无源无线测温系统设计及在高压开关柜中的应用

安科瑞 陈聪

摘要：电力传输系统中，发电厂、变电站的高压开关柜起着关键性的作用，随着电网设备技术的发展，高压开关柜也得到广泛的使用。温度是表征开关柜运行正常的一个重要参数，在使用开关柜的过程中，普遍存在开关柜内部过热现象，并且由于高压开关柜的密闭性，在负荷较重的地区，引发开关柜的温升超标现象。开关柜设备长期的超温运行，会降低设备的性能及使用寿命，引发设备故障，影响电网的正常运行，甚至引起电气火灾，造成巨大经济损失。高压开关柜的温度在线监测系统越来越得到用户的认可和重视，目前感应取电无源无线温度在线监测系统在高压开关柜上得到广泛应用，无源无线测温传感器安装维护方便，组网简单，实时在线，可以代替传统的人工定期巡检的方式，发现电力设备的温度异常，保证设备安全运行。

关键词：无源无线传感器；高压柜测温；电气接点测温；测温系统

概述：无源无线测温系统主要由设备层的无源无线温度传感器和温度显示单元，通讯层的边缘计算网关以及站控层的无线测温系统主机组成，实现高压柜关键电气部位的温度在线监测。

1、无源无线传感器的设计依据

    无源无线传感器的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电流产生的大量电磁能，根据电流互感器模型进行设计。高压母线作为取电互感器的一次侧线圈，取电线圈作为取电互感器的二次侧线圈，组成取电电路。 取电电路关键在于导磁材料的选择，电路选择了1J85型坡莫合金带，坡莫合金带是一款高导磁合金材料， 其特点是高初始磁导率，高磁感，低损耗，缩小了磁性元件的体积，此外合金带在潮湿的环境中耐腐蚀性强。

2、无源无线传感器的硬件设计

    无源无线传感器的硬件电路主要包括电源模块，处理单元，射频模块，测温模块。

    电源模块为整个电路板供电，由电磁线圈取电后的钳位保护电路，整流电路，电压检测，线性稳压器，储能电容组成。为了缩小产品的整个尺寸，处理单元和射频模块采用集成MCU单元和射频单元的低功耗无线单片机，此设计简化了整个电路设计复杂性，又实现了电路尺寸50%以上的缩减。测温模块采用数字式温度传感器，传感器具有低功耗，数字通信稳定的特点。

3、无源无线传感器的软件设计

    无源无线传感器的软件采用C语言进行编程，编程需要注意规范，代码简洁易读，传感器为低功耗设计，需要控制好整个电路系统的功耗，及时对单片机和外设进行休眠或电源关断，使得系统空闲时电流消耗不超过2uA。

    为了保障传感器系统的可靠运行，需要正确配置单片机的看门狗，保证不会出现传感器死机的情况。此外还要防止传感器通信碰撞，提高通信抗干扰性能，采用随机延时的算法进行温度上报，并对通信数据进行CRC校验，滤除异常数据。

4、无源无线传感器的主要性能与安装

    按照以上的原理和方法设计出的无源无线测温传感器ATE400，可在一次回路电流在5~5000A范围内取电工作，每15秒进行一次测量发热点温度并无线上传至柜面安装的显示单元。传感器温度测量范围为-50℃~+125℃，精度高达±1℃，测温分辨率0.1℃，体积小巧，安装方便，抗干扰性能强，广泛应用于高压柜电气接头测温。

图1 高压柜静触头温度监测

图2 高压柜电缆头温度监测

5、无线测温接收装置主要功能

 无源无线传感器通过无线射频方式将采集到的电气温度传输至无线测温接收显示单元ARTM-Pn。显示单元可无接收多达60个ATE400传感器的数据，传感器和显示单元之间通过数字ID进行识别，准确定位每个电气发热点的温度。显示单元嵌入式安装在高压柜面，实时显示各点温度，并且可以根据用户设定预警、报警温度值，实现高温预警、超温告警、相间温差报警、温度突变量告警等功能，装置可存储120条带有时标的告警记录，同时告警时继电器出口可以控制声光报警器，帮助用户及时发现故障，尽快分析查找设备故障原因，恢复正常供电。此外显示单元还可以选择电参量测量功能，测量数据包括电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能等，精度高达0.5级。显示单元所有测量数据都可以通过485接口及标准Modbus-RTU协议接入边缘计算网关，实现网络组网，将数据上传至无线测温监测系统主机。

6、无线测温系统的功能及界面

无线测温系统主机Acrel-2000T安装于值班监控室，可以远程监视系统内所有开关设备运行温度状态。系统具有以下功能：

温度显示：显示配电系统内每个测温点的实时值，也可实现电脑WEB/手机APP远程查看数据。

温度曲线：查看每个测温点的温度趋势曲线。

运行报表：查询及打印各测温点相应时间的温度数据。

实时告警：系统能够对各测温点异常温度发出告警。系统具有实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警，告警方式有弹窗、语音告警等，还可以短信/APP推送告警消息，及时提醒值班人员。

历史事件查询：能够温度越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析等。

7、总结语

    无源无线测温系统在高压开关柜温度监测的应用，解决了长期以来高压开关柜需要人工现场测温，开关柜内部温度无法测量，数据存储困难等问题，大大减少了设备检修预试停电次数和时间，减轻了日常巡检的工作量，提高人员工作安全性。无源无线测温系统能及时发现各关键点部位的温度异常状况，避免连接部位老化或接触电阻过大而产生过热现象，为电力安全生产和供电提供了有力保证，提高了设备的智能性。

参考文献：

[1] 曾强，无源供电无线测温在线监测系统研究应用，科技传播.2015(09)。

[2] 刘涛，唐培林.基于感应取电的无线测温系统设计与应用，科技经济导刊，2016(36)。

[3] 巍义强，基于物联网技术的变电站设备在线测温系统探讨，电子技术与软件工程，2016(12)。