自發電接點溫度在線監測系統的設計

劉佳強 李江 關曉林

摘 要：本設計通過改變電力系統中現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體溫差發電片轉化為微弱電能并通過升壓穩壓后提供裝置進行接點溫度測量，由裝置內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送給設各站內的后臺機，實現接點溫度在線監測。

關鍵詞：接點測溫；溫差發電；傳感器

電力系統中高壓開關柜等高壓電器在負載電流過大、觸頭接觸不良等情況下會溫升過高，可能導致電力設備損壞，從而影響整個電力系統的正常工作，甚至造成巨大的經濟損失。及時準確地測出電力設備關鍵點的溫度對于發現并排除故障具有重大意義。

現常使用的紅外測溫儀器只能做到定期巡檢和大負荷安排特巡，不能隨時發現過熱問題，且紅外測溫的準確度和可靠性受大氣測試背景、距離系數、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確地測量，而封閉式開關柜等場合無法使用。

現有的在線監測方法及其特點：

1）光纖分布式。探頭接觸被測點，不需要電池。需敷設光纖，安裝不便，光纖斷后的接續無專業設備無法實現，另外由于設計到寬帶光源、光信號的調制、解調和光監測等器件系統復雜、成本高、技術難度大。準確程度一般。

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。位置要求嚴格隱蔽的觸頭接頭處不易實現，需要避免光路交叉影響，溫度量要現場標定和校準。準確程度一般。

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構簡單成本低，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。柜內使用需要裝照明光源給探頭提供能量，照明設備使用成本及運行維護量增加。準確程度高。

6）無線探頭接觸式3。探頭接觸被測點，使用特殊結構的互感器取能。體積大、結構復雜，安裝不便，額外消耗系統能量，互感器本身的發熱是潛在隱患。準確程度高。

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

一、溫差發電的原理

1821年德國人Seebeck發現： 在兩種不同金屬（銻與銅）構成的回路中，如果兩個接頭處存在溫度差，其周圍就會出現磁場，回路中存在電動勢。Seebeck效應是制作測溫熱電偶、溫差發溫差電傳感器的基礎。利用現代半導體技術將兩種不同類型的熱電轉換材料N和P的一端結合并將其置于高溫狀態，另一端開路給以低溫。由于高溫端的熱激發作用較強，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，形成一個溫差發電機。這種發電機在有微小溫差存在的條件下就能將熱能直接轉化為電能，且轉換過程中不需要機械運動部件，也無氣態或液態介質存在。

二、結構概述

本設計中將發電片一側貼在觸頭（接頭）邊的導體上，另一側裝合適大小的散熱片，當觸頭發熱時熱量傳導至散熱片散發。這樣在發電片兩側產生溫度差，其兩極就會產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境溫度10℃，國產發電片即可產生0.3V的電壓，而國外片可產生1V的電壓。兩種片的最高工作溫度都為200℃，最低環境溫度零下40℃）。

使用TPS61200穩壓模塊（該模塊輸入0.3～5.5V范圍內的電壓其輸出端即可選擇性穩定輸出1.8～7V的任意電壓）將發電片的電壓穩定供給到溫度探頭和收發模塊及數據處理單片機。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，當觸頭發熱超過環境溫度10℃時發電片發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模塊把一串包含觸頭溫度和探頭編碼（每個DS18B20都內含全球唯一數字編碼）的信息發給遠方的接收機（使用成熟的2.4G收發技術，成本低易于實現），接收機設有液晶屏幕可查看各過熱點的實際溫度，并根據探頭編碼指示發熱點在系統中的位置?？稍O定超溫聲光報警，可通過網線將數據傳至集控中心的pc后臺機。后臺機內用軟件（數據接口易于實現）可同時處理來自多個站的接收機報來的數據，可查詢，可設定報警。

過熱點溫度上升使發電片發電。穩壓原件在輸入0.3至1.7V的情況下保證輸處3.3V的穩定直流電壓。單片機把來自探頭的溫度和地址碼數據進行處理，通過收模塊發出，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，供判斷發熱點位置使用。收發模塊依單片機指令循環發送數據。

四、結語

整個傳感器成本如使用國內發電片不超過80元，用國外片在150元內，批量生產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，合理設計安裝方式可方便地在開關柜、室內外高壓設備的各種接頭、觸頭處安裝。此裝置仍在試驗階段，在我公司66kV園區變電站接入兩個監測點，通過近3年的效果檢查，成功發現了10kV鋼廠線的手車觸頭的一次過熱故障。其使用效果良好、數據可靠，其在提升輸變電設備的在線監測水平，提高供電可靠性方面有著切實效果。

參考文獻：

[1] 許玉玉.成套開關設備用接觸式在線監測溫度傳感器電源的研制[D].西安交通大學，2009.

[2] 秦歡.高壓測量系統感應取能電源設計[D].華北電力大學，2009.