基于温差发电供能的无源无线测温系统的设计*

陈前，张国钢，刘竞存，耿英三，王建华

（西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安710049）

0 引 言

电力设备是高压输配电系统中的重要组成部分，其健康状况关系着供电的安全和稳定。长时间过载运行或者载流量过大引起局部温度过高是电力设备故障的主要原因之一。电力设备局部温度过高轻者影响设备的使用寿命，严重时会引发设备故障，引起停电事故，甚至造成电力系统的崩溃和瘫痪，从而造成严重的经济损失。因此，温度监测已成为高压电力设备运行状态监测中的一项重要内容。

在电力设备状态监测中，温度测量方法可以分为接触式和非接触式的测量方法，非接触式测量方法有红外测温法［1］、光纤光栅测温法［2-3］、声表面波测温法［4］等，接触式测温方法主要有热电偶测温法、铂电阻测温法等。红外测温法虽然无绝缘问题，但其输出与探头到目标的距离有关，易受周围环境温度的干扰；光纤光栅测温法需要稳定可靠的激光光源，成本较高；声表面波测温法中传感器需要接收激励信号，其测量的精度受到被测物体位移的影响；热电偶测温法精度较低且易受腐蚀；铂电阻测温法精度高，不易受环境条件影响。由于电力设备在运行过程中通常承载高压或者通过大电流，因此采用铂电阻测温法，需要解决数据传输和供能问题。

利用能量收集和转换技术从设备工作现场获得传感器所需的电能成为研究热点。在高压电力设备中有三种杂散的能量可以利用：以振动形式存在的机械能、设备发出/泄露出的电磁能量以及由于设备发热而与环境间的温差［5］。感应取电法［6-8］可以收集电磁能量，但在高电压应用场合时，其天线结构由于绝缘问题而变得复杂。太阳能供电方式［7］虽然无电磁屏蔽问题，但其受物理条件影响较大，在使用中受到限制。温差发电是一种新的供能方式，具有体积小、重量轻，免维护，使用寿命长，节能环保等优点。文章基于温差发电原理，设计了一套适用于高压电力设备的测温系统，采用铂电阻分压法进行温度测量，并通过红外方式实现数据传输。

1 温差发电基本原理

塞贝克效应是一种热电效应，该效应是1823年德国科学家塞贝克（Seebeck）发现的。在一个闭合回路中，有两种不同材料的导体，当导体两头的温度不同时，电路中会产生电动势［8］，该电动势被称为温差电动势，而该效应被称为塞贝克效应［9］。半导体温差发电片是基于塞贝克效应［10］，如图1所示。

图1 塞贝克效应Fig.1 Seebeck effect

用P和N型半导体组成的电偶，通过一端电极连接负载，构成闭合回路。P型半导体材料是富空穴材料，N型半导体材料是富电子材料，一端相连形成PN结置于高温，另一端置于低温，则由于热激发作用，P型和N型半导体材料高温端的空穴和电子浓度高于低温端，因此在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就开始向低温端扩散，从而形成电动势。

回路中产生的温差电动势为［11］：

式中α为半导体材料的塞贝克系数。

此电动势分别加到温差发电片内阻r和负载电阻RL上，在负载电阻上的压降即为输出电压，则输出电压Uo、输出电流I和输出功率Po分别为：

对于一个温差发电片，其内部是由多对上述的PN结串联而成，其中α和r是由材料的特性决定的。因此，提高输出功率的关键是提高其两端的温差。

2 高压侧供电方案设计

电力系统中温度测量传感器一般安装在电力设备的高压侧，其供电和数据传输受到绝缘隔离要求的限制，成为设计的难题。文中采用温差发电原理，设计了一套无需外部电源的高压侧供电方案。

2.1 温差发电片的选择和热阻计算

实验方案中采用TEP1-142T300型温差发电片，其材料为Bi2Te3，内阻3Ω，导热系数1.5 W/m·K。温差发电片的输出功率与发电片热端与冷端的温差有关。温差越大，发电片输出的功率越高，而发电片两端面的温差与多个因素相关：热端面热源温度、冷端面散热器的散热功率、环境温度等。提高散热功率是提高输出功率的有效方法，实验中采用的铝散热器结构如图2所示，接触面涂覆导热硅脂。系统热量传导过程为：热量从被测对象的发热表面通过温差发电片，流向与温差发电片相接触的铝散热器，散热器通过自然对流作用向周围空气传热。

图2 散热器结构模型Fig.2 Model of heat sink

温差发电片的热阻为：

散热器的热阻：

式中L＝40 mm；b＝1 mm；h＝11 mm；n＝13。散热器的其他参数如表1所示。

散热器与空气的热阻：

在散热器和温差发电片的总热阻：

表1 散热器散热参数Tab.1 Heat dissipation parameters

2.2 电源模块的硬件结构

电源模块由超低电压型升压转换芯片LTC3108及其外围元件组成。如图3所示，LTC3108利用外部的电容C1、变压器T的初级线圈和在SW端的内部耗尽型N沟道MOSFET开关形成一个谐振振荡器，超低电压经谐振振荡器，直流电压变为交流电压，再经变压器T升压后，由芯片内部整流器整流，输出稳定的电压。该电压通过VOUT端向后级电路供电，当收集能量充足时，通过VSTORE端对储能电容器充电，VSTORE的充电电压可以达到5 V。储能电容器在发电功率不足时，通过VSTORE端给后级电路供电［12］。通过PGD端可以监测系统的供电电压，当VOUT端电压大于设定电压的92.5%时，PGD端输出高电平；当电压降落超过9%时，PGD端输出低电平。

图3 电源模块Fig.3 Powermodule

单片发电片的开路电压，与温差成正比，即：

实测开路电压的拟合结果：α≈47.30 mV/℃，发电片内阻r＝3Ω，等效负载电阻RL＝4Ω，η＝38%，考虑充电损耗，实际的发电功率为：

以此发电功率对一个470μF的电容充电，不考虑电容的泄露电流和其他损耗，充电电压从0～3.3 V，所需的时间约为：

假设以此电容器为后级电路供电，后级电路消耗的电流I＝10 mA，电容器的电压降至3 V时后级的电路停止工作，则可以维持工作的时间为：

也就是维持工作的时间为13.46 ms，所以后级电路需要采用间歇式的工作方式，否则在低压差时，无法维持正常的工作电压。

3 系统的软硬件设计

由于高压电力设备在运行过程中承载高电压，所以将测温系统分为高压侧和低压侧，高压侧是发送端，低压侧是接收端和上位机。高压发送端放置在高压电力设备的测温点，接收端放置在一定距离远的低压安全位置，发送端采集的数据通过红外发射电路发送，接收端接收数据，计算对应的温度，然后经过RS485总线向上位机发送温度数据。

3.1 系统硬件设计

（1）发送端

如图4所示，发送端由控制器、测温电路、红外数据发送电路等部分组成。由于在测温系统的供电系统为温差发电，所以对控制器的要求：（1）低启动电压；（2）低功耗运行；（3）具有高精度 ADC模块。本设计选用了某公司的MSP430F149专为低功耗应用场合而设计，该芯片可以在低至1.8 V的电压下工作，具有LMP0-LMP4共五种低功耗工作模式。正常活动模式下，在2.2 V供电电压，1 MHz运行频率下，芯片仅消耗280μA；最低功耗运行模式下，只有32.768 kHz低频晶振为单片机提供外部时钟信号，其他模块进入休眠状态，电流消耗仅1.6μA。

图4 发送端硬件结构Fig.4 Hardware structure of sending terminal

测温模块电路如图5所示，通过基准二极管产生基准源为铂电阻和基准精密电阻Rref供电。

图5 测温电路Fig.5 Temperature measuring circuit

采用PT1000的铂电阻，在温度范围是0～200℃时，电阻范围为1 000.00Ω～1 758.56Ω。为了提高温度测量的精度，则铂电阻上的电压的变化范围应达到最大，铂电阻上的电压的变化范围为：

电压变化的比例为：

考虑到铂电阻、参考电阻的温漂、标称值等误差以及稳压二极管的精度，以及ADC的误差，输出电压的相对误差为：

铂电阻和参考电阻的相对误差 αRt/Rt、αRref/Rref为0.04%和0.01%；稳压二极管的电压误差αLM385为120μV；ADC的相对量化误差σQE为2－13；ADC内部参考电压精度 αADref/VADref为 2－11。

代入式（16），得Uo的相对误差为：

在控制器内部计算铂电阻阻值，其相对误差为：

铂电阻与温度值的对应关系为：

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

则温度值的最大误差为：

从降低系统功耗的角度出发，采用间歇式的供电方式。采用IO口的输出电压为测温电路供电，在需要AD转换时，IO口输出高电平，然后对Uo进行AD转换，进而得到电压值和电阻值；在完成AD转换后，单片机进入休眠前，使IO口输出低电平，由于休眠的时间远多于AD转换的时间，所以这种间歇式的供电方式能够大大降低测温电路的功耗。

利用限流电阻R1来限制测温支路的总电流，可进一步降低了测温过程的功耗。稳压二极管采用低功耗稳压二极管LM385-2.5，其工作电流范围从20 μA到20 mA。R1的阻值过大时，有可能使稳压二极管无法正常工作。所以，当Rt最小时，铂电阻上的电流最大。设置当供电电压u＞3 V时，系统开始正常工作，也就是LTC3108芯片的PGD端为高电平时，系统开始正常工作，否则进入休眠状态。

红外发射电路主要完成将传输电信号转换为光信号的工作。在该电路中，从单片机的I/O口中发送出的已调制的数据脉冲，通过驱动三极管使红外发光管点亮，向外发送红外光信号。

（2）接收端

红外接收电路是将接收到的光脉冲信号转换为电信号［13］。选用型号为HS0038B的红外接收头。器件内集成了带通滤波器，采用集电极开路输出。红外接收头将接收的光信号转换为电脉冲信号，并解调为数据信号，送入控制器中。在接收端数据通过RS485串行通讯接口经线缆传输到上位机。

3.2 系统软件设计

高压侧发送端系统的软件主要实现温度的测量和数据的发送等功能，以最低功耗的方式运行。由于温度的变化较为缓慢，采用间歇式测量。

（1）主程序

在上电之后，首先初始化系统时钟、外部端口、和定时器，然后打开定时器中断，进入低功耗LPM3模式。在该模式下，控制器可以被外部中断唤醒。在实验中，设置定时器中断的时间间隔为5 s，即控制器每5 s被唤醒一次。

（2）定时器中断子程序

在定时器中断子程序中，先判断系统的电压是否满足要求，即判断LTC3108芯片的PGD引脚电平。若是高电平，则说明电压充足，进入数据采集和数据发送的操作，若是低电平，则进入休眠，系统继续充电，等待下一次定时器中断。

（3）温度测量程序

温度测量程序主要是进行AD转换。ADC设置成单通道多次采样，打开内部基准电压源。每完成一次采样，系统读取一次采样值。当进行10次采样后，关闭内部基准电压源和ADC，以节省功耗。

（4）数据发送

在完成数据采集之后，采用去极值滤波和均值滤波的方法对数据进行滤波处理。上述两种滤波方法可以有效地降低噪声干扰。

低压侧程序的主要功能是将接收的数据计算得到对应的温度值，并将温度值通过串行485接口发送到上位机。铂电阻的电阻值为：

由铂电阻的阻值计算对应的温度值，通常纯软件的非线性矫正法有逐次逼近法、查表法等。为了降低计算量和获得较高的精度，文中采用查表法。

4 实验结果与分析

根据实际应用场景，设计和搭建了图6所示的温度测量实验平台。在母排表面贴上发热板作为热源，模拟发热点。发热板的前级接调压器，控制发热板的输入电压，从而控制发热功率。

图6 实验平台Fig.6 Experiment platform

（1）温度测量实验

如图7为实验母排的温度变化曲线，环境温度25℃，发热功率约30 W。启动时，母排的表面温度为28℃。温度数据每5 s接收一次，上位机对温度数据处理后存储。通过实验测量，接收距离可以达到5 m，接收范围为10°，数据收发准确。

图7 母排的温度曲线Fig.7 Temperature variation curve of bus bar

（2）系统启动时间

调节变压器变比，模拟不同情况下异常发热，记录从开始通电到接收到第一个实验数据的时间差，温差为发热板表面同环境温度的差值。结果表明，发热功率越大，温差越大，系统的启动时间越短。即使之前储能电容中电能已经消耗殆尽，通过重新收集能量，系统能够在较短的时间内启动，启动时间曲线如图8所示。

图8 系统启动时间曲线Fig.8 Starting time curve of system

5 结束语

设计了一种用于高压电力设备的测温系统，以温差发电为系统供能，铂电阻作为温度敏感元件，通过红外方式传输温度测量数据，在接收端通过串行接口将数据传输到远端上位机。红外信号传输距离可以达到5 m，角度范围为10°。系统采用间歇式的工作方式，在休眠时控制器运行在最低功耗模式下，自动监测供电电压启动测温。进行了温度测量实验，获得系统启动时间和发热功率的关系。实验结果表明，该系统测温模块无需额外的供电措施和传输线路，能够在设备异常发热时快速启动测温和报警，满足了电力设备温升监测的需求。