CN103233966B - 具有测温功能的智能螺栓 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构简单紧凑、可自动采集能量的具有测温功能的智能螺栓。该智能螺栓包括一具有螺杆和螺帽的螺栓和与该螺栓组装成一体的测温装置，所述测温装置包括PCB线路板、散热器以及一给该PCB线路板供电的热电发生器，该热电发生器具有一冷端和热端，所述散热器设置在冷端的一侧并与该冷端直接热传导，所述螺栓的螺帽位于热端的一侧并与该热端直接热传导；所述PCB线路板上设置有测温传感器和用于传输温度信号的发射天线，该测温传感器的感温端与所述螺栓的螺帽相接触。本发明不仅具有螺栓本身的功能，即用于紧固连接电气接点，而且还具有测量电气接点的温度的功能，其中的热电发生器能自动采集电气接点的热量来给智能螺栓供能。

Description

具有测温功能的智能螺栓
技术领域
本发明涉及一种具有测温功能的智能螺栓。
背景技术
电力设备是在电力系统中对发电机、变压器、电力线路、互感器、接触器、断路器等设备的统称，包括发电设备和供电设备。在电力系统中，特别是随着现代电力系统向着高电压、大机组、大容量的迅速发展，对电力设备安全可靠性的要求也越来越高。电气设备的各种触点、连接点，如开关触点、电缆接头、母线联接点、发电机和变压器引接线接头、电动机接线盒接头等在通入电流以后，设备温度会发生变化，其发热量与通入电流的平方成正比。当高压设备因过载运行或接点接触不良时，往往引起高压设备有关部分温度的上升，过热会导致绝缘老化甚至烧毁绝缘材料，造成短路故障和重大经济损失。因此在线监测接点的温度显得相当重要，当其超过某一设定值时，发出本地和远程报警信号，提示生产维护人员及时发现故障前兆，对高压电力设备和电力系统的安全稳定运行具有非常重要的意义。
电气接点的连接方式主要以螺栓连接为主，在《电气装置安装工程母线装置施工及验收规范GBJ149-90》规定：母线装置安装用的紧固件，除地脚螺栓外应采用符合国家标准的镀锌制品，户外使用的紧固件应用热镀锌制品。而螺栓一般采用钢材制成，螺栓连接处往往出现温升异常的情况，分析主要原因如下：
1.不同金属的膨胀效应不同。钢制螺栓的金属膨胀系数要比铜质、铝质母线小得多，尤其是螺栓型设备接头，在运行中随着负荷电流及温度的变化，其铝或铜与铁的膨胀和收缩程度将有差异而产生蠕变，也就是金属在应力的作用下缓慢的塑性变形，蠕变的过程还与接头处的温度有很大的关系。实践证明，当接头处的运行工作温度超过80℃时，接头金属将因过热而膨胀，使接触表面位置错开，形成微小空隙而氧化。当负荷电流减小温度降低回到原来接触位置时，由于接触面氧化膜的覆盖会影响接触效果，即不可能是原安装时金属间的直接接触。因此每次温度变化的循环所增加的接触电阻，将会使下一次循环的热量增加，所增加的温度又使接头的工作状况进一步变坏，因而形成恶性循环。
2.连接部位紧固螺栓压力不当。部分安装或检修人员在导体连接上认为连接螺栓拧得愈紧愈好，其实不然。特别是铝质母线，弹性系数小，当螺母的压力达到某个临界压力值时，若材料的强度差，再继续增加不当的压力，将会造成接触面部分变形隆起，反而使接触面积减少，接触电阻增大，从而影响导体接触效果，增加此连接处的工作热量。
综上所述，监测螺栓连接点位置的温度是十分必要的，因此急迫需要提出一种新的螺栓连接点的温度监测装置，并且必须满足结构简单体积需要足够小，外界无需提供额外的能源供其工作等条件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单紧凑、可自动采集能量的具有测温功能的智能螺栓。
本发明所采用的技术方案是：本发明涉及的具有测温功能的智能螺栓包括一具有螺杆和螺帽的螺栓和与该螺栓组装成一体的测温装置，所述测温装置包括PCB线路板、散热器以及一给该PCB线路板供电的热电发生器，该热电发生器具有一冷端和热端，所述散热器设置在冷端的一侧并与该冷端直接热传导，所述螺栓的螺帽位于热端的一侧并与该热端直接热传导；所述PCB线路板上设置有测温传感器和用于传输温度信号的发射天线，该测温传感器的感温端与所述螺栓的螺帽相接触。
进一步，所述测温装置还包括一外壳，该外壳与所述散热器的下端相装配形成一内腔，所述PCB线路板和热电发生器位于该内腔中，所述螺栓的螺帽位于该内腔中且螺杆穿出至所述外壳的外部。
进一步，所述外壳内具有一与所述螺栓的螺帽的形状相匹配的空穴，该空穴内开设有容纳所述螺栓的螺杆穿过的通孔。
进一步，在所述外壳的外周设有一圈凹槽，内部的发射天线穿过外壳并沿外周环绕设置于该凹槽内。
进一步，在所述螺栓的螺帽的端面上开设有与热电发生器形状相匹配的凹坑以及用于放入测温传感器的放置孔。
进一步，所述散热器包括中间的主体以及沿着主体轴向排列的圆柱形散热片，所述PCB线路板呈环状，所述散热器的主体下端穿过PCB线路板中间的孔腔并与热电发生器的冷端接触。
进一步，所述PCB线路板还包括有储存电能的储能器件以及能量管理电路。
进一步，所述能量管理电路包括升压电路、稳压电路以及启动电路。
进一步，所述热电发生器的冷端与散热器之间、所述热电发生器的热端与螺栓的螺帽之间均设置有导热材料。
进一步，在所述螺栓的螺帽的端面上还开设有接地螺孔，用于容纳与PCB线路板接地连接的连接螺栓。
本发明的有益效果是：由于本发明包括一螺栓和与该螺栓组装成一体的测温装置，所述测温装置包括PCB线路板、散热器以及一给该PCB线路板供电的热电发生器，该测温装置和螺栓组装成为一个整体并且形状也与螺栓相匹配，从外观来看本发明本身成为一个“螺栓”，它不仅具有螺栓本身的功能，即用于紧固连接电气接点，而且还具有测量电气接点的温度并通过数据处理后传输出去的功能。另外由于本发明内部包括有一热电发生器，它具有一冷端和热端，所述散热器设置在冷端的一侧并与该冷端直接热传导，所述热端，所述螺栓的螺帽位于热端的一侧并于该热端直接热传导，它能利用电气接点处与散热器端之间的温度差转换为电能来供其它电路正常工作，无需外界供能，因此本发明在电气接点温度远程监测系统中作为关键的温度采集部件具有非常重要的意义。
附图说明
图1是本发明的外部结构示意图；
图2是沿图1中A-A方向的剖视图；
图3是本发明中各部件沿长度方向的分解图；
图4是本发明中PCB线路板上电路硬件框图；
图5是本发明中能量管理电路的实现框图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明涉及的智能螺栓包括一具有螺杆102和螺帽101的螺栓1和与该螺栓1组装成一体的测温装置2，螺栓1的设计尺寸最小可以做到M8或者大于M8，在此情况下性能仍能满足设计要求，M8及以上尺寸的螺栓1能够满足绝大部分电气连接点的现场应用。所述测温装置2包括PCB线路板202、散热器203以及一给该PCB线路板202供电的热电发生器201，该热电发生器201具有一冷端和热端，所述散热器203设置在冷端的一侧并与该冷端直接热传导，所述螺栓1的螺帽101位于热端的一侧并与该热端直接热传导，热电发生器201的两端可以分别与散热器203和螺帽101直接接触，但为了优化导热通道，所述热电发生器201的冷端与散热器203之间、所述热电发生器201的热端与螺栓1的螺帽101之间可以分别设置有导热材料207、208；由于螺栓1是用于紧固电气接点，正常工作的电气接点处会产生热量而具有一定的温度，当温度通过螺栓1传导至热电发生器201时使其冷端和热端具有一定的温度差时，热电发生器201工作将热量转化为电能，经过后续电路的处理后给本发明自身供电。所述PCB线路板202上设置有测温传感器206和用于传输温度信号的发射天线205，该测温传感器206的感温端与所述螺栓1的螺帽101相接触，用于实时测量螺栓1的温度(也就是电气接点的温度)，经过后续电路的处理后将温度数据信号通过发射天线205发送至温度数据监测系统中。所述散热器203包括中间的主体2031以及沿着主体2031轴向排列的圆柱形散热片2032；所述测温装置2还包括有一外壳204，该外壳204与所述散热器203的最下端的一层圆柱形散热片2032相装配形成一内腔，主体2031的下端伸入该内腔中，同时所述PCB线路板202和热电发生器201位于该内腔中。上述散热器203和外壳204均可设计成圆柱状或者和螺栓1的螺帽101相匹配的形状，例如多边形体等；以上述散热器203和外壳204设计成圆柱状为例，本实施例中散热器203的尺寸直径为40mm，外壳204和散热器203装配后的总高度为30mm(即外壳204底部至散热器203顶部的高度)。其中内部的热电发生器201自身参数为：热阻9.2K/W，赛贝克电压27.77mv/K，内阻5.5欧；它的最小启动工作温差工作温差7.5K(K为开氏温度)，这个参数是目前同尺寸设计中具有优势，并且满足测温传感器206连续工作的最小温差设计为10.5K，连续工作是指符合测温传感器206每秒测量一次温度数据并实现无线传送的要求；同时热电发生器201的温差在10K时输出功率100uW，能满足PCB线路板202各部件工作时的供能需求。。所述PCB线路板202呈环状，所述散热器203的主体2031下端伸入该内腔中穿过PCB线路板202中间的孔腔并与热电发生器201的冷端接触(之间设置有导热材料207)。为了保证较佳的温差效果，本实施例中还对螺栓1的材料进行了选择。通过对模型建模，输入智能螺栓各部分的热阻参数，通过仿真得出不同螺栓材料的温差参数，仿真结果表明选用铜螺栓相比不锈钢螺栓提升38％的效果，可以用铜螺栓替代现有技术中应用场合使用较多的不锈钢螺栓。
如图3所示的分解图，所述外壳204内具有一与所述螺栓1的螺帽101的形状相匹配的空穴2041(例如M8螺栓)，该空穴2041内开设有容纳所述螺栓1的螺杆102穿过的通孔2042，在所述螺栓1的螺帽101的端面上开设有与热电发生器201形状相匹配的凹坑104以及用于放入测温传感器206的放置孔103。在组装过程中，先将螺栓1通过该通孔2042装配在空穴2041内，然后再将热电发生器201放入凹坑104中，再用螺钉将环状的PCB线路板202紧固于外壳204上，最后将散热器203与外壳204用螺钉相装配。同时PCB线路板202和发射天线205也是设置成环状，PCB线路板202是由两块电路板2021、2022组成环状，其中与热电发生器201相关的能量管理电路集中在电路板2021上，温度采集处理、控制以及无线传输等功能集中在另一电路板2022上；此外在所述外壳204的外周设有一圈凹槽2043，内部的发射天线205穿过外壳204的壁并沿外周环绕设置于该凹槽2043内，本实施例在433M频段下使用发射天线205，设计成环形主要是为了外观整体效果好；并且优势明显，降低成本，结构简单。另外在所述螺栓1的螺帽101的端面上还开设有接地螺孔105，用于容纳与PCB线路板202接地连接的连接螺栓，连接螺栓通过接地螺孔105使PCB线路板202的地极接地，当电气接点位于高压电位时可以使PCB线路板202的地极处于同一电位上，避免损坏PCB线路板202上的测温传感器等元件。
如图4所示，在本发明的电路硬件方面，所述PCB线路板202包括温度传感器、模数转换器、处理器以及无线收发器，工作过程为：处理器控制温度传感器定时采集测温数据，并通过模数转换器将模拟信号转化成数字信号并提供给处理器处理，处理器将处理过的数据通过无线收发器发出，温度监测系统中的接收器接收并上传PC显示。本发明整个装置的能量由热电发生器采集电气接点的热能来提供。
所述PCB线路板202上还包括有储存电能的储能器件以及能量管理电路，储能器件主要指电容或充电电池；由于热电发生器的输出能量不是稳定的，或有或无或多或少，并且常规工艺的热电发生器输出的电压较低(20mV/K)，因此我们需要将它的能量集中起来供后续电路的使用。如图5所示，能量管理电路主要由升压电路，启动电路和稳压电路三部分组成，升压电路负责将热电发生器输出的较低的电压升高并存储在电容或充电电池中；启动电路控制能量的输出，当储能器件的电压升至高电压阀值时，启动电路控制打开后级电路，能量流向后级供后续电路使用，当储能器件的电压降至低电压阀值时，启动电路控制关断后级电路，储能器件继续储能，周而复始的工作。

Claims (8)

1.一种具有测温功能的智能螺栓，其特征在于：包括一具有螺杆和螺帽的螺栓和与该螺栓组装成一体的测温装置，所述测温装置包括PCB线路板、散热器以及一给该PCB线路板供电的热电发生器，该热电发生器具有一冷端和热端，所述散热器设置在冷端的一侧并与该冷端直接热传导，所述螺栓的螺帽位于热端的一侧并与该热端直接热传导；所述PCB线路板上设置有测温传感器和用于传输温度信号的发射天线，该测温传感器的感温端与所述螺栓的螺帽相接触；所述测温装置还包括一外壳，该外壳与所述散热器的下端相装配形成一内腔，所述PCB线路板和热电发生器位于该内腔中，所述螺栓的螺帽位于该内腔中且螺杆穿出至所述外壳的外部；所述散热器包括中间的主体以及沿着主体轴向排列的圆柱形散热片；所述外壳内具有一与所述螺栓的螺帽的形状相匹配的空穴，该空穴内开设有容纳所述螺栓的螺杆穿过的通孔。
2.根据权利要求1所述的具有测温功能的智能螺栓，其特征在于：在所述外壳的外周设有一圈凹槽，内部的发射天线穿过外壳并沿外周环绕设置于该凹槽内。
3.根据权利要求1所述的具有测温功能的智能螺栓，其特征在于：在所述螺栓的螺帽的端面上开设有与热电发生器形状相匹配的凹坑以及用于放入测温传感器的放置孔。
4.根据权利要求1所述的具有测温功能的智能螺栓，其特征在于：所述PCB线路板呈环状，所述散热器的主体下端穿过PCB线路板中间的孔腔并与热电发生器的冷端接触。
5.根据权利要求1至4所述的任意一项具有测温功能的智能螺栓，其特征在于：所述PCB线路板还包括有储存电能的储能器件以及能量管理电路。
6.根据权利要求5所述的具有测温功能的智能螺栓，其特征在于：所述能量管理电路包括升压电路、稳压电路以及启动电路。
7.根据权利要求1至4所述的任意一项具有测温功能的智能螺栓，其特征在于：所述热电发生器的冷端与散热器之间、所述热电发生器的热端与螺栓的螺帽之间均设置有导热材料。
8.根据权利要求1至4所述的任意一项具有测温功能的智能螺栓，其特征在于：在所述螺栓的螺帽的端面上还开设有接地螺孔，用于容纳与PCB线路板接地连接的连接螺栓。
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