大电流配网设备用无源温度传感器设计与应用

张庆平 高 博 李学锋 徐 志 丁立科

（1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院 2.宁夏力成电气集团有限公司）

0 引言

电力设备在运行过程中，容易出现四类异常温升问题：一是导流回路连接不良，通过负荷电流时产生异常温升；二是绝缘部分在劣化或故障时，在运行电压下产生异常温升；三是具有磁回路的设备，由于漏磁、饱磁等原因引起局部环流或涡流造成异常温升；四是综合类温升，有电流、电压或电磁等复杂原因引起的温升［1］。大电流配网开关设备一般作为配电系统的进线、联络（分断）或大负荷馈线功能单元应用，其异常温升的情况发生的频率更高、更需要关注，所以在配网设备电气应用设计中，经常在主回路导体滑动接触或固定接触部位设置在线温度传感器进行实时温度测量，或者在维保阶段通过红外热成像测试仪进行定期测量，进而计算温升指标来评价配网设备及其系统的健康状况。

1 常用温度传感器应用不足

现阶段配网设备在应用设计中常用的在线测温一般采用电池供电、罗氏线圈供电的近距离无线测温，和荧光光纤直接测温，上述几种测温方式在配网开关设备实际应用中存在如下不足：电池供电无线测温传感器应用灵活，但受制于电池容量较小，为降低功耗温度采集周期为1～3min或更长，可见存在电池寿命与测量频率矛盾的问题，且必须定期更换电池；罗氏线圈供电无线测温传感器依靠导体电流感应取电可连续使用，但不太适用于配网设备中不宜取流的绝缘件、金属部件的温度测量，应用范围受限；荧光光纤测温利用光纤的绝缘性能直接接触待测部位，通过荧光信号（强度或寿命）受温度影响变化不同的原理测温，但光纤敷设在高电压大电流电力系统，很容易造成爬电现象，产生不应有的事故［2］。而配网设备维保中常用的方式是红外测温枪或红外热成像仪进行定期测温，费时费力且不易及时发现隐患。结合上述温度传感器的不足，本设计研制一种无源微功耗温度传感器，利用配网设备运行中发热点（待测点）和其周围环境温度差，选择合适的半导体温差发电模块作为温度传感器电源，采用ZigBee无线通信与温度采集终端数据交互，以及改进温度传感器在配网设备中安装和应用方式，并能结合温升指标算法预警设备健康状况。

2 无源微功耗温度传感器设计

2.1 传感器硬件电路设计

传感器硬件电路主要包括自供电源、温度采集、主控单元三部分构成，其中自供电源部分采用半导体温差发电模块为核心，经耦合电感和超低压升压转换器和滞环比较器电路进行升压、稳压，最后通过低功耗降压分压电路输出3.3V和2.5V电源，如图1所示。两路电源分别为主控芯片及外围电路和无线发射模块及附属电路提供电源。

图1 温度传感器自供电源部分电路示意图

2.1.1 发电模块的设计与选型

半导体温差发电模块是根据赛贝克效应制成的，即把两种半导体的接合端置于高温，处于低温环境的另一端即可得到电动势，P导体和N型半导体在热端连接，则在冷端可得到一个电压［3］。一个PN结所能产生的电动势有限，将很多个这样的PN结串联起来就可得到足够电压，为一个温差发电模块［4］。半导体温差发电模块技术成熟已经产业化，本设计基于配网设备实际发热和散热情况，确定温度传感器自供电源用半导体温差发电模块的主要指标。温差发电模块耐受温差范围是其热端最高、最低温度与冷端最高、最 低温度的差值。

热端最高温度，可以按照标准［5］中配网设备在周围空气不超过40℃下相关触头、螺栓连接导电温升极限来确定，如表1所示。

表1 高压交流开关设备及控制设备导电部位在氧化性气体（OG）中温度和温升极限

查表1获得配网设备允许导电部位最高温度为115℃，考虑传感器测量温度还要耐受短时异常温升，其耐受最高温度至少要比极限的温度高出5%的余量，即传感器热端最高温度可以确定为115℃×1.05=120℃左右。

热端最低温度按照大电流配网设备（≥2500A）第三方型式试验报告（18Q1413-S）中1.1倍温升实验数据（环温40℃）确定，相关数据如表2所示。

表2 2500A高压交流开关设备型式试验报告导电部位中温度和温升数据

查表2获得大电流配网设备其导电部位最低温度为76℃，可以估算出传感器热端最低耐受温度为76℃左右。

冷端最高温度因考虑配网设备为达到防护等级要求，其外壳结构大部分处于密封状态，仅在柜顶底设置自然对流通道和强制风冷设备进行局部降温，因此传感器冷端最高温度实际超过标准所述40℃，可以按照标准［5］中配网设备在周围空气不超过40℃下的有涂层金属及绝缘件温升极限来估算，如表3所示。

表3 高压交流开关设备及控制设备有涂层金属及绝缘件温度和温升极限

查表3配网设备正常运行期间不持续接触有涂层金属外壳温度，间接确定柜内被测导体周围环境温度极限值，也就是传感器冷端所处的最高温度为70℃。

冷端最低温度同样采用第三方型式试验报告（18Q1413-S）中1.1倍温升实验下的金属外壳数据推算（环温40℃），如表4所示。

表4 2500A高压交流开关设备型式试验报告金属外壳温度和温升数据

查表4获得大电流配网设备其正常运行期间不持续接触的金属外壳表面最低温度为52℃，可以估算出传感器冷端最低耐受温度为52℃左右。

因此，通过传感器热端最高温度耐受值120℃与冷端最高温度耐受值70℃，以及热端最低温度耐受值76℃与冷端最低温度耐受值52℃，可以估算出半导体温差发电模块的适用的温差范围应在24～50℃之间。通过上述计算选择合适的半导体发电模块主要参数如表5所示。

表5 半导体发电模块主要参数

2.1.2 主控单元电路设计

主控单元包括主控芯片电路和温度采集电路。主控芯片电路采用德州仪器MSP430单片机为核心，单片机外围在满足应用的考虑下设计了复位、晶振、信号等最小电路。温度采集电路设计采用NTC热敏电阻温度传感器经限流电阻输入至OPA333运算放大器正极作为温度采集，同时设计精密电阻分压及反馈电路输入放大器负极建立参考电压，运算放大器输出端与芯片输入引脚连接，将采集的温度送主控单元处理。

2.2 传感器软件程序设计

传感器软件程序中主控芯片执行定时器中断后，通过无线发射电路向温度采集终端主动发送处理后的温度数据，实现待测物的温度定时采集。定时时间可设置为几秒到1min，传感器软件程序流程图如图2所示。

图2 传感器程序流程图

本程序设计遵循简单可靠原则，目的是完成待测点温度数据采集和发送，不做任何数据计算和分析的设计，有两个特点：一是比常用在线温度传感器调高了温度采集和发送频率，优化提升在线温度数据反馈的及时性和连续性；二是精简了执行程序逻辑和主程序步骤，减轻传感器的运行压力。

3 应用技术要点

3.1 电气应用技术要点

在配网设备应用设计中一般采用6～12个温度传感器对应一个温度采集终端，其通信示意图如图3所示。温度采集装置集成设计在配网设备仪表室内的二次测控回路中，采用Zig Bee无线通信与多个温度传感器轮询数据，并按照预设的算法向远程服务平台主动发送数据。温度采集装置根据设备在工况下的热缺陷短时间内局部温度的变化率上升较明显的特征作为依据，对1min时间间隔内轮询到的温度值进行计算比较，1min时间间隔内的温度值计算按照下式计算：

图3 温度传感器在配网设备中的集成应用示意图

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。

3.2 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［6］。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。

图4 温度传感器在配网开关设备安装应用示意图

4 测试验证

4.1 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6（环温12℃）。

表6 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℃，达到设计要求。

4.2 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7。

图5 高海拔环境人工模拟试验

表7 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。

5 结束语

本文通过对配网设备在线监测用温差取电无线温度传感器的研制过程进行阐述，重点研究分析了通过配网设备实际应用指标选择半导体温差发电组件，以及对传感器硬件电路、软件程序、集成应用进行说明，最后通过实验室大电流发生装置、高海拔人工模拟舱测试其在工况环境下运行数据。通过测试结果比对表明：该设计方案研制的无源无线温度传感器适用于海拔≤3000m下的大电流配网设备在线温度测量，相比传统采用电池供电等温度传感器和红外热成像测量应用更方便，提升配网设备的免维护水平。