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

    更新時(shí)間:2023-06-13      瀏覽次數(shù):227

     


    摘要:高壓設(shè)備在長(zhǎng)期的運(yùn)行過程當(dāng)中,其很多部位會(huì)發(fā)生溫度升高的狀況,如開關(guān)柜觸頭接觸不良導(dǎo)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,對(duì)高壓開關(guān)設(shè)備的待測(cè)溫部位的溫度在線監(jiān)測(cè)是需要的。基于CT取電無(wú)線溫度系統(tǒng)不用頻繁更換電池,提升系統(tǒng)的實(shí)用性。本文同時(shí)介紹了如何通過軟件和硬件實(shí)現(xiàn)無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)低功耗,滿足母線小電流情況使用,并在實(shí)際應(yīng)用中證明該技術(shù)的實(shí)用性。

     


    關(guān)鍵詞:CT取電;高壓設(shè)備;無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng);低功耗

     


    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630A1250A1600A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。

    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

    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N1N2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

    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=10-4m2T=π電壓為7.5V則帶入公式計(jì)算出則本產(chǎn)品選取匝數(shù)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。

    2感應(yīng)取電方框圖

    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)間也非常快只需要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,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,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。

    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)。

    5無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

    5、應(yīng)用場(chǎng)景

    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)。

    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。


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