CN111579105B - 自供能的电缆测温装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种自供能的电缆测温装置，包括：热电取能单元和测温供能单元，其中，所述热电取能单元包括导热层、绝热层、液态金属电极、P型热电材料和N型热电材料，所述导热层设置两层，并沿电缆外侧壁的圆周方向并排环形设置，两所述导热层之间保持预设间距，以形成一密闭的环形空腔；若干所述P型热电材料和N型热电材料环形排列设置在所述环形空腔内，每一相邻的两所述P型热电材料之间设置一所述N型热电材料。本发明的自供能的电缆测温装置通过设置热电取能单元和测温供能单元，其结构简单，安装便捷。同时，本发明装置还能够自供电，从而有效地解决了电缆测温装置的供电问题，且极大地节约电力资源。

Description

自供能的电缆测温装置

技术领域

本发明涉及电缆技术领域，具体而言，涉及一种自供能的电缆测温装置。

背景技术

近年来，随着电力电缆的快速发展，人们对电力电缆的安全性能要求也越来越高，对电力电缆运行状态实时监测是维护电力系统正常运转的必要条件之一。

其中，评估电缆运行状态的重要参数之一是电缆的温度监测，这是由于在长时间超负荷工作后，电缆容易发生短路过载和绝缘层老化等问题，从而导致电缆温度剧烈升高并引发电力事故。同时，由于电力电缆处于高空、强磁场及野外等复杂环境，为其实时测温带来众多困难，也给安装工作带来诸多不便。另外，由于其特殊的工作环境，电缆测温装置的能量来源也是一个亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种自供能的电缆测温装置，旨在解决现有技术中用于电缆的测温装置可靠性低、安装不便以及能量供应困难的技术问题。

一个方面，本发明提出了一种自供能的电缆测温装置，包括：热电取能单元和测温供能单元，其中，

所述热电取能单元包括导热层、绝热层、液态金属电极、P型热电材料和N型热电材料，所述导热层设置两层，并沿电缆外侧壁的圆周方向并排环形设置，两所述导热层之间保持预设间距，以形成一密闭的环形空腔；

若干所述P型热电材料和N型热电材料环形排列设置在所述环形空腔内，每一相邻的两所述P型热电材料之间设置一所述N型热电材料；

若干所述液态金属电极交错设置在所述P型热电材料和N型热电材料靠近所述导热层的两端，以将所述P型热电材料和N型热电材料串联在一起；

每一相邻的所述P型热电材料和N型热电材料之间设置有所述绝热层；

所述测温供能单元包括相并联的开关电路、测温电路和供能电路，所述测温电路和供能电路分别与所述P型热电材料和N型热电材料电连接，所述测温电路用于实时测量所述电缆的温度，所述供能电路用于从所述P型热电材料和N型热电材料中获取电能，以为电缆测温装置供电；

所述开关电路用于控制所述测温电路和供能电路的开启与闭合。

进一步地，所述测温电路包括测温模块，所述测温模块用于测量所述电缆的温度。

进一步地，所述测温电路还包括无线传输模块，所述无线传输模块与所述测温模块电连接。

进一步地，所述供能电路包括DC-DC电路。

进一步地，所述供能电路还包括存储电路，所述存储电路与所述DC-DC电路串联，所述DC-DC电路用于为所述存储电路充电。

进一步地，所述存储电路包括锂电池。

进一步地，所述导热层和绝热层由柔性绝缘材料制成。

进一步地，液态金属电极由镓基液态金属制成。

进一步地，所述测温电路为升压电路。

进一步地，所述P型热电材料和N型热电材料由碲化铋半导体材料制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明的自供能的电缆测温装置通过设置热电取能单元和测温供能单元，其结构简单，安装便捷。电缆温度经紧密贴合的导热层与液态金属电极传导至P型热电材料和N型热电材料的热端，与冷端产生温差，P型热电材料和N型热电材料之间采用液态金属电极交错顺次连接形成回路，从而生成电流。利用开关电路控制测温电路和供能电路的开启和关闭：当实时测温时，测温电路工作，测温单元监测输出电压，并获取到电缆温度；无需测温时，供能电路工作，从所述P型热电材料和N型热电材料中获取电能为供能电路充电。可以看出，本发明装置不仅安全可靠，能够高效的进行电缆测温，同时，本发明装置还能够自供电，从而有效地解决了电缆测温装置的供电问题，且极大地节约电力资源。

进一步地，由于液态金属本身具有良好的柔性和可变形性，导热层与绝热层同样具备此种特性，因此挤压、拉伸等变形不影响本装置性能，且极大减小了装置的安装难度，而且液态金属易于回收、可重复利用，从而保证了装置安全性、降低了成本。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的自供能的电缆测温装置的结构示意图；

图2为图1中P处局部放大图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

结合图1和图2所示，本实施例公开了一种自供能的电缆测温装置，包括热电取能单元和测温供能单元。

具体而言，热电取能单元包括导热层1、绝热层12、液态金属电极11、P型热电材料13和N型热电材料14。

具体而言，导热层1设置两层，两导热层1同时套设在电缆3外侧壁上，且两导热层1与电缆3同轴设置，具体的，导热层1沿电缆3外侧壁的圆周方向并排环形设置，两导热层1之间保持预设间距，以形成一密闭的环形空腔2。环形空腔2即为一温差发电层，温差发电层为封闭真空环境，避免液态金属氧化影响导电性。

优选的，两导热层1之间形成一真空的密闭空腔，密闭空腔内为封闭真空环境，从而避免液态金属氧化影响导电性。

具体而言，P型热电材料13和N型热电材料14设置若干个，并且若干P型热电材料13和N型热电材料14环形排列设置在环形空腔2内，每一相邻的两P型热电材料13之间设置一N型热电材料14，即，P型热电材料13沿导热层1的圆周方向环形排列，P型热电材料13等间距设置，N型热电材料14沿导热层1的圆周方向环形排列，N型热电材料14等间距设置，每一相邻的两P型热电材料13之间设置一N型热电材料14，即可以理解为，P型热电材料13和N型热电材料14沿导热层1的圆周方向环形排列、且P型热电材料13和N型热电材料14交替设置。

具体而言，若干液态金属电极11交错设置在P型热电材料13和N型热电材料14靠近导热层1的两端，以将P型热电材料13和N型热电材料14串联在一起。

具体而言，P型热电材料13靠近两导热层1的相对的两端、分别与一液态金属电极11连接，N型热电材料14靠近两导热层1的相对的两端、分别与一液态金属电极11连接，若干液态金属电极11交错设置在P型热电材料13和N型热电材料14的相对的两端，即，环形空腔2内设置两层液态金属电极11，每一层液态金属电极11均沿导热层1侧壁的圆周方向环形排列，并且，每一层液态金属电极11分别与一导热层1的侧壁接触，两层液态金属电极11相互交错设置，通过设置两层液态金属电极11，以将P型热电材料13和N型热电材料14顺次连接在一起，从而将P型热电材料13和N型热电材料14串联在一起。

具体而言，每一相邻的P型热电材料13和N型热电材料14之间设置有绝热层12。

具体而言，测温供能单元包括相并联的开关电路4、测温电路9和供能电路10，测温电路9和供能电路10分别与P型热电材料13和N型热电材料14电连接，测温电路9用于实时测量电缆3的温度，供能电路10用于从P型热电材料13和N型热电材料14中获取电能，以为电缆3测温装置供电。

具体而言，开关电路4用于控制测温电路9和供能电路10的开启与闭合。

优选的，导热层1与绝热层12均为柔性的绝缘材料制成。绝热层12具备柔性可拉伸性质，材质可以但不限于是硅胶。

优选的，导热层1材质为硅胶与液态金属的混合物。导热层1采用硅胶(比如Ecoflex 00-30)与液态金属混合物，放入固定模具凝固而成，形成柔性可拉伸材质。

优选的，导热层11外部设有一层柔性保护层。

具体而言，导热层1的内径略小于电缆3的外径，保证电缆3与导热层1之间紧密贴合。

优选的，液态金属包括镓基液态金属，即P型热电材料13和N型热电材料14由碲化铋半导体材料制成，镓基液态金属包括金属镓单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铜合金。

优选的，P型热电材料13和N型热电材料14采用碲化铋半导体材料。P型热电材料13和N型热电材料14形状可以为边长1.5mm的正方体，在环形空腔2内沿其设置方向共设置40列，且每列25组P型热电材料13和N型热电材料14的正方体，且均匀的分布。

本实施例的自供能的电缆3测温装置通过设置热电取能单元和测温供能单元，其结构简单，安装便捷。电缆3温度经紧密贴合的导热层1与液态金属电极11传导至P型热电材料13和N型热电材料14的热端，与冷端产生温差，P型热电材料13和N型热电材料14之间采用液态金属电极11交错顺次连接形成回路，从而生成电流。利用开关电路4控制测温电路9和供能电路10的开启和关闭：当实时测温时，测温电路9工作，测温单元监测输出电压，并获取到电缆3温度；无需测温时，供能电路10工作，从P型热电材料13和N型热电材料14中获取电能为供能电路10充电。

可以看出，本实施例的装置不仅安全可靠，能够高效的进行电缆3测温，同时，本实施例的装置还能够自供电，从而有效地解决了电缆3测温装置的供电问题，且极大地节约电力资源。

进一步地，由于液态金属本身具有良好的柔性和可变形性，导热层1与绝热层12同样具备此种特性，因此挤压、拉伸等变形不影响本装置性能，且极大减小了装置的安装难度，而且液态金属易于回收、可重复利用，从而保证了装置安全性、降低了成本。

具体而言，开关电路4用于控制测温电路9和供能电路10的连通状态。并且，在工作时，测温电路9和供能电路10只能连通其中一路。

优选的，开关电路4包括一开关。

具体而言，测温电路9包括测温模块5，测温模块5用于测量电缆3的温度。

具体而言，测温电路9还包括无线传输模块6，无线传输模块6与测温模块5电连接。无线传输模块6可以为WIFI、蓝牙、红外等无线传输方式。

具体而言，上述自供能的电缆3测温装置还包括一终端，终端与无线传输模块6通讯连接，已进行数据传输。终端可以显示测温模块5测量的电缆3温度。终端可以为手机、PC、平板电脑、笔记本电脑等。

具体而言，在测温电路9上设置测温模块5与无线传输模块6，测温模块5监测电压信号并转化为温度信号，温度信号由无线传输模块6输出至终端显示。优选的，测温模块5可以为ADC0832模数转换芯片。

具体而言，供能电路10包括DC-DC电路7和存储电路8。存储电路8与DC-DC电路7串联，DC-DC电路7用于为存储电路8充电。存储电路8包括锂电池。

具体而言，测温电路9为升压电路。

具体而言，DC-DC电路7为升压电路，将柔性热电取能单元输出电压转化为适宜的供电电压。例如升压电路可采用TPS61032升压芯片。在测温电路9工作时，供能电路10为无线传输模块6提供电源。

可以理解的是，液态金属不仅具有良好的导电性，而且其热导率和对流换热系数也很高，因此液态金属电极11可将电缆3的热量传导至P型热电材料13与N型热电材料14，并同时传递电流，提高了热电转化效率。

具体而言，利用导热层11将待测电缆3紧密包裹，使电缆3温度良好传导至P型热电材料13和N型热电材料14，同样在P型热电材料13和N型热电材料14的外侧再套设一层导热层11，用来交换环境温度。由于温差发电层2添加有绝热层12，阻断了电缆3内部与环境的换热，保持着电缆3与环境的真实温差，提高了测温精度。当电缆3发热与外界形成温差ΔT时，热量经导热层11与液态金属电极11传导使P型热电材料13与N型热电材料14产生电势，通过液态金属电极11形成回路产生电流，作为能量供应源。开关电路4控制测温模块5测量输出电压，便可经过计算得到较为精确的电缆3的温度。

具体而言，当实时测温时，测温电路9工作，测温模块5监测输出电压，利用公式ΔT＝U/∑S，计算得到电缆3的温度，其中，ΔT为电缆3与外界温差；U为输出电压；∑S为塞贝克系数。得到的电缆3的温度经无线传输模块6至终端进行处理并显示。

具体而言，无需测温时，供能电路10工作，通过DC-DC电路7为存储电路8充电。存储电路8内设置为两节4.2V串联连接的锂电池，以存储电能。

优选的，上述测温模块5用于测量输出开路电压，以提高测量结果的精确性。

优选的，上述开关电路4、测温电路9和供能电路10在连接时，可以选用铜制材质进行连接，以提高导电率。

具体而言，上述开关电路4的正极与P型热电材料13连接，开关电路4的负极与N型热电材料14连接。

可以看出，本发明的自供能的电缆3测温装置通过设置热电取能单元和测温供能单元，其结构简单，安装便捷。电缆3温度经紧密贴合的导热层1与液态金属电极11传导至P型热电材料13和N型热电材料14的热端，与冷端产生温差，P型热电材料13和N型热电材料14之间采用液态金属电极11交错顺次连接形成回路，从而生成电流。利用开关电路4控制测温电路9和供能电路10的开启和关闭：当实时测温时，测温电路9工作，测温单元监测输出电压，并获取到电缆3温度；无需测温时，供能电路10工作，从P型热电材料13和N型热电材料14中获取电能为供能电路10充电。可以看出，本发明装置不仅安全可靠，能够高效的进行电缆3测温，同时，本发明装置还能够自供电，从而有效地解决了电缆3测温装置的供电问题，且极大地节约电力资源。

进一步地，由于液态金属本身具有良好的柔性和可变形性，导热层1与绝热层12同样具备此种特性，因此挤压、拉伸等变形不影响本装置性能，且极大减小了装置的安装难度，而且液态金属易于回收、可重复利用，从而保证了装置安全性、降低了成本。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种自供能的电缆测温装置，其特征在于，包括：热电取能单元和测温供能单元，其中，

所述热电取能单元包括导热层、绝热层、液态金属电极、P型热电材料和N型热电材料，所述导热层设置两层，并沿电缆外侧壁的圆周方向并排环形设置，两所述导热层之间保持预设间距，以形成一密闭的环形空腔；

若干所述P型热电材料和N型热电材料环形排列设置在所述环形空腔内，每一相邻的两所述P型热电材料之间设置一所述N型热电材料；

若干所述液态金属电极交错设置在所述P型热电材料和N型热电材料靠近所述导热层的两端，以将所述P型热电材料和N型热电材料串联在一起；

每一相邻的所述P型热电材料和N型热电材料之间设置有所述绝热层；

所述测温供能单元包括相并联的开关电路、测温电路和供能电路，所述测温电路和供能电路分别与所述P型热电材料和N型热电材料电连接，所述测温电路用于实时测量所述电缆的温度，所述供能电路用于从所述P型热电材料和N型热电材料中获取电能，以为电缆测温装置供电；

所述开关电路用于控制所述测温电路和供能电路的开启与闭合。

2.根据权利要求1所述的自供能的电缆测温装置，其特征在于，所述测温电路包括测温模块，所述测温模块用于测量所述电缆的温度。

3.根据权利要求2所述的自供能的电缆测温装置，其特征在于，所述测温电路还包括无线传输模块，所述无线传输模块与所述测温模块电连接。

4.根据权利要求1所述的自供能的电缆测温装置，其特征在于，所述供能电路包括DC-DC电路。

5.根据权利要求4所述的自供能的电缆测温装置，其特征在于，所述供能电路还包括存储电路，所述存储电路与所述DC-DC电路串联，所述DC-DC电路用于为所述存储电路充电。

6.根据权利要求5所述的自供能的电缆测温装置，其特征在于，所述存储电路包括锂电池。

7.根据权利要求1所述的自供能的电缆测温装置，其特征在于，所述导热层和绝热层由柔性绝缘材料制成。

8.根据权利要求1所述的自供能的电缆测温装置，其特征在于，液态金属电极由镓基液态金属制成。

9.根据权利要求1所述的自供能的电缆测温装置，其特征在于，所述测温电路为升压电路。

10.根据权利要求1所述的自供能的电缆测温装置，其特征在于，所述P型热电材料和N型热电材料由碲化铋半导体材料制成。

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