一种换流阀温度监测传感器的制作方法

1.本发明涉及智能传感及物联网领域，具体涉及一种换流阀温度监测传感器。


背景技术：

2.特高压直流输电骨干网架以及组网的建设是实现能源发展转变战略，推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求的重要基础。随着众多高压直流输电线路的相继投入运营，对高压直流换流站核心设备的安全可靠运行提出了更高的要求。换流阀是特高压直流换流站中的核心设备，价格昂贵，作用重要。换流阀设备一旦出现故障，不仅会导致直流输电的停运，严重情况下，可能会导致换流阀或阀厅的起火，从而引发重大的安全事故。针对这一挑战，可以采用嵌入式微型智能传感器对换流阀半导体开关器件进行温度监测。然而，由于换流阀是一个高电压大电流环境，在高电位取能为传感节点供电非常具有挑战性，同时定期更换大量电池极大增加了换流阀设备的运维费用。因此如何安全可靠地解决传感器供电、延长运维周期，甚至做到免维护，是实现对换流阀半导体开关器件温度进行长期监测的关键。


技术实现要素：

3.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中难以解决换流阀温度监测用传感器长期供电问题的缺陷，从而提供一种换流阀温度监测传感器。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.本发明实施例提供一种换流阀温度监测传感器，所述换流阀温度监测传感器安装于所述换流阀散热片表面，所述换流阀温度监测传感器包括：供电单元及传感单元，其中，所述传感单元用于采集换流阀运行温度，并将所述运行温度发送至后台上位机；所述供电单元用于采用温差取能和/或磁场取能方式为所述传感单元供电。
6.可选地，所述供电单元，包括：温差取能装置、磁场取能装置及电池，其中，所述温差取能装置与所述传感单元连接，用于将换流阀表面与周围环境热交换产生的热能转化为电能，为所述传感单元供电；所述磁场取能装置与所述传感单元连接，用于耦合换流阀周围磁场能，将所述磁场能转化为电能，为所述传感单元供电；所述电池与所述传感单元连接，用于为所述传感单元供电。
7.可选地，所述传感单元，包括：温度传感头、数模转换模块、处理器、能量管理模块及无线数据传输模块，其中，所述温度传感头与所述数模转换模块连接，用于采集换流阀运行温度，并将所述运行温度发送至所述数模转换模块；所述数模转换模块与所述处理器连接，用于将所述运行温度转换为数字量信号后发送至所述处理器；所述处理器与所述无线数据传输模块连接，用于将接收的数字量运行温度发送至所述无线数据传输模块；所述无线数据传输模块与后台上位机连接，用于将所述运行温度发送至后台上位机；所述能量管理模块分别与所述处理器、所述数模转换模块及所述无线数据传输模块连接，用于为所述处理器、所述数模转换模块及所述无线数据传输模块供电。
8.可选地，所述能量管理模块，包括：温差取能管理模块、磁场取能管理模块及储能模块，其中，所述温差取能管理模块的输入端与所述温差取能装置连接，所述温差取能管理模块的输出端与所述储能模块的第一输入端连接，用于将所述温差取能装置输送的电能进行升压处理，并将升压处理后的直流电输送至所述储能模块进行存储；所述磁场取能管理模块的输入端与所述磁场取能装置连接，所述磁场取能管理模块的输出端与所述储能模块的第二输入端连接，用于将所述磁场取能装置输送的交流电转换为直流电，并将直流电输送至所述储能模块进行存储；所述储能模块的输出端分别与所述处理器、所述数模转换模块及所述无线数据传输模块连接，用于为所述处理器、所述数模转换模块及所述无线数据传输模块供电。
9.可选地，所述温差取能管理模块，包括：自振荡电路、选择电路及pwm控制电路，其中，所述自振荡电路的第一端与所述温差取能装置连接，所述自振荡电路的第二端与所述选择电路的第一端连接，所述自振荡电路的第三端与所述pwm控制电路的第一端连接；所述pwm控制电路的第二端与所述选择电路的第二端连接，所述pwm控制电路的第三端与所述储能模块连接。
10.可选地，所述自振荡电路，包括：电荷泵、变压器及第一电容，其中，所述电荷泵的第一端分别与所述温差取能装置、所述变压器一次侧绕组的第一端、所述变压器二次侧绕组的第二端及所述第一电容的第一端连接，所述电荷泵的第二端分别与所述变压器二次侧绕组的第一端、所述选择电路的第一端及所述pwm控制电路连接，所述电荷泵的第三端与所述pwm控制电路连接；所述变压器一次侧绕组的第二端与所述选择电路的第二端连接；所述第一电容的第二端接地。
11.可选地，所述pwm控制电路，包括：稳压器、整流器、pwm发生器、第一电阻、第二电阻及晶体管，其中，所述稳压器的第一端分别与所述电荷泵的第三端连接，所述稳压器的第二端与所述pwm发生器的第一端连接，所述稳压器的第三端接地；所述pwm发生器的第二端与所述选择电路的第三端连接，所述pwm发生器的第三端分别与所述第一电阻的第二端及所述晶体管的第一端连接，所述pwm发生器的第四端接地；所述整流器的第一端分别与所述电荷泵的第二端、所述变压器二次侧绕组的第一端及所述选择电路的第一端连接，所述整流器的第二端分别与所述第一电阻的第一端及所述第二电阻的第一端连接；所述第二电阻的第二端接地；所述晶体管的控制端与所述第二电阻的第三端连接，所述晶体管的第二端接地。
12.可选地，所述传感单元，还包括：数据存储模块，所述数据存储模块与所述处理器连接，用于存储换流阀运行温度信息和传感器设置参数。
13.可选地，所述传感单元与所述供电单元并列安装在所述换流阀散热片表面，所述传感单元通过屏蔽双绞线与所述供电单元连接。
14.可选地，所述传感单元与所述供电单元一体化设计，并安装在所述换流阀散热片表面。
15.本发明技术方案，具有如下优点：
16.本发明提供的换流阀温度监测传感器，换流阀温度监测传感器安装于换流阀散热片表面，换流阀温度监测传感器包括：供电单元及传感单元，其中，传感单元用于采集换流阀运行温度，并将运行温度发送至后台上位机；供电单元用于采用温差取能和/或磁场取能
方式为传感单元供电。在本发明实施例中，通过采用温差取能和/或磁场取能方式为换流阀温度监测传感器供电，可实现换流阀温度监测传感器节点的自供电，极大改善传感节点对电池的依赖，大幅增加传感节点应用的灵活性和免维护性。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例中换流阀半导体器件组件示意图；
19.图2为本发明实施例中换流阀温度监测传感器安装示意图；
20.图3为本发明实施例中换流阀温度监测传感器一个示例的原理框图；
21.图4为本发明实施例中换流阀温度监测传感器另一个示例的原理框图；
22.图5为本发明实施例中换流阀温度监测传感器另一个示例的原理框图；
23.图6为本发明实施例中温差取能管理模块一个示例的电路图。
具体实施方式
24.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
28.高压换流阀内的关键组部件包括半导体开关器件、均压/缓冲回路、触发与监测电子系统电路、连接母排以及安装用的金具和绝缘件等。这些组部件的运行温度可表征其健康状态，通过对其温度的监测可对可能出现的老化和故障实现提前预警。
29.如图1所示为半导体开关器件，半导体开关器件与散热片呈交替串联结构，半导体器件周期性开断实现交直流变换，当半导体器件开通时，大电流通过半导体器件及散热片，由于等效通态电阻作用导致器件和散热片发热。正常运行下，散热片内流通冷却水带走散热片和半导体器件中的热量，保证散热片和半导体器件正常工作温度约为50
‑
60℃。当温度
超过60℃并持续升温时，则表征系统可能存在异常运行的风险。因此需在散热片表面安装温度传感器监测其运行温度，然而受限于高压大电流环境，同时需要解决传感节点的供能问题。
30.为此本发明实施例提供一种换流阀温度监测传感器，以解决传感节点的供能问题。如图2所示，换流阀温度监测传感器安装于换流阀散热片表面。如图3所示，换流阀温度监测传感器包括：供电单元1及传感单元2，其中，传感单元2用于采集换流阀运行温度，并将运行温度发送至后台上位机；供电单元1用于采用温差取能和/或磁场取能方式为传感单元2供电。
31.在一具体实施例中，换流阀温度监测传感器安装在换流阀散热片表面，实现换流阀表面温度进行监测。同时换流阀温度监测传感器利用其表面温度与空气温度之间的温差和/或换流阀周围磁场变化，采用温差取能和/或磁场取能方式为自身供电。进而换流阀温度监测传感器用无线通信的方式将运行温度数据发送至后台上位机进行温度监控。
32.在一实施例中，如图4所示，供电单元1，包括：温差取能装置11、磁场取能装置12及电池13，其中，温差取能装置11与传感单元2连接，用于将换流阀表面与周围环境热交换产生的热能转化为电能，为传感单元2供电；磁场取能装置12与传感单元2连接，用于耦合换流阀周围磁场能，将磁场能转化为电能，为传感单元2供电；电池13与传感单元2连接，用于为传感单元2供电。
33.在一具体实施例中，如图1所示，换流阀运行时产生的热能会导致散热片表面温度高到50
‑
60℃，如果可以对该能量加以利用，并为传感节点供电，则可极大改善传感节点对电池的依赖，可大幅增加传感节点的灵活性和免维护性。具体地，将温差取能模块底部需紧贴散热片热表面，另一侧则直接接触空气，从而形成温差，通过温差发电片将热能转化成电能为换流阀温度监测传感器供电。
34.另外，换流阀中由于半导体开关的导通关断会在母排等导体周围产生快速的磁场变化，因此通过利用法拉第电磁感应原理，设计非侵入式磁场取能装置12，可利用线圈实现对磁场能的收集，并将磁场能转化成电能为换流阀温度监测传感器供电。
35.本发明提供的换流阀温度监测传感器，换流阀温度监测传感器安装于换流阀散热片表面，换流阀温度监测传感器包括：供电单元及传感单元，其中，传感单元用于采集换流阀运行温度，并将运行温度发送至后台上位机；供电单元用于采用温差取能和/或磁场取能方式为传感单元供电。在本发明实施例中，通过采用温差取能和/或磁场取能方式为换流阀温度监测传感器供电，可实现换流阀温度监测传感器节点的自供电，极大改善传感节点对电池的依赖，大幅增加传感节点的灵活性和免维护性。
36.在一实施例中，如图4所示，传感单元2，包括：温度传感头21、数模转换模块22、处理器23、能量管理模块24及无线数据传输模块25，其中，温度传感头21与数模转换模块22连接，用于采集换流阀运行温度，并将运行温度发送至数模转换模块22；数模转换模块22与处理器23连接，用于将运行温度转换为数字量信号后发送至处理器23；处理器23与无线数据传输模块25连接，用于将接收的数字量运行温度发送至无线数据传输模块25；无线数据传输模块25与后台上位机连接，用于将运行温度发送至后台上位机；能量管理模块24分别与处理器23、数模转换模块22及无线数据传输模块25连接，用于为处理器23、数模转换模块22及无线数据传输模块25供电。
37.在一具体实施例中，温度传感头21可采用模拟式和数字式传感头，保证传感单元2通用性。数模转换模块22兼容spi总线、i2c总线、uart总线。在本发明实施例中，传感单元2内部各功能模块通信采用spi总线。能量管理模块24分别与温差取能装置11、磁场取能装置12及电池13连接，用于对温差取能装置11、磁场取能装置12及电池13传输的电能进行处理，以使其均可接入传感单元2，为传感单元2中的处理器23、数模转换模块22及无线数据传输模块25供电。
38.在本发明实施例中，传感单元2，还包括：数据存储模块26，数据存储模块26与处理器23连接，用于存储换流阀运行温度信息。通过存储换流阀运行温度信息，可为技术人员调阅查看提供便利。
39.在一实施例中，如图5所示，能量管理模块24，包括：温差取能管理模块241、磁场取能管理模块242及储能模块243，其中，温差取能管理模块241的输入端与温差取能装置11连接，温差取能管理模块241的输出端与储能模块243的第一输入端连接，用于将温差取能装置11输送的电能进行升压处理，并将升压处理后的直流电输送至储能模块243进行存储；磁场取能管理模块242的输入端与磁场取能装置12连接，磁场取能管理模块242的输出端与储能模块243的第二输入端连接，用于将磁场取能装置12输送的交流电转换为直流电，并将直流电输送至储能模块243进行存储；储能模块243的输出端分别与处理器23、数模转换模块22及无线数据传输模块25连接，用于为处理器23、数模转换模块22及无线数据传输模块25供电。
40.在一具体实施例中，由于温差取能装置11是将温差导致换流阀器件表面与周围环境产生热交换生成的热能转化为直流电能，该电能的电压取决于温差大小，并随温差发生改变而改变，因此需要设计相应的温差取能管理模块241，以使直流电能参数能够满足使用要求，而后将所获取的电能存储于超级电容等储能模块243中。磁场取能装置12将换流阀环境中变化磁场转化为交流电能，因此需要磁场取能管理模块242，以使交流电能参数能够满足使用要求，而后将所获取的电能存储于超级电容等储能模块243中。最终由储能模块243为传感节点统一供电。在本发明实施例中，储能模块243为超级电容。温差取能管理模块241为dc/dc变换器，仅以此为例，不以此为限。磁场取能管理模块242为ac/dc变换器。另外，电池可通过储能模块243为传感节点供电，也可直接为传感节点供电，在此不再限制。
41.在一实施例中，温差取能管理模块241，包括：自振荡电路2411、选择电路2412及pwm控制电路2413，其中，自振荡电路2411的第一端与11连接，自振荡电路2411的第二端与选择电路2412的第一端连接，自振荡电路2411的第三端与pwm控制电路2413的第一端连接；pwm控制电路2413的第二端与选择电路2412的第二端连接，pwm控制电路2413的第三端与储能模块243连接。
42.在一具体实施例中，温差取能管理模块241还可采用如图6所示的结构。其中，自振荡电路2411，包括：电荷泵、变压器t及第一电容c2，其中，电荷泵的第一端分别与温差取能装置11、变压器t一次侧绕组l1的第一端、变压器t二次侧绕组l2的第二端及第一电容c2的第一端连接，电荷泵的第二端分别与变压器t二次侧绕组l2的第一端、选择电路2412的第一端及pwm控制电路2413连接，电荷泵的第三端与pwm控制电路2413连接；变压器t一次侧绕组l1的第二端与选择电路2412的第二端连接；第一电容c2的第二端接地。
43.进一步地，pwm控制电路2413，包括：稳压器、整流器、pwm发生器、第一电阻r5、第二
电阻r3及晶体管t3，其中，稳压器的第一端分别与电荷泵的第三端连接，稳压器的第二端与pwm发生器的第一端连接，稳压器的第三端接地；pwm发生器的第二端与选择电路2412的第三端连接，pwm发生器的第三端分别与第一电阻r5的第二端及晶体管t3的第一端连接，pwm发生器的第四端接地；整流器的第一端分别与电荷泵的第二端、变压器t二次侧绕组l2的第一端及选择电路2412的第一端连接，整流器的第二端分别与第一电阻r5的第一端及第二电阻r3的第一端连接；第二电阻r3的第二端接地；晶体管t3的控制端与第二电阻r3的第三端连接，晶体管t3的第二端接地。在本发明实施例中，稳压器选择线性稳压器。
44.在本发明实施例中，如图6所示温差取能管理模块241用于为温差发电提供升压。温差取能装置11输出电压受温差限制通常较低，因此将温差取能管理模块241中的能量管理电路功能分为两阶段：启动阶段和工作阶段。启动阶段主要有自振荡电路2411完成。当来自于温差发电片的电压vin过小时，后续pwm无法正常工作，因此选择电路2412首先选择自振荡电路模式，变压器t和第一电容c2形成振荡电路为电荷泵内部电容充电，该模式可实现100mv输入下的冷启动。当电荷泵中电容存储的能量达到一定阈值后，下方的选择电路2412选择pwm控制模式，系统处于正常工作阶段，pwm发生器开始工作。具体地，电能流经过电荷泵和整流器，最终通过晶体管t3与第一电阻r5及第二电阻r3形成的dc/dc变换器升压并为储能模块243充电，储能模块243中超级电容电压为vcap。为了实现与温差发电片的内阻匹配，加入了电阻r2及电阻r4以调节整个能量管理电路的阻抗，使其与温差发电片内阻匹配，从而实现最大功率输出。
45.在一实施例中，传感单元2与供电单元1并列安装在换流阀散热片表面，传感单元2通过屏蔽双绞线与供电单元1连接。
46.在一具体实施例中，传感单元2与供电单元1中的温差取能装置11采用分立式设计，两部分并列安装在散热片上，并通过屏蔽双绞线等实现传感单元2与温差取能装置11之间柔性连接。
47.在一实施例中，传感单元2与供电单元1一体化设计，并安装在换流阀散热片表面。
48.在一具体实施例中，通过优化供电单元1中温差取能装置11内部结构，为传感单元2预留空间，使传感单元2与温差取能装置11实现一体化设计。这一设计可减小平面空间。由此可见，通过根据换流阀温度监测传感器安装位置的空间限制条件，可灵活调整和优化传感器供电单元和传感单元模块的布局设计。
49.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。