电容器，并将平板电容器切割成梳状结构，形成梳状电容7。
[0060]
步骤二、如图6的b部分所示，利用锉刀和砂纸将梳状电容7表面和边缘进行处理，使其变得光滑。
[0061]
步骤三、如图6的c部分所示，将切割并表面处理后的梳状电容7放入60℃的丙酮中超声清洗15分钟。
[0062]
步骤四、如图6的d部分所示，将超声清洗好的梳状电容7放入去离子水中进行清洗。
[0063]
步骤五、如图6的e部分所示，将梳状电容7放入烘干箱中，在70℃温度下，进行烘干10分钟，形成由两片电极1和一个电容介电层6所构成的梳状电容7。
[0064]
步骤六、如图6的f、g部分所示，将pdms单体与固化剂混合并搅拌均匀后，再向其中倒入2-fal溶液，再次搅拌，形成粘稠溶液。pdms单体、固化剂、2-fal溶液的质量比为10：1：4。
[0065]
步骤七、如图6的h部分所示，将步骤七得到的粘稠溶液放入真空泵进行消泡处理。
[0066]
步骤八、利用浸渍涂层装置，将粘稠溶液涂覆在梳状电容7的两个电极1的相反侧面上，涂覆层厚度为60μm。
[0067]
步骤九、如图6的j部分所示，将涂覆后的梳状电容7放入加热箱中；先在70℃加热40分钟，然后在150℃加热3小时。在电极1表面形成分子印迹聚合物层2。
[0068]
步骤十、如图6的k部分所示，在乙醇溶液中清洗分子印迹聚合物层2中的2-fal分子，使分子印迹聚合物层2中形成分子空穴4，得到健康监测传感器。