韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

        摘要：為實(shí)現電力設備薄弱節點(diǎn)的實(shí)時(shí)測溫及解決傳感器使用壽命受限于外置電池容量的問(wèn)題，設計了一款基于電流感應取電的無(wú)線(xiàn)測溫節點(diǎn)。該節點(diǎn)采用電流感應取電模塊作為工作電源；采用NTC熱敏電阻結合恒壓分段測量法，實(shí)現溫度測量；采用2.4GHZ高頻寬帶無(wú)線(xiàn)通訊實(shí)現測溫數據傳輸。實(shí)驗表明：當輸電導線(xiàn)流經(jīng)電流有效值為3.6A時(shí)，電流感應取電模塊輸出電壓可穩定在3.28V；27-100℃測溫范圍內，測溫誤差值為0.67℃；6ｍ通訊范圍內，測溫數據的無(wú)線(xiàn)傳輸成功率達99％。

        關(guān)鍵詞：感應取電；無(wú)線(xiàn)測溫；NTC熱敏電阻

0引言

        電力設備長(cháng)期工作于過(guò)載或載流量過(guò)大的狀態(tài)下，容易導致設備薄弱節點(diǎn)溫升過(guò)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點(diǎn)的溫升情況已成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，傳統的紅外測溫及蠟片測溫，實(shí)時(shí)性及準確性較差，且耗費大量人力。且現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(wèn)題，本文設計了一款基于電流感應取電的無(wú)線(xiàn)測溫節點(diǎn)，該節點(diǎn)采用NTC（negativetemperatureco-efficient）熱敏電阻實(shí)現溫度測量;采用無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現測溫數據的遠距離、即時(shí)傳輸;采用電流感應取電模塊作為測溫節點(diǎn)工作電源，解決節點(diǎn)使用壽命受限于外置電池容量的問(wèn)題。

1系統設計原理

        測溫節點(diǎn)包含電流感應取電模塊、測溫模塊、主控模塊及無(wú)線(xiàn)模塊，其結構如圖1所示。

圖1結構框圖

        電流感應取電模塊將取電線(xiàn)圈輸出的交變電動(dòng)勢經(jīng)整流濾波單元、鉗位儲能單元、穩壓?jiǎn)卧D化為恒定電壓供給測溫模塊。主控模塊及無(wú)線(xiàn)模塊。測溫模塊采用溫度敏感元件作為感溫探頭，經(jīng)轉化電路將感溫探頭的物理特性轉化為電信號輸出。主控芯片經(jīng)片內ADC（模擬數字轉換器）將測溫模塊輸出的電信號轉換為數字信號，再依據轉化公式將數字信號轉換為溫度值。主控模塊將測溫節點(diǎn)的位置及溫度值裝載成數據包，由無(wú)線(xiàn)模塊傳輸至顯示終端。

2系統硬件設計

        無(wú)線(xiàn)測溫節點(diǎn)硬件設計包括：電流感應取電模塊、測溫模塊、主控模塊、無(wú)線(xiàn)模塊，其電路原理如圖2所示。

圖2測溫節點(diǎn)電路原理圖

2.1電流感應取電模塊

2.1.1電流感應取電數學(xué)模型

        將電流感應取電模塊簡(jiǎn)化為一個(gè)環(huán)形低頻變壓器，其結構如圖3所示。

圖3電流感應取電結構簡(jiǎn)圖

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

        式中∶NM，=1;N，為2次側繞組匝數;④為電鐵芯的有效磁通量，磁通未飽和時(shí)，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∶

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

由基本電磁定律可知：

        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(chǎng)強度幅值，Ａ／ｍ。

        則二次側繞組輸出平均功率Ｐ為：

        式中：ｆ為輸電導線(xiàn)供電頻率，Ｈｚ。

依據磁路基爾霍夫定律可知：

        式中：ｌ為磁路中心線(xiàn)長(cháng)度，ｍ；Ｉμ為勵磁電流幅值，Ａ。

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

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

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

2.1.2取電線(xiàn)圈匝數設計

        電流感應取電模塊二次側繞組匝數確定原則如下∶當二次側輸出功率等于節點(diǎn)工作所需功率時(shí)，可求滿(mǎn)足節點(diǎn)工作要求的一次側繞組電流幅值I1max;當一次側繞組電流幅值為滿(mǎn)足節點(diǎn)工作要求的值時(shí)，二次側繞組感應電動(dòng)勢幅值應高于系統節點(diǎn)設定值，可求二次側繞組的匝數;當一次側繞組電流幅值為滿(mǎn)足節點(diǎn)工作要求值時(shí)，二次側繞組電流幅值應高于設定值，可求二次側繞組匝數。

        測溫節點(diǎn)采用可調電源供電，采用萬(wàn)用表測量無(wú)線(xiàn)測溫節點(diǎn)工作電流，經(jīng)換算可得測溫節點(diǎn)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，考慮整流壓降及穩壓轉換效率∶取二次側輸出功率值為實(shí)測無(wú)線(xiàn)測溫節點(diǎn)平均功率3倍，則P≥0.3W;取二次側繞組感應電動(dòng)勢幅值值為所需直流電壓兩倍，則E_..≥5.2V;取二次側繞組電流幅值I，≥0.014A，得如下不等式∶

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

        滿(mǎn)足節點(diǎn)工作要求的一次側繞組電流幅值I1min=5.11A，二次側繞組匝數N2=365。

2.2測溫模塊

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

圖4測溫模塊電路簡(jiǎn)圖

依據測溫模塊簡(jiǎn)化電路可得：

式中∶Urt為NTC熱敏電阻兩端電壓值，V;Uref內部基準電壓值，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。

依據歐姆定律及式（10）可得∶

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(chǎng)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∶

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(chǎng)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∶

由式（13）可得測溫誤差值為;

式中;R-T校正方程的平均誤差ξ=0.2863℃，由測溫誤差曲線(xiàn)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(xiàn)圖

2.3其他模塊

2.3.1主控模塊

測溫節點(diǎn)主控模塊選用，其優(yōu)點(diǎn)在于：具備動(dòng)態(tài)停機模式，實(shí)測停機電流僅為1μA；芯片內置高精度RC振蕩電路，可簡(jiǎn)化外圍電路設計，降低節點(diǎn)功耗；片載串行外設接口（SPI），通信速率可達8Mbit/s，降低與無(wú)線(xiàn)模塊通信耗時(shí)；片內集成12位ADC，滿(mǎn)足節點(diǎn)測溫要求。

2.3.2無(wú)線(xiàn)模塊

無(wú)線(xiàn)模塊采用工作于工業(yè)、科學(xué)和醫學(xué)（ISM）頻段的低功耗、自組網(wǎng)無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF24L01。其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)漂移，從而導致通信失敗的問(wèn)題；具備增強型ARQ（停等式自動(dòng)重傳請求）協(xié)議，可設置重傳等待時(shí)間和重傳次數，有效提升數據傳輸準確性。

3系統程序設計

系統程序設計選用IAREWforSTM8作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設計，其過(guò)程如圖6所示。當電流感應取電模塊輸出電壓達節點(diǎn)工作電壓時(shí)，主控模塊上電，配置系統時(shí)鐘，開(kāi)啟RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）停機喚醒中斷，設置喚醒間隔為6.89S。主控模塊關(guān)閉無(wú)關(guān)外設時(shí)鐘，配置無(wú)線(xiàn)模塊及測溫模塊進(jìn)入掉電狀態(tài)，降低功耗，隨后節點(diǎn)進(jìn)入活躍停機模式，等待觸發(fā)喚醒中斷。若節點(diǎn)觸發(fā)喚醒中斷，則無(wú)線(xiàn)模塊及測溫模塊上電，無(wú)線(xiàn)模塊配置為發(fā)送模式，測溫模塊測量外部溫度，并由無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送。若發(fā)送成功，則節點(diǎn)進(jìn)行低功耗配置，而后進(jìn)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(jìn)行溫度測量，并發(fā)送。

圖6節點(diǎn)程序流程圖

4系統測試

        為驗證電流感應取電模塊的取電線(xiàn)圈匝數合理性，測溫模塊的測溫精度及無(wú)線(xiàn)模塊的無(wú)線(xiàn)通訊可靠性，搭建如圖7所示測試場(chǎng)景。

圖7測試場(chǎng)景圖

4.1電流感應取電模塊

        當1次側繞組流經(jīng)電流有效值為3.6A（幅值為5.1A）、頻率為50Hz時(shí)，采用DS1104B數字示波器采樣2次側繞組感應電動(dòng)勢曲線(xiàn)、儲能單元儲能曲線(xiàn)及穩壓?jiǎn)卧敵銮€(xiàn)。

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

圖8二次側繞組感應電動(dòng)勢曲線(xiàn)圖

        由圖9可知，當儲能曲線(xiàn)達到點(diǎn)B，時(shí)，主控模塊達到工作電壓1.76V。節點(diǎn)上電消耗電能。當儲能曲線(xiàn)達到點(diǎn)B，時(shí)，主控模塊完成低功耗配置，并進(jìn)入活躍停機模式，降低功耗。儲能曲線(xiàn)達到點(diǎn)B，、B。、B，時(shí)，節點(diǎn)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(shí)間為0.07s.與設計值相符。節點(diǎn)工作期間儲能單元的平均壓降為1.12V，滿(mǎn)足使用要求。當輸電導線(xiàn)流經(jīng)電流有效值為4.8A時(shí)，儲能元件儲能電壓值約為4.96V。

        由圖10可知，點(diǎn)Cu、C，可印證圖9結論，節點(diǎn)啟動(dòng)電壓為1.76V，啟動(dòng)時(shí)間約為0.6s。當輸電導線(xiàn)流經(jīng)電流有效值為4.8A時(shí)，穩壓?jiǎn)卧敵鲭妷嚎煞€定在3.28V。

圖9儲能單元儲能曲線(xiàn)圖

圖10穩壓?jiǎn)卧敵銮€(xiàn)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(chēng)值。恒溫加熱臺從27-100℃加熱過(guò)程中，測溫節點(diǎn)隨機采樣21組數據，計算與標稱(chēng)值之間的誤差，并繪制曲線(xiàn)如圖11所示。實(shí)驗結果表明，當熱電偶標稱(chēng)溫度值為86℃時(shí)，節點(diǎn)測溫誤差值為0.67℃，在測溫誤差0.75℃范圍內。

圖11實(shí)測溫度曲線(xiàn)圖

4.3無(wú)線(xiàn)模塊

        模擬測溫節點(diǎn)實(shí)際工作環(huán)境，在測溫節點(diǎn)與顯示終端之間，放置若干的遮擋物，無(wú)間斷進(jìn)行100次測溫數據傳輸測試，測試結果如表1所示。實(shí)驗結果表明，在遮擋物位置及體積不變情況下，無(wú)線(xiàn)傳輸的成功率隨傳輸距離的增加，略有降低，但該基本滿(mǎn)足應用需求。

表1無(wú)線(xiàn)模塊測試表

5安科瑞無(wú)線(xiàn)測溫監控系統及在線(xiàn)測溫產(chǎn)品介紹

5.1概述

        開(kāi)關(guān)柜溫度在線(xiàn)監測系統是基于470MHz無(wú)線(xiàn)測溫技術(shù)開(kāi)發(fā)的針對開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行測溫的系統，可對開(kāi)關(guān)柜分別為母線(xiàn)排、上下觸頭、電纜接頭，柜體表面等部位溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，方便運維人員及遠程監控中心掌握現場(chǎng)設備運行情況。

5.2應用場(chǎng)所

        變電所，配電室，箱變等

5.3系統架構

        開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫系統由無(wú)線(xiàn)溫度傳感器、測溫通訊終端（溫度顯示儀）、溫度監測預警工作站三部分組成，

5.4系統功能

5.4.1實(shí)時(shí)監測

        Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示各測溫節點(diǎn)的溫度數據及有關(guān)故障、告警等信息。

5.4.2溫度查詢(xún)

        溫度歷史曲線(xiàn)（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）：

5.4.3運行報表

        查詢(xún)各回路設備運行溫度報表。

5.4.4實(shí)時(shí)報警

        壁掛式無(wú)線(xiàn)測溫監控設備具有實(shí)時(shí)報警功能，設備能夠對溫度越限等事件發(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(shí)時(shí)語(yǔ)音報警功能，能夠對所有事件發(fā)出語(yǔ)音告警。

        3）短信警告?？梢韵虬l(fā)送告警信息短信（需選配）。

5.4.5歷史告警查詢(xún)

        Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統能夠對所有告警事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統和告警等事件進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

5.4.6用戶(hù)權限管理

        Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)的操作（如數據庫修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、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(guò)和手機APP展示頁(yè)面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點(diǎn)位數量等概況信息，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(wú)線(xiàn)測溫傳感器選型

5.5.2收發(fā)器選型

5.5.3測溫通訊終端（溫度顯示儀）選型

5.6典型配置方案

5.6.1高低壓柜內電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫（單柜就地顯示）

       a）配置方案

        說(shuō)明：ARTM-Pn通過(guò)RS485接口連接ATC實(shí)現開(kāi)關(guān)柜溫度集中顯示，可接收60只無(wú)線(xiàn)溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。

        b）安裝實(shí)例

5.6.2高壓柜內電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫帶操顯功能（單柜就地顯示）

        a）配置方案

        說(shuō)明：ASD320通過(guò)RS485接口連接ATC實(shí)現開(kāi)關(guān)柜溫度集中顯示，可接收12只無(wú)線(xiàn)溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。

        b）安裝實(shí)例

a）配置方案

         說(shuō)明：觸摸屏通過(guò)RS485接口連接ATC實(shí)現開(kāi)關(guān)柜溫度集中顯示，可接收240只無(wú)線(xiàn)溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果現場(chǎng)不需要就地顯示，可以直接通過(guò)ATC的RS485接口，把數據傳送到值班室的遠程溫度監控系統。

        b）安裝實(shí)例

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場(chǎng)）

方案一：Acrel-2000T/A就地集中顯示：

        說(shuō)明：Acrel-2000/A通過(guò)RS485接口連接ATC實(shí)現開(kāi)關(guān)柜溫度集中顯示，可接收240只無(wú)線(xiàn)溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。

方案二：Acrel-2000T/B就地集中顯示：

        說(shuō)明：Acrel-2000T/B不僅可以通過(guò)RS485連接多種ATC收發(fā)器接收所有型號傳感器實(shí)現集中顯示，還可以通訊連接配電室內無(wú)線(xiàn)測溫相關(guān)就地顯示裝置實(shí)現集中顯示，同時(shí)還可以連接配電室內智能操控、微機保護、電力儀表等電力監控設備進(jìn)行監測。

5.6.5低壓電氣接點(diǎn)有線(xiàn)測溫、變壓器繞組測溫

        a）配置方案

        說(shuō)明：ARTM-8溫度巡檢儀可配8路Pt100傳感器，有線(xiàn)連接，Pt100傳感器客戶(hù)自配，測量低壓電氣接點(diǎn)時(shí)Pt100傳感器需做好絕緣處理。

        b）安裝實(shí)例

6結束語(yǔ)

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(wèn)題，無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)解決了傳統測溫實(shí)時(shí)性較差問(wèn)題。本文基于電流感應取電技術(shù)及無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)設計了一款無(wú)源無(wú)線(xiàn)測溫節點(diǎn)，對其結構及原理進(jìn)行詳細分析，給出了二次側繞組匝數計算方法及NTC熱敏電阻測溫理論誤差計算方法，并通過(guò)實(shí)驗對其可行性進(jìn)行證明。實(shí)驗結果表明：當一次側繞組流經(jīng)電流有效值為3.6A時(shí)，該電流感應取電模塊輸出電壓值可穩定在3.28V；測溫模塊的測溫誤差值為0.67℃；無(wú)線(xiàn)模塊通訊較為穩定，具備較高的可靠性。

參考文獻

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[3]安科瑞電氣設備溫度監控解決方案.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.

作者簡(jiǎn)介：韓歡慶，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無(wú)線(xiàn)測溫系統的研發(fā)與應用，