CT取電無線測溫系統在高壓設備上的應用分析

1、引言

高壓電氣設備溫度監測點都處于高電壓、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。無線式溫度監測系統采用無線電波進行傳輸數據。傳感器安裝在高壓設備上，與接收設備之間無電氣連接，因此該系統解決了高壓設備接點運行溫度不易實時在線監測的難題。本文為高壓設備無線測溫系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，市面常見10kV高壓開關柜的額定電流有630A、1250A、1600A等。在設計磁感應線圈的過程中要考慮到：當母線處于小電流狀態時，磁感應線圈獲得的能量較小，系統不能正常工作；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，經過試驗本產品選用硅鋼材料鐵芯滿足設計要求，價格較便宜，使得本產品在同行業中更有競爭力。

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，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。

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。

感應取電裝置工作于理想狀態時，應該是母線電流的半個周期內，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。

本產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，則本產品選取匝數為4800。

3、感應取電硬件設計

通過感應線圈取電后，經鉗位保護電路、整流電路、線性穩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，本產品采用二極管D1進行半波整流，參數根據輸入電壓值u2max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，這個電容很重要，選取固態電容好處，當微控制器由低功耗狀態轉為全負荷狀態時，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，確保整個電路穩定工作。

3.3硬件低功耗實現

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無線通信技術來實現傳輸溫度數據，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，實際運用時可根據采集溫度數據間隙的時間，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“實時”溫度監控的目的；（3）經濟性好，有利于控制測溫系統的運維成本；（4）體積小，便于運用在溫度傳感器上。

4、軟件低功耗實現

當母線處于小電流狀態時，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，軟件設計也尤為重要。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斷，使得整個電路電流不超過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，為了防止節點死機；需設計看門狗程序；為了能夠進入休眠模式三，需進行電源管理和內核電壓監測設置；為了防止各個節點同時發送數據岀現碰撞，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斷，具體如下圖實現。通過單片機10控制三極管溫度傳感器芯片進行電源關斷和AD采樣等具體實現如圖4所示。

圖4溫度采樣電路低功耗實現

無線測溫系統軟件流程圖如圖5所示，工作原理單片機進入休眠模式Halt，單片機處于停機狀態，需要定時喚醒，設置內部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于高低壓開關柜內電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開關、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設備的溫度監測，防止在運行過程中因氧化、松動、灰塵等因素造成接點接觸電阻過大而發熱成為安全隱患，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、系統硬件配置 

溫度在線監測系統主要由設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關以及站控層的測溫系統主機組成，實現變配電系統關鍵電氣部位的溫度在線監測。

7、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，測量度較高。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每天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。

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