高压电力设备无源无线测温系统设计
摘要：在电力系统中，长时间过载或大电流引起的升温是高压电气设备故障的主要原因之一。因此，高压电力设备运行期间的温度监测对于保证电源的稳定性和安全性非常重要。本文以500kV高压母线为例，设计并实现了一种高压电力设备无源测温系统。该系统是基于铂的热电阻效应测量温度的，并利用了热电发电模块（TEG）提供的红外光传输数据。TEG的冷端设计了一个有效的散热片。实验样机的散热器由铝基板，热管和电晕环组成。在实验样机所得到的数据的基础上，计算了散热器的总热阻和温度分布以及TEG的温差，并对相间电场分布进行了研究。然后根据低功耗原理开发了测量系统的硬件和软件。实验结果表明，该系统可以实现周期性温度测量。
关键词：无源测温; 热电发电; 铂电阻; 红外通信
介绍
在输配电系统中，高压设备的健康状况对整个电力系统的可靠性和安全性影响很大。因此，有必要在线监测和评估高压设备的状态。那些以高电压或强电流运行的设备可能会出现温度升高。因此，需要对高压设备进行在线温度监控。在目前的温度监测技术中，获得温度的方法包括接触测量方法和非接触测量方法。对于非接触式测量方法，其准确性比接触测量方法[1]差。常用的非接触式测量方法包括：红外测温技术[2]，光纤布拉格光栅测温技术[3-6]和表面声波（SAW）测温技术[7]。红外温度测量技术容易受到外部热源的干扰。光纤布拉格光栅测温技术需要提供激光光源，使用成本较高。表面声波测温技术的准确性很容易受到安装位置的影响。相对于接触式温度测量，铂电阻测温[8]具有更高的精度和更高的抗干扰能力。
对于高压电力设备，温度测量传感器的电源非常重要。尽管传感器的使用寿命取决于电池的能量，但电池供电已成为一种可观的方式。一旦电池能量耗尽，由于部署环境的复杂性，很难更换电池或为电池充电。因此，为其环境获取电能的传感器，即所谓的自激或无源传感器，如今已成为一个热门研究课题。动力设备中存在三种杂散能：机械振动能，热能和漏磁场能[9]。热电发电（TEG）是一种新型的能源供应方式[10]，具有体积小，重量轻，无需维护，寿命长，更节能环保[11]的优点。它可以将温度梯度转换为加热点上的电能。本文设计并实现了一套基于TEG模块的高压电力设备在线温度测量系统，该系统根据铂金的热阻效应测量温度，并通过红外光远程传输数据。
热电发电
TEG按照塞贝克效应的原理工作，塞贝克效应是一种物理现象，即当两种不同金属连接形成闭合电路，并且两个金属结处于不同温度时，将在闭合回路中形成电流。TEG模块可以等同于具有内部电阻的电压源。因此，TEG的开路电压Uoc表示为：
(2-1)
其中alpha;是半导体的塞贝克系数，和是TEG的热侧和冷侧的温度。显然，热电发电机的输出功率如下：
(2-2)
其中r是TEG的内阻，是负载电路对给点温度差的电阻。TEG的输出功率可以通过选择较大尺寸的TEG或增加TEG的温差来增强。 对于给定的TEG模块，最有效的方法是在TEG的冷端安装有效的散热片。
散热器的设计
A.散热器的组件
考虑到高压情况，散热器由铝基板，热管和电晕环组成。 电晕环用于改善散热片周围的电场分布并消散热量。热管主要功能是实现快速导热。
1)热管
热管内部装有液体，热管作为一种传热装置具有方便和高效率的特点。热管可以通过在热管（热源）的蒸发器处的液体蒸发，在冷凝器（散热器）处的蒸气冷凝以及通过毛细力在芯内反向的液体运动来转换大量的能量[12]。 在本文的应用中，热管为U形，并由铝基板固定，如图1所示。
图1 散热器结构
- 电晕环
电晕环是安装在热管上的金属环。电晕环可以避免闪络对温度测量系统造成损害，并且还可以在散热器周围提供更均匀的电压分布。 此外，它具有很大的表面积，具有良好的散热性能。它可以吸收热管冷凝端的热量，并将热量传递给周围的空气。
B.散热器的热网络
散热器的热网如图2所示。本设计的散热器有三条导热路径：TEG - 铝基板 - 空气; TEG - 热管 - 空气; TEG - 热管 - 电晕环 - 空气。系统的热传导过程为：热量从母线流向TEG模块; 然后热管吸收TEG的热量; 然后热量传递到电晕环; 最后，铝基板、热管、电晕环通过自然空气对流在它们各自的表面将热量散出。这些金属的接触表面组件涂有导热油脂，因此这些接触表面的热阻可以被忽略。（Th和Tc - TEG的热和冷侧的温度; THP-CE - 热管冷凝端温度; TCosur和TAlsur电晕环和铝基板表面的温度; T空气 - 空气温度; RTEG，R生命值，R有限公司和R人 - TEG，热管，电晕环和铝基底的热阻; R联合航空，RHP-空气和R铝空气 - 热管，电晕环和铝基板与空气之间的热阻。）
图2 热网络
1）TEG
表1给出了热电发电的参数。因此，TEG的热阻可以描述为：
(3-1)
表一 散热片组件的散热参数
|
零件 |
参数 |
|
|
TEG |
尺寸（mm） |
40bull;40bull;5 |
|
材料 |
毕2特3 |
|
|
导热系数 （W /（MK）） |
1.5 |
|
|
铝基板 |
尺寸（mm） |
40bull;40bull;16 |
|
导热系数 （W /（MK）） |
155 |
|
|
表面积（mm2） |
4160 |
|
|
对流系数 （W /（m2·K）） |
12 |
|
|
热管 |
尺寸（mm） |
H = 120; R 3 = |
|
热导率 蒸发结束（W /（m˙K）） |
105 |
|
|
绝缘部分的导热性 （W /（MK）） |
400 |
|
|
冷凝端的导热性 （W /（MK）） |
400 |
|
|
表面积（mm2） |
4093 |
|
|
电晕环 |
对流系数 （W /（m2·K）） |
12 |
|
半径（mm） |
132 |
|
|
表面积（mm2） |
61548 |
|
|
对流系数 （W /（m2·K）） |
12 |
|
2）铝基底
显然，铝基板的热阻可写为：
(3-2)
铝基板和空气之间的热阻可以给出为：
(3-3)
3）热管
为了简化热传导分析，热管的传热模型被固体中不同导热系数的热传导模型所取代不同部分的热管[13]。热管的等效热阻可以描述为：
(3-4)
热管与空气之间的热阻可以给出为：
(3-5)
4）电晕环
电晕环的等效热电阻可以描述为：
(3-6)
电晕环和空气之间的热阻可以给出为
(3-7)
根据图2中的热网络，散热器的总热阻可写为：
(3-8)
其中 (3-9)
如果母线和周围空气之间的温差是7k，TEG的温度差可以描述为：
(3-10)
C.仿真：
1）模拟温度分布
基于导热模块建立散热器三维模型，在边界条件加载和网格生成后，对温度分布进行计算分析[14]。有三个边界条件：Dirichlet边界条件，Neumann边界条件和第三边界条件。第一个边界条件表明边界温度已确定。温度边界条件可以写成如下：
(3-11)
其中为边界，t为时间。
Neumann边界也被称为次边界，意味着在外部法向矢量的方向上的导数是确定的，并且热流入或流出边界，可以表示为：
(3-12)
第三个边界是温度与外部法向量的导数的线性组合。
在本文的应用中，母线表面满足Dirichlet边界条件和散热器表面相遇第三个边界条件。 模拟参数是如表2所示。
表二 模拟参数
|
Th（K） |
306.15 |
|
Tc（K） |
299.15 |
|
对流系数（W /（m2̡K）） |
12 |
2）温度分布的模拟结果
参照（3-9），根据汇流条与空气温差为7K时的模拟结果，TEG的温度梯度为2.4K。
D.电气仿真
500kV三相母线三相间的最小距离为4.3m，最小相间距为3.8m。 相位峰值是：
(3-13)
当B相的电压为Um时，A相和C相的电压为Um/ 2。 靠近地面的空气边界是零电位。仿真结果显示最大电场强度在母线表面。 这也表明了电晕环可以改善其中三个相位的电场分布。
硬件和软件设计
图三 系统的硬件电路
温度测量系统的硬件和软件都是在低功耗的原则下设计的。 温度测量系统有四个模块，包括电源模块，控制器，测量模块和变送器模块。
系统的电源模块由超低压升压转换芯片LTC3108及其外部元件组成。 通过使用匝数比为1：100的耦合电感器，可以在非常低的输入电压下工作。 特别是，PGD引脚可以指示电源模块的电压。 当电压高于3V时，PGD引脚将保持高电平，否则将会变低。 为了增加输入功率，该模块使用两个TEG模块。
温度测量模块包括一个铂电阻（PT1000），一个参考电阻，一个齐纳二极管和一个限流电阻。 发射器模块由红外LED，三极管和几个限流电阻组成。 数据通过红外LED以38 kHz载波传输。 控制器以间歇模式运行，以最大限度地降低总功耗。 内部定时器可以定期从睡眠模式激活控制器。 一旦控制器唤醒，它将利用P1.0来监控电源电压，如果电压过低，控制器将再次进入睡眠模式。为了节能，除了定时器以外，所有的东西都会同时关闭。 接收器使用HS0038B接收温度数据，由RS485总线传输给计算机进行进一步分析。
实验结果和分析
根据仿真模型，实验平台如图4所示。 加热板是该系统的热源，稳压器可以改变输出电压来控制加热板的输出功率。
母线铝基板表面和热管冷凝端的温度如图5所示。 环境温度26℃，加热功率30W左右。 当系统开始工作时，母线表面温度约为28℃。 30分钟后，它达到稳定。 母线温度为43.5℃，铝基和热管冷凝端分别为39℃和32℃。
在相同的条件下，调查测量系统的启动时间。 调整加热板的输入电压后，从加热开始到加热的时间间隔接收第一个数据，也称为开始时间，是记录。 结果表明，系统统能够快速自启动，当温差较高时，启动时间较短。
图4 实验平台
结论
本文设计并实现了一个用于高压电力设备的在线温度测量系统。 系统根据铂电阻的热阻效应测量温度，并通过TEG模块提供的红外光传输数据。 为了提高TEG的输出功率，为TEG的冷端设计了一个有效的散热片。 实验样机的散热器由铝基板，热管和电晕环组成。 温度测量系统的硬件和软件设计遵循低功耗原则。 温度测量系统的电源模块由超低压升压转换器芯片LTC3108及其外部元件组成。 以高压母线为例，建立了实验系统，实验结果表明，一旦母线温度突然异常升高，系统能够实现从冷态自行启动和周期性温度测量的自启动功能。
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