淺談基于CT取電無線測溫系統低功耗的實現與應用
更(geng)新時間：2022-01-05
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淮亞利
安科瑞(rui)電氣(qi)股份有(you)限公司(si) 上海嘉定 201801
摘要:高壓設備在長期的運行過程當中，其很多部位會發生溫度急劇升高的狀況，如開關柜觸頭接觸不良導致觸頭溫度升高，甚至燒毀，由此造成停電事故發生。由此可見，對高壓開關設備的待測溫部位的溫度在線監測是極為必要的。基于CT取電無線溫度系統不用頻繁更換電池，提升系統的可靠性、實用性。本文同時介紹了如何通過軟件和硬件實現無線測溫系統低功耗，滿足母線小電流情況使用，并在實際應用中證明該技術的實用性。
關鍵詞：CT取電；高壓設備；無線測溫；低功耗
1引言
高(gao)壓(ya)(ya)電(dian)氣設(she)備溫(wen)度監測點都處于(yu)高(gao)電(dian)壓(ya)(ya)、大電(dian)流(liu)、強(qiang)磁(ci)場(chang)的(de)環境中，甚(shen)至(zhi)有的(de)監測點還處在密閉的(de)空間(jian)中，由(you)于(yu)強(qiang)電(dian)磁(ci)噪聲和髙壓(ya)(ya)絕緣、空間(jian)的(de)限制等(deng)問題(ti)，通常的(de)溫(wen)度測量方法無法解決這些問題(ti)而無法使用(yong)。無線式溫(wen)度監測系統采用(yong)無線電(dian)波進行(xing)傳輸數據。傳感器安裝在高(gao)壓(ya)(ya)設(she)備上，與接收(shou)設(she)備之間(jian)無電(dian)氣連接，因(yin)此該(gai)系統從根本上解決了高(gao)壓(ya)(ya)設(she)備接點運行(xing)溫(wen)度不易實時在線監測的(de)難題(ti)。
本文(wen)為(wei)高壓設備無線(xian)測(ce)溫(wen)(wen)系統設計(ji)了一種高壓母線(xian)感應取(qu)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)，使用(yong)該電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)的無線(xian)測(ce)溫(wen)(wen)模(mo)塊(kuai)不(bu)需(xu)要依靠變電(dian)(dian)(dian)(dian)站的市(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)供電(dian)(dian)(dian)(dian)實現(xian)了*的獨立(li)工作(zuo),可(ke)以大大提升監(jian)測(ce)系統的可(ke)靠性。
2感應(ying)取電線(xian)圈設計
母(mu)線(xian)供電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)核心器件是磁感(gan)應(ying)線(xian)圈(quan)，也是設(she)計(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)難點。母(mu)線(xian)上的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)變(bian)化外圍較大:低至幾安，高(gao)達(da)上千安，市面常(chang)見10kV高(gao)壓開關柜(ju)的(de)(de)(de)(de)(de)額定電(dian)(dian)(dian)流(liu)有(you)630A、250A、600A等(deng)。在設(she)計(ji)磁感(gan)應(ying)線(xian)圈(quan)的(de)(de)(de)(de)(de)過程中(zhong)要考(kao)慮到：當(dang)母(mu)線(xian)處于小(xiao)電(dian)(dian)(dian)流(liu)狀態(tai)時(shi)，磁感(gan)應(ying)線(xian)圈(quan)獲得的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量較小(xiao)，系統不(bu)能(neng)正(zheng)常(chang)工(gong)作；當(dang)母(mu)線(xian)電(dian)(dian)(dian)流(liu)超過額定電(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)(de)(de)(de)強電(dian)(dian)(dian)狀態(tai),或(huo)者短路故障電(dian)(dian)(dian)流(liu)時(shi)，磁感(gan)應(ying)線(xian)圈(quan)產生的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)壓尖脈沖對副邊(bian)各器件造(zao)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)干擾和損壞,尤其是對后續電(dian)(dian)(dian)路的(de)(de)(de)(de)(de)干擾。因此在母(mu)線(xian)電(dian)(dian)(dian)流(liu)較為復雜的(de)(de)(de)(de)(de)情況下，磁感(gan)應(ying)線(xian)圈(quan)的(de)(de)(de)(de)(de)鐵芯材料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)選型極為關鍵。
2.1鐵芯材料(liao)選(xuan)擇
目前可(ke)供使用的鐵芯材料(liao)有(you)硅(gui)鋼(gang)材料(liao)、坡莫合金材料(liao)和(he)納米晶(jing)材料(liao)，經(jing)過試驗本產品選用硅(gui)鋼(gang)材料(liao)鐵芯滿足(zu)設計要求，價格較便宜，使得本產品在同行業中(zhong)更有(you)競爭力。
2.2線(xian)圈匝數設(she)計(ji)
對感應取(qu)電(dian)(dian)建立簡(jian)化(hua)模(mo)型，進行理(li)論(lun)分析。假設感應取(qu)電(dian)(dian)的初(chu)級線(xian)圈(quan)和次(ci)級線(xian)圈(quan)達(da)到(dao)全耦合電(dian)(dian)磁感應，并且不考慮初(chu)級線(xian)圈(quan)和次(ci)級線(xian)圈(quan)的漏感，建立感應取(qu)電(dian)(dian)簡(jian)化(hua)模(mo)型如圖1所示(shi)。
圖1感應取(qu)電(dian)簡化模型
根據電磁(ci)感(gan)應取電定律,可以(yi)得出以(yi)下基本公式
Φ為主(zhu)磁(ci)通(tong)量;H為磁(ci)感應(ying)強度(du);L為磁(ci)路(lu)長度(du);B為磁(ci)感應(ying)強度(du);A為鐵芯截面積;N1和(he)N2分(fen)別(bie)是初級(ji)和(he)次(ci)級(ji)線圈的匝數。
感應(ying)取電裝置(zhi)工作于理(li)想(xiang)優狀態時(shi)，應(ying)該是母線電流的半個周(zhou)期內，鐵芯的磁感應(ying)強度從負(fu)飽(bao)和(he)增加到正飽(bao)和(he)，此(ci)時(shi)可以(yi)取得大功率，即輸(shu)出電壓大值U2max。
感(gan)應(ying)取電(dian)(dian)裝置工作于理想優狀態時，應(ying)該(gai)是母線電(dian)(dian)流的(de)半個(ge)周期(qi)內，鐵芯的(de)磁感(gan)應(ying)強度(du)從(cong)負(fu)飽和(he)增加到(dao)正(zheng)飽和(he)，此時可以取得大功(gong)率，即輸(shu)出電(dian)(dian)壓大值U2max。
本產(chan)品鐵芯選用硅(gui)鋼的飽和磁感應強(qiang)度2.03,截面(mian)積A-10-4m2,r=π,大(da)電壓為(wei)7.5V,則(ze)帶入公式(shi)計算出，
則本(ben)產品選(xuan)取(qu)優(you)匝數取(qu)4800。
3感應取電(dian)硬件設計
3.1硬件實(shi)現原理圖
通過(guo)感應線圈(quan)取電(dian)后(hou)，經鉗位保護電(dian)路(lu)、整流電(dian)路(lu)、線性(xing)穩(wen)壓為工作電(dian)路(lu)板供電(dian)，電(dian)路(lu)如(ru)圖(tu)2所示(shi),原理圖(tu)如(ru)3所示(shi)。
圖2感應取電(dian)方框(kuang)圖
圖3感應取電(dian)硬(ying)件原理(li)圖
3.2工(gong)作(zuo)原理
根據設(she)計(ji)好的感應線(xian)圈，通過各設(she)計(ji)參(can)數選(xuan)取(qu)(qu)器件，本產品采(cai)用二(er)極管D1進行(xing)(xing)半波(bo)(bo)整流，保護電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路采(cai)用瞬態抑制(zhi)二(er)極管，參(can)數根據輸(shu)(shu)入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)大(da)(da)值U2max來選(xuan)取(qu)(qu)。C3電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)進行(xing)(xing)濾波(bo)(bo),穩(wen)(wen)壓(ya)芯片(pian)采(cai)用NCP551-3.3V,該芯片(pian)大(da)(da)輸(shu)(shu)入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)為12V,靜態電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流0.4uA很(hen)適合微功耗電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路。輸(shu)(shu)出3.3V給(gei)單(dan)片(pian)機(ji)提供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源。C1選(xuan)取(qu)(qu)大(da)(da)容(rong)量固態電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)，這個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)尤(you)為重要，選(xuan)取(qu)(qu)固態電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)好處，當微控(kong)制(zhi)器由低功耗狀態轉(zhuan)為全負荷狀態時，這種微控(kong)制(zhi)器的瞬間(jian)(一般小(xiao)于5ms)切換(huan)需(xu)要的大(da)(da)量能量均來自供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路中的電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)，此時固態電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)高速充放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)特(te)性可以在瞬間(jian)輸(shu)(shu)出高峰(feng)值電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流,保證充足(zu)的電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源供(gong)(gong)應，確(que)保整個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路穩(wen)(wen)定(ding)工作。
3.3硬件低功耗(hao)實現
微(wei)控制器芯片(pian)采用STM8L系(xi)列芯片(pian)，該單(dan)片(pian)機有四種低(di)功耗模式(shi)，其中(zhong)halt模式(shi)下(xia)可以達到(dao)350nA,非(fei)常省(sheng)電。從(cong)Halt模式(shi)喚醒(xing)的時間也(ye)非(fei)常快,只(zhi)需要5us。這(zhe)樣只(zhi)要軟件程(cheng)序合理，在(zai)實際測(ce)(ce)試中(zhong)母線電流8A無線測(ce)(ce)溫模塊(kuai)即可啟動工作。
本文(wen)采用的(de)無線通(tong)信技(ji)術來實現(xian)傳(chuan)輸(shu)溫(wen)度數據(ju)，工(gong)作(zuo)電壓(ya)范圍(wei)為3.6v-1.9v,滿(man)足(zu)本文(wen)所要求(qiu)(qiu)的(de)低功(gong)耗需求(qiu)(qiu)，該芯片其具有(you)以(yi)下(xia)優點：(1)運(yun)行功(gong)耗低，實際運(yun)用時(shi)(shi)可根據(ju)采集(ji)溫(wen)度數據(ju)間隙的(de)時(shi)(shi)間，控(kong)(kong)制其工(gong)作(zuo)時(shi)(shi)間以(yi)達到進一步降(jiang)低其平均(jun)功(gong)耗；(2)傳(chuan)輸(shu)速率高，有(you)利于實現(xian)“實時(shi)(shi)”溫(wen)度監(jian)控(kong)(kong)的(de)目的(de)；(3)經濟(ji)性(xing)好,有(you)利于控(kong)(kong)制測溫(wen)系統的(de)運(yun)維成本；(4)體積小，便于運(yun)用在溫(wen)度傳(chuan)感器上。
4軟件低功耗實現
當母線(xian)處于小(xiao)電(dian)流狀態時，磁感應線(xian)圈獲得的(de)能量較小(xiao),這(zhe)樣整(zheng)個電(dian)路功(gong)耗(hao)很低，這(zhe)樣不僅要(yao)(yao)求芯片低功(gong)耗(hao)，軟件設計(ji)也尤為重要(yao)(yao)。低功(gong)耗(hao)程序設計(ji)，通過單片機和無(wu)線(xian)收(shou)發器的(de)休眠以及外圍電(dian)路的(de)關斷，使得整(zheng)個電(dian)路大電(dian)流不超過30ms,無(wu)線(xian)發射時功(gong)耗(hao)不超過500ms。
首先(xian)要對單片(pian)(pian)機(ji)和無線收發器進(jin)行(xing)(xing)配置(zhi)，為(wei)了防止節(jie)點(dian)死機(ji),設計看門(men)狗程序;為(wei)了能夠進(jin)入(ru)休眠模式(shi)三，進(jin)行(xing)(xing)電源(yuan)管(guan)理和內核電壓(ya)監測(ce)設置(zhi);為(wei)了防止各個(ge)節(jie)點(dian)同時(shi)發送數據岀現碰撞,采(cai)用隨機(ji)延時(shi)算法(fa);為(wei)了降低功耗，對溫度傳感(gan)器芯片(pian)(pian)進(jin)行(xing)(xing)關斷(duan)，具(ju)體(ti)如(ru)下圖實現。通過單片(pian)(pian)機(ji)10控制三極(ji)管(guan)溫度傳感(gan)器芯片(pian)(pian)進(jin)行(xing)(xing)電源(yuan)關斷(duan)和AD采(cai)樣等(deng)具(ju)體(ti)實現如(ru)圖4所示。
圖(tu)4溫(wen)度(du)采(cai)樣電路低功耗實現
無線測溫(wen)(wen)系統軟件(jian)流(liu)程圖如圖5所示(shi)，主要工作原(yuan)理單(dan)片機(ji)(ji)進(jin)入休眠模(mo)式Halt,單(dan)片機(ji)(ji)處于停機(ji)(ji)狀態,需要定時喚(huan)醒，設置內(nei)部(bu)RTC時鐘(zhong)作為(wei)定時器，定時喚(huan)醒單(dan)片機(ji)(ji)進(jin)行溫(wen)(wen)度(du)采(cai)樣，采(cai)樣后(hou)存(cun)，下(xia)一次單(dan)片機(ji)(ji)喚(huan)醒后(hou)設置無線發送模(mo)塊工作，將溫(wen)(wen)度(du)數據發送給(gei)主機(ji)(ji)。
圖(tu)5無線測(ce)溫(wen)節點軟件流程圖(tu)
5安科瑞無線測溫監控系統及(ji)在線測溫產品(pin)介紹
5.1概(gai)述(shu)
開(kai)關(guan)柜(ju)溫(wen)(wen)度在(zai)線監(jian)(jian)測(ce)系統(tong)是(shi)基(ji)于470MHz無線測(ce)溫(wen)(wen)技術開(kai)發(fa)的(de)針對開(kai)關(guan)柜(ju)進行測(ce)溫(wen)(wen)的(de)系統(tong)，可(ke)對開(kai)關(guan)柜(ju)分別為母(mu)線排、上下觸(chu)頭(tou)、電纜接頭(tou)，柜(ju)體(ti)表面等部(bu)位溫(wen)(wen)度進行實時監(jian)(jian)測(ce)，方便運維人員及遠程(cheng)監(jian)(jian)控中心(xin)掌(zhang)握現場設備運行情(qing)況。
5.2應(ying)用(yong)場(chang)所
變電(dian)所(suo)，配電(dian)室，箱變等(deng)
5.3系統架構
開關(guan)柜無線測(ce)(ce)(ce)溫(wen)系統由無線溫(wen)度傳感器、測(ce)(ce)(ce)溫(wen)通訊終(zhong)端(溫(wen)度顯示儀)、溫(wen)度監測(ce)(ce)(ce)預警(jing)工(gong)作站三部分組成，
5.4系統(tong)功能(neng)
5.4.1實時監測
Acrel-2000T無線(xian)測(ce)溫(wen)監控(kong)軟(ruan)件人(ren)機(ji)界面友好，能夠以配電一次圖(tu)的(de)形式直觀顯示各(ge)測(ce)溫(wen)節點的(de)溫(wen)度數據及有關故障(zhang)、告警等信息。
5.4.2溫度查詢
溫度歷史曲線(1分(fen)鐘、5分(fen)鐘、60分(fen)鐘可選)：
5.4.3運行報表(biao)
查詢各回路設備運行溫度報表。
5.4.4實時報警(jing)
壁(bi)掛式無(wu)線(xian)測溫監控設備具有(you)實時報(bao)警功能，設備能夠對溫度(du)越限等事件(jian)發出警告。設備提供(gong)以下幾種告警方(fang)式：
1)彈出事件(jian)報警窗(chuang)口。
2)實時語音報警功能(neng)，能(neng)夠對(dui)所(suo)有(you)事(shi)件發出語音告警。
3)短(duan)(duan)信(xin)警告(gao)。可(ke)以向zhi定號碼發送(song)告(gao)警信(xin)息短(duan)(duan)信(xin)(需選配短(duan)(duan)xin貓)。
5.4.5歷史告(gao)警查詢(xun)
Acrel-2000T無(wu)線(xian)測溫監控系(xi)統能夠對(dui)所有告警事(shi)件記(ji)錄(lu)進行(xing)存儲和管理，方便用戶對(dui)系(xi)統和告警等事(shi)件進行(xing)歷史追溯(su)，查詢(xun)統計、事(shi)故分析。
5.4.6用戶(hu)權限管理
Acrel-2000T無線測(ce)溫監控系統(tong)(tong)為保障系統(tong)(tong)安全穩定運(yun)(yun)行，設置了用(yong)戶權(quan)(quan)(quan)限管理功(gong)能。通過用(yong)戶權(quan)(quan)(quan)限管理能夠防止未(wei)經授權(quan)(quan)(quan)的操作(如數據庫修改(gai)等)。可以定義不同級(ji)別用(yong)戶的登錄名、密(mi)碼及操作權(quan)(quan)(quan)限，為系統(tong)(tong)運(yun)(yun)行、維護、管理提(ti)供可靠(kao)的安全保障。
5.4.7定值(zhi)設置
用(yong)于修改高溫定值、超溫定值。
WEB，手機APP(可選)：
通過網(wang)zhi和手機APP展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息，設備溫度、通信狀態，用電分析和事件記錄。
5.5.產品(pin)選(xuan)型
5.5.1無線測溫(wen)傳感器選(xuan)型
5.5.2收發(fa)器(qi)選型(xing)
5.5.3測溫通訊終端(溫度顯示儀)選型
5.6典型配置方案(an)
5.6.1高(gao)低壓柜內電氣(qi)接點無線測溫(單柜就(jiu)地顯示)
a)配置方案
說明：ARTM-Pn通(tong)過RS485接口連接ATC實現(xian)開關柜溫度集中顯示(shi)，可接收60只無(wu)線(xian)溫度傳感器(qi)
ATE100/100M/200/400/100P/200P。
b)安裝實例 
5.6.2高壓柜內電氣接點無線測溫帶操顯(xian)功能(neng)(單柜就地顯(xian)示(shi))
a)配置方案
說(shuo)明(ming)：ASD320通過RS485接口(kou)連接ATC實現開關(guan)柜溫度(du)集中顯(xian)示，可(ke)接收12只無線(xian)溫度(du)傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
b)安裝(zhuang)實例
5.6.3高(gao)低壓柜內電氣接點無線測溫(集中就地顯示(shi)(shi)/就地無顯示(shi)(shi))
a)配置(zhi)方案
說明：觸摸屏通過RS485接(jie)(jie)口(kou)連接(jie)(jie)ATC實現開關柜(ju)溫(wen)(wen)度集(ji)中顯示，可接(jie)(jie)收240只無線溫(wen)(wen)度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果現場(chang)不需要就(jiu)地顯示，可以直接(jie)(jie)通過ATC的RS485接(jie)(jie)口(kou)，把數據傳送到值班室的遠程(cheng)溫(wen)(wen)度監控系統。
b)安(an)裝實例
5.6.4就(jiu)地壁掛式集(ji)中顯示方案(適用于改造，不方便在(zai)柜子上(shang)加裝顯示屏的(de)現(xian)場)
方案一：Acrel-2000T/A就地集中顯示：
說明：Acrel-2000/A通過RS485接(jie)口(kou)連接(jie)ATC實現(xian)開(kai)關柜溫(wen)度集中顯示，可接(jie)收(shou)240只無(wu)線溫(wen)度傳(chuan)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(tong)過RS485連(lian)(lian)接(jie)多種ATC收(shou)發器接(jie)收(shou)所有型(xing)號傳感(gan)器實現集(ji)中顯示(shi)，還可以通(tong)訊連(lian)(lian)接(jie)配電室內(nei)無線測(ce)溫相關就(jiu)地顯示(shi)裝置實現集(ji)中顯示(shi)，同時還可以連(lian)(lian)接(jie)配電室內(nei)智(zhi)能(neng)操(cao)控、微機保(bao)護、電力儀表(biao)等電力監(jian)控設備進行監(jian)測(ce)。
5.6.5低壓(ya)電氣接點有線測溫(wen)、變壓(ya)器繞組測溫(wen)
a)配置方案
說明：ARTM-8溫度巡檢儀可配8路Pt100傳(chuan)感器(qi)，有線連接，Pt100傳(chuan)感器(qi)客戶(hu)自配，測量低壓電氣接點時Pt100傳(chuan)感器(qi)需(xu)做好絕緣處理(li)。
b)安裝(zhuang)實例(li)
6總結
基于感應取電的無線測溫系統在高壓開關柜實際應用運行狀況良好，該系統能夠對溫度監測點的溫度進行實時測量,測量精度高。經過測試母線電流大于8A無線測溫模塊經過CT感應取電即可穩定工作。解決了傳統采用電池供電頻繁更換電池問題，不受電流變化范圍大影響可實現全天候對高壓開關柜內設備的溫度進行監測，以確保高壓開關柜正常運行。
參考文獻
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作者簡介：淮亞利，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統的研發與應用
