基于电磁摩擦纳米发电机的高灵敏度泄漏磁场监测技术在变压器故障诊断中的应用

《Nano Energy》：High-Sensitivity Leakage Magnetic Field Monitoring Based on Electromagnetic-Triboelectric Nanogenerator for Transformer Fault Diagnosis

　　

王兆晨|张亮天|卢泽宁|李宇飞|刘航|陈可|董向宇|张梦蝶|刘浩良|雷胜斌|杜博学|肖梦

天津大学电气与信息工程学院，智能电力分配设备及系统国家重点实验室，中国天津300072

摘要

变压器的运行状态监测对电网的稳定性至关重要。然而，传统的监测方法受限于灵敏度低且依赖于外部电源。变压器内部的故障通常伴随着泄漏磁场的特征变化，因此利用泄漏磁场监测可以直接评估变压器的运行状况。本文提出了一种基于细菌纤维素（BC）、氧化石墨烯（GO）和钴铁氧体（CoFe₂O₄）复合薄膜（BGC）的混合电磁-摩擦电纳米发电机（EM-TENG）技术。选择BC作为绝缘基质是因为其与油浸式变压器环境的兼容性良好。GO构建了导电网络以增强电荷传输，而CoFe₂O₄纳米粒子则赋予了材料磁响应性。在外加磁场的作用下，EM-TENG的输出电压提升了43.69%，表明该复合结构具有优异的磁响应性能。此外，该设备的磁场灵敏度达到50 mV·mT?1，能够高效地将泄漏磁场的变化转换为电信号。作为概念验证，该设备成功驱动了一个数字计时器，并实现了自供电的泄漏磁场故障监测和报警系统。这项工作为智能电网应用中的高灵敏度变压器状态监测提供了一种可行的自供电解决方案。

引言

随着智能电网和物联网（IoT）技术的快速发展，电力传输和分配设备的智能状态监测以及微纳能量收集技术已成为电力系统研究的热点[1]、[2]。作为电网中能量转换和电压调节的核心组件，变压器的运行状态直接影响电网的稳定性和可靠性[3]、[4]、[5]。在长期运行过程中，变压器可能会发生绕组变形或部分短路等内部故障。这些故障会扰乱绕组内的电磁场分布，从而导致泄漏磁场特性的变化。因此，在线监测泄漏磁场成为检测内部故障的直接且灵敏的方法[6]、[7]。现有的变压器状态监测方法主要依赖于外部供电的有线传感器。在实际应用中，这些系统往往存在布线和维护成本高、部署受限以及长期供电能力不足的问题。此外，在强电磁干扰和油浸等恶劣环境下，传感器的灵敏度不足，稳定性和适应性也有限[8]、[9]。因此，开发能够直接从运行环境中获取能量并实现高灵敏度泄漏磁场监测的自供电技术仍然是该领域的紧迫挑战。

近年来，基于摩擦电和电磁感应机制的混合纳米发电机因其自供电特性和多能源收集能力而被视为上述挑战的有希望的解决方案[10]、[11]、[12]。然而，现有研究仍存在显著局限。一方面，大多数研究主要集中在一般振动能量收集[13]、人体运动能量提取[14]、[15]或磁场辅助输出增强[16]等方面，而将泄漏磁场变化作为变压器故障信号的应用尚未得到充分研究。另一方面，单一能量收集模式无法同时高效利用变压器运行过程中产生的振动能量和泄漏磁场能量[17]、[18]、[19]。此外，现有研究主要关注设备输出性能，尚未建立起泄漏磁场变化、设备电响应与故障条件之间的直接关系，从而限制了其在电力设备中的实际应用。同时，传统复合材料在磁场响应灵敏度和环境适应性方面无法满足高精度监测的要求，其机械稳定性和长期耐用性也有限[20]、[21]。特别是在油浸式变压器环境中，材料系统常常难以同时满足绝缘兼容性、磁响应性、电荷传输性能和长期运行稳定性等多重关键要求。

为了解决这些问题，本研究设计并制备了一种新型的电磁-摩擦电混合纳米发电机（EM-TENG）。其核心功能层由细菌纤维素（BC）、氧化石墨烯（GO）和钴铁氧体（CoFe₂O₄）组成的三元复合薄膜（BGC）构成。选择BC作为柔性基底，主要是因为其具有优异的绝缘性能和与油浸式变压器环境的良好兼容性[22]，避免了潜在的绝缘弱点，并确保了长期运行的可靠性。在此基础上，GO构建了三维导电网络，显著提升了薄膜的电荷传输效率[23]。加入CoFe₂O₄纳米粒子后，复合材料的磁响应性得到进一步增强[21]、[24]。因此，这种三元复合系统不仅仅是简单材料的组合，而是一种功能协同的设计，旨在满足监测变压器泄漏磁场的需求，实现了绝缘兼容性、电荷传输能力和磁响应性能的有机整合。这种多组分协同作用使EM-TENG能够同时高效收集变压器运行过程中产生的振动能量和泄漏磁场能量，克服了单一能量收集模式的局限。更重要的是，该系统不仅能从多种来源协同收集能量，还建立了泄漏磁场变化与设备电输出之间的对应关系，为实现自供电故障监测奠定了基础。结果表明，该设备具有出色的输出性能、高灵敏度和优异的机械稳定性。这项研究为变压器泄漏磁场的在线监测提供了一种创新的自供电解决方案，为电力系统的智能化发展奠定了技术基础。

章节摘录

基于BC的复合薄膜的制备与结构表征

基于环保型BC的复合薄膜的制备过程如图1a所示，该过程结合了GO的导电性和CoFe₂O₄的磁性能。CoFe₂O₄纳米颗粒通过共沉淀法合成（图S1）。随后通过逐步溶液浇铸工艺制备了BGC薄膜（图S2）。简而言之，将GO混合到BC基质中形成柔性的BC/GO（BG）复合薄膜，然后加入预合成的CoFe₂O₄

结论

本研究开发了一种基于三元BC/GO/CoFe₂O₄复合薄膜的电磁-摩擦电混合纳米发电机，用于变压器泄漏磁场的自供电监测。通过结合BC的绝缘适应性、GO的电荷传输增强能力以及CoFe₂O₄的磁响应性，所得BGC功能层实现了摩擦电输出性能和磁场灵敏度的协同提升。实验结果表明

材料

CoCl₃-6H₂O和FeCl₃-6H₂O分别由天津Hiens和上海Meirel公司提供。GO水凝胶（桂林启鸿科技）和BC水凝胶（深圳瑞恒科技）作为基质成分。FEP薄膜、丙烯酸基底（100×100 mm）、弹簧铜箔（0.1 mm厚）和搪瓷铜线（10,000匝）在当地购买。所有化学品均按原样使用，未进行纯化处理。

CoFe₂O₄纳米颗粒的合成

CoFe₂O₄纳米颗粒采用水热法合成：首先制备CoCl₂·6H₂O（0.1 M）和FeCl

CRediT作者贡献声明

董向宇：概念设计。刘航：验证、方法论。陈可：验证、方法论。卢泽宁：验证、方法论、概念设计。李宇飞：验证、方法论。肖梦：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目统筹。王兆晨：撰写——原始草稿、验证、软件应用、方法论、数据分析、概念设计。张亮天：验证、方法论、概念设计。

利益冲突声明

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：92466301和52407181）的支持。

利益冲突声明

王兆晨1997年出生于中国山东。他于2020年毕业于山东航空大学，2023年获得青岛科技大学的硕士学位。目前他是天津大学电气与信息工程学院的博士研究生。他的研究兴趣包括微能源收集、电磁-摩擦电混合纳米发电机以及电力变压器的能量收集技术。