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      CT取電無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)在高壓設(shè)備上的應(yīng)用分析

      2024年02月06日 09:06:11人氣:626來(lái)源:安科瑞電氣股份有限公司

      1、引言

      高壓電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)都處于高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境中,甚至有的監(jiān)測(cè)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(cè)量方法無(wú)法解決這些問題而無(wú)法使用。無(wú)線式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無(wú)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(wú)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(cè)的難題。本文為高壓設(shè)備無(wú)線測(cè)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(wú)線測(cè)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(duì)副邊各器件造成的干擾和損壞,尤其是對(duì)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(jìng)爭(zhēng)力。

      2.2線圈匝數(shù)設(shè)計(jì)

      對(duì)感應(yīng)取電建立簡(jiǎn)化模型,進(jìn)行理論分析。假設(shè)感應(yīng)取電的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈達(dá)到全耦合電磁感應(yīng),并且不考慮初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的漏感,建立感應(yīng)取電簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

      IMG_256 

      圖1感應(yīng)取電簡(jiǎn)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

      IMG_257 

      φ為主磁通量;H為磁感應(yīng)強(qiáng)度;l為磁路長(zhǎng)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(jí)和次級(jí)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u2max

      IMG_258 

      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IMG_259,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。

      IMG_260 

      圖2感應(yīng)取電方框圖

      IMG_261 

      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u2max來(lái)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(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(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???,只需要5us。這樣只要軟件程序合理,在實(shí)際測(cè)試中母線電流8A無(wú)線測(cè)溫模塊即可啟動(dòng)工作。

      本文采用的是Nordic2.4G無(wú)線通信技術(shù)來(lái)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(cè)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(wú)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(wú)線發(fā)射時(shí)功耗不超過500ms。

      首先要對(duì)單片機(jī)和無(wú)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(cè)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(duì)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。

      IMG_262 

      圖4溫度采樣電路低功耗實(shí)現(xiàn)

      無(wú)線測(cè)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(wú)線發(fā)送模塊工作,將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。

      IMG_263 

      圖5無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

      5、應(yīng)用場(chǎng)景

      IMG_264 

      電氣接點(diǎn)在線測(cè)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(cè),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(cè)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(cè)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(cè)。

      IMG_265IMG_266IMG_267IMG_268IMG_269 

      7、總結(jié)

      基于感應(yīng)取電的無(wú)線測(cè)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(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,測(cè)量度較高。經(jīng)過測(cè)試母線電流大于8A無(wú)線測(cè)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(duì)高壓開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),以確保高壓開關(guān)柜正常運(yùn)行。

       

      【參考文獻(xiàn)】

      [1]馮穎姣,張盛,汪黎明,基于CT取電無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)低功耗實(shí)現(xiàn)實(shí)用技術(shù).

      [2]劉濤,唐培林,基于感應(yīng)取電的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)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(jì)量與測(cè)試技術(shù),2018,(45)4:46-50.

      [4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版.


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