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浪涌保护器温度控制系统的设计

0引言

      浪涌保护器也叫防雷器、电涌保护器、SPD等,是一种限制瞬态过电压、泄放过电流的电气防护器件,有着良好的非线性特性,用以保护耐压水平低的电气或电子系统设备免遭雷电电磁脉冲及各类过电压的损害。雷电或操作过电压等暂态过程会导致电涌保护器内部的氧化锌压敏电阻动作从而引起温度升高,如不能及时将热量散发出去,氧化锌压敏电阻温度超过某一极限值将发生热崩溃,热崩溃会引起氧化锌压敏电阻的击穿以及电涌保护器整体的破碎炸裂,严重时会引起电源系统短路甚至火灾事故,导致浪涌保护器预期寿命显著缩短。
      目前对浪涌保护器及其内部氧化锌压敏电阻热特性研究的手段主要有建立有限元模型仿真和使用热成像仪成像。吴维韩、何金良等利用有限元法对氧化锌避雷器温度场分布和散热特性进行研究,确定了氧化锌阀片功率损耗与温度和荷电率的关系,为判定氧化锌避雷器的热稳定性能提供了依据。桑建平使用热成像仪对工作的避雷器进行观测,确定了温度分布情况,制作避雷器比例单元进行高压热特性试验,给出了具体温升数据曲线。根据对压敏电阻热特性的研究,一些学者从压敏电阻制造工艺入手,希望通过改变压敏电阻原料配方,增加压敏电阻的通流容量来减少发热量,但效果并不明显。还有学者对浪涌保护器内部结构进行重新设计,采用改变散热通道增加散热叶片等方法降低浪涌保护器内部温度,但这些方案破坏了浪涌保护器密封结构,易受潮湿环境影响以及外界电磁干扰。
      为解决浪涌保护器运行时的散热问题,本文利用半导体制冷片作为冷却设备对浪涌保护器及其内部氧化锌压敏电阻进行降温。基于STM32F4系列单片机设计温度控制系统,在对浪涌保护器及内部压敏电阻进行温度监测的同时,控制半导体制冷片工作对压敏电阻进行散热。

1系统总体设计

      浪涌保护器温度控制系统包含半导体制冷片、主控制器、温度传感器、WiFi模块等器件。系统工作的流程主要是:多组温度传感器对氧化锌压敏电阻温度进行实时监测,并将温度数据实时传输至主控制器。主控制器在收到温度数据后先对其进行滤波去噪处理,随后进行控制算法的计算判断温度数据的值,并驱动制冷模块对氧化锌压敏电阻进行降温,使氧化锌压敏电阻温度处于合适值。温度数据可通过WiFi 通信模块实时传输至后方平台,同时当氧化锌压敏电阻温度急剧.上升出现热崩溃,冷却装置无法有效降温,时, WiFi通信模块将报警信号送至后方平台,提醒及时更换设备。

2系统硬件设计

      设计以半导体制冷片为温度控制核心元件的浪涌保护器温控系统,使得电涌保护器中的氧化锌压敏电阻在工作时不因温度过高而增加功率损耗导致其过快老化裂化,同时能有效减少电涌保护器外壳及附属器件发生爆裂的现象。整个系统由制冷模块、测温模块、温度控制模块、通信模块和电源模块5部分组成,如图1所示。
浪涌保护器温度控制系统的设计

2.1温度控制模块选择应用

      制冷模块选用基于珀尔帖效应的半导体制冷片作为核心器件。半导体制冷片体积小,尺寸与氧化锌压敏电阻相似,根据功能需求选择型号为TEC1一12715的半导体制冷片。将制冷片制冷面紧贴浪涌保护器内的氧化锌压敏电阻,当浪涌保护器处于工作状态温度升高时,收到温度控制模块发送的指令后制冷片工作对其进行降温,使压敏电阻表面温度及浪涌保护器内部环境温度处于正常值。制冷片的散热面通过散热片将热量传导至浪涌保护器的外部,从而降低器件内部的温度。半导体制冷片制冷效率高,可在短时间内迅速降温。当雷电流来袭,氧化锌压敏电阻工作发热时,半导体制冷片可迅速工作,将温度控制在合适值。

2.2温度控制模块

      温度控制模块的微处理器选择基于AMR Cortex-M4内核的STM32F407ZGT6高性能微控制器,主频最高可达168MHz,拥有1MB的FLASH程序存储器,192KB的SRAM。同时带有4个片选的静态存储控,制器,支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR/NAND等存储除运算速度快、存储容量大,STM32F407ZGT6还拥有丰富的外设资源。其有多达3个IC接口、4个USART接口、4个UART接口、3个SPI接口、2个具有复用的全双工模式的TS接口、2个CAN接口以及SDIO接口。多种外设接口为微处理器与外部设备的通信提供了高速有效的媒介
      控制终端使用了2个USART接口,分别用于与WiFi通信模块通信和调试接口。微处理器PD端口的1.2.3引脚与DS1203 的RST. SCLK.DATA 3个接口相连。PF端口的8.9、10引脚分别与报警用蜂鸣器及LED灯相连。定时器3通道3作为输出,驱动制冷模块,微处理器电路连接图如图2所示。
浪涌保护器温度控制系统的设计
      温度控制模块还包含时间采集单元,其由外部时钟组成,时间采集单元采用高性能、低功耗的DS1302实时时钟芯片。DS1302 需要外接一个32.768 kHz的晶振作为其时间计数时钟,还需提供一个3 V电源为其内部计时部分供电,保证系统在掉电的状态下不会丢失时间。时钟采集单元电路连接图如图3所示。
浪涌保护器温度控制系统的设计

2.3 测温模块

      测温模块的单片机采用型号为MSP430F247的处理器芯片。该芯片拥有丰富外设资源的同时处理速度快且功耗低,其内置的rC总线方便与外设间的通信连接团
      测温模块中采用了TMP275型温度传感器。TMP275测温后不经数模转换等处理,可以直接输出数字信号送至微处理器处理。测温精度为+0.5 C,工作电流为50 μA,可通过FC总线与微处理器进行信号传输。温度传感器电路连接图如图4所示。
浪涌保护器温度控制系统的设计

2.4通信模块

      通信模块是整个温控系统内部数据传输以及温控系统与外界连接的通道。选择WiFi通信模块将实时监控所得的温度数据传输至后方终端,可在后方平台对浪涌保护器内部的温度进行实时监控。而系统内部各模块间的数据通信同样通过串口将数据传给WiFi通信模块实现。WiFi通信模块选择了型号为USR-WIFI232-S的超低功耗WiFi模块,该芯片支持EEE 802.11b/g,传输速度为54 Mbit/s。微处理器对WiFi模块进行初始化及相关信息配置后,通过串口.将数据传递给WiFi模块从而实现无线通信。WiFi 通信模块电路连接图如图5所示。
浪涌保护器温度控制系统的设计

2.5电源模块

      电源模块为整个系统提供电能,首先选用变压器和二极管将220 V交流电通过变压、整流、稳压转变为15V直流电,可为半导体制冷片供电。再通过AMS1117-3.3电源稳压芯片,将输入15 V电压通过AMS1117-3.3降到3.3 V为微处理器、WiFi模块等工作电压为3.3 V的器件供电。

3软件设计

      温度控制程序流程图如图6所示。温度控制模块上电后,微处理器首先对时钟及其他外设、模块进行初始化操作。初始化完成后,微处理器通过WiFi通信模块向测温模块发送识别数据,收到响应后进行连接,进入工作模式。微处理器向测温模块发送指令数据,收到返回的温度数据后将其保存至指定的存储空间。温度数据在进行滤波去噪处理后进行判断,是否.需要驱动制冷模块工作,同时将温度通过WiFi通信模块实时传输至外部终端以供读取。
浪涌保护器温度控制系统的设计
      温度测量程序流程图如图7所示。测温模块上电完成初始化操作后进入低功耗休眠模式,当测温模块测接收到温度控制模块命令后进入工作模式,利用温度传感器进行测温,并将温度数据通过WiFi传送给温度控制模块。当收到温度控制模块发出的数据传送成功的指令后重新进入休眠模式。
浪涌保护器温度控制系统的设计

4测试结果

      根据以上硬件和软件设计对基于半导体制冷片的浪涌保护器温度控制系统进行测试,以证明整个系统可安全有效地运行。将安装好半导体制冷片以及测温模块的浪涌保护器接入8/20 μs短路电流发生器,进行模拟雷电流冲击试验,同时设置一组不安装温度控制系统的浪涌保护器作为对照。图8( a)为未加半导体制冷片时,不同参考电压下氧化锌压敏电阻功耗随温度的变化情况。温度越高,其功耗也越大,当温度超过一定值后很容易造成压敏电阻的热崩溃现象。图8( b)为加装半导体制冷片时不同参考电压下氧化锌压敏电阻片功耗随温度的变化情况。在相同的温度变化情况下,功耗降低明显,说明半导体制冷片对氧化锌压敏电阻片的散热效果明显,能够对浪涌保护器起到很好的保护作用。
浪涌保护器温度控制系统的设计

5结束语

      本文所设计的温度控制系统能有效解决浪涌保护器工作时其自身及内部氧化锌压敏电阻的散热问题。利用半导体制冷片对氧化锌压敏电阻工作发热时进行降温,降温速度快、效率高,绝缘性能好。温度控制模块对浪涌保护器及其内部氧化锌压敏电阻的温度控制,可以有效防止氧化锌压敏电阻因温度过高而增加功率损耗导致其过快老化裂化或浪涌保护器外壳及附属器件发生爆裂的现象,从而达到浪涌保护器长期稳定运行的目的。同时浪涌保护器内部的实时温度可以通过通讯模块传输至外部终端,可在后方平台对温度数据进行监控。在后续实际应用中可对网络端进行优化,设计LabVIEW系统平台,便于器件的整体维护检修。
作者:王昊 ,杨仲江,申东玄,马俊彦
中为智能防雷器浪涌保护器https://www.zvspd.com/

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