陳前，張國鋼，劉競存，耿英三，王建華

（西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，西安710049）

0 引 言

電力設備是高壓輸配電系統(tǒng)中的重要組成部分，其健康狀況關系著供電的安全和穩(wěn)定。長時間過載運行或者載流量過大引起局部溫度過高是電力設備故障的主要原因之一。電力設備局部溫度過高輕者影響設備的使用壽命，嚴重時會引發(fā)設備故障，引起停電事故，甚至造成電力系統(tǒng)的崩潰和癱瘓，從而造成嚴重的經(jīng)濟損失。因此，溫度監(jiān)測已成為高壓電力設備運行狀態(tài)監(jiān)測中的一項重要內(nèi)容。

在電力設備狀態(tài)監(jiān)測中，溫度測量方法可以分為接觸式和非接觸式的測量方法，非接觸式測量方法有紅外測溫法［1］、光纖光柵測溫法［2-3］、聲表面波測溫法［4］等，接觸式測溫方法主要有熱電偶測溫法、鉑電阻測溫法等。紅外測溫法雖然無絕緣問題，但其輸出與探頭到目標的距離有關，易受周圍環(huán)境溫度的干擾；光纖光柵測溫法需要穩(wěn)定可靠的激光光源，成本較高；聲表面波測溫法中傳感器需要接收激勵信號，其測量的精度受到被測物體位移的影響；熱電偶測溫法精度較低且易受腐蝕；鉑電阻測溫法精度高，不易受環(huán)境條件影響。由于電力設備在運行過程中通常承載高壓或者通過大電流，因此采用鉑電阻測溫法，需要解決數(shù)據(jù)傳輸和供能問題。

利用能量收集和轉換技術從設備工作現(xiàn)場獲得傳感器所需的電能成為研究熱點。在高壓電力設備中有三種雜散的能量可以利用：以振動形式存在的機械能、設備發(fā)出/泄露出的電磁能量以及由于設備發(fā)熱而與環(huán)境間的溫差［5］。感應取電法［6-8］可以收集電磁能量，但在高電壓應用場合時，其天線結構由于絕緣問題而變得復雜。太陽能供電方式［7］雖然無電磁屏蔽問題，但其受物理條件影響較大，在使用中受到限制。溫差發(fā)電是一種新的供能方式，具有體積小、重量輕，免維護，使用壽命長，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。文章基于溫差發(fā)電原理，設計了一套適用于高壓電力設備的測溫系統(tǒng)，采用鉑電阻分壓法進行溫度測量，并通過紅外方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

1 溫差發(fā)電基本原理

塞貝克效應是一種熱電效應，該效應是1823年德國科學家塞貝克（Seebeck）發(fā)現(xiàn)的。在一個閉合回路中，有兩種不同材料的導體，當導體兩頭的溫度不同時，電路中會產(chǎn)生電動勢［8］，該電動勢被稱為溫差電動勢，而該效應被稱為塞貝克效應［9］。半導體溫差發(fā)電片是基于塞貝克效應［10］，如圖1所示。

圖1 塞貝克效應Fig.1 Seebeck effect

用P和N型半導體組成的電偶，通過一端電極連接負載，構成閉合回路。P型半導體材料是富空穴材料，N型半導體材料是富電子材料，一端相連形成PN結置于高溫，另一端置于低溫，則由于熱激發(fā)作用，P型和N型半導體材料高溫端的空穴和電子濃度高于低溫端，因此在這種濃度梯度的驅動下，空穴和電子就開始向低溫端擴散，從而形成電動勢。

回路中產(chǎn)生的溫差電動勢為［11］：

式中α為半導體材料的塞貝克系數(shù)。

此電動勢分別加到溫差發(fā)電片內(nèi)阻r和負載電阻RL上，在負載電阻上的壓降即為輸出電壓，則輸出電壓Uo、輸出電流I和輸出功率Po分別為：

對于一個溫差發(fā)電片，其內(nèi)部是由多對上述的PN結串聯(lián)而成，其中α和r是由材料的特性決定的。因此，提高輸出功率的關鍵是提高其兩端的溫差。

2 高壓側供電方案設計

電力系統(tǒng)中溫度測量傳感器一般安裝在電力設備的高壓側，其供電和數(shù)據(jù)傳輸受到絕緣隔離要求的限制，成為設計的難題。文中采用溫差發(fā)電原理，設計了一套無需外部電源的高壓側供電方案。

2.1 溫差發(fā)電片的選擇和熱阻計算

實驗方案中采用TEP1-142T300型溫差發(fā)電片，其材料為Bi2Te3，內(nèi)阻3Ω，導熱系數(shù)1.5 W/m·K。溫差發(fā)電片的輸出功率與發(fā)電片熱端與冷端的溫差有關。溫差越大，發(fā)電片輸出的功率越高，而發(fā)電片兩端面的溫差與多個因素相關：熱端面熱源溫度、冷端面散熱器的散熱功率、環(huán)境溫度等。提高散熱功率是提高輸出功率的有效方法，實驗中采用的鋁散熱器結構如圖2所示，接觸面涂覆導熱硅脂。系統(tǒng)熱量傳導過程為：熱量從被測對象的發(fā)熱表面通過溫差發(fā)電片，流向與溫差發(fā)電片相接觸的鋁散熱器，散熱器通過自然對流作用向周圍空氣傳熱。

圖2 散熱器結構模型Fig.2 Model of heat sink

溫差發(fā)電片的熱阻為：

散熱器的熱阻：

式中L＝40 mm；b＝1 mm；h＝11 mm；n＝13。散熱器的其他參數(shù)如表1所示。

散熱器與空氣的熱阻：

在散熱器和溫差發(fā)電片的總熱阻：

表1 散熱器散熱參數(shù)Tab.1 Heat dissipation parameters

2.2 電源模塊的硬件結構

電源模塊由超低電壓型升壓轉換芯片LTC3108及其外圍元件組成。如圖3所示，LTC3108利用外部的電容C1、變壓器T的初級線圈和在SW端的內(nèi)部耗盡型N溝道MOSFET開關形成一個諧振振蕩器，超低電壓經(jīng)諧振振蕩器，直流電壓變?yōu)榻涣麟妷?，再?jīng)變壓器T升壓后，由芯片內(nèi)部整流器整流，輸出穩(wěn)定的電壓。該電壓通過VOUT端向后級電路供電，當收集能量充足時，通過VSTORE端對儲能電容器充電，VSTORE的充電電壓可以達到5 V。儲能電容器在發(fā)電功率不足時，通過VSTORE端給后級電路供電［12］。通過PGD端可以監(jiān)測系統(tǒng)的供電電壓，當VOUT端電壓大于設定電壓的92.5%時，PGD端輸出高電平；當電壓降落超過9%時，PGD端輸出低電平。

圖3 電源模塊Fig.3 Powermodule

單片發(fā)電片的開路電壓，與溫差成正比，即：

實測開路電壓的擬合結果：α≈47.30 mV/℃，發(fā)電片內(nèi)阻r＝3Ω，等效負載電阻RL＝4Ω，η＝38%，考慮充電損耗，實際的發(fā)電功率為：

以此發(fā)電功率對一個470μF的電容充電，不考慮電容的泄露電流和其他損耗，充電電壓從0～3.3 V，所需的時間約為：

假設以此電容器為后級電路供電，后級電路消耗的電流I＝10 mA，電容器的電壓降至3 V時后級的電路停止工作，則可以維持工作的時間為：

也就是維持工作的時間為13.46 ms，所以后級電路需要采用間歇式的工作方式，否則在低壓差時，無法維持正常的工作電壓。

3 系統(tǒng)的軟硬件設計

由于高壓電力設備在運行過程中承載高電壓，所以將測溫系統(tǒng)分為高壓側和低壓側，高壓側是發(fā)送端，低壓側是接收端和上位機。高壓發(fā)送端放置在高壓電力設備的測溫點，接收端放置在一定距離遠的低壓安全位置，發(fā)送端采集的數(shù)據(jù)通過紅外發(fā)射電路發(fā)送，接收端接收數(shù)據(jù)，計算對應的溫度，然后經(jīng)過RS485總線向上位機發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。

3.1 系統(tǒng)硬件設計

（1）發(fā)送端

如圖4所示，發(fā)送端由控制器、測溫電路、紅外數(shù)據(jù)發(fā)送電路等部分組成。由于在測溫系統(tǒng)的供電系統(tǒng)為溫差發(fā)電，所以對控制器的要求：（1）低啟動電壓；（2）低功耗運行；（3）具有高精度 ADC模塊。本設計選用了某公司的MSP430F149專為低功耗應用場合而設計，該芯片可以在低至1.8 V的電壓下工作，具有LMP0-LMP4共五種低功耗工作模式。正?；顒幽Ｊ较?，在2.2 V供電電壓，1 MHz運行頻率下，芯片僅消耗280μA；最低功耗運行模式下，只有32.768 kHz低頻晶振為單片機提供外部時鐘信號，其他模塊進入休眠狀態(tài)，電流消耗僅1.6μA。

圖4 發(fā)送端硬件結構Fig.4 Hardware structure of sending terminal

測溫模塊電路如圖5所示，通過基準二極管產(chǎn)生基準源為鉑電阻和基準精密電阻Rref供電。

圖5 測溫電路Fig.5 Temperature measuring circuit

采用PT1000的鉑電阻，在溫度范圍是0～200℃時，電阻范圍為1 000.00Ω～1 758.56Ω。為了提高溫度測量的精度，則鉑電阻上的電壓的變化范圍應達到最大，鉑電阻上的電壓的變化范圍為：

電壓變化的比例為：

考慮到鉑電阻、參考電阻的溫漂、標稱值等誤差以及穩(wěn)壓二極管的精度，以及ADC的誤差，輸出電壓的相對誤差為：

鉑電阻和參考電阻的相對誤差 αRt/Rt、αRref/Rref為0.04%和0.01%；穩(wěn)壓二極管的電壓誤差αLM385為120μV；ADC的相對量化誤差σQE為2－13；ADC內(nèi)部參考電壓精度 αADref/VADref為 2－11。

代入式（16），得Uo的相對誤差為：

在控制器內(nèi)部計算鉑電阻阻值，其相對誤差為：

鉑電阻與溫度值的對應關系為：

在0℃≤t≤600℃條件下，A＝3.908 02×10－3，B＝－5.801 95×10－7，C＝－4.273 51×10－12。

則溫度值的最大誤差為：

從降低系統(tǒng)功耗的角度出發(fā)，采用間歇式的供電方式。采用IO口的輸出電壓為測溫電路供電，在需要AD轉換時，IO口輸出高電平，然后對Uo進行AD轉換，進而得到電壓值和電阻值；在完成AD轉換后，單片機進入休眠前，使IO口輸出低電平，由于休眠的時間遠多于AD轉換的時間，所以這種間歇式的供電方式能夠大大降低測溫電路的功耗。

利用限流電阻R1來限制測溫支路的總電流，可進一步降低了測溫過程的功耗。穩(wěn)壓二極管采用低功耗穩(wěn)壓二極管LM385-2.5，其工作電流范圍從20 μA到20 mA。R1的阻值過大時，有可能使穩(wěn)壓二極管無法正常工作。所以，當Rt最小時，鉑電阻上的電流最大。設置當供電電壓u＞3 V時，系統(tǒng)開始正常工作，也就是LTC3108芯片的PGD端為高電平時，系統(tǒng)開始正常工作，否則進入休眠狀態(tài)。

紅外發(fā)射電路主要完成將傳輸電信號轉換為光信號的工作。在該電路中，從單片機的I/O口中發(fā)送出的已調(diào)制的數(shù)據(jù)脈沖，通過驅動三極管使紅外發(fā)光管點亮，向外發(fā)送紅外光信號。

（2）接收端

紅外接收電路是將接收到的光脈沖信號轉換為電信號［13］。選用型號為HS0038B的紅外接收頭。器件內(nèi)集成了帶通濾波器，采用集電極開路輸出。紅外接收頭將接收的光信號轉換為電脈沖信號，并解調(diào)為數(shù)據(jù)信號，送入控制器中。在接收端數(shù)據(jù)通過RS485串行通訊接口經(jīng)線纜傳輸?shù)缴衔粰C。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

高壓側發(fā)送端系統(tǒng)的軟件主要實現(xiàn)溫度的測量和數(shù)據(jù)的發(fā)送等功能，以最低功耗的方式運行。由于溫度的變化較為緩慢，采用間歇式測量。

（1）主程序

在上電之后，首先初始化系統(tǒng)時鐘、外部端口、和定時器，然后打開定時器中斷，進入低功耗LPM3模式。在該模式下，控制器可以被外部中斷喚醒。在實驗中，設置定時器中斷的時間間隔為5 s，即控制器每5 s被喚醒一次。

（2）定時器中斷子程序

在定時器中斷子程序中，先判斷系統(tǒng)的電壓是否滿足要求，即判斷LTC3108芯片的PGD引腳電平。若是高電平，則說明電壓充足，進入數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送的操作，若是低電平，則進入休眠，系統(tǒng)繼續(xù)充電，等待下一次定時器中斷。

（3）溫度測量程序

溫度測量程序主要是進行AD轉換。ADC設置成單通道多次采樣，打開內(nèi)部基準電壓源。每完成一次采樣，系統(tǒng)讀取一次采樣值。當進行10次采樣后，關閉內(nèi)部基準電壓源和ADC，以節(jié)省功耗。

（4）數(shù)據(jù)發(fā)送

在完成數(shù)據(jù)采集之后，采用去極值濾波和均值濾波的方法對數(shù)據(jù)進行濾波處理。上述兩種濾波方法可以有效地降低噪聲干擾。

低壓側程序的主要功能是將接收的數(shù)據(jù)計算得到對應的溫度值，并將溫度值通過串行485接口發(fā)送到上位機。鉑電阻的電阻值為：

由鉑電阻的阻值計算對應的溫度值，通常純軟件的非線性矯正法有逐次逼近法、查表法等。為了降低計算量和獲得較高的精度，文中采用查表法。

4 實驗結果與分析

根據(jù)實際應用場景，設計和搭建了圖6所示的溫度測量實驗平臺。在母排表面貼上發(fā)熱板作為熱源，模擬發(fā)熱點。發(fā)熱板的前級接調(diào)壓器，控制發(fā)熱板的輸入電壓，從而控制發(fā)熱功率。

圖6 實驗平臺Fig.6 Experiment platform

（1）溫度測量實驗

如圖7為實驗母排的溫度變化曲線，環(huán)境溫度25℃，發(fā)熱功率約30 W。啟動時，母排的表面溫度為28℃。溫度數(shù)據(jù)每5 s接收一次，上位機對溫度數(shù)據(jù)處理后存儲。通過實驗測量，接收距離可以達到5 m，接收范圍為10°，數(shù)據(jù)收發(fā)準確。

圖7 母排的溫度曲線Fig.7 Temperature variation curve of bus bar

（2）系統(tǒng)啟動時間

調(diào)節(jié)變壓器變比，模擬不同情況下異常發(fā)熱，記錄從開始通電到接收到第一個實驗數(shù)據(jù)的時間差，溫差為發(fā)熱板表面同環(huán)境溫度的差值。結果表明，發(fā)熱功率越大，溫差越大，系統(tǒng)的啟動時間越短。即使之前儲能電容中電能已經(jīng)消耗殆盡，通過重新收集能量，系統(tǒng)能夠在較短的時間內(nèi)啟動，啟動時間曲線如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)啟動時間曲線Fig.8 Starting time curve of system

5 結束語

設計了一種用于高壓電力設備的測溫系統(tǒng)，以溫差發(fā)電為系統(tǒng)供能，鉑電阻作為溫度敏感元件，通過紅外方式傳輸溫度測量數(shù)據(jù)，在接收端通過串行接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h端上位機。紅外信號傳輸距離可以達到5 m，角度范圍為10°。系統(tǒng)采用間歇式的工作方式，在休眠時控制器運行在最低功耗模式下，自動監(jiān)測供電電壓啟動測溫。進行了溫度測量實驗，獲得系統(tǒng)啟動時間和發(fā)熱功率的關系。實驗結果表明，該系統(tǒng)測溫模塊無需額外的供電措施和傳輸線路，能夠在設備異常發(fā)熱時快速啟動測溫和報警，滿足了電力設備溫升監(jiān)測的需求。