淺談基于CT取電無線測溫系統(tǒng)低功耗的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:高壓設(shè)備在長期的運(yùn)行過程當(dāng)中，其很多部位會(huì)發(fā)生溫度急劇升高的狀況，如開關(guān)柜觸頭接觸不良導(dǎo)致觸頭溫度升高，甚至燒毀，由此造成停電事故發(fā)生。由此可見，對(duì)高壓開關(guān)設(shè)備的待測溫部位的溫度在線監(jiān)測是極為必要的。基于CT取電無線溫度系統(tǒng)不用頻繁換電池，提升系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性。本文同時(shí)介紹了如何通過軟件和硬件實(shí)現(xiàn)無線測溫系統(tǒng)低功耗，滿足母線小電流情況使用，并在實(shí)際應(yīng)用中證明該技術(shù)的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：CT取電；高壓設(shè)備；無線測溫；低功耗
1引言
高壓電氣設(shè)備溫度監(jiān)測點(diǎn)都處于高電壓、大電流、強(qiáng)磁場的環(huán)境中，甚至有的監(jiān)測點(diǎn)還處在密閉的空間中，由于強(qiáng)電磁噪聲和髙壓絕緣、空間的限制等問題，通常的溫度測量方法無法解決這些問題而無法使用。無線式溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用無線電波進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。傳感器安裝在高壓設(shè)備上，與接收設(shè)備之間無電氣連接，因此該系統(tǒng)從根本上解決了高壓設(shè)備接點(diǎn)運(yùn)行溫度不易實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的難題。
本文為高壓設(shè)備無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種高壓母線感應(yīng)取電電源，使用該電源的無線測溫模塊不需要依靠變電站的市電電源供電實(shí)現(xiàn)了完全的工作,可以大大提升監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。
2感應(yīng)取電線圈設(shè)計(jì)
母線供電的核心器件是磁感應(yīng)線圈，也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。母線上的電流變化外圍較大:低至幾安，高達(dá)上千安，市面常見10kV高壓開關(guān)柜的額定電流有630A、250A、600A等。在設(shè)計(jì)磁感應(yīng)線圈的過程中要考慮到：當(dāng)母線處于小電流狀態(tài)時(shí)，磁感應(yīng)線圈獲得的能量較小，系統(tǒng)不能正常工作；當(dāng)母線電流超過額定電流的強(qiáng)電狀態(tài),或者短路故障電流時(shí)，磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的高壓尖脈沖對(duì)副邊各器件造成的干擾和損壞,尤其是對(duì)后續(xù)電路的干擾。因此在母線電流較為復(fù)雜的情況下，磁感應(yīng)線圈的鐵芯材料的選型極為關(guān)鍵。
2.1鐵芯材料選擇
目前可供使用的鐵芯材料有硅鋼材料、坡莫合金材料和納米晶材料，經(jīng)過試驗(yàn)本產(chǎn)品選用硅鋼材料鐵芯滿足設(shè)計(jì)要求，價(jià)格較便宜，使得本產(chǎn)品在同行業(yè)中有競爭力。
2.2線圈匝數(shù)設(shè)計(jì)
對(duì)感應(yīng)取電建立簡化模型，進(jìn)行理論分析。假設(shè)感應(yīng)取電的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈達(dá)到全耦合電磁感應(yīng)，并且不考慮初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的漏感，建立感應(yīng)取電簡化模型如圖1所示。
圖1感應(yīng)取電簡化模型
根據(jù)電磁感應(yīng)取電定律,可以得出以下基本公式
Φ為主磁通量;H為磁感應(yīng)強(qiáng)度;L為磁路長度;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;A為鐵芯截面積;N1和N2分別是初級(jí)和次級(jí)線圈的匝數(shù)。
感應(yīng)取電裝置工作于理想優(yōu)狀態(tài)時(shí)，應(yīng)該是母線電流的半個(gè)周期內(nèi)，鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度從負(fù)飽和增加到正飽和，此時(shí)可以取得大功率，即輸出電壓大值U2max。
感應(yīng)取電裝置工作于理想優(yōu)狀態(tài)時(shí)，應(yīng)該是母線電流的半個(gè)周期內(nèi)，鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度從負(fù)飽和增加到正飽和，此時(shí)可以取得大功率，即輸出電壓大值U2max。
本產(chǎn)品鐵芯選用硅鋼的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度2.03,截面積A-10-4m2,r=π,大電壓為7.5V,則帶入公式計(jì)算出，
則本產(chǎn)品選取優(yōu)匝數(shù)取4800。
3感應(yīng)取電硬件設(shè)計(jì)
3.1硬件實(shí)現(xiàn)原理圖
通過感應(yīng)線圈取電后，經(jīng)鉗位保護(hù)電路、整流電路、線性穩(wěn)壓為工作電路板供電，電路如圖2所示,原理圖如3所示。
圖2感應(yīng)取電方框圖
圖3感應(yīng)取電硬件原理圖
3.2工作原理
根據(jù)設(shè)計(jì)好的感應(yīng)線圈，通過各設(shè)計(jì)參數(shù)選取器件，本產(chǎn)品采用二極管D1進(jìn)行半波整流，保護(hù)電路采用瞬態(tài)抑制二極管，參數(shù)根據(jù)輸入電壓大值U2max來選取。C3電解電容進(jìn)行濾波,穩(wěn)壓芯片采用NCP551-3.3V,該芯片大輸入電壓為12V,靜態(tài)電流0.4uA很適合微功耗電路。輸出3.3V給單片機(jī)提供電源。C1選取大容量固態(tài)電容，這個(gè)電容尤為重要，選取固態(tài)電容好處，當(dāng)微控制器由低功耗狀態(tài)轉(zhuǎn)為全負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，這種微控制器的瞬間（一般小于5ms）切換需要的大量能量均來自供電電路中的電容，此時(shí)固態(tài)電容高速充放電特性可以在瞬間輸出高峰值電流,保證充足的電源供應(yīng)，確保整個(gè)電路穩(wěn)定工作。
3.3硬件低功耗實(shí)現(xiàn)
微控制器芯片采用STM8L系列芯片，該單片機(jī)有四種低功耗模式，其中halt模式下可以達(dá)到350nA,非常省電。從Halt模式喚醒的時(shí)間也非常快,只需要5us。這樣只要軟件程序合理，在實(shí)際測試中母線電流8A無線測溫模塊即可啟動(dòng)工作。
本文采用的無線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)傳輸溫度數(shù)據(jù)，工作電壓范圍為3.6v-1.9v,滿足本文所要求的低功耗需求，該芯片其具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）運(yùn)行功耗低，實(shí)際運(yùn)用時(shí)可根據(jù)采集溫度數(shù)據(jù)間隙的時(shí)間，控制其工作時(shí)間以達(dá)到進(jìn)一步降低其平均功耗；（2）傳輸速率高，有利于實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”溫度監(jiān)控的目的；（3）經(jīng)濟(jì)性好,有利于控制測溫系統(tǒng)的運(yùn)維成本；（4）體積小，便于運(yùn)用在溫度傳感器上。
4軟件低功耗實(shí)現(xiàn)
當(dāng)母線處于小電流狀態(tài)時(shí)，磁感應(yīng)線圈獲得的能量較小,這樣整個(gè)電路功耗很低，這樣不僅要求芯片低功耗，軟件設(shè)計(jì)也尤為重要。低功耗程序設(shè)計(jì)，通過單片機(jī)和無線收發(fā)器的休眠以及外圍電路的關(guān)斷，使得整個(gè)電路大電流不超過30ms,無線發(fā)射時(shí)功耗不超過500ms。
首先要對(duì)單片機(jī)和無線收發(fā)器進(jìn)行配置，為了防止節(jié)點(diǎn)死機(jī),設(shè)計(jì)看門狗程序;為了能夠進(jìn)入休眠模式三，進(jìn)行電源管理和內(nèi)核電壓監(jiān)測設(shè)置;為了防止各個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)岀現(xiàn)碰撞,采用隨機(jī)延時(shí)算法;為了降低功耗，對(duì)溫度傳感器芯片進(jìn)行關(guān)斷，具體如下圖實(shí)現(xiàn)。通過單片機(jī)10控制三極管溫度傳感器芯片進(jìn)行電源關(guān)斷和AD采樣等具體實(shí)現(xiàn)如圖4所示。
圖4溫度采樣電路低功耗實(shí)現(xiàn)
無線測溫系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示，主要工作原理單片機(jī)進(jìn)入休眠模式Halt,單片機(jī)處于停機(jī)狀態(tài),需要定時(shí)喚醒，設(shè)置內(nèi)部RTC時(shí)鐘作為定時(shí)器，定時(shí)喚醒單片機(jī)進(jìn)行溫度采樣，采樣后存，下一次單片機(jī)喚醒后設(shè)置無線發(fā)送模塊工作，將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。
圖5無線測溫節(jié)點(diǎn)軟件流程圖
5安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)及在線測溫產(chǎn)品介紹
5.1概述
開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于470MHz無線測溫技術(shù)開發(fā)的針對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行測溫的系統(tǒng)，可對(duì)開關(guān)柜分別為母線排、上下觸頭、電纜接頭，柜體表面等部位溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，方便運(yùn)維人員及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心掌握現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況。
5.2應(yīng)用場所
變電所，配電室，箱變等
5.3系統(tǒng)架構(gòu)
開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)由無線溫度傳感器、測溫通訊終端（溫度顯示儀）、溫度監(jiān)測預(yù)警工作站三部分組成，
5.4系統(tǒng)功能
5.4.1實(shí)時(shí)監(jiān)測
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機(jī)界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息。
5.4.2溫度查詢
溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）：
5.4.3運(yùn)行報(bào)表
查詢各回路設(shè)備運(yùn)行溫度報(bào)表。
5.4.4實(shí)時(shí)報(bào)警
壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能，設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出警告。設(shè)備提供以下幾種告警方式：
1）彈出事件報(bào)警窗口。
2）實(shí)時(shí)語音報(bào)警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警。
3）短信警告?？梢韵蛱?hào)碼發(fā)送告警信息短信（需選配短信貓）。
5.4.5歷史告警查詢
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ懈婢录涗涍M(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)和告警等事件進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。
5.4.6用戶權(quán)限管理
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
5.4.7定值設(shè)置
用于修改高溫定值、超溫定值。
WEB，APP（可選）：
通過網(wǎng)址和APP展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)量等概況信息，設(shè)備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。
5.5.產(chǎn)品選型
5.5.1無線測溫傳感器選型
5.5.2收發(fā)器選型
5.5.3測溫通訊終端（溫度顯示儀）選型
5.6典型配置方案
5.6.1高低壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)無線測溫（單柜就地顯示）
a）配置方案
說明：ARTM-Pn通過RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收60只無線溫度傳感器
ATE100/100M/200/400/100P/200P。
b）安裝實(shí)例
5.6.2高壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)無線測溫帶操顯功能（單柜就地顯示）
a）配置方案
說明：ASD320通過RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收12只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
b）安裝實(shí)例
5.6.3高低壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)無線測溫（集中就地顯示/就地?zé)o顯示）
a）配置方案
說明：觸摸屏通過RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果現(xiàn)場不需要就地顯示，可以直接通過ATC的RS485接口，把數(shù)據(jù)傳送到值班室的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)。
b）安裝實(shí)例
5.6.4就地壁掛式集中顯示方案（適用于改造，不方便在柜子上加裝顯示屏的現(xiàn)場）
方案一：Acrel-2000T/A就地集中顯示：
說明：Acrel-2000/A通過RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
方案二：Acrel-2000T/B就地集中顯示：
說明：Acrel-2000T/B不僅可以通過RS485連接多種ATC收發(fā)器接收所有型號(hào)傳感器實(shí)現(xiàn)集中顯示，還可以通訊連接配電室內(nèi)無線測溫相關(guān)就地顯示裝置實(shí)現(xiàn)集中顯示，同時(shí)還可以連接配電室內(nèi)智能操控、微機(jī)保護(hù)、電力儀表等電力監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。
5.6.5低壓電氣接點(diǎn)有線測溫、變壓器繞組測溫
a）配置方案
說明：ARTM-8溫度巡檢儀可配8路Pt100傳感器，有線連接，Pt100傳感器客戶自配，測量低壓電氣接點(diǎn)時(shí)Pt100傳感器需做好絕緣處理。
b）安裝實(shí)例
6總結(jié)
基于感應(yīng)取電的無線測溫系統(tǒng)在高壓開關(guān)柜實(shí)際應(yīng)用運(yùn)行狀況良好，該系統(tǒng)能夠?qū)囟缺O(jiān)測點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,測量精度高。經(jīng)過測試母線電流大于8A無線測溫模塊經(jīng)過CT感應(yīng)取電即可穩(wěn)定工作。解決了傳統(tǒng)采用電池供電頻繁換電池問題，不受電流變化范圍大影響可實(shí)現(xiàn)全天候?qū)Ω邏洪_關(guān)柜內(nèi)設(shè)備的溫度進(jìn)行監(jiān)測，以確保高壓開關(guān)柜正常運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)
[1]劉濤，唐培林.基于感應(yīng)取電的無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2016,36:68-69.
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[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2020.06月版.
作者簡介：易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電
Email：2851375246@qq.com ： QQ：2851375246
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