運行中的電力設備發(fā)熱是安全運行的潛在威脅。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，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(fā)熱等異常情況。半導體溫差發(fā)電器是基于塞貝克效應的一種可以將熱能直接轉換成電能的裝置。半導體溫差發(fā)電器作為一種特殊的能量轉化方式，有其獨特的優(yōu)點，特別適合用于對低溫差能量的回收利用。 本文對半導體溫差發(fā)電器的工作過程進行了火用分析，提出了用火用效率作為低溫差下半導體溫差發(fā)器工作性能的評價參數(shù)。并對半導體溫差發(fā)電模塊的工作性能進行了分析，主要考慮了電偶臂的幾何尺寸、接觸效應和湯姆遜效應對其工作性能的影響。由于接觸效應的影響，溫差發(fā)電器的工作效率將隨溫差電偶臂長度的減小而降低，而且接觸效應影響越顯著，工作效率降低的就越迅速。湯姆遜效應對輸出功率有所影響，但并不影響取得最大輸出功率時，負載電阻的匹配條件，降低冷端溫度有利于減小湯姆遜效應對最大輸出功率的影響。這樣可以解決目前面臨的問題。電氣設備外部熱缺陷的診斷可參照表1。

在無現(xiàn)場供電和不使用電池的情況下，利用半導體溫差發(fā)電技術在高壓、高溫環(huán)境下為測溫和控制電路提供電能，當發(fā)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(shù)據(jù)采集與處理，理想地實現(xiàn)了高壓測溫一次設備和二次監(jiān)測設備的電隔離。

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(fā)電電路、穩(wěn)壓電路和低功耗單片機測溫報警電路。半導體溫差發(fā)電模塊的冷、熱面一旦有了溫度差，溫差發(fā)電模塊兩端就產生電壓差。由于溫度差很難固定，為此 ，首先須對電壓進行升壓、穩(wěn)壓處理，然后用穩(wěn)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(fā)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(xù)測溫電路供電。

2 發(fā)電電路

半導體溫差發(fā)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。根據(jù)實際測溫要求，選擇電氣設備發(fā)熱部件直接作為發(fā)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(fā)電裝置如圖2所示。為了把發(fā)熱體的熱量盡可能高效地傳給半導體溫差發(fā)電模塊，把安裝片的一端面直接與發(fā)熱體接觸，另一面緊貼半導體溫差發(fā)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。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。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(jù)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(fā)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，l K的溫差可以產生0.0045 W的匹配功率。當溫差發(fā)電模塊冷、熱面溫差小于40 K時，溫差發(fā)電模塊輸出的電能僅提供給單片機測溫電路。當溫差發(fā)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(fā)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(wěn)壓電路

半導體溫差發(fā)電存在的突出問題是輸出電壓不穩(wěn)定，當溫差較小時輸出電壓也很小。由圖3可知，當溫差發(fā)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(xù)單片機電路正常工作，供電電壓必須大于2.6 V，傳統(tǒng)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。如果輸入電壓降到0.6 V以下，則傳統(tǒng)的充電泵或DC/DC轉換器內部的電路不能正常工作，用傳統(tǒng)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。

這里采用一款超低輸入電壓同步DC/DC轉換器TPS61201。該IC的主要特點：效率高；根據(jù)輸入電壓的大小能自動轉換成升壓模式或降壓模式；靜態(tài)電流小；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；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。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(shù)字溫度傳感器結合紅外LED發(fā)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(fā)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。

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(shù)字信號、1-Wire 總線。

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(fā)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(fā)電模塊直接給排風扇供電對半導體溫差發(fā)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。此時發(fā)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，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，中心波長940 nm，符合具有夜視能力的普通監(jiān)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(jù)發(fā)熱溫度是否超限以及發(fā)熱溫度與環(huán)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(xiàn)場監(jiān)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(jiān)測的設備部件有發(fā)熱且高于環(huán)境溫度12 K以上時，半導體溫差發(fā)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(wěn)定的3.3 V供電。單片機ATmega8L由斷電等待狀態(tài)轉入通電工作狀態(tài)，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(tǒng)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。啟動后，終端由ATmega8L單片機控制，定期向溫度傳感器DS18B20發(fā)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(fā)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(jù)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(xiàn)場監(jiān)控攝像機接收并處理。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最低工作電壓測試工作過程中VCC的變化。此觸發(fā)電平通過VBODLEVEL設定為2.7 V或4.0 V。工作過程中發(fā)生掉電檢測復位時將對其自身復位并處于掉電等待狀態(tài)，BOD的觸發(fā)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(tài)轉入通電工作狀態(tài)。

本文設計的溫度檢測終端，其外圍設備簡單，由現(xiàn)場發(fā)熱源提供電能，功耗低，傳輸無線化。可以用在需要對發(fā)熱缺陷進行實時檢測而現(xiàn)場不能提供電源、或采用電池供電連續(xù)工作時間短且更換不便等場合。