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)量方法無法解決這些問題而無法使用。無線式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無線電波進(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)備之間無電氣連接，

一、無源無線測(cè)溫行業(yè)應(yīng)用
發(fā)電廠、變電站的高壓開關(guān)柜、母線接頭、室外刀閘開關(guān)等重要的設(shè)備，在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中開關(guān)的觸點(diǎn)和母線連接等部位因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱，而這些發(fā)熱部位的溫度無法監(jiān)測(cè)，由此最終導(dǎo)致事故發(fā)生。近年來，在電廠和變電站已發(fā)生多起開關(guān)過熱事故，造成火災(zāi)和大面積的停電事故，解決開關(guān)過熱問題是杜絕此類事故發(fā)生的關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)是保證高壓設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段。  

高壓開關(guān)柜通常要能承受最高達(dá)到10000A的工作電流,設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，開關(guān)的觸點(diǎn)和母線、電纜連接點(diǎn)等因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱，溫升超過規(guī)定值，會(huì)加速動(dòng)、靜觸頭等接觸點(diǎn)氧化，氧化結(jié)果又導(dǎo)致接觸電阻值增加，促使發(fā)熱更加嚴(yán)重，形成惡性循環(huán)。  

開關(guān)柜內(nèi)有裸露高壓，空間封閉狹小，無法進(jìn)行人工巡查測(cè)溫。而現(xiàn)行的諸如光纖測(cè)溫、紅外測(cè)溫、有源測(cè)溫等方式都存在著這樣那樣的不足。 
無源無線測(cè)溫主要應(yīng)用于發(fā)電廠，變電站的高壓開關(guān)柜，以及大電流柜，低壓開關(guān)柜等。

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630A、1250A、1600A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很關(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。

 

圖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；N1和N2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=10-4m2，T=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)為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。

 

 

圖2感應(yīng)取電方框圖

 

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)電容很重要，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?？?，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無線測(cè)溫模塊即可啟動(dòng)工作。

 

本文采用的是Nordic2.4G無線通信技術(shù)來實(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，無線發(fā)射時(shí)功耗不超過500ms。

 

首先要對(duì)單片機(jī)和無線收發(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，需進(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，需對(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。

 

 

圖4溫度采樣電路低功耗實(shí)現(xiàn)

 

無線測(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)置無線發(fā)送模塊工作，將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。