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淺談基于電流感應取電的無線測溫節(jié)點

發(fā)布時間: 2021-12-09  點擊次數(shù): 510次

王晶晶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:為實現(xiàn)電力設備薄弱節(jié)點的實時測溫及解決傳感器使用壽命受限于外置電池容量的問題,設計了一款基于電流感應取電的無線測溫節(jié)點。該節(jié)點采用電流感應取電模塊作為工作電源;采用NTC熱敏電阻結(jié)合恒壓分段測量法,實現(xiàn)溫度測量;采用2.4GHZ高頻寬帶無線通訊實現(xiàn)測溫數(shù)據(jù)傳輸。實驗表明:當輸電導線流經(jīng)電流有效值為3.6A時,電流感應取電模塊輸出電壓可穩(wěn)定在3.28V;27-100℃測溫范圍內(nèi),測溫誤差值為0.67℃;6m通訊范圍內(nèi),測溫數(shù)據(jù)的無線傳輸成功率達99%。

關(guān)鍵詞:感應取電;無線測溫;NTC熱敏電阻

0引言

電力設備長期工作于過載或載流量過大的狀態(tài)下,容易導致設備薄弱節(jié)點溫升過高,從而引發(fā)設備故障。為保證設備的安全、可靠運行,檢測電力設備薄弱節(jié)點的溫升情況已成為該領(lǐng)域研究熱點,傳統(tǒng)的紅外測溫及蠟片測溫,實時性及準確性較差,且耗費大量人力。且現(xiàn)有測溫傳感器多采用外置電池供電,其使用壽命受限于外置電池容量。針對上述問題,本文設計了一款基于電流感應取電的無線測溫節(jié)點,該節(jié)點采用NTC(negativetemperatureco-efficient)熱敏電阻實現(xiàn)溫度測量;采用無線模塊實現(xiàn)測溫數(shù)據(jù)的遠距離、即時傳輸;采用電流感應取電模塊作為測溫節(jié)點工作電源,解決節(jié)點使用壽命受限于外置電池容量的問題。

1系統(tǒng)設計原理

測溫節(jié)點包含電流感應取電模塊、測溫模塊、主控模塊及無線模塊,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1結(jié)構(gòu)框圖

電流感應取電模塊將取電線圈輸出的交變電動勢經(jīng)整流濾波單元、鉗位儲能單元、穩(wěn)壓單元轉(zhuǎn)化為恒定電壓供給測溫模塊。主控模塊及無線模塊。測溫模塊采用溫度敏感元件作為感溫探頭,經(jīng)轉(zhuǎn)化電路將感溫探頭的物理特性轉(zhuǎn)化為電信號輸出。主控芯片經(jīng)片內(nèi)ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)將測溫模塊輸出的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,再依據(jù)轉(zhuǎn)化公式將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為溫度值。主控模塊將測溫節(jié)點的位置及溫度值裝載成數(shù)據(jù)包,由無線模塊傳輸至顯示終端。

2系統(tǒng)硬件設計

無線測溫節(jié)點硬件設計包括:電流感應取電模塊、測溫模塊、主控模塊、無線模塊,其電路原理如圖2所示。

圖2測溫節(jié)點電路原理圖

2.1電流感應取電模塊

2.1.1電流感應取電數(shù)學模型

將電流感應取電模塊簡化為一個環(huán)形低頻變壓器,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3電流感應取電結(jié)構(gòu)簡圖

圖3中,兩次側(cè)繞組(一次側(cè)繞組為輸電導線,二次側(cè)繞組為取電線圈)內(nèi)阻壓降及繞組漏感均不計,進行全耦合電磁感應。交變電流流經(jīng)一次側(cè)繞組,在取電鐵芯上產(chǎn)生交變磁通,則兩次側(cè)繞組分別產(chǎn)生感應電動勢e1和e2,依據(jù)電磁感應定律可得:

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式中∶NM,=1;N,為2次側(cè)繞組匝數(shù);④為電鐵芯的有效磁通量,磁通未飽和時,①=①,sin?t,①,為電鐵芯磁通量幅值,Wb。

且由能量守恒原理可得∶

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式中;I,為一次側(cè)繞組電流幅值,A;E,為一次側(cè)繞組感應電動勢幅值,V;I,為二次側(cè)繞組電流幅,A;E,為二次側(cè)繞組感應電動勢幅值,V。

由基本電磁定律可知:

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式中:Bm

為取電鐵芯磁感應強度幅值,T;S為取電鐵芯有效橫截面積,m2;μ為取電鐵芯磁導率,H/m;Hm為磁場強度幅值,A/m。

則二次側(cè)繞組輸出平均功率P為:

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式中:f為輸電導線供電頻率,Hz。

依據(jù)磁路基爾霍夫定律可知:

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式中:l為磁路中心線長度,m;Iμ為勵磁電流幅值,A。

由可知:當Iμ=2I1/2時,Hm取值。則在其他條件相同時,將式(5)帶入式(4)可得二次側(cè)輸出功率Pmax為:

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將式(3)、式(5)帶入式(1)可得二次側(cè)繞組感應電動勢幅值Emax為∶

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當輸電導線供電頻率f、取電鐵芯磁導率μ、磁路中心線長度L恒定時,由式(6)可知,二次側(cè)輸出功率p由取電鐵芯有效橫截面積S及一次側(cè)繞組電流幅值I,共同決定;由式(7)可知,二次側(cè)繞組感應電動勢幅值Emax,由二次側(cè)繞組匝數(shù)N2及取電鐵芯有效橫截面積S共同決定。

2.1.2取電線圈匝數(shù)設計

電流感應取電模塊二次側(cè)繞組匝數(shù)確定原則如下∶當二次側(cè)輸出功率等于節(jié)點工作所需功率時,可求滿足節(jié)點工作要求的一次側(cè)繞組電流幅值I1max;當一次側(cè)繞組電流幅值為滿足節(jié)點工作要求的值時,二次側(cè)繞組感應電動勢幅值應高于系統(tǒng)節(jié)點設定值,可求二次側(cè)繞組的匝數(shù);當一次側(cè)繞組電流幅值為滿足節(jié)點工作要求值時,二次側(cè)繞組電流幅值應高于設定值,可求二次側(cè)繞組匝數(shù)。

測溫節(jié)點采用可調(diào)電源供電,采用萬用表測量無線測溫節(jié)點工作電流,經(jīng)換算可得測溫節(jié)點平均功率低于0.1W,所需直流電壓高于2.6V。為擴大感應取電模塊工作范圍,考慮整流壓降及穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換效率∶取二次側(cè)輸出功率值為實測無線測溫節(jié)點平均功率3倍,則P≥0.3W;取二次側(cè)繞組感應電動勢幅值值為所需直流電壓兩倍,則E_..≥5.2V;取二次側(cè)繞組電流幅值I,≥0.014A,得如下不等式∶

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且已知f=50Hzμ=37.5mH/m(坡莫合金)、S=420mm2、I=0.215m,由式(8)可得∶

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滿足節(jié)點工作要求的一次側(cè)繞組電流幅值I1min=5.11A,二次側(cè)繞組匝數(shù)N2=365。

2.2測溫模塊

測溫模塊采用恒壓分段測量法,來適應NTC熱敏電阻在大范圍測溫下的高精度要求,其簡化電路如圖4所示。

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4測溫模塊電路簡圖


依據(jù)測溫模塊簡化電路可得:

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式中∶Urt為NTC熱敏電阻兩端電壓值,V;Uref內(nèi)部基準電壓值,V;ADC,為供電電壓(Vcc)的ADC采樣值;ADCrt為NTC熱敏電阻ADC采樣值;U。為串聯(lián)電阻兩端電壓值;n=12為ADC位數(shù)。

依據(jù)歐姆定律及式(10)可得∶

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式中∶R,為NTC熱敏電阻計算阻值,Ω;R為串聯(lián)電阻阻值,Ω。

考慮ADC采樣精度,場效應管壓降、串聯(lián)電阻精度及NTC熱敏電阻精度,可得NTC熱敏電阻計算阻值的相對誤差值約為∶

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式中;串聯(lián)電阻精度引起的相對誤差δ。=0.1%;ADC采樣引起的相對誤差δp=0.098%;場效應管壓降引起的相對誤差δ..=0.396%;NTC熱敏電阻精度引起的相對誤差δ.=1%,則NTC熱敏電阻計算阻值的相對誤差δn,=1.594%。

由可知,NTC熱敏電阻R-T校正方程如下∶

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由式(13)可得測溫誤差值為;

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式中;R-T校正方程的平均誤差ξ=0.2863℃,由測溫誤差曲線圖5可得,當NTC熱敏電阻阻值約為1056Q,測溫誤差值為0.75℃。

圖5測溫誤差曲線圖

2.3其他模塊

2.3.1主控模塊

測溫節(jié)點主控模塊選用,其優(yōu)點在于:具備動態(tài)停機模式,實測停機電流僅為1μA;芯片內(nèi)置高精度RC振蕩電路,可簡化外圍電路設計,降低節(jié)點功耗;片載串行外設接口(SPI),通信速率可達8Mbit/s,降低與無線模塊通信耗時;片內(nèi)集成12位ADC,滿足節(jié)點測溫要求。

2.3.2無線模塊

無線模塊采用工作于工業(yè)、科學和醫(yī)學(ISM)頻段的低功耗、自組網(wǎng)無線收發(fā)芯片nRF24L01。其優(yōu)點在于:采用2.4GHZ高頻寬帶通信技術(shù),通信帶寬為1MHZ,相較于433MHZ等低頻窄帶通信技術(shù),可防止因晶振的溫漂及老化而產(chǎn)生工作頻點漂移,從而導致通信失敗的問題;具備增強型ARQ(停等式自動重傳請求)協(xié)議,可設置重傳等待時間和重傳次數(shù),有效提升數(shù)據(jù)傳輸準確性。

3系統(tǒng)程序設計

系統(tǒng)程序設計選用IAREWforSTM8作為開發(fā)環(huán)境,采用C語言進行程序設計,其過程如圖6所示。當電流感應取電模塊輸出電壓達節(jié)點工作電壓時,主控模塊上電,配置系統(tǒng)時鐘,開啟RTC(實時時鐘)停機喚醒中斷,設置喚醒間隔為6.89S。主控模塊關(guān)閉無關(guān)外設時鐘,配置無線模塊及測溫模塊進入掉電狀態(tài),降低功耗,隨后節(jié)點進入活躍停機模式,等待觸發(fā)喚醒中斷。若節(jié)點觸發(fā)喚醒中斷,則無線模塊及測溫模塊上電,無線模塊配置為發(fā)送模式,測溫模塊測量外部溫度,并由無線模塊發(fā)送。若發(fā)送成功,則節(jié)點進行低功耗配置,而后進入活躍停機模式,等待觸發(fā)下次喚醒中斷。若發(fā)送失敗,則重新進行溫度測量,并發(fā)送。

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6節(jié)點程序流程圖

4系統(tǒng)測試

為驗證電流感應取電模塊的取電線圈匝數(shù)合理性,測溫模塊的測溫精度及無線模塊的無線通訊可靠性,搭建如圖7所示測試場景。

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圖7測試場景圖

4.1電流感應取電模塊

當1次側(cè)繞組流經(jīng)電流有效值為3.6A(幅值為5.1A)、頻率為50Hz時,采用DS1104B數(shù)字示波器采樣2次側(cè)繞組感應電動勢曲線、儲能單元儲能曲線及穩(wěn)壓單元輸出曲線。

由圖8可知,當1次側(cè)繞組流經(jīng)電流有效值為3.6A時,2次側(cè)繞組感應電動勢幅值為5.12V,與理論計算值基本相符。

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圖8二次側(cè)繞組感應電動勢曲線圖

由圖9可知,當儲能曲線達到點B,時,主控模塊達到工作電壓1.76V。節(jié)點上電消耗電能。當儲能曲線達到點B,時,主控模塊完成低功耗配置,并進入活躍停機模式,降低功耗。儲能曲線達到點B,、B。、B,時,節(jié)點觸發(fā)喚醒中斷,平均觸發(fā)間隔為6.73s,觸發(fā)后的平均工作時間為0.07s.與設計值相符。節(jié)點工作期間儲能單元的平均壓降為1.12V,滿足使用要求。當輸電導線流經(jīng)電流有效值為4.8A時,儲能元件儲能電壓值約為4.96V。

由圖10可知,點Cu、C,可印證圖9結(jié)論,節(jié)點啟動電壓為1.76V,啟動時間約為0.6s。當輸電導線流經(jīng)電流有效值為4.8A時,穩(wěn)壓單元輸出電壓可穩(wěn)定在3.28V。

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圖9儲能單元儲能曲線圖

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圖10穩(wěn)壓單元輸出曲線圖

4.2測溫模塊

環(huán)境溫度26.7℃,采用恒溫加熱臺作為熱源,K型熱電偶采樣溫度作為標稱值。恒溫加熱臺從27-100℃加熱過程中,測溫節(jié)點隨機采樣21組數(shù)據(jù),計算與標稱值之間的誤差,并繪制曲線如圖11所示。實驗結(jié)果表明,當熱電偶標稱溫度值為86℃時,節(jié)點測溫誤差值為0.67℃,在測溫誤差0.75℃范圍內(nèi)。

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11實測溫度曲線圖


4.3無線模塊


模擬測溫節(jié)點實際工作環(huán)境,在測溫節(jié)點與顯示終端之間,放置若干的遮擋物,無間斷進行100次測溫數(shù)據(jù)傳輸測試,測試結(jié)果如表1所示。實驗結(jié)果表明,在遮擋物位置及體積不變情況下,無線傳輸?shù)某晒β孰S傳輸距離的增加,略有降低,但該基本滿足應用需求。

表1無線模塊測試表

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5安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)及在線測溫產(chǎn)品介紹

5.1概述

開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于470MHz無線測溫技術(shù)開發(fā)的針對開關(guān)柜進行測溫的系統(tǒng),可對開關(guān)柜分別為母線排、上下觸頭、電纜接頭,柜體表面等部位溫度進行實時監(jiān)測,方便運維人員及遠程監(jiān)控中心掌握現(xiàn)場設備運行情況。

5.2應用場所

變電所,配電室,箱變等

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5.3系統(tǒng)架構(gòu)

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開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)由無線溫度傳感器、測溫通訊終端(溫度顯示儀)、溫度監(jiān)測預警工作站三部分組成,

5.4系統(tǒng)功能

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5.4.1實時監(jiān)測

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好,能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息。

5.4.2溫度查詢

溫度歷史曲線(1分鐘、5分鐘、60分鐘可選):

5.4.3運行報表

查詢各回路設備運行溫度報表。

5.4.4實時報警

壁掛式無線測溫監(jiān)控設備具有實時報警功能,設備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出警告。設備提供以下幾種告警方式:

1)彈出事件報警窗口。

2)實時語音報警功能,能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警。

3)短信警告??梢韵蚴謾C發(fā)送告警信息短信。

5.4.5歷史告警查詢

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ懈婢录涗涍M行存儲和管理,方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進行歷史追溯,查詢統(tǒng)計、事故分析。

5.4.6用戶權(quán)限管理

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,設置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作(如數(shù)據(jù)庫修改等)。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限,為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

5.4.7定值設置

用于修改高溫定值、超溫定值。

WEB,手機APP(可選):

通過手機APP展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息,設備溫度、通信狀態(tài),用電分析和事件記錄。

5.5.產(chǎn)品選型

5.5.1無線測溫傳感器選型

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5.5.2收發(fā)器選型

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5.5.3測溫通訊終端(溫度顯示儀)選型

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5.6典型配置方案

5.6.1高低壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫(單柜就地顯示)

a)配置方案

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說明:ARTM-Pn通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示,可接收60只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。

b)安裝實例

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5.6.2高壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫帶操顯功能(單柜就地顯示)

a)配置方案

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說明:ASD320通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示,可接收12只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。


b)安裝實例

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a)配置方案

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說明:觸摸屏通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示,可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果現(xiàn)場不需要就地顯示,可以直接通過ATC的RS485接口,把數(shù)據(jù)傳送到值班室的遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

b)安裝實例

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5.6.4就地壁掛式集中顯示方案(適用于改造,不方便在柜子上加裝顯示屏的現(xiàn)場)

方案一:Acrel-2000T/A就地集中顯示:

說明:Acrel-2000/A通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示,可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。

方案二:Acrel-2000T/B就地集中顯示:

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說明:Acrel-2000T/B不僅可以通過RS485連接多種ATC收發(fā)器接收所有型號傳感器實現(xiàn)集中顯示,還可以通訊連接配電室內(nèi)無線測溫相關(guān)就地顯示裝置實現(xiàn)集中顯示,同時還可以連接配電室內(nèi)智能操控、微機保護、電力儀表等電力監(jiān)控設備進行監(jiān)測。

5.6.5低壓電氣接點有線測溫、變壓器繞組測溫

a)配置方案

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說明:ARTM-8溫度巡檢儀可配8路Pt100傳感器,有線連接,Pt100傳感器客戶自配,測量低壓電氣接點時Pt100傳感器需做好絕緣處理。

b)安裝實例

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6結(jié)束語

電流感應取電技術(shù)解決了傳感器工作壽命受限于外置電池容量的問題,無線傳感技術(shù)解決了傳統(tǒng)測溫實時性較差問題。本文基于電流感應取電技術(shù)及無線傳感技術(shù)設計了一款無源無線測溫節(jié)點,對其結(jié)構(gòu)及原理進行詳細分析,給出了二次側(cè)繞組匝數(shù)計算方法及NTC熱敏電阻測溫理論誤差計算方法,并通過實驗對其可行性進行證明。實驗結(jié)果表明:當一次側(cè)繞組流經(jīng)電流有效值為3.6A時,該電流感應取電模塊輸出電壓值可穩(wěn)定在3.28V;測溫模塊的測溫誤差值為0.67℃;無線模塊通訊較為穩(wěn)定,具備較高的可靠性。

參考文獻

[1]劉琦,程春,吳健,等.智能變電站溫度監(jiān)測主站系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2013,41(4):130-135.

[2]丁柏文,沈金榮,唐啟陽,柴一偉.基于電流感應取電的無線測溫節(jié)點.

[3]安科瑞電氣設備溫度監(jiān)控解決方案.2021.06月版.

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06月版.


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