自发电接点温度在线监测系统的设计

刘佳强 李江 关晓林

摘 要：本设计通过改变电力系统中现有各种接点测温装置的供电和布线方式，把过热点的热能通过半导体温差发电片转化为微弱电能并通过升压稳压后提供装置进行接点温度测量，由装置内的单片机对温度和接点位置进行编码，并使用无线传输方式发送给设各站内的后台机，实现接点温度在线监测。

关键词：接点测温；温差发电；传感器

电力系统中高压开关柜等高压电器在负载电流过大、触头接觸不良等情况下会温升过高，可能导致电力设备损坏，从而影响整个电力系统的正常工作，甚至造成巨大的经济损失。及时准确地测出电力设备关键点的温度对于发现并排除故障具有重大意义。

现常使用的红外测温仪器只能做到定期巡检和大负荷安排特巡，不能随时发现过热问题，且红外测温的准确度和可靠性受大气测试背景、距离系数、物体辐射率、工作波长等多因素影响，并要求测试点间无障碍物才能准确地测量，而封闭式开关柜等场合无法使用。

现有的在线监测方法及其特点：

1）光纤分布式。探头接触被测点，不需要电池。需敷设光纤，安装不便，光纤断后的接续无专业设备无法实现，另外由于设计到宽带光源、光信号的调制、解调和光监测等器件系统复杂、成本高、技术难度大。准确程度一般。

2）光纤传输探头接触式。探头接触被测点，需要电池。安装和维护同光纤分布式，且需要更换电池，增加了维护量和不必要的停电。准确程度高。

3）红外探头。探头不接触被测点，不需要电池。位置要求严格隐蔽的触头接头处不易实现，需要避免光路交叉影响，温度量要现场标定和校准。准确程度一般。

4）无线探头接触式1。探头接触被测点，需要电池。只在被测试点安装传感器探头可靠性高结构简单成本低，可需要更换电池，增加了运行维护成本和不必要的停电。准确程度高。

5）无线探头接触式2。探头接触被测点，需使用光伏电池。柜内使用需要装照明光源给探头提供能量，照明设备使用成本及运行维护量增加。准确程度高。

6）无线探头接触式3。探头接触被测点，使用特殊结构的互感器取能。体积大、结构复杂，安装不便，额外消耗系统能量，互感器本身的发热是潜在隐患。准确程度高。

上述可看出，实现接点在线测温最好的方案应是接触式的无线传输，而感温探头和发射信号模块需更换电池。本设计可解决传感器的能量来源。

一、温差发电的原理

1821年德国人Seebeck发现： 在两种不同金属（锑与铜）构成的回路中，如果两个接头处存在温度差，其周围就会出现磁场，回路中存在电动势。Seebeck效应是制作测温热电偶、温差发温差电传感器的基础。利用现代半导体技术将两种不同类型的热电转换材料N和P的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路给以低温。由于高温端的热激发作用较强，此端的空穴和电子浓度比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差。将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，形成一个温差发电机。这种发电机在有微小温差存在的条件下就能将热能直接转化为电能，且转换过程中不需要机械运动部件，也无气态或液态介质存在。

二、结构概述

本设计中将发电片一侧贴在触头（接头）边的导体上，另一侧装合适大小的散热片，当触头发热时热量传导至散热片散发。这样在发电片两侧产生温度差，其两极就会产生一个与温差成正比的电压。（实验证明只要触头温度高于环境温度10℃，国产发电片即可产生0.3V的电压，而国外片可产生1V的电压。两种片的最高工作温度都为200℃，最低环境温度零下40℃）。

使用TPS61200稳压模块（该模块输入0.3～5.5V范围内的电压其输出端即可选择性稳定输出1.8～7V的任意电压）将发电片的电压稳定供给到温度探头和收发模块及数据处理单片机。整个传感器工作起始电压0.3V工作电流在10～15mA即可正常工作。

三、工作过程

正常时传感器处于待机状态，当触头发热超过环境温度10℃时发电片发出足够的电能唤醒整个传感器开始工作，探头把触头实际温度报给单片机处理后通过收发模块把一串包含触头温度和探头编码（每个DS18B20都内含全球唯一数字编码）的信息发给远方的接收机（使用成熟的2.4G收发技术，成本低易于实现），接收机设有液晶屏幕可查看各过热点的实际温度，并根据探头编码指示发热点在系统中的位置。可设定超温声光报警，可通过网线将数据传至集控中心的pc后台机。后台机内用软件（数据接口易于实现）可同时处理来自多个站的接收机报来的数据，可查询，可设定报警。

过热点温度上升使发电片发电。稳压原件在输入0.3至1.7V的情况下保证输处3.3V的稳定直流电压。单片机把来自探头的温度和地址码数据进行处理，通过收模块发出，温度探头接触在测量点上，每个探头有全球唯一识别编码作为地址代码，供判断发热点位置使用。收发模块依单片机指令循环发送数据。

四、结语

整个传感器成本如使用国内发电片不超过80元，用国外片在150元内，批量生产还可大幅度降低成本。加装散热片后整个传感器体积不超过5cm*5cm*2cm，合理设计安装方式可方便地在开关柜、室内外高压设备的各种接头、触头处安装。此装置仍在试验阶段，在我公司66kV园区变电站接入两个监测点，通过近3年的效果检查，成功发现了10kV钢厂线的手车触头的一次过热故障。其使用效果良好、数据可靠，其在提升输变电设备的在线监测水平，提高供电可靠性方面有着切实效果。

参考文献：

[1] 许玉玉.成套开关设备用接触式在线监测温度传感器电源的研制[D].西安交通大学，2009.

[2] 秦欢.高压测量系统感应取能电源设计[D].华北电力大学，2009.