CT取電無線測溫係統高壓設備上的應用

摘要：高壓設備在長期的運行過程當中，其很多部位會(hui) 發生溫度升高的狀況，如開關(guan) 櫃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(guan) 設備的待測溫部位的溫度在線監測是需要的。基於(yu) CT取電無線溫度係統不用頻繁更換電池，提升係統的實用性。本文同時介紹了如何通過軟件和硬件實現無線測溫係統低功耗，滿足母線小電流情況使用，並在實際應用中證明該技術的實用性。

關(guan) 鍵詞：CT取電；高壓設備；無線測溫係統；低功耗

1、引言

高壓電氣設備溫度監測點都處於(yu) 高電壓、大電流、強磁場的環境中，甚至有的監測點還處在密閉的空間中，由於(yu) 強電磁噪聲和髙壓絕緣、空間的限製等問題，通常的溫度測量方法無法解決(jue) 這些問題而無法使用。無線式溫度監測係統采用無線電波進行傳(chuan) 輸數據。傳(chuan) 感器安裝在高壓設備上，與(yu) 接收設備之間無電氣連接，因此該係統解決(jue) 了高壓設備接點運行溫度不易實時在線監測的難題。本文為(wei) 高壓設備無線測溫係統設計了一種高壓母線感應取電電源，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現了獨立工作。

2、感應取電線圈設計

母線供電的核心器件是磁感應線圈，也是設計的難點。母線上的電流變化外圍較大：低至幾安，高達上千安，市麵常見10kV高壓開關(guan) 櫃的額定電流有630A、1250A、1600A等。在設計磁感應線圈的過程中要考慮到：當母線處於(yu) 小電流狀態時，磁感應線圈獲得的能量較小，係統不能正常工作；當母線電流超過額定電流的強電狀態，或者短路故障電流時，磁感應線圈產(chan) 生的高壓尖脈衝(chong) 對副邊各器件造成的幹擾和損壞，尤其是對後續電路的幹擾。因此在母線電流較為(wei) 複雜的情況下，磁感應線圈的鐵芯材料的選型很關(guan) 鍵。

2.1鐵芯材料選擇

目前可供使用的鐵芯材料有矽鋼材料、坡莫合金材料和納米晶材料，經過試驗本產(chan) 品選用矽鋼材料鐵芯滿足設計要求，價(jia) 格較便宜，使得本產(chan) 品在同行業(ye) 中更有競爭(zheng) 力。

2.2線圈匝數設計

對感應取電建立簡化模型，進行理論分析。假設感應取電的初級線圈和次級線圈達到全耦合電磁感應，並且不考慮初級線圈和次級線圈的漏感，建立感應取電簡化模型如圖1所示。

圖1感應取電簡化模型

根據電磁感應取電定律,可以得出以下基本公式

φ為(wei) 主磁通量；H為(wei) 磁感應強度；l為(wei) 磁路長度；B為(wei) 磁感應強度；A為(wei) 鐵芯截麵積；N₁和N₂分別是初級和次級線圈的匝數。

感應取電裝置工作於(yu) 理想狀態時，應該是母線電流的半個(ge) 周期內(nei) ，鐵芯的磁感應強度從(cong) 負飽和增加到正飽和，此時可以取得功率，即輸出電壓值u_2max。

本產(chan) 品鐵芯選用矽鋼的飽和磁感應強度2.03, 截麵積A=10^-4m²，T=π，電壓為(wei) 7.5V，則帶入公式計算出，則本產(chan) 品選取匝數為(wei) 4800。

3、感應取電硬件設計

通過感應線圈取電後，經鉗位保護電路、整流電路、線性穩壓為(wei) 工作電路板供電，電路如圖2所示，原理圖如3所示。

圖2感應取電方框圖

圖3感應取電硬件原理圖

3.2工作原理

根據設計好的感應線圈，通過各設計參數選取器件，本產(chan) 品采用二極管D1進行半波整流，參數根據輸入電壓值u_2max來選取。C3電解電容進行濾波，穩壓芯片采用 NCP551-3.3V，該芯片輸入電壓為(wei) 12V，靜態電流0.4uA很適合微功耗電路。輸出3.3V給單片機提供電源。C1選取大容量固態電容，這個(ge) 電容很重要，選取固態電容好處，當微控製器由低功耗狀態轉為(wei) 全負荷狀態時，這種微控製器的瞬間（一般小於(yu) 5ms）切換需要的大量能量均來自供電電路中的電容，此時固態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，確保整個(ge) 電路穩定工作。

3.3硬件低功耗實現

微控製器芯片采用STM8L係列芯片，該單片機有四種低功耗模式，其中halt模式下可以達到350nA，很省電。從(cong) Halt模式喚醒的時間也非常快，隻需要5us。這樣隻要軟件程序合理，在實際測試中母線電流8A無線測溫模塊即可啟動工作。

本文采用的是Nordic2.4G無線通信技術來實現傳(chuan) 輸溫度數據，工作電壓範圍為(wei) 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：（1）運行功耗低，實際運用時可根據采集溫度數據間隙的時間，控製其工作時間以達到進一步降低其平均功耗；（2）傳(chuan) 輸速率高，有利於(yu) 實現“實時"溫度監控的目的；（3）經濟性好，有利於(yu) 控製測溫係統的運維成本；（4）體(ti) 積小，便於(yu) 運用在溫度傳(chuan) 感器上。

4、軟件低功耗實現

當母線處於(yu) 小電流狀態時，磁感應線圈獲得的能量較小，這樣整個(ge) 電路功耗很低，這樣不僅(jin) 要求芯片低功耗，軟件設計也尤為(wei) 重要。低功耗程序設計，通過單片機和無線收發器的休眠以及外圍電路的關(guan) 斷，使得整個(ge) 電路電流不超過30ms，無線發射時功耗不超過500ms。

首先要對單片機和無線收發器進行配置，為(wei) 了防止節點死機；需設計看門狗程序；為(wei) 了能夠進入休眠模式三，需進行電源管理和內(nei) 核電壓監測設置；為(wei) 了防止各個(ge) 節點同時發送數據岀現碰撞，需采用隨機延時算法；為(wei) 了降低功耗，需對溫度傳(chuan) 感器芯片進行關(guan) 斷，具體(ti) 如下圖實現。通過單片機10控製三極管溫度傳(chuan) 感器芯片進行電源關(guan) 斷和AD采樣等具體(ti) 實現如圖4所示。

圖4溫度采樣電路低功耗實現

無線測溫係統軟件流程圖如圖5所示，工作原理單片機進入休眠模式Halt，單片機處於(yu) 停機狀態，需要定時喚醒，設置內(nei) 部RTC時鍾作為(wei) 定時器，定時喚醒單片機進行溫度采樣，采樣後存，下一次單片機喚醒後設置無線發送模塊工作，將溫度數據發送給主機。

圖5無線測溫節點軟件流程圖

5、應用場景

電氣接點在線測溫裝置適用於(yu) 高低壓開關(guan) 櫃內(nei) 電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開關(guan) 、高壓電纜中間頭、幹式變壓器、低壓大電流等設備的溫度監測，防止在運行過程中因氧化、鬆動、灰塵等因素造成接點接觸電阻過大而發熱成為(wei) 安全隱患，提高設備安全保障，及時、持續、準確反映設備運行狀態，降低設備事故率。

6、係統硬件配置

溫度在線監測係統主要由設備層的溫度傳(chuan) 感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計算網關(guan) 以及站控層的測溫係統主機組成，實現變配電係統關(guan) 鍵電氣部位的溫度在線監測。

安科瑞侯文莉