高低压无源无线测温行业应用

高压电气设备温度监测点都处于高电压、大电流、强磁场的环境中，甚至有的监测点还处在密闭的空间中，由于强电磁噪声和髙压绝缘、空间的限制等问题，通常的温度测量方法无法解决这些问题而无法使用。无线式温度监测系统采用无线电波进行传输数据。传感器安装在高压设备上，与接收设备之间无电气连接，

一、无源无线测温行业应用
发电厂、变电站的高压开关柜、母线接头、室外刀闸开关等重要的设备，在长期运行过程中开关的触点和母线连接等部位因老化或接触电阻过大而发热，而这些发热部位的温度无法监测，由此最终导致事故发生。近年来，在电厂和变电站已发生多起开关过热事故，造成火灾和大面积的停电事故，解决开关过热问题是杜绝此类事故发生的关键，实现温度在线监测是保证高压设备安全运行的重要手段。  

高压开关柜通常要能承受最高达到10000A的工作电流,设备在长期运行过程中，开关的触点和母线、电缆连接点等因老化或接触电阻过大而发热，温升超过规定值，会加速动、静触头等接触点氧化，氧化结果又导致接触电阻值增加，促使发热更加严重，形成恶性循环。  

开关柜内有裸露高压，空间封闭狭小，无法进行人工巡查测温。而现行的诸如光纤测温、红外测温、有源测温等方式都存在着这样那样的不足。 
无源无线测温主要应用于发电厂，变电站的高压开关柜，以及大电流柜，低压开关柜等。

2、感应取电线圈设计

 

母线供电的核心器件是磁感应线圈，也是设计的难点。母线上的电流变化外围较大：低至几安，高达上千安，市面常见10kV高压开关柜的额定电流有630A、1250A、1600A等。在设计磁感应线圈的过程中要考虑到：当母线处于小电流状态时，磁感应线圈获得的能量较小，系统不能正常工作；当母线电流超过额定电流的强电状态，或者短路故障电流时，磁感应线圈产生的高压尖脉冲对副边各器件造成的干扰和损坏，尤其是对后续电路的干扰。因此在母线电流较为复杂的情况下，磁感应线圈的铁芯材料的选型很关键。

 

2.1铁芯材料选择

 

目前可供使用的铁芯材料有硅钢材料、坡莫合金材料和纳米晶材料，经过试验本产品选用硅钢材料铁芯满足设计要求，价格较便宜，使得本产品在同行业中更有竞争力。

 

2.2线圈匝数设计

 

对感应取电建立简化模型，进行理论分析。假设感应取电的初级线圈和次级线圈达到全耦合电磁感应，并且不考虑初级线圈和次级线圈的漏感，建立感应取电简化模型如图1所示。

 

图1感应取电简化模型

 

根据电磁感应取电定律,可以得出以下基本公式

 

 

φ为主磁通量；H为磁感应强度；l为磁路长度；B为磁感应强度；A为铁芯截面积；N1和N2分别是初级和次级线圈的匝数。

 

感应取电装置工作于理想状态时，应该是母线电流的半个周期内，铁芯的磁感应强度从负饱和增加到正饱和，此时可以取得功率，即输出电压值u2max。

 

 

本产品铁芯选用硅钢的饱和磁感应强度2.03, 截面积A=10-4m2，T=π，电压为7.5V，则带入公式计算出，则本产品选取匝数为4800。

 

 

3、感应取电硬件设计

 

通过感应线圈取电后，经钳位保护电路、整流电路、线性稳压为工作电路板供电，电路如图2所示，原理图如3所示。

 

 

图2感应取电方框图

 

图3感应取电硬件原理图

 

3.2工作原理

 

根据设计好的感应线圈，通过各设计参数选取器件，本产品采用二极管D1进行半波整流，参数根据输入电压值u2max来选取。C3电解电容进行滤波，稳压芯片采用 NCP551-3.3V，该芯片输入电压为12V，静态电流0.4uA很适合微功耗电路。输出3.3V给单片机提供电源。C1选取大容量固态电容，这个电容很重要，选取固态电容好处，当微控制器由低功耗状态转为全负荷状态时，这种微控制器的瞬间（一般小于5ms）切换需要的大量能量均来自供电电路中的电容，此时固态电容高速充放电特性可以在瞬间输出高峰值电流，保证充足的电源供应，确保整个电路稳定工作。

 

3.3硬件低功耗实现

 

微控制器芯片采用STM8L系列芯片，该单片机有四种低功耗模式，其中halt模式下可以达到350nA，很省电。从Halt模式唤醒的时间也非常快，只需要5us。这样只要软件程序合理，在实际测试中母线电流8A无线测温模块即可启动工作。

 

本文采用的是Nordic2.4G无线通信技术来实现传输温度数据，工作电压范围为3.6V~1.9V,满足本文所要求的低功耗需求，该芯片其具有以下特点：（1）运行功耗低，实际运用时可根据采集温度数据间隙的时间，控制其工作时间以达到进一步降低其平均功耗；（2）传输速率高，有利于实现“实时”温度监控的目的；（3）经济性好，有利于控制测温系统的运维成本；（4）体积小，便于运用在温度传感器上。

 

4、软件低功耗实现

 

当母线处于小电流状态时，磁感应线圈获得的能量较小，这样整个电路功耗很低，这样不仅要求芯片低功耗，软件设计也尤为重要。低功耗程序设计，通过单片机和无线收发器的休眠以及外围电路的关断，使得整个电路电流不超过30ms，无线发射时功耗不超过500ms。

 

首先要对单片机和无线收发器进行配置，为了防止节点死机；需设计看门狗程序；为了能够进入休眠模式三，需进行电源管理和内核电压监测设置；为了防止各个节点同时发送数据岀现碰撞，需采用随机延时算法；为了降低功耗，需对温度传感器芯片进行关断，具体如下图实现。通过单片机10控制三极管温度传感器芯片进行电源关断和AD采样等具体实现如图4所示。

 

 

图4温度采样电路低功耗实现

 

无线测温系统软件流程图如图5所示，工作原理单片机进入休眠模式Halt，单片机处于停机状态，需要定时唤醒，设置内部RTC时钟作为定时器，定时唤醒单片机进行温度采样，采样后存，下一次单片机唤醒后设置无线发送模块工作，将温度数据发送给主机。