張慶平 高 博 李學(xué)鋒 徐 志 丁立科

（1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院 2.寧夏力成電氣集團(tuán)有限公司）

0 引言

電力設(shè)備在運(yùn)行過程中，容易出現(xiàn)四類異常溫升問題：一是導(dǎo)流回路連接不良，通過負(fù)荷電流時(shí)產(chǎn)生異常溫升；二是絕緣部分在劣化或故障時(shí)，在運(yùn)行電壓下產(chǎn)生異常溫升；三是具有磁回路的設(shè)備，由于漏磁、飽磁等原因引起局部環(huán)流或渦流造成異常溫升；四是綜合類溫升，有電流、電壓或電磁等復(fù)雜原因引起的溫升［1］。大電流配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備一般作為配電系統(tǒng)的進(jìn)線、聯(lián)絡(luò)（分?jǐn)啵┗虼筘?fù)荷饋線功能單元應(yīng)用，其異常溫升的情況發(fā)生的頻率更高、更需要關(guān)注，所以在配網(wǎng)設(shè)備電氣應(yīng)用設(shè)計(jì)中，經(jīng)常在主回路導(dǎo)體滑動(dòng)接觸或固定接觸部位設(shè)置在線溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測量，或者在維保階段通過紅外熱成像測試儀進(jìn)行定期測量，進(jìn)而計(jì)算溫升指標(biāo)來評價(jià)配網(wǎng)設(shè)備及其系統(tǒng)的健康狀況。

1 常用溫度傳感器應(yīng)用不足

現(xiàn)階段配網(wǎng)設(shè)備在應(yīng)用設(shè)計(jì)中常用的在線測溫一般采用電池供電、羅氏線圈供電的近距離無線測溫，和熒光光纖直接測溫，上述幾種測溫方式在配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備實(shí)際應(yīng)用中存在如下不足：電池供電無線測溫傳感器應(yīng)用靈活，但受制于電池容量較小，為降低功耗溫度采集周期為1～3min或更長，可見存在電池壽命與測量頻率矛盾的問題，且必須定期更換電池；羅氏線圈供電無線測溫傳感器依靠導(dǎo)體電流感應(yīng)取電可連續(xù)使用，但不太適用于配網(wǎng)設(shè)備中不宜取流的絕緣件、金屬部件的溫度測量，應(yīng)用范圍受限；熒光光纖測溫利用光纖的絕緣性能直接接觸待測部位，通過熒光信號（強(qiáng)度或壽命）受溫度影響變化不同的原理測溫，但光纖敷設(shè)在高電壓大電流電力系統(tǒng)，很容易造成爬電現(xiàn)象，產(chǎn)生不應(yīng)有的事故［2］。而配網(wǎng)設(shè)備維保中常用的方式是紅外測溫槍或紅外熱成像儀進(jìn)行定期測溫，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。結(jié)合上述溫度傳感器的不足，本設(shè)計(jì)研制一種無源微功耗溫度傳感器，利用配網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行中發(fā)熱點(diǎn)（待測點(diǎn)）和其周圍環(huán)境溫度差，選擇合適的半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊作為溫度傳感器電源，采用ZigBee無線通信與溫度采集終端數(shù)據(jù)交互，以及改進(jìn)溫度傳感器在配網(wǎng)設(shè)備中安裝和應(yīng)用方式，并能結(jié)合溫升指標(biāo)算法預(yù)警設(shè)備健康狀況。

2 無源微功耗溫度傳感器設(shè)計(jì)

2.1 傳感器硬件電路設(shè)計(jì)

傳感器硬件電路主要包括自供電源、溫度采集、主控單元三部分構(gòu)成，其中自供電源部分采用半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊為核心，經(jīng)耦合電感和超低壓升壓轉(zhuǎn)換器和滯環(huán)比較器電路進(jìn)行升壓、穩(wěn)壓，最后通過低功耗降壓分壓電路輸出3.3V和2.5V電源，如圖1所示。兩路電源分別為主控芯片及外圍電路和無線發(fā)射模塊及附屬電路提供電源。

圖1 溫度傳感器自供電源部分電路示意圖

2.1.1 發(fā)電模塊的設(shè)計(jì)與選型

半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊是根據(jù)賽貝克效應(yīng)制成的，即把兩種半導(dǎo)體的接合端置于高溫，處于低溫環(huán)境的另一端即可得到電動(dòng)勢，P導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在熱端連接，則在冷端可得到一個(gè)電壓［3］。一個(gè)PN結(jié)所能產(chǎn)生的電動(dòng)勢有限，將很多個(gè)這樣的PN結(jié)串聯(lián)起來就可得到足夠電壓，為一個(gè)溫差發(fā)電模塊［4］。半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊技術(shù)成熟已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，本設(shè)計(jì)基于配網(wǎng)設(shè)備實(shí)際發(fā)熱和散熱情況，確定溫度傳感器自供電源用半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的主要指標(biāo)。溫差發(fā)電模塊耐受溫差范圍是其熱端最高、最低溫度與冷端最高、最 低溫度的差值。

熱端最高溫度，可以按照標(biāo)準(zhǔn)［5］中配網(wǎng)設(shè)備在周圍空氣不超過40℃下相關(guān)觸頭、螺栓連接導(dǎo)電溫升極限來確定，如表1所示。

表1 高壓交流開關(guān)設(shè)備及控制設(shè)備導(dǎo)電部位在氧化性氣體（OG）中溫度和溫升極限

查表1獲得配網(wǎng)設(shè)備允許導(dǎo)電部位最高溫度為115℃，考慮傳感器測量溫度還要耐受短時(shí)異常溫升，其耐受最高溫度至少要比極限的溫度高出5%的余量，即傳感器熱端最高溫度可以確定為115℃×1.05=120℃左右。

熱端最低溫度按照大電流配網(wǎng)設(shè)備（≥2500A）第三方型式試驗(yàn)報(bào)告（18Q1413-S）中1.1倍溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（環(huán)溫40℃）確定，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 2500A高壓交流開關(guān)設(shè)備型式試驗(yàn)報(bào)告導(dǎo)電部位中溫度和溫升數(shù)據(jù)

查表2獲得大電流配網(wǎng)設(shè)備其導(dǎo)電部位最低溫度為76℃，可以估算出傳感器熱端最低耐受溫度為76℃左右。

冷端最高溫度因考慮配網(wǎng)設(shè)備為達(dá)到防護(hù)等級要求，其外殼結(jié)構(gòu)大部分處于密封狀態(tài)，僅在柜頂?shù)自O(shè)置自然對流通道和強(qiáng)制風(fēng)冷設(shè)備進(jìn)行局部降溫，因此傳感器冷端最高溫度實(shí)際超過標(biāo)準(zhǔn)所述40℃，可以按照標(biāo)準(zhǔn)［5］中配網(wǎng)設(shè)備在周圍空氣不超過40℃下的有涂層金屬及絕緣件溫升極限來估算，如表3所示。

表3 高壓交流開關(guān)設(shè)備及控制設(shè)備有涂層金屬及絕緣件溫度和溫升極限

查表3配網(wǎng)設(shè)備正常運(yùn)行期間不持續(xù)接觸有涂層金屬外殼溫度，間接確定柜內(nèi)被測導(dǎo)體周圍環(huán)境溫度極限值，也就是傳感器冷端所處的最高溫度為70℃。

冷端最低溫度同樣采用第三方型式試驗(yàn)報(bào)告（18Q1413-S）中1.1倍溫升實(shí)驗(yàn)下的金屬外殼數(shù)據(jù)推算（環(huán)溫40℃），如表4所示。

表4 2500A高壓交流開關(guān)設(shè)備型式試驗(yàn)報(bào)告金屬外殼溫度和溫升數(shù)據(jù)

查表4獲得大電流配網(wǎng)設(shè)備其正常運(yùn)行期間不持續(xù)接觸的金屬外殼表面最低溫度為52℃，可以估算出傳感器冷端最低耐受溫度為52℃左右。

因此，通過傳感器熱端最高溫度耐受值120℃與冷端最高溫度耐受值70℃，以及熱端最低溫度耐受值76℃與冷端最低溫度耐受值52℃，可以估算出半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的適用的溫差范圍應(yīng)在24～50℃之間。通過上述計(jì)算選擇合適的半導(dǎo)體發(fā)電模塊主要參數(shù)如表5所示。

表5 半導(dǎo)體發(fā)電模塊主要參數(shù)

2.1.2 主控單元電路設(shè)計(jì)

主控單元包括主控芯片電路和溫度采集電路。主控芯片電路采用德州儀器MSP430單片機(jī)為核心，單片機(jī)外圍在滿足應(yīng)用的考慮下設(shè)計(jì)了復(fù)位、晶振、信號等最小電路。溫度采集電路設(shè)計(jì)采用NTC熱敏電阻溫度傳感器經(jīng)限流電阻輸入至OPA333運(yùn)算放大器正極作為溫度采集，同時(shí)設(shè)計(jì)精密電阻分壓及反饋電路輸入放大器負(fù)極建立參考電壓，運(yùn)算放大器輸出端與芯片輸入引腳連接，將采集的溫度送主控單元處理。

2.2 傳感器軟件程序設(shè)計(jì)

傳感器軟件程序中主控芯片執(zhí)行定時(shí)器中斷后，通過無線發(fā)射電路向溫度采集終端主動(dòng)發(fā)送處理后的溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)待測物的溫度定時(shí)采集。定時(shí)時(shí)間可設(shè)置為幾秒到1min，傳感器軟件程序流程圖如圖2所示。

圖2 傳感器程序流程圖

本程序設(shè)計(jì)遵循簡單可靠原則，目的是完成待測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，不做任何數(shù)據(jù)計(jì)算和分析的設(shè)計(jì)，有兩個(gè)特點(diǎn)：一是比常用在線溫度傳感器調(diào)高了溫度采集和發(fā)送頻率，優(yōu)化提升在線溫度數(shù)據(jù)反饋的及時(shí)性和連續(xù)性；二是精簡了執(zhí)行程序邏輯和主程序步驟，減輕傳感器的運(yùn)行壓力。

3 應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)

3.1 電氣應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)

在配網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用設(shè)計(jì)中一般采用6～12個(gè)溫度傳感器對應(yīng)一個(gè)溫度采集終端，其通信示意圖如圖3所示。溫度采集裝置集成設(shè)計(jì)在配網(wǎng)設(shè)備儀表室內(nèi)的二次測控回路中，采用Zig Bee無線通信與多個(gè)溫度傳感器輪詢數(shù)據(jù)，并按照預(yù)設(shè)的算法向遠(yuǎn)程服務(wù)平臺主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。溫度采集裝置根據(jù)設(shè)備在工況下的熱缺陷短時(shí)間內(nèi)局部溫度的變化率上升較明顯的特征作為依據(jù)，對1min時(shí)間間隔內(nèi)輪詢到的溫度值進(jìn)行計(jì)算比較，1min時(shí)間間隔內(nèi)的溫度值計(jì)算按照下式計(jì)算：

圖3 溫度傳感器在配網(wǎng)設(shè)備中的集成應(yīng)用示意圖

當(dāng)y（t）較上一間隔時(shí)間的變化率值≥8時(shí)，繼續(xù)與同部位不同相序（比如：同為斷路器室動(dòng)觸頭（上）的另外兩相）的2個(gè)變化率值進(jìn)行對比，如3個(gè)變化率值兩兩對比均≤10，則考慮為因配網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行在晝夜不同時(shí)間段的環(huán)境溫度差異、負(fù)荷增減導(dǎo)致的溫度差異，不做處理。如3個(gè)變化率值兩兩對比有其中一組＞10，則考慮為熱缺陷進(jìn)行預(yù)警處理。

3.2 安裝應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)

傳感器在配網(wǎng)設(shè)備中分別安裝在母排上，用來檢測母排發(fā)熱情況，尤其是檢測母排固定連接處、滑動(dòng)連接處的溫升情況［6］。傳感器熱端預(yù)設(shè)有內(nèi)絲的沉孔，可以直接固定在母排或者金屬件、絕緣件等待測物的固定螺栓上方便快捷，傳感器在配網(wǎng)設(shè)備中的安裝示意如圖4所示。安裝時(shí)盡量保證傳感器冷端朝下，利用配網(wǎng)設(shè)備的散熱路徑從下往上的特點(diǎn)增大傳感器冷熱端溫度差。

圖4 溫度傳感器在配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備安裝應(yīng)用示意圖

4 測試驗(yàn)證

4.1 常規(guī)功能性測試驗(yàn)證

傳感器樣機(jī)試制完成后，在寧夏××電氣科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用大電流發(fā)生器建立4000A電流試驗(yàn)回路，并將12個(gè)傳感器按圖4安裝在配網(wǎng)設(shè)備不同部位驗(yàn)證其自取電穩(wěn)定性和溫度測量功能，測量數(shù)據(jù)對比見表6（環(huán)溫12℃）。

表6 傳感器測溫與紅外測溫槍（額定電流4000A）數(shù)據(jù)對比

通過試驗(yàn)和測量數(shù)據(jù)對比，溫度傳感器樣機(jī)在4000A大電流工況下工作正常，與經(jīng)過周期校準(zhǔn)的手持紅外測溫槍進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)比對，數(shù)據(jù)誤差最大0.6℃，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.2 高原環(huán)境下功能驗(yàn)證

將上述試驗(yàn)合格后的傳感器樣機(jī)，繼續(xù)通過高海拔人工環(huán)境試驗(yàn)艙（見圖5）在3000m高原氣候（壓力67.24kPa、溫度12℃、濕度60%）下，疊加建立4000A電流試驗(yàn)回路，并將12個(gè)傳感器如圖4安裝在配網(wǎng)設(shè)備不同部位驗(yàn)證其取電穩(wěn)定性和溫度測量功能，測量數(shù)據(jù)對比見表7。

圖5 高海拔環(huán)境人工模擬試驗(yàn)

表7 無線測溫與紅外測溫（額定電流4000A下）數(shù)據(jù)對比

通過試驗(yàn)和測量數(shù)據(jù)對比，溫度傳感器樣機(jī)在3000m高海拔人工氣候室和4000A大電流工況下工作正常，與經(jīng)過周期校準(zhǔn)的手持紅外測溫槍進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)比對，數(shù)據(jù)誤差最大1.0℃，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文通過對配網(wǎng)設(shè)備在線監(jiān)測用溫差取電無線溫度傳感器的研制過程進(jìn)行闡述，重點(diǎn)研究分析了通過配網(wǎng)設(shè)備實(shí)際應(yīng)用指標(biāo)選擇半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件，以及對傳感器硬件電路、軟件程序、集成應(yīng)用進(jìn)行說明，最后通過實(shí)驗(yàn)室大電流發(fā)生裝置、高海拔人工模擬艙測試其在工況環(huán)境下運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過測試結(jié)果比對表明：該設(shè)計(jì)方案研制的無源無線溫度傳感器適用于海拔≤3000m下的大電流配網(wǎng)設(shè)備在線溫度測量，相比傳統(tǒng)采用電池供電等溫度傳感器和紅外熱成像測量應(yīng)用更方便，提升配網(wǎng)設(shè)備的免維護(hù)水平。