運行中的電力設備發熱是安全運行的潛在威脅。通過對比分析發現，在變電設備的實際運行中，運行方式的改變、負荷變化較大、高溫天氣時，相關電氣設備大電流的回路連接點、閘刀觸頭比較容易產生發熱等異常情況。電氣設備外部熱缺陷的診斷可參照表1[1]。

    本設計方案提出了在無現場供電和不使用電池的情況下，利用半導體溫差發電技術在高壓、高溫環境下為測溫和控制電路提供電能[2]，當發熱溫差大于10 K時即自動啟動測溫電路，否則斷電等待。利用低功耗單片機測溫電路結合間歇式工作方式進行數據采集與處理，理想地實現了高壓測溫一次設備和二次監測設備的電隔離，保證了系統的安全可靠。
1 測溫方案及原理
    如圖1所示，基于AVR低功耗單片機的測溫裝置由三部分組成：直流發電電路、穩壓電路和低功耗單片機測溫報警電路。直流電產生模塊是利用半導體溫差發電模塊產生直流電能。半導體溫差發電模塊的冷、熱面一旦有了溫度差，溫差發電模塊兩端就產生電壓差。由于溫度差很難固定，半導體溫差模塊產生的壓差不穩定，不滿足單片機測溫電路的要求。為此 ，首先須對電壓進行升壓、穩壓處理，然后用穩定的電壓給單片機測溫電路提供電能。如果給一片40 mm×40 mm、126對PN結的半導體發電模塊提供15 K的溫差，就能產生約0.6 V(大于0.5 V的超低壓充電泵的開啟電壓)的開路電壓，通過超低壓充電泵啟動DC-DC控制器工作，從而提供3.3 V、200 mA的輸出為后續測溫電路供電。

2 發電電路
    半導體溫差發電模塊主要利用其冷面和熱面之間的溫差來產生電，因此如何獲得熱源以及如何降低冷面的溫度至關重要。盡量提高發電模塊冷熱面之間的溫差是發電裝置設計中的關鍵[3]。根據實際測溫要求，選擇電氣設備發熱部件（如接線排等）直接作為發電模塊熱面的加熱源，冷面加裝散熱片和一個風扇，驅動風扇的電能也是由半導體溫差模塊產生，其發電裝置如圖2所示。電氣設備的接線排在出現發熱故障時，溫度可上升到313 K～373 K。為了把發熱體的熱量盡可能高效地傳給半導體溫差發電模塊，把安裝片的一端面直接與發熱體接觸，另一面緊貼半導體溫差發電模塊3的熱面。同時在安裝片4和半導體溫差模塊的熱面(B面)之間涂上很薄的一層硅膠，可以把接觸面的空氣排走，讓模塊表面與安裝片充分接觸。這樣熱量通過安裝片傳導到高溫面，傳熱效率高。半導體溫差模塊的冷面(A面)和散熱片2之間也涂有硅膠，并且在散熱片上加一個額定工作電壓為1.5 V的風扇(1)。風扇的啟/停由單片機控制，這樣可以將冷面溫度控制在333 K以內。

    輸出開路電壓隨溫差變化的情況如圖3所示，根據曲線可以看出 l K的溫差可以產生0.04 V以上的電壓。同時，在溫差發電模塊兩端接上匹配電阻時，輸出的功率隨溫度的變化情況如圖4所示，可以看出，l K的溫差可以產生0.0045 W的匹配功率。在該系統中，當溫差發電模塊冷、熱面溫差小于40 K時，溫差發電模塊輸出的電能僅提供給單片機測溫電路。當溫差發電模塊冷、熱面溫差超過40 K時，電風扇啟動以降低冷面溫度，溫差發電模塊輸出電壓為1.6 V左右，此時一部分能量為風扇供電，另一部分能量供給單片機測溫電路。

3 穩壓電路
    半導體溫差發電存在的突出問題是輸出電壓不穩定，當溫差較小時輸出電壓也很小。由圖3可知，當溫差發電模塊冷、熱面溫差小于25 K時，開路輸出電壓小于1 V。要保證后續單片機電路正常工作，供電電壓必須大于2.6 V，通常情況下采用升壓式充電泵或升壓式DC/DC轉換器[4]。傳統充電泵的最低輸入電壓在0.9～1.0 V之間，升壓式DC/DC轉換器的最低輸入電壓也為1.0 V左右(啟動電壓為0.6～0.7 V)。如果輸入電壓降到0.6 V以下，則傳統的充電泵或DC/DC轉換器內部的電路(如振蕩器、誤差放大器、邏輯控制電路、電子開關等)不能正常工作，用傳統的升壓器件無法解決用0.6 V以下的輸入電壓達到升壓的目的。
    這里采用TI公司的一款超低輸入電壓同步DC/DC轉換器TPS61201[5]。該IC的主要特點：效率高（在VIN≥1.8 V、輸出電壓3.3 V、輸出電流300 mA時，其效率大于85%)；根據輸入電壓的大小能自動轉換成升壓模式或降壓模式；靜態電流小(小于50 μA)；輸入電壓在0.5 V時，在滿負載時也能啟動工作；輸入工作電壓范圍寬，從0.3 V～5.5 V；輸入低電壓鎖存的電壓可設定；有輸出短路保護；有輸出電壓可設定及固定輸出的品種供用戶選擇；在輸出功率較低時有節能模式，可提高效率；有可能強制按固定效率工作；在關閉電源時，負載與輸入端斷開；有過熱保護；工作溫度范圍-40 ℃～+120 ℃(空氣自然散熱時推薦-40 ℃～+85 ℃)；小尺寸3 mm×3 mm QFN封裝。該轉換器特別適合于太陽能電池、燃料電池、溫差或振動發電的供電條件的應用。應用電路如圖5所示。

 4 測溫報警電路
    本設計采用AVR低功耗單片機和一線制數字溫度傳感器結合紅外LED發射管組成測溫報警電路。控制器選用了ATmega8L型單片機；溫度測量采用DS18B20型溫度傳感器；報警發光二級管采用GP1303CA紅外線LED。電路構成如圖6所示。

    ATmega8L型單片機[6]，特性工作電壓2.7 V～5.5 V，4 MHz空閑模式功耗1 mA（3 V，25 ℃），內部集成上電復位電路(Power-On-Reset)和掉電檢測電路(Brown-out-detection)，并具有5種休眠模式，特別適合低功耗工作環境。
    DS18B20型溫度傳感器[7]，特性工作電壓3.0 V～5.5 V，測溫范圍-55 ℃～+125 ℃，分辯率：9～12位可調，最小溫度分辨率0.062 5 ℃，測量精度在-10 ℃～+85 ℃范圍內±0.5 ℃，輸出接口為數字信號、1-Wire 總線，不銹鋼管密封，防水、防腐蝕。
    散熱風扇采用定制的專用排風扇。選用防水電機SRE-300-14270，電機工作電壓0.5 V～4 V(額定電壓1.9 V)，空載電流32 mA，最大輸出功率0.42 W。當設備發熱部件溫升達到330 K時，CPU通過端口PB0（高電平有效）接通開關管Q，由半導體溫差發電模塊直接給排風扇供電對半導體溫差發電模塊的冷端進行風冷降溫，以確保冷、熱端間能獲得盡量大的溫度差。實際調試表明，此時發電模塊的輸出電壓約1.8 V，輸出電流可達100 mA，負載的總耗電流約80 mA，滿足系統的正常工作要求。隨著溫度的升高，溫差模塊的輸出功率會逐漸增大，排風扇的降溫效果也逐漸增強，測試表明在排風扇工作的情況下，溫差模塊冷端的溫度被強制在340 K左右。
    GP1303CA紅外線LED為GaAs材料[8]，中心波長940 nm，符合具有夜視能力的普通監控CCD攝像機的敏感光譜范圍；輻射強度10 mW/sr，功率150 mW(If=20 mA)，攝像機在150 m的距離可清晰攝取該紅外圖像。CPU根據發熱溫度是否超限以及發熱溫度與環境溫度的溫差值的不同以不同頻率驅動紅外LED閃爍報警，報警紅外光信號由現場監控攝像機接收并處理。LED閃爍頻率與溫度差的對應關系見表2。

5 終端工作原理
    當被監測的設備部件有發熱且高于環境溫度12 K以上時，半導體溫差發電模塊輸出0.5 V左右的電壓，升壓式DC/DC轉換器TPS61201啟動，對測溫電路提供穩定的3.3 V供電。此時，單片機ATmega8L由斷電等待狀態轉入通電工作狀態，終端控制程序被啟動。正式使用時，終端首先完成其內部系統的初始化，即通信協議的初始化；各端口使能與初始化，確認溫度傳感器連接完好；向DS18B20中TH/TL位寫入最高/最低溫度門限，讀取該溫度傳感器的身份標志碼(該標志碼亦代表該終端設備的身份)。啟動后，終端由ATmega8L單片機控制，定期向溫度傳感器DS18B20發送溫度轉換指令，DS18B20在完成溫度轉換后會自動將溫度值和TH/TL寄存器中的觸發門限相比較。如比較結果表明測量溫度高于TH或低于TL中的門限值，則設置報警標志位。隨后，CPU在讀取溫度值的同時也讀取報警標志位，CPU根據溫度是否超限以及溫度值的不同以不同頻率驅動紅外LED閃爍報警，報警紅外光信號由現場監控攝像機接收并處理。這樣，終端就完成了溫度的檢測與報警功能。測溫工作流程圖如圖7。

    當升壓式DC/DC轉換器提供的電壓低于ATmega8L最低工作電壓（ATmega8L＜2.7 V，DS18B20＜1.6 V）時，ATmega8片內BOD(Brown-out Detection)測試工作過程中VCC的變化。此觸發電平通過VBODLEVEL設定為2.7 V(BODLEVEL未編程)或4.0 V(BODLEVEL已編程)。工作過程中發生掉電檢測復位時將對其自身復位并處于掉電等待狀態，等待下一次的上電啟動，BOD的觸發電平具有遲滯功能以消除電源尖峰的影響。當升壓式DC/DC轉換器TPS61201的輸入電壓低于0.3 V時，輸出被關閉(VOUT=0)并鎖存，只有當VIN>0.4 V時電源才恢復工作。此時，單片機ATmega8L重新由斷電等待狀態轉入通電工作狀態。
    本文設計的溫度檢測終端，其外圍設備簡單，由現場發熱源提供電能，功耗低，傳輸無線化。可以用在需要對發熱缺陷進行實時檢測而現場不能提供電源、或采用電池供電連續工作時間短且更換不便等場合。
參考文獻
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