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CT取電無線測溫系統(tǒng)在高壓設(shè)備上的應用分析
更新時間:2024-02-06   點擊次數(shù):554次

1、引言

高壓電氣設(shè)備溫度監(jiān)測點都處于高電壓、大電流、強磁場的環(huán)境中,甚至有的監(jiān)測點還處在密閉的空間中,由于強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)備接點運行溫度不易實時在線監(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(xiàn)了獨立工作。

2、感應取電線圈設(shè)計

母線供電的核心器件是磁感應線圈,也是設(shè)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,市面常見10kV高壓開關(guān)柜的額定電流有630A、1250A、1600A等。在設(shè)計磁感應線圈的過程中要考慮到:當母線處于小電流狀態(tài)時,磁感應線圈獲得的能量較小,系統(tǒng)不能正常工作;當母線電流超過額定電流的強電狀態(tài),或者短路故障電流時,磁感應線圈產(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雜的情況下,磁感應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)過試驗本產(chǎn)品選用硅鋼材料鐵芯滿足設(shè)計要求,價格較便宜,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

對感應取電建立簡化模型,進行理論分析。假設(shè)感應取電的初級線圈和次級線圈達到全耦合電磁感應,并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。

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圖1感應取電簡化模型

 

根據(jù)電磁感應取電定律,可以得出以下基本公式

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φ為主磁通量;H為磁感應強度;l為磁路長度;B為磁感應強度;A為鐵芯截面積;N1和N2分別是初級和次級線圈的匝數(shù)。

感應取電裝置工作于理想狀態(tài)時,應該是母線電流的半個周期內(nèi),鐵芯的磁感應強度從負飽和增加到正飽和,此時可以取得功率,即輸出電壓值u2max

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本產(chǎn)品鐵芯選用硅鋼的飽和磁感應強度2.03, 截面積A=10-4m2,T=π,電壓為7.5V,則帶入公式計算出IMG_259,則本產(chǎn)品選取匝數(shù)為4800。

 

3、感應取電硬件設(shè)計

通過感應線圈取電后,經(jīng)鉗位保護電路、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。

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圖2感應取電方框圖

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圖3感應取電硬件原理圖

3.2工作原理

根據(jù)設(shè)計好的感應線圈,通過各設(shè)計參數(shù)選取器件,本產(chǎn)品采用二極管D1進行半波整流,參數(shù)根據(jù)輸入電壓值u2max來選取。C3電解電容進行濾波,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給單片機提供電源。C1選取大容量固態(tài)電容,這個電容很重要,選取固態(tài)電容好處,當微控制器由低功耗狀態(tài)轉(zhuǎn)為全負荷狀態(tài)時,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,確保整個電路穩(wěn)定工作。

3.3硬件低功耗實現(xiàn)

微控制器芯片采用STM8L系列芯片,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Halt模式喚醒的時間也非常快,只需要5us。這樣只要軟件程序合理,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(shù)來實現(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:(1)運行功耗低,實際運用時可根據(jù)采集溫度數(shù)據(jù)間隙的時間,控制其工作時間以達到進一步降低其平均功耗;(2)傳輸速率高,有利于實現(xiàn)“實時"溫度監(jiān)控的目的;(3)經(jīng)濟性好,有利于控制測溫系統(tǒng)的運維成本;(4)體積小,便于運用在溫度傳感器上。

4、軟件低功耗實現(xiàn)

當母線處于小電流狀態(tài)時,磁感應線圈獲得的能量較小,這樣整個電路功耗很低,這樣不僅要求芯片低功耗,軟件設(shè)計也尤為重要。低功耗程序設(shè)計,通過單片機和無線收發(fā)器的休眠以及外圍電路的關(guān)斷,使得整個電路電流不超過30ms,無線發(fā)射時功耗不超過500ms。

首先要對單片機和無線收發(fā)器進行配置,為了防止節(jié)點死機;需設(shè)計看門狗程序;為了能夠進入休眠模式三,需進行電源管理和內(nèi)核電壓監(jiān)測設(shè)置;為了防止各個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)岀現(xiàn)碰撞,需采用隨機延時算法;為了降低功耗,需對溫度傳感器芯片進行關(guān)斷,具體如下圖實現(xiàn)。通過單片機10控制三極管溫度傳感器芯片進行電源關(guān)斷和AD采樣等具體實現(xiàn)如圖4所示。

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圖4溫度采樣電路低功耗實現(xiàn)

無線測溫系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示,工作原理單片機進入休眠模式Halt,單片機處于停機狀態(tài),需要定時喚醒,設(shè)置內(nèi)部RTC時鐘作為定時器,定時喚醒單片機進行溫度采樣,采樣后存,下一次單片機喚醒后設(shè)置無線發(fā)送模塊工作,將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。

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圖5無線測溫節(jié)點軟件流程圖

5、應用場景

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電氣接點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,防止在運行過程中因氧化、松動、灰塵等因素造成接點接觸電阻過大而發(fā)熱成為安全隱患,提高設(shè)備安全保障,及時、持續(xù)、準確反映設(shè)備運行狀態(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,通訊層的邊緣計算網(wǎng)關(guān)以及站控層的測溫系統(tǒng)主機組成,實現(xiàn)變配電系統(tǒng)關(guān)鍵電氣部位的溫度在線監(jiān)測。

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7、總結(jié)

基于感應取電的無線測溫系統(tǒng)在高壓開關(guān)柜實際應用運行狀況良好,該系統(tǒng)能夠?qū)囟缺O(jiān)測點的溫度進行實時測量,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現(xiàn)每天對高壓開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備的溫度進行監(jiān)測,以確保高壓開關(guān)柜正常運行。

 

【參考文獻】

[1]馮穎姣,張盛,汪黎明,基于CT取電無線測溫系統(tǒng)低功耗實現(xiàn)實用技術(shù).

[2]劉濤,唐培林,基于感應取電的無線測溫系統(tǒng)設(shè)計與應用[J].科技經(jīng)濟導刊,2016,36=68-69.

[3]韓忠杰,王玲芝,微型傳感器自取電技術(shù)研究[J].計量與測試技術(shù),2018,(45)4:46-50.

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應用手冊.2022.05版.


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