基于感应取电的无线测温系统设计与应用
日期: 2017/2/5 浏览: 3 来源: 学海网收集整理 作者: 江苏省泰州技师学院 刘涛 唐培林
【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 图2 变压器模型
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。
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，而且集成了业界领先的1GHz以下频段的CC1101RF收发器，是真正的业界最低功耗的单芯片射频(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)等在内的应用推向前所未有的水平。其外围电路可参照官方应用手册。
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 图5 接收终端电路连接示意图
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。
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，使得整个电路最大电流不超过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，必须设计看门狗程序；为了能够进入休眠模式三，必须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，必须采用随机延时算法；为了降低功耗，必须对温度传感器芯片进行关断。
4.2 无线接收终端程序设计
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指定型号的计算机，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8所示：
图8 无线测温详细图显示 图9 动触头安装示例
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。
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。
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【A】.科学技术与工程。2013.13（28）.
（2）曾强. 无源供电无线测温在线监测系统研究应用【A】. 科技传播. 国网四川巴中供电公司,四川巴中,636000
（3）胡建学 [1] 赵俊 [2] 何利松 [3] 贝伟斌 [4] 林毅 [5]. 基于无源无线传感技术的高压开关柜温度在线监测【A】. 科技传播. 中国电子科技集团公司德清华莹电子有限公司,浙江湖州,313200 国网浙江德清县供电公司,浙江湖州,313200
