大电流配网设备用无源温度传感器设计与应用

大电流配网设备用无源温度传感器设计与应用

王文祥

上海健三电子有限公司

摘要：大电流配电网开关设备通常用于配电系统的关键部位，其安全可靠运行在其所在的配电系统中起着至关重要的作用，而配电网设备的温升是关键因素。该项目代表了一种用于配电电源的无源无线温度传感器的设计和测试计划，通过计算配电电源的发热量，选择热电半导体元件为供电的传感器产生能量，硬件传感器的电路、软件及集成应用完成。最后，利用大型发电实验室仪器设计并测试了传感器的供电效果和测温功能，并通过人工模拟海拔实验舱在高原广阔的环境中测试了上述效果和功能。

关键词：配网设备；无源无线温度传感器；设计与应用

引言：大型电力设备运行过程中可能出现多种异常温升问题：大电流配电网的开关设备一般用作配电系统中负荷较大的输入线路、连接（断路）或馈电功能单元，其异常温升发生较多，需要引起重视。在配电网电气设备的设计中，在线温度传感器往往安装在主回路导体的滑动触头或固定触头的位置，实时测量温度，或由配电网进行定期测量。在维修期间使用红外热像仪，然后计算温升指数，以评估配电网络设备及其系统的可维护性。

一、无源温度传感器应用原理

对于已经投入使用的变电站，配电室增加无线测温系统，以往的解决方案都要在开关柜上开孔，安装接收设备，要花费巨大的人力物力与钱财，停电的时间又相当漫长，而且要求专门技术人员施工，因此非常的不便利。新型的集中式无源无线测温传感器主要针对已投入使用的变电所，以及配电室增加无线测温系统改造的特殊状况，并提出新型解决方案特别适合于改变已有站和户外设备的测温方式，亦适合于新建电站。由于接触电阻值的增大，在持续通流状况下将会促进设备的衔接点氧化，而氧化结果又导致接触电阻值的进一步增多，发热加剧，温度持续上升，导致高温过热。而高温过热问题又是一个不断发展的过程，如果不加以控制，过热程度会不断加剧，每次温度变化所增加的接触电阻值，将会使下一次循环的热量增加[1]。

所要求的高温会使导线的运行条件更加恶化，从而产生恶性循环，严重降低电气设备的使用寿命。一般的高温计算方法周期长、施工繁琐，质量差，不便于管理，出现问题后需要花费巨大的时间物理检查和重新敷设电缆。但由于在特殊情况下监测点分散、场地封闭或有较高压力，很多的温度方式都不能完成测温任务。于是采用了无源无线的温度传感器中的单片微处理器控制，将被测量的水温通过无线水质感应器转换成数字信号，再通过无线发射接收模块传递至读写器，通过微处理器将采集到的温度信息，通过无线通讯模块上传到计算机后台监控端口。

二、常用温度传感器应用不足

在这个阶段，配电网设备设计中常用的在线温度测量通常使用电池供电的短距离无线温度测量、罗氏线圈电源和荧光光纤直接温度测量。在配电开关中，仪器实际应用存在以下缺点：电池供电的无线测温传感器应用灵活，但受限于电池测量容量小，需要定期更换电池；罗氏线圈供电的无线测温传感器依靠导体电流感应产生电流，可以连续使用，但不适用于测量不适合汲取电流的配电电源中的绝缘部件和金属部件的温度及其范围，荧光光纤测温利用光纤的绝缘特性直接接触被测部件，温度测量是基于荧光信号（强度或寿命）受温度影响不同的原理，但在高压大电流网络中铺设光纤时，很容易引起漏电现象，导致不必要的事故。配网设备常用的维护方法是定期用红外测温仪或红外热像仪测温，费时费力，且难以及时发现隐患。结合上述温度传感器的不足，本设计开发了一种微功率无源温度传感器，利用配网设备运行过程中热点与环境的温差，选择合适的温度传感器。热电半导体发电模块作为温度传感器电源，利用无线通信与温度数据采集终端数据进行通信，改进温度传感器在配电电源中的安装应用，也可结合温升指数算法预警设备健康状况。

三、无源微功耗温度传感器设计

（一）传感器硬件电路设计

传感器硬件电路主要由自给电源、温度传感器和主控箱三部分组成。低压升压转换器和磁滞比较器电路。如图1 所示，通过低功耗降压分压器电路进行电压调节，最后提供3.3V和2.5V电源。两个电源分别为主控芯片和外围电路，以及无线传输模块和辅助电路供电。

图1  温度传感器自供电源部分电路示意图

1.发电模块的设计与选型

半导体热电发电模块是根据塞贝克效应设计的，即两个半导体的连接是在高温下进行的，在低温环境的另一端可以获得电动势，P型导体和N型半导体在热端连接，B电压可由连接器接收。一个PN结所能产生的电动势是有限的，将多个这样的PN结串联起来就可以得到足够的电压，这就是热电发电模块A。半导体热电发电模块技术已开发并产业化。本设计基于配网设备的实际发热和散热情况，确定了温度传感器自主供电的热电半导体发电模块的主要指标。热电发电模块的温差容差范围是热端最高最低温度与冷端最高最低温度之差。

2. 主控单元电路设计

主控单元包括控制芯片主电路和测温电路。控制芯片的主电路以德州仪器MSP430单片机为核心，单片机外围设计的复位、晶振、信号等电路根据应用最少. 测温电路采用NTC热敏电阻温度传感器通过限流电阻输入到OPA333运放正端作为测温，同时设计精密电阻分压器和反馈电路输入负端终端。放大器设置参考电压，运放的输出端连接到芯片的输入引脚，将采集到的温度连接并发送给主控单元进行处理。

（二）传感器软件程序设计

传感器软件中的主控芯片执行定时器中断后，主动将处理后的温度数据通过无线传输电路发送到温度数据采集终端，获取被测物体的温度数据。同步时间可以设置为从几秒到 1分钟。传感器软件的框图如图 2 所示。本软件的设计遵循简单可靠的原则，无需任何数据计算和分析。它有两个特点：一是与常用的在线温度传感器相比，增加了温度检测和传输的频率，优化和提高了在线温度数据反馈的及时性和连续性，二是简化了程序执行的逻辑和主程序的各个阶段，以降低传感器的工作压力。

图2  传感器程序流程图

四、应用技术要点

（一）电气应用技术要点

在配电设备设计中，通常使用6～12个温度传感器，对应测温端口，通信示意图如图3所示。测温装置集成在二次测控电路中，布置在配电网设备的仪表室中，通过ZigBee无线通信轮询多个温度传感器的数据，并根据数据主动发送到远程维护平台。温度测量装置基于设备在运行条件下的热亏缺。基于局部温度变化率在短时间内增加的明显迹象，计算并比较1分钟时间间隔内采样的温度值，1分钟时间间隔内的温度值根据以下公式计算：y(t) ==。当 y(t) 较上一间隔时间的变化率值≥8 时，继续与同部位不同相序 ( 比如: 同为断路器室动触头(上) 的另外两相) 的 2 个变化率值进行对比，如3个变化率值两两对比均≤10，则考虑为因配网设备运行在昼夜不同时间段的环境温度差异、负荷增减导致的温度差异，不做处理。如3个变化率值两两对比有其中一组 ＞ 10，则考虑为热缺陷进行预警处理。

图3  温度传感器在配网设备中的集成应用示意图

（二）安装应用技术要点

传感器在配网设备中分别安装在母排上，用来检测母排发热情况，尤其是检测母排固定连接处、滑动连接处的温升情况。传感器热端预设有内丝的沉孔，可以直接固定在母排或者金属件、绝缘件等待测物的固定螺栓上方便快捷，传感器在配网设备中的安装示意如图 4 所示。安装时尽量保证传感器冷端朝下，利用配网设备的散热路径从下往上的特点增大传感器冷热端温度差[2]。

图4   温度传感器在配网开关设备安装应用示意图

五、测试验证

（一）常规功能性测试验证

传感器样机试制完成后，在宁夏 × × 电气科学研究院实验室内利用大电流发生器建立 4000A 电流试验回路，并将12个传感器按图4安装在配网设备不同部位验证其自取电稳定性和温度测量功能，测量数据对比见表1(环温 12℃ ) 。

表1 传感器测温与红外测温枪 (额定电流 4000A)数据对比  

通过试验和测量数据对比， 温度传感器样机在4000A 大电流工况下工作正常，与经过周期校准的手持红外测温枪进行温度数据比对，数据误差最大0. 6℃ ，符合最初设计要求。

（二）高原环境下功能验证

将上述试验合格后的传感器样机，继续通过高海拔人工环境试验舱 (见图 5) 在 3000m 高原气候 (压力 67. 24kPa、温度 12℃、 湿度60% ) 下，叠加建立4000A 电流试验回路，并将12个传感器如图4 安装在配网设备不同部位验证其取电稳定性和温度测量功能，测量数据对比见表2。

图5  高海拔环境人工模拟试验

表2  无线测温与红外测温 (额定电流4000A下)数据对比

通过试验和测量数据对比，温度传感器样机在3000m 高海拔人工气候室和 4000A 大电流工况下工作正常，与经过周期校准的手持红外测温枪进行温度数据比对，数据误差最大1. 0℃ ，达到设计要求。

结论：综上所述，本文通过了一种用于配电网设备在线监测的无线温度传感器的开发过程，并着重研究和分析了基于配电网设备和传感器实际应用性能的发电用热电半导体元件的选择。最后，在实验室大电流发生装置和高空人工模拟舱的工作环境中解释和测试他的工作数据。对比测试结果表明，根据本设计方案开发的无源无线温度传感器适用于海拔≤3000m的大电流配网设备在线测温，比传统电池供电温度传感器和红外更方便传感器，提高配电网设备免维护水平。

参考文献：

[1]郭培恒，袁亚忠，李睿.一种基于电平调节的红外成像检测方法研究与应用[J].电工文摘.2016(01)：45-47.

[2]郝唯文，江世进，张琼，严靖凯.用于变电站的RFID无线温度传感器[J].机械与电子.2020(07)：134-137.