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    CT取電無(wú)線(xiàn)測溫系統高壓設備上的應用

    更新時(shí)間:2023-04-28  點(diǎn)擊次數: 527次

    摘要:高壓設備在長(cháng)期的運行過(guò)程當中,其很多部位會(huì )發(fā)生溫度升高的狀況,如開(kāi)關(guān)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(fā)生。由此可見(jiàn),對高壓開(kāi)關(guān)設備的待測溫部位的溫度在線(xiàn)監測是需要的?;?/span>CT取電無(wú)線(xiàn)溫度系統不用頻繁更換電池,提升系統的實(shí)用性。本文同時(shí)介紹了如何通過(guò)軟件和硬件實(shí)現無(wú)線(xiàn)測溫系統低功耗,滿(mǎn)足母線(xiàn)小電流情況使用,并在實(shí)際應用中證明該技術(shù)的實(shí)用性。

    關(guān)鍵詞:CT取電;高壓設備;無(wú)線(xiàn)測溫系統;低功耗

     

    1、引言

    高壓電氣設備溫度監測點(diǎn)都處于高電壓、大電流、強磁場(chǎng)的環(huán)境中,甚至有的監測點(diǎn)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(wèn)題,通常的溫度測量方法無(wú)法解決這些問(wèn)題而無(wú)法使用。無(wú)線(xiàn)式溫度監測系統采用無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行傳輸數據。傳感器安裝在高壓設備上,與接收設備之間無(wú)電氣連接,因此該系統解決了高壓設備接點(diǎn)運行溫度不易實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測的難題。本文為高壓設備無(wú)線(xiàn)測溫系統設計了一種高壓母線(xiàn)感應取電電源,使用該電源的無(wú)線(xiàn)測溫模塊不需要依靠變電站的市電電源供電實(shí)現了獨立工作。


    2、感應取電線(xiàn)圈設計

    母線(xiàn)供電的核心器件是磁感應線(xiàn)圈,也是設計的難點(diǎn)。母線(xiàn)上的電流變化外圍較大:低至幾安,高達上千安,市面常見(jiàn)10kV高壓開(kāi)關(guān)柜的額定電流有630A、1250A、1600A等。在設計磁感應線(xiàn)圈的過(guò)程中要考慮到:當母線(xiàn)處于小電流狀態(tài)時(shí),磁感應線(xiàn)圈獲得的能量較小,系統不能正常工作;當母線(xiàn)電流超過(guò)額定電流的強電狀態(tài),或者短路故障電流時(shí),磁感應線(xiàn)圈產(chǎn)生的高壓尖脈沖對副邊各器件造成的干擾和損壞,尤其是對后續電路的干擾。因此在母線(xiàn)電流較為復雜的情況下,磁感應線(xiàn)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(guò)試驗本產(chǎn)品選用硅鋼材料鐵芯滿(mǎn)足設計要求,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(xiàn)圈匝數設計

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

                            圖1 感應取電簡(jiǎn)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(cháng)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(xiàn)圈的匝數。

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

    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,則本產(chǎn)品選取匝數為4800。

     

    3、感應取電硬件設計

    通過(guò)感應線(xiàn)圈取電后,經(jīng)鉗位保護電路、整流電路、線(xiàn)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(xiàn)圈,通過(guò)各設計參數選取器件,本產(chǎn)品采用二極管D1進(jìn)行半波整流,參數根據輸入電壓值u2max來(lái)選取。C3電解電容進(jìn)行濾波,穩壓芯片采用 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(gè)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)轉為全負荷狀態(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(lái)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,確保整個(gè)電路穩定工作。

    3.3硬件低功耗實(shí)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(shí)間也非???,只需要5us。這樣只要軟件程序合理,在實(shí)際測試中母線(xiàn)電流8A無(wú)線(xiàn)測溫模塊即可啟動(dòng)工作。

    本文采用的是Nordic2.4G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)來(lái)實(shí)現傳輸溫度數據,工作電壓范圍為3.6V~1.9V,滿(mǎn)足本文所要求的低功耗需求,該芯片其具有以下特點(diǎn):(1)運行功耗低,實(shí)際運用時(shí)可根據采集溫度數據間隙的時(shí)間,控制其工作時(shí)間以達到進(jìn)一步降低其平均功耗;(2)傳輸速率高,有利于實(shí)現“實(shí)時(shí)"溫度監控的目的;(3)經(jīng)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(shí)現

    當母線(xiàn)處于小電流狀態(tài)時(shí),磁感應線(xiàn)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,軟件設計也尤為重要。低功耗程序設計,通過(guò)單片機和無(wú)線(xiàn)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(guò)30ms,無(wú)線(xiàn)發(fā)射時(shí)功耗不超過(guò)500ms。

    首先要對單片機和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器進(jìn)行配置,為了防止節點(diǎn)死機;需設計看門(mén)狗程序;為了能夠進(jìn)入休眠模式三,需進(jìn)行電源管理和內核電壓監測設置;為了防止各個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數據岀現碰撞,需采用隨機延時(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。通過(guò)單片機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)現如圖4所示。

                        圖4 溫度采樣電路低功耗實(shí)現


    無(wú)線(xiàn)測溫系統軟件流程圖如圖5所示,工作原理單片機進(jìn)入休眠模式Halt,單片機處于停機狀態(tài),需要定時(shí)喚醒,設置內部RTC時(shí)鐘作為定時(shí)器,定時(shí)喚醒單片機進(jìn)行溫度采樣,采樣后存,下一次單片機喚醒后設置無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊工作,將溫度數據發(fā)送給主機。

                    圖5 無(wú)線(xiàn)測溫節點(diǎn)軟件流程圖


    5、應用場(chǎng)景

    電氣接點(diǎn)在線(xiàn)測溫裝置適用于高低壓開(kāi)關(guān)柜內電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開(kāi)關(guān)、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(guò)程中因氧化、松動(dòng)、灰塵等因素造成接點(diǎn)接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱成為安全隱患,提高設備安全保障,及時(shí)、持續、準確反映設備運行狀態(tài),降低設備事故率。


    6、系統硬件配置

       溫度在線(xiàn)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(wǎng)關(guān)以及站控層的測溫系統主機組成,實(shí)現變配電系統關(guān)鍵電氣部位的溫度在線(xiàn)監測。

    7、總結

    基于感應取電的無(wú)線(xiàn)測溫系統在高壓開(kāi)關(guān)柜實(shí)際應用運行狀況良好,該系統能夠對溫度監測點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,測量度較高。經(jīng)過(guò)測試母線(xiàn)電流大于8A無(wú)線(xiàn)測溫模塊經(jīng)過(guò)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(wèn)題,不受電流變化范圍大影響可實(shí)現每天對高壓開(kāi)關(guān)柜內設備的溫度進(jìn)行監測,以確保高壓開(kāi)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(wú)線(xiàn)測溫系統低功耗實(shí)現實(shí)用技術(shù)。

    [2]劉濤,唐培林,基于感應取電的無(wú)線(xiàn)測溫系統設計與應用[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)設計與應用手冊.2022.05版。

    作者介紹:

    魏健輝,女,現任職于安科瑞電氣股份有限公司。

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