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浅谈基于感应取电的无线测温系统设计与应用

 更新时间:2023-09-14 点击量:127

江苏安科瑞电器制造有限公司 范宏博

摘要:电力系统中,各类设备的开断接触点,由于制造、环境污染、触点氧化、电弧冲击等原因造成接触电阻增大,在运行时往往不断发热,温度不断上升,给设备安全运行埋下隐患,如果不及时发现,容易导致起火或爆炸,造成大量财产损失。因此,电力设备的温度在线监测系统越来越得到大家的认可和重视。传统的红外、光纤及有源无线测温系统在安全性、适用性、稳定性、实时性等方面存在一定的技术缺陷。感应取电无源无线温度在线监测系统在高压电力设备上得到广泛应用,有效的解决了传统测温技术在安全性、可靠性、稳定性、实用性等方面存在的问题。

关键词:无线传感器;感应取电;无线测温;物联网

1概述

无源无线测温系统一般有三部分构成:无源无线测温节点、无线温度接收终端、数据服务器及APP,系统组成如图1所示:

图1系统示意图

无线测温节点作为系统的感知层,分布于各个发热点,实时测量触点表面温度,并将温度数据通过无线方式上传给接收终端。接收终端在系统中承担着数据中继功能,它接收到传感器的数据之后再通过485或者无线等方式传输给数据后台,他们形成了系统的网络层。数

据到达后台后,用户可以通过计算机组态界面监测现场每个传感器的实时温度、历史曲线,如果出现超温情况,可以快速定位并及时通知相关人员,这就是系统的应用层。

2无源感应取电理论依据

本系统无源无线取电应用法拉第电磁定律,充分利用高压开关柜内三相母线产生大量电磁能,根据变压器模型如图2所示。母线作为取电感应器的一次侧线圈,取电线圈作为取电感应器的二次侧线圈,组成取电电路,二次侧处于短路工作状态,相当于电流互感器。

图2变压器模型

取电电路关键在于导磁材料的选择,该电路选择了1J85型薄膜合金带,薄膜合金带是一款高导磁合金材料,其特点是含有45%~81%的中镍,Bs=0.7~1.6T,导磁率从5到50万,采用不同的制作工艺和热处理制度可以获得普通回线-高初始磁导率,矩形回线-高剩余磁感应强度,扁平回线-低剩余磁感应强度。高磁感且高磁导率低损耗,缩小磁性元件和体积,在潮湿的环境中耐腐蚀性强。常用薄膜合金带主要参数指标如表1所示:

表 1 常用薄膜合金带性能指标

3无源无线测温硬件设计

3.1无源无线测温节点电路设计

通过感应线圈取电后,经钳位保护电路、整流电路、电压检测、线性稳压为工作电路板供电,电路如图3所示。

图 3 无源无线测温节点电路

测温节点微控制器采用 TI 公司的低功耗无线单片机CC430F5137 芯片,CC430 不但延续了其前辈超低功耗、高性能的传统,而且集成了业界 1GHz 以下频段的 CC1101RF 收发器,是的功耗的单芯片射频 (RF) 解决方案。使用 CC430 平台既可降低系统复杂性、将封装与印刷电路板尺寸缩小 50%,又可简化RF 设计,从而将包括 RF 网络、能量采集、工业监控与篡改检测、个人无线网络以及自动抄表基础设施 (AMI)等在内的应用的水平。其外围电路可参照应用手册。

温度电路检测采用16位高精度可关断低功耗数字传感器,通过I2C总线与微控制器连接,如图4所示。

图 4 传感器电路

3.2无线接收终端电路设计

无线接收终端采用TI公司的CC430F5137无线单片机作为控制器,它既可以接受测温节点发送的数据,也可以通过无线方式或RS485把数据传给应用层,同时它还可以完成人机交互控制,包括设置操作按键和LCD显示屏。电路连接示意图如图5所示。

图 5 接收终端电路连接示意图

4无源无线测温传感器程序设计

无源无线测温节点和无线接收器程序设计采用C语言编程,编程要注意的有两点,一是程序开发规范、简洁、易读,二是低功耗程序设计,通过单片机和无线收发器的休眠以及外围电路的关断,使得整个电路电流不超过50微安。

设计测温节点程序时,首先要对单片机和无线收发器进行配置,为了防止节点死机,设计看门狗程序;为了能够进入休眠模式三,进行电源管理和内核电压监测设置;为了防止各个节点同时发送数据出现碰撞,采用随机延时算法;为了降低功耗,对温度传感器芯片进行关断。

相对于测温节点程序设计,接收器程序无需考虑低功耗设计,但需要考虑抗干扰性,主要通讯干扰,采用CRC校验去除无线数据传输干扰,采用RS485通讯去除有线数据传输干扰。

5无源无线测温系统组态界面设计

无线测温后台采用国内品牌工控机或者由客户型号的计算机,后台软件采用工控组态,具有人机界面友好、操作方便、数据全面、功能完善的特点。全局图可以一目了然分辨出传感器温度正常、超温、故障,如图6所示:

图 6 无线测温详细图显示

6无源无线温度传感器的安装调试与使用

6.1无源无线温度传感器的安装方式

无源无线温度传感器广泛应用于高低压开关柜、环网柜触头、刀闸开关、高压电缆接头、干式变压器、低压大电流柜等电气设备的温度在线监测;无源无线温度传感器避免使用电池所带来的局限,体积小巧,仅相当于传统传感器的一颗电池大小,可以安装在动触头等狭小的空间内,所以优先推荐安装动触头。如图7所示。

图 7 动触头安装示例

6.2无源无线温度传感器的使用

由于无源无线温度传感器主要应用于电气开关动触头以及出线母排上,对应变电所或者企业来说不能频繁通电断电操作,故使用前需做产品二次测试,测试时将导磁扎带绕于220V单相电即可,保证安装产品稳定性。由于各组节点可自动与接收节点匹配,也需做接收测试,

多组同时进行无线传输干扰测试。

7安科瑞无线测温系统介绍与选型

安科瑞无线测温监控系统是根据当前无线测温系统的要求,在广泛征求用户和家意见的基础上,充分吸收当前国内外厂家的成功案例,并结合安科瑞多年来的丰富经验,采用面向对象的分层分布式设计思想,结合自动化技术、计算机技术、网络技术、通信技术而设计的一款专业的无线测温软件。

7.1 Acrel-2000T无线测温系统结构

Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通信(如图8),系统设计遵循国际标准Modbus-RTU, Modbus TCP等传输规约,安全性、可靠性和开放性都得到了很大地提高。

Acrel-2000T无线测温监控系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能。可以监控无线测温系统的设备运行状况,实现快速报警响应,预防严重故障发生。

Acrel-2000T无线测温监控系统主要特点是开放式系统结构,硬件兼容性强,软件移植性好,应用功能丰富。该系统具有强大的处理能力,快速的事件响应,友好的人机界面,方便的扩充手段。其软件系统的设计依据软件工程的设计规范,模块划分合理,接口简捷明了,主要包括主控模块、人机界面、图形组态、数据库管理系统、通信管理等几大模块。

图8 Acrel-2000T无线测温系统结构图

7.2 Acrel-2000T无线测温系统功能

■实时监测

Acrel-2000T无线测温监控软件人机界面友好,能够以配电一次图的形式直观显示各测温节点的温度数据及有关故障、告警等信息

■温度查询

温度历史曲线(1分钟、5分钟、60分钟可选)

■运行报表

查询各回路设备运行溫度报表.

■实时报警

壁挂式无线测温监控设备具有实时报警功能,设备能够对温度越限等事件发出告警。

■设备提供以下凡种告警方式:

a.弹岀事件报驚窗口.

b.实时语音报警功能,能够对所有事件发出语音告警.

C.短信吿警,可以向手机haoma发送吿警信息短信(需选配短信mao).

■历史告警査询

Acrel-2000T无线测温监控系统能够对所有吿警事件记录进行存储和管理,方便用户对系统和告警等事件进行历史追溯,查询统计、事故分析。

■用户权限管理

Acrel-2000T无线测温监控系统为保障系统安全稳定运行,设置了用户权限管理功能。

通过用户权限管理能够防止未经授权的操作(如数据库修改等)。可以定义不同级别用户的 登录名、密码及操作权限,为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

■定值设置

用于修改高温定值、超温定值。

■WEB(可选)

展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息, 设备温度、通信状态,用电分析和事件记录。首页显示场站的变压器数量、回路个数、有功功率、无功功率、用电量、事件记录等概况信息,可通过实时监控、变压器、通信模块切换到需要查看的界面。

实时数据曲线可监测各个回路的测点温度、电压、电流、功率曲线信息。

接线图页面通过一次图实时反映电气参数变化,包括测量量、信号量等信息(信号量 需要断路器提供辅助触点支持)。

能耗统计页面显示各回路的功率峰值和用电量峰值,功率、电能趋势曲线,电能环比,用电排名。

运维管理\通信状态显示监测接入系统设备的通信状态。

■手机APP(可选)

设备数据员面显示各设备的电參量数据、温度数据以及曲线。

7.3 安科瑞ARTM系列无线测温终端产品选型

安科瑞电气接点无线测温方案由无线温度传感器、收发器、显示单元组成。温度传感器直接安装于断路器动触头、静触头、电缆接头、母排等发热接点,将测温数据通过无线射频技术传至接收装置,再由接收器485通讯至测温终端或无线测温系统(如图9)。

图9 电气接点在线测温结构图

7.3.1 安科瑞无线温度传感器

无线温度传感器共有5种,分别对应螺栓固定、表带固定、扎带捆绑、合金片固定等安装方式。针对不同的变电站要求,可根据传感器供电方式以及安装位置的不同,考虑安装方便的因素,选择相匹配的传感器。

7.3.2 安科瑞无线收发器

无线测温收发器共有3种,通过无线射频方式接收温度数据。收发器根据不同的传感器型号进行匹配,同时传感器的传输距离决定接收装置能否多柜接收。

7.3.3 安科瑞显示终端

显示装置通过RS485连接收发器,可嵌入式安装于柜体上,若柜体开孔不便,也可选择壁挂式安装于配电室内。方便操作人员现场及时查看电气节点实时温度的同时,也可以通过RS485或以太网通讯的方式在后台系统查看现场情况。

【参考文献】

[1] 曹祥红.应用于高压设备测温系统的感应取电电源设计[J].科学技术与工程,2013,13(28).

[2] 刘涛,唐培林.基于感应取电的无线测温系统设计与应用.

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.