張心志

安科瑞電氣股份有限公司    

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，對高壓開關(guān)設(shè)備的待測溫部位的溫度在線監(jiān)測是需要的。基于CT取電無線溫度系統(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；無線測溫系統(tǒng)；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)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10kV高壓開關(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)生的高壓尖脈沖對副邊各器件造成的干擾和損壞，尤其是對后續(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)中更有競爭力。

2.2線圈匝數(shù)設(shè)計(jì)

對感應(yīng)取電建立簡化模型，進(jìn)行理論分析。假設(shè)感應(yīng)取電的初級線圈和次級線圈達(dá)到全耦合電磁感應(yīng)，并且不考慮初級線圈和次級線圈的漏感，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分別是初級和次級線圈的匝數(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，參數(shù)根據(jù)輸入電壓值u_2max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?？?/span>，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。

本文采用的是Nordic2.4G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)電路電流不超過30ms，無線發(fā)射時(shí)功耗不超過500ms。

首先要對單片機(jī)和無線收發(fā)器進(jìn)行配置，為了防止節(jié)點(diǎn)死機(jī)；需設(shè)計(jì)看門狗程序；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，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、應(yīng)用場景

電氣接點(diǎn)在線測溫裝置適用于高低壓開關(guān)柜內(nèi)電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開關(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，防止在運(yùn)行過程中因氧化、松動(dòng)、灰塵等因素造成接點(diǎn)接觸電阻過大而發(fā)熱成為安全隱患，提高設(shè)備安全保障，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。

7、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，測量度較高。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)采用電池供電頻繁更換電池問題，不受電流變化范圍大影響可實(shí)現(xiàn)每天對高壓開關(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)】

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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.2022.05版。

作者介紹：

張心志，男，就業(yè)于安科瑞電氣股份有限公司。