趙娜
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(shè)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(shè)計了一款基于電流感應(yīng)取電的無線測溫節(jié)點。該節(jié)點采用電流感應(yīng)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(dǎo)線流經(jīng)電流有效值為3.6A時，電流感應(yīng)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(yīng)取電；無線測溫；NTC熱敏電阻
電力設(shè)備長期工作于過載或載流量過大的狀態(tài)下，容易導(dǎo)致設(shè)備薄弱節(jié)點溫升過高，從而引發(fā)設(shè)備故障。為保證設(shè)備的安全、可靠運行，檢測電力設(shè)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(shè)計了一款基于電流感應(yīng)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(yīng)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。
測溫節(jié)點包含電流感應(yīng)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(yīng)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。
無線測溫節(jié)點硬件設(shè)計包括：電流感應(yīng)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(yīng)取電模塊
2.1.1電流感應(yīng)取電數(shù)學(xué)模型
將電流感應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)。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(yīng)電動勢ｅ1和ｅ2，依據(jù)電磁感應(yīng)定律可得：
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∶
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(yīng)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(yīng)電動勢幅值，V。
由基本電磁定律可知：
式中：Ｂｍ
為取電鐵芯磁感應(yīng)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(dǎo)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：
式中：ｆ為輸電導(dǎo)線供電頻率，Ｈｚ。
依據(jù)磁路基爾霍夫定律可知：
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：
將式（3）、式（5）帶入式（1）可得二次側(cè)繞組感應(yīng)電動勢幅值Emax為∶
當輸電導(dǎo)線供電頻率f、取電鐵芯磁導(dǎo)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(yīng)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(shè)計
電流感應(yīng)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(yīng)電動勢幅值應(yīng)高于系統(tǒng)節(jié)點設(shè)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(yīng)高于設(shè)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(yīng)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(yīng)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∶
且已知f=50Hzμ=37.5mH/m（坡莫合金）、S=420mm2、I=0.215m，由式（8）可得∶
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(yīng)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。
圖4測溫模塊電路簡圖
依據(jù)測溫模塊簡化電路可得：
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∶
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(yīng)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%;場效應(yīng)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(shè)計，降低節(jié)點功耗；片載串行外設(shè)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(xué)和醫(yī)學(xué)（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(dǎo)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(shè)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。
系統(tǒng)程序設(shè)計選用IAREWforSTM8作為開發(fā)環(huán)境，采用C語言進行程序設(shè)計，其過程如圖6所示。當電流感應(yīng)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(shè)置喚醒間隔為6.89S。主控模塊關(guān)閉無關(guān)外設(shè)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。
圖6節(jié)點程序流程圖
為驗證電流感應(yīng)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。
圖7測試場景圖
4.1電流感應(yīng)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(yīng)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(yīng)電動勢幅值為5.12V，與理論計算值基本相符。
圖8二次側(cè)繞組感應(yīng)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(shè)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(dǎo)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(dǎo)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。
圖9儲能單元儲能曲線圖
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)。
圖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(yīng)用需求。
表1無線模塊測試表
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(shè)備運行情況。
5.2應(yīng)用場所
變電所，配電室，箱變等
5.3系統(tǒng)架構(gòu)
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(yù)警工作站三部分組成，
5.4系統(tǒng)功能
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(shè)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(shè)備具有實時報警功能，設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出警告。設(shè)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?？梢韵虬l(fā)送告警信息短信（需選配）。
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(shè)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）?？梢远x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(shè)置
用于修改高溫定值、超溫定值。
WEB，手機APP（可選）：
通過和手機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(shè)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
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(nèi)電氣接點無線測溫（單柜就地顯示）
a）配置方案
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
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
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
a）配置方案
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
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：
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(shè)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
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
電流感應(yīng)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(yīng)取電技術(shù)及無線傳感技術(shù)設(shè)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(yīng)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。
[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(shè)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(yīng)取電的無線測溫節(jié)點.
[3]安科瑞電氣設(shè)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(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06月版.
作者簡介：趙娜，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用
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