周穎

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(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中,，其很多部位會(huì)發(fā)生溫度升高的狀況，如開(kāi)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(jiàn),，對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的待測(cè)溫部位的溫度在線監(jiān)測(cè)是需要的,。基于CT取電無(wú)線溫度系統(tǒng)不用頻繁更換電池,，提升系統(tǒng)的實(shí)用性,。本文同時(shí)介紹了如何通過(guò)軟件和硬件實(shí)現(xiàn)無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)低功耗，滿(mǎn)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(wú)線測(cè)溫系統(tǒng),；低功耗

1、引言

  高壓電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)都處于高電壓,、大電流,、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境中，甚至有的監(jiān)測(cè)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(wèn)題，通常的溫度測(cè)量方法無(wú)法解決這些問(wèn)題而無(wú)法使用,。無(wú)線式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無(wú)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(wú)電氣連接,，因此該系統(tǒng)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(cè)的難題,。本文為高壓設(shè)備無(wú)線測(cè)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(wú)線測(cè)溫模塊不需要依靠變電站的市電電源供電實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立工作。

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(jiàn)10kV高壓開(kāi)關(guān)柜的額定電流有630A、1250A,、1600A等,。在設(shè)計(jì)磁感應(yīng)線圈的過(guò)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(guò)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很關(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(guò)試驗(yàn)本產(chǎn)品選用硅鋼材料鐵芯滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,，價(jià)格較便宜，使得本產(chǎn)品在同行業(yè)中更有競(jìng)爭(zhēng)力,。

2.2線圈匝數(shù)設(shè)計(jì)

  對(duì)感應(yīng)取電建立簡(jiǎn)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(jiǎn)化模型如圖1所示,。

圖1感應(yīng)取電簡(jiǎn)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(zhǎng)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)可以取得功率,，即輸出電壓值u_2max。

  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，T=π,，電壓為7.5V,，則帶入公式計(jì)算出，則本產(chǎn)品選取匝數(shù)為4800,。

3,、感應(yīng)取電硬件設(shè)計(jì)

  通過(guò)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(guò)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,，參數(shù)根據(jù)輸入電壓值u_2max來(lái)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)電容很重要,，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(lái)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,，很省電,。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(cè)試中母線電流8A無(wú)線測(cè)溫模塊即可啟動(dòng)工作,。

本文采用的是Nordic2.4G無(wú)線通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸溫度數(shù)據(jù),，工作電壓范圍為3.6V~1.9V,滿(mǎn)足本文所要求的低功耗需求,，該芯片其具有以下特點(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(cè)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(guò)單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)器的休眠以及外圍電路的關(guān)斷,，使得整個(gè)電路電流不超過(guò)30ms,，無(wú)線發(fā)射時(shí)功耗不超過(guò)500ms。

  首先要對(duì)單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)器進(jìn)行配置,，為了防止節(jié)點(diǎn)死機(jī),；需設(shè)計(jì)看門(mén)狗程序；為了能夠進(jìn)入休眠模式三,，需進(jìn)行電源管理和內(nèi)核電壓監(jiān)測(cè)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，需采用隨機(jī)延時(shí)算法,；為了降低功耗,，需對(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(guò)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(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示,，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(wú)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(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

5、應(yīng)用場(chǎng)景

  電氣接點(diǎn)在線測(cè)溫裝置適用于高低壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電纜接頭,、斷路器觸頭,、刀閘開(kāi)關(guān)、高壓電纜中間頭,、干式變壓器,、低壓大電流等設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)，防止在運(yùn)行過(guò)程中因氧化,、松動(dòng),、灰塵等因素造成接點(diǎn)接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱成為隱患，提高設(shè)備保障,，及時(shí),、持續(xù)、準(zhǔn)確反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),，降低設(shè)備事故率,。

6、系統(tǒng)硬件配置

  溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由設(shè)備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元,，通訊層的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)以及站控層的測(cè)溫系統(tǒng)主機(jī)組成,，實(shí)現(xiàn)變配電系統(tǒng)關(guān)鍵電氣部位的溫度在線監(jiān)測(cè)。

7,、總結(jié)

  基于感應(yīng)取電的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)在高壓開(kāi)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(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量度較高,。經(jīng)過(guò)測(cè)試母線電流大于8A無(wú)線測(cè)溫模塊經(jīng)過(guò)CT感應(yīng)取電即可穩(wěn)定工作,。解決了傳統(tǒng)采用電池供電頻繁更換電池問(wèn)題，不受電流變化范圍大影響可實(shí)現(xiàn)每天對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)備的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),，以確保高壓開(kāi)關(guān)柜正常運(yùn)行,。

參考文獻(xiàn)

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作者介紹

周穎,，女,，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