自發(fā)電接點溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

劉佳強 李江 關(guān)曉林

摘 要：本設(shè)計通過改變電力系統(tǒng)中現(xiàn)有各種接點測溫裝置的供電和布線方式，把過熱點的熱能通過半導(dǎo)體溫差發(fā)電片轉(zhuǎn)化為微弱電能并通過升壓穩(wěn)壓后提供裝置進行接點溫度測量，由裝置內(nèi)的單片機對溫度和接點位置進行編碼，并使用無線傳輸方式發(fā)送給設(shè)各站內(nèi)的后臺機，實現(xiàn)接點溫度在線監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：接點測溫；溫差發(fā)電；傳感器

電力系統(tǒng)中高壓開關(guān)柜等高壓電器在負(fù)載電流過大、觸頭接觸不良等情況下會溫升過高，可能導(dǎo)致電力設(shè)備損壞，從而影響整個電力系統(tǒng)的正常工作，甚至造成巨大的經(jīng)濟損失。及時準(zhǔn)確地測出電力設(shè)備關(guān)鍵點的溫度對于發(fā)現(xiàn)并排除故障具有重大意義。

現(xiàn)常使用的紅外測溫儀器只能做到定期巡檢和大負(fù)荷安排特巡，不能隨時發(fā)現(xiàn)過熱問題，且紅外測溫的準(zhǔn)確度和可靠性受大氣測試背景、距離系數(shù)、物體輻射率、工作波長等多因素影響，并要求測試點間無障礙物才能準(zhǔn)確地測量，而封閉式開關(guān)柜等場合無法使用。

現(xiàn)有的在線監(jiān)測方法及其特點：

1）光纖分布式。探頭接觸被測點，不需要電池。需敷設(shè)光纖，安裝不便，光纖斷后的接續(xù)無專業(yè)設(shè)備無法實現(xiàn)，另外由于設(shè)計到寬帶光源、光信號的調(diào)制、解調(diào)和光監(jiān)測等器件系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、技術(shù)難度大。準(zhǔn)確程度一般。

2）光纖傳輸探頭接觸式。探頭接觸被測點，需要電池。安裝和維護同光纖分布式，且需要更換電池，增加了維護量和不必要的停電。準(zhǔn)確程度高。

3）紅外探頭。探頭不接觸被測點，不需要電池。位置要求嚴(yán)格隱蔽的觸頭接頭處不易實現(xiàn)，需要避免光路交叉影響，溫度量要現(xiàn)場標(biāo)定和校準(zhǔn)。準(zhǔn)確程度一般。

4）無線探頭接觸式1。探頭接觸被測點，需要電池。只在被測試點安裝傳感器探頭可靠性高結(jié)構(gòu)簡單成本低，可需要更換電池，增加了運行維護成本和不必要的停電。準(zhǔn)確程度高。

5）無線探頭接觸式2。探頭接觸被測點，需使用光伏電池。柜內(nèi)使用需要裝照明光源給探頭提供能量，照明設(shè)備使用成本及運行維護量增加。準(zhǔn)確程度高。

6）無線探頭接觸式3。探頭接觸被測點，使用特殊結(jié)構(gòu)的互感器取能。體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝不便，額外消耗系統(tǒng)能量，互感器本身的發(fā)熱是潛在隱患。準(zhǔn)確程度高。

上述可看出，實現(xiàn)接點在線測溫最好的方案應(yīng)是接觸式的無線傳輸，而感溫探頭和發(fā)射信號模塊需更換電池。本設(shè)計可解決傳感器的能量來源。

一、溫差發(fā)電的原理

1821年德國人Seebeck發(fā)現(xiàn)： 在兩種不同金屬（銻與銅）構(gòu)成的回路中，如果兩個接頭處存在溫度差，其周圍就會出現(xiàn)磁場，回路中存在電動勢。Seebeck效應(yīng)是制作測溫?zé)犭娕?、溫差發(fā)溫差電傳感器的基礎(chǔ)。利用現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)將兩種不同類型的熱電轉(zhuǎn)換材料N和P的一端結(jié)合并將其置于高溫狀態(tài)，另一端開路給以低溫。由于高溫端的熱激發(fā)作用較強，此端的空穴和電子濃度比低溫端高，在這種載流子濃度梯度的驅(qū)動下，空穴和電子向低溫端擴散，從而在低溫開路端形成電勢差。將許多對P型和N型熱電轉(zhuǎn)換材料連接起來組成模塊，就可得到足夠高的電壓，形成一個溫差發(fā)電機。這種發(fā)電機在有微小溫差存在的條件下就能將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，且轉(zhuǎn)換過程中不需要機械運動部件，也無氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)存在。

二、結(jié)構(gòu)概述

本設(shè)計中將發(fā)電片一側(cè)貼在觸頭（接頭）邊的導(dǎo)體上，另一側(cè)裝合適大小的散熱片，當(dāng)觸頭發(fā)熱時熱量傳導(dǎo)至散熱片散發(fā)。這樣在發(fā)電片兩側(cè)產(chǎn)生溫度差，其兩極就會產(chǎn)生一個與溫差成正比的電壓。（實驗證明只要觸頭溫度高于環(huán)境溫度10℃，國產(chǎn)發(fā)電片即可產(chǎn)生0.3V的電壓，而國外片可產(chǎn)生1V的電壓。兩種片的最高工作溫度都為200℃，最低環(huán)境溫度零下40℃）。

使用TPS61200穩(wěn)壓模塊（該模塊輸入0.3～5.5V范圍內(nèi)的電壓其輸出端即可選擇性穩(wěn)定輸出1.8～7V的任意電壓）將發(fā)電片的電壓穩(wěn)定供給到溫度探頭和收發(fā)模塊及數(shù)據(jù)處理單片機。整個傳感器工作起始電壓0.3V工作電流在10～15mA即可正常工作。

三、工作過程

正常時傳感器處于待機狀態(tài)，當(dāng)觸頭發(fā)熱超過環(huán)境溫度10℃時發(fā)電片發(fā)出足夠的電能喚醒整個傳感器開始工作，探頭把觸頭實際溫度報給單片機處理后通過收發(fā)模塊把一串包含觸頭溫度和探頭編碼（每個DS18B20都內(nèi)含全球唯一數(shù)字編碼）的信息發(fā)給遠(yuǎn)方的接收機（使用成熟的2.4G收發(fā)技術(shù)，成本低易于實現(xiàn)），接收機設(shè)有液晶屏幕可查看各過熱點的實際溫度，并根據(jù)探頭編碼指示發(fā)熱點在系統(tǒng)中的位置?？稍O(shè)定超溫聲光報警，可通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳至集控中心的pc后臺機。后臺機內(nèi)用軟件（數(shù)據(jù)接口易于實現(xiàn)）可同時處理來自多個站的接收機報來的數(shù)據(jù)，可查詢，可設(shè)定報警。

過熱點溫度上升使發(fā)電片發(fā)電。穩(wěn)壓原件在輸入0.3至1.7V的情況下保證輸處3.3V的穩(wěn)定直流電壓。單片機把來自探頭的溫度和地址碼數(shù)據(jù)進行處理，通過收模塊發(fā)出，溫度探頭接觸在測量點上，每個探頭有全球唯一識別編碼作為地址代碼，供判斷發(fā)熱點位置使用。收發(fā)模塊依單片機指令循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)。

四、結(jié)語

整個傳感器成本如使用國內(nèi)發(fā)電片不超過80元，用國外片在150元內(nèi)，批量生產(chǎn)還可大幅度降低成本。加裝散熱片后整個傳感器體積不超過5cm*5cm*2cm，合理設(shè)計安裝方式可方便地在開關(guān)柜、室內(nèi)外高壓設(shè)備的各種接頭、觸頭處安裝。此裝置仍在試驗階段，在我公司66kV園區(qū)變電站接入兩個監(jiān)測點，通過近3年的效果檢查，成功發(fā)現(xiàn)了10kV鋼廠線的手車觸頭的一次過熱故障。其使用效果良好、數(shù)據(jù)可靠，其在提升輸變電設(shè)備的在線監(jiān)測水平，提高供電可靠性方面有著切實效果。

參考文獻：

[1] 許玉玉.成套開關(guān)設(shè)備用接觸式在線監(jiān)測溫度傳感器電源的研制[D].西安交通大學(xué)，2009.

[2] 秦歡.高壓測量系統(tǒng)感應(yīng)取能電源設(shè)計[D].華北電力大學(xué)，2009.