陳小雄， 傅建平， 裴慶虎

(紀(jì)元電氣集團(tuán)有限公司,浙江 江山 324100)

一種基于自具電源的智能無(wú)線電流溫度傳感器

陳小雄， 傅建平， 裴慶虎

(紀(jì)元電氣集團(tuán)有限公司,浙江 江山 324100)

電流互感器在電力行業(yè)中被廣泛應(yīng)用于電流的測(cè)量，也有部分場(chǎng)合用來(lái)給監(jiān)測(cè)裝置供電，但很少電流互感器既用來(lái)測(cè)量電流值，又當(dāng)作電源來(lái)使用。基于自具電源的智能無(wú)線溫度傳感器采用開合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首次將電流互感器既當(dāng)作電源用，又用來(lái)測(cè)量線路的電流值。此外傳感器還帶有無(wú)線通信、測(cè)溫、帶電指示、故障指示和故障錄波等功能。

智能傳感器；開合式結(jié)構(gòu)；電流互感器；電網(wǎng)測(cè)溫；無(wú)線測(cè)電流；故障指示

0 引 言

目前，電流互感器在電力行業(yè)中被廣泛應(yīng)用于電流的測(cè)量，也有部分場(chǎng)合被單純地用來(lái)給監(jiān)測(cè)設(shè)備供電。但很少電流互感器既用來(lái)測(cè)量電流值，又當(dāng)作電源使用。并且，傳統(tǒng)的電流互感器，需要將電流互感器輸出的電流通過(guò)導(dǎo)線接至低壓側(cè)的監(jiān)測(cè)儀表，如果一次高壓繞組與二次低壓繞組之間的絕緣產(chǎn)生缺陷，容易帶來(lái)安全隱患。此外，電力設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備的一次線路連接處因老化或負(fù)載電流變大等原因容易出現(xiàn)穩(wěn)升過(guò)高損壞絕緣，最終可能導(dǎo)致事故而斷電[1-2]。

基于自具電源的智能無(wú)線電流溫度傳感器首次將電流互感器既當(dāng)作電源用，又來(lái)測(cè)量線路的電流，并且利用現(xiàn)代電子技術(shù)使其具有無(wú)線通信、測(cè)溫、帶電指示、故障指示和故障錄波等功能。它能將測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊以無(wú)線通訊方式發(fā)送到低壓側(cè)的監(jiān)控裝置，通信距離遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了高低壓側(cè)的有效隔離。傳感器上帶有電源指示燈、溫度指示燈和電流指示燈，當(dāng)一次線路有電流時(shí)，電源指示燈亮，當(dāng)溫度或電流超過(guò)相應(yīng)的預(yù)警或報(bào)警值時(shí)，溫度和電流指示燈以不同的方式指示，實(shí)現(xiàn)了帶電指示和故障指示功能，預(yù)警值和報(bào)警值可通過(guò)無(wú)線通訊等方式進(jìn)行設(shè)置。并且傳感器中有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，可記錄故障前后的10個(gè)波形，實(shí)現(xiàn)故障錄波功能。基于自具電源的智能無(wú)線電流溫度傳感器為迅速排除電網(wǎng)故障提供了可靠的依據(jù)，有效提高事故反映速度，為線路搶修搶險(xiǎn)贏得寶貴時(shí)間，節(jié)約人力物力，減少經(jīng)濟(jì)損失，保障供電可靠性，提高國(guó)家電網(wǎng)安全水平和服務(wù)質(zhì)量，符合國(guó)家堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展方向[3]。

1 傳感器硬件設(shè)計(jì)

圖1 傳感器硬件框圖

如圖1所示，基于自具電源的智能無(wú)線電流溫度傳感器主要由開合式電流互感器、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路、穩(wěn)壓電路、電流采樣電路、溫度采樣電路、微處理器、無(wú)線通訊模塊等組成。安裝在一次導(dǎo)線上的開合式的高精密電流互感器感應(yīng)出電流，經(jīng)過(guò)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路進(jìn)行保護(hù)，再通過(guò)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓成Vcc給電路板上所有芯片供電。開合式電流互感器感應(yīng)出的電流回路須穿過(guò)小電流互感器，小電流互感器感應(yīng)出一個(gè)高精度的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電流采樣電路處理成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)送到微處理器的ADC管腳上進(jìn)行采樣，得出電流值。溫度傳感器采用熱敏電阻，通過(guò)溫度采樣電路出來(lái)后送給微處理器進(jìn)行ADC采樣。微處理器將采集到的電流值和溫度值通過(guò)無(wú)線通訊模塊以無(wú)線的方式發(fā)送到低壓側(cè)的監(jiān)測(cè)主機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高低壓側(cè)的電氣有效隔離。

1.1 過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路

傳感器過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路如圖2所示，當(dāng)穿過(guò)開合式電流互感器的一次設(shè)備導(dǎo)線有電流時(shí)，開合式電流互感器將感應(yīng)出交流電流，交流電流首先經(jīng)過(guò)TVS瞬態(tài)二極管進(jìn)行浪涌保護(hù)，然后通過(guò)整流橋變成直流。此時(shí)整流橋的輸出將產(chǎn)生一個(gè)電壓V1，當(dāng)電壓V1大于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓時(shí)穩(wěn)壓管導(dǎo)通，穩(wěn)壓管的導(dǎo)通電流經(jīng)過(guò)限流電阻R2進(jìn)入GND，由于導(dǎo)通電流的緣故，電阻R2上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓V3，電壓V3接到MOSFET管1的柵極上， MOSFET管1的漏源極導(dǎo)通通道會(huì)隨著電壓V3的增大而慢慢打開，所以整流橋的部分輸出電流會(huì)經(jīng)過(guò)MOSFET管1和電阻R1進(jìn)入GND地，達(dá)到過(guò)電流保護(hù)目的。穩(wěn)壓管導(dǎo)通以后，整流橋輸出的電壓V1為電阻R2和穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓之和，達(dá)到了過(guò)壓保護(hù)目的。當(dāng)在大電流時(shí)，MOSFET管1會(huì)發(fā)熱嚴(yán)重，所以作者為傳感器設(shè)計(jì)了第二部分過(guò)電流保護(hù)功能。微處理器時(shí)刻采集電流值，當(dāng)電流值超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，微處理器開啟MOSFET管2，讓整流橋輸出的另外一部分電流經(jīng)過(guò)MOSFET管2進(jìn)入GND，實(shí)現(xiàn)了第二部分過(guò)電流保護(hù)功能。

當(dāng)電壓V1大于電源穩(wěn)壓芯的輸入電壓時(shí)，電源穩(wěn)壓芯片開始工作，將電壓V1穩(wěn)壓成穩(wěn)定的電壓V2，V2為5 V或者3.3 V，V2為傳感器上的所有電子器件供電。穩(wěn)壓管在選型時(shí)，它的穩(wěn)定電壓要求大于電源穩(wěn)壓芯片的輸入電壓。

圖2 過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路原理圖

1.2 電流采樣電路

電流測(cè)量電路如圖3所示，由于電阻R1阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電阻R2和R3，所以電流互感器互感出的大部分電流流經(jīng)R1，在R1上產(chǎn)生交流電壓，此電壓在由運(yùn)放U1C組成的電壓跟隨器的作用下被抬升為直流電壓。直流電壓經(jīng)過(guò)后續(xù)的差分放大電路處理后，送給微處理器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

圖3 電流測(cè)量電路原理圖

1.3 溫度采樣電路

傳感器的溫度采集利用熱電偶PT100來(lái)實(shí)現(xiàn)，溫度采樣電路如圖4所示。由于熱電偶PT100的阻值受溫度的變化很小，約為0.39 Ω/℃，導(dǎo)致PT100的導(dǎo)線阻值不可忽略不計(jì)，所以PT100采用三線值，分別接到電路圖的ABC位置將線電阻進(jìn)行抵消。電阻R1～R3和PT100組成四臂電橋，PT100阻值的變化導(dǎo)致電橋失去平衡產(chǎn)生差動(dòng)電壓，差動(dòng)電壓在后續(xù)的差分放大電路處理后送到微處理器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換[4]。

圖4 溫度測(cè)量電路原理圖

1.4 傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖5 傳感器機(jī)械三維圖

傳感器采用開合式設(shè)計(jì)，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝，機(jī)械三維圖如圖5所示。傳感器由右半部分、左半部分和4個(gè)安裝螺絲三部分組成。傳感器外殼采用聚氯乙烯(PVC)材料，具有堅(jiān)固、耐高溫、絕緣等特點(diǎn)，鐵芯采用優(yōu)質(zhì)硅鋼材料，傳感器內(nèi)部使用環(huán)氧樹脂澆注。4個(gè)安裝螺絲處于傳感器的圓中心直角對(duì)角線上，這樣使得傳感器可以安裝于銅排、電纜等不同截面的導(dǎo)體上，并且4個(gè)安裝螺絲處于傳感器鐵芯的水平上方，不能穿過(guò)鐵芯，以免鐵芯磁路受到影響。螺絲朝圓心的尖端套有硅膠帽，可以保護(hù)一次線纜免受安裝螺絲的磨損。

2 傳感器軟件設(shè)計(jì)

2.1 程序架構(gòu)

傳感器的程序用C語(yǔ)言編寫，程序流程圖如圖6所示。首先對(duì)傳感器的各部分模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入循環(huán)體，循環(huán)體的第一步進(jìn)行電流溫度量的采樣計(jì)算，第二步將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)往低壓側(cè)的控制器，第三步，將測(cè)得的數(shù)據(jù)與設(shè)定的預(yù)報(bào)警值進(jìn)行比較，從而進(jìn)行指示燈相應(yīng)指示。

圖6 程序流程圖

2.2 電流溫度采集算法

目前電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)提取基波分量廣泛采用全波傅里葉算法，全波傅立葉算法可以計(jì)算出基波及各次諧波分量的有效值及初相角，濾除直流分量和各次諧波分量如文獻(xiàn)[5-6]。由于本傳感器只需要計(jì)算出電流值，無(wú)需相角等值，所以作者對(duì)全波傅立葉算法進(jìn)行簡(jiǎn)化。首先微處理器以3.2 K的采樣率對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采樣，相當(dāng)于每周期采樣64個(gè)點(diǎn)，得出采樣數(shù)據(jù)a1、a2……a63、a64，求出采樣數(shù)據(jù)的平均值av。

(1)

求出采樣數(shù)據(jù)據(jù)a1、a2……a63、a64和平均值av的差的絕對(duì)值A(chǔ)1、A2……A63、A64。

An=|an-av|n=1,…,64

(2)

求出絕對(duì)值A(chǔ)1、A2……A63、A64的和S：

(3)

所以互感器在工作時(shí)，真正的電流測(cè)量值為I=KS。

程序中對(duì)PT100溫度值的處理方法為查表法，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)，在提前建立好的阻溫表中查找其對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間，進(jìn)而得出溫度值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)傳感器硬件進(jìn)行測(cè)試的圖片如圖7所示，作者用6位半電流表測(cè)開合式互感器送給電路板的交流電流IAC，用萬(wàn)用表測(cè)電路板上整流橋輸出的電壓VDC。

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示，I為穿過(guò)開合式互感器的一次側(cè)電流，It為微處理器軟件算法計(jì)算出的電流值。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)VDC可以看出，電路板穩(wěn)壓電路起到了良好的穩(wěn)壓作用。一次側(cè)電流I為10 A時(shí)，傳感器開始啟動(dòng)；當(dāng)I大于19 A時(shí)，圖1中的TVS管起到了穩(wěn)壓作用，VDC等于TVS管穩(wěn)壓值減去整流橋的壓降；當(dāng)I大于40 A時(shí)，圖1中的穩(wěn)壓管可以起穩(wěn)壓作用，VDC慢慢接近于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

將測(cè)得數(shù)據(jù)的一次電流I和開合式互感器送給電路板的二次電流IAC進(jìn)行線性擬合，擬合圖如圖8所示。由圖可看出，二次電流IAC和一次電流I成正比關(guān)系，所以作者設(shè)計(jì)的算法完全適用。

圖8 測(cè)得數(shù)據(jù)線性度

4 結(jié)束語(yǔ)

基于自具電源的智能無(wú)線電流溫度傳感器功能強(qiáng)大，具有無(wú)線通信、測(cè)溫測(cè)電流、帶電指示、故障指示和故障錄波等功能。它首次將電流互感器既當(dāng)作電源使用，又當(dāng)作測(cè)量互感器使用，并且測(cè)量的數(shù)據(jù)以無(wú)線通訊的方式發(fā)送到低壓側(cè)的監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)了高低壓側(cè)的電氣有效隔離。傳感器采用開合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝。此外傳感器成本低，有利于推廣，可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中需要測(cè)電流和測(cè)溫度的地方，也可當(dāng)作故障指示器使用。

[1] 黃新波，變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

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[3] 陳小雄，黃新波，朱永燦,等.輸電線路雷擊故障點(diǎn)遠(yuǎn)程定位裝置的設(shè)計(jì)[J].高壓電器,2013,49(7):53-59.

[4] 張國(guó)雄.測(cè)控電路[M].3版,天津：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

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A Smart Wireless Current Temperature Sensor Based on Its Own Power Supply

Chen Xiaoxiong, Fu Jianping , Pei Qinghu

(Era Electronic Group Co., Ltd., Jiangshan Zhejiang 324100, China)

The current transformer, widely used for current measurement in the power industry, is sometimes used to supply power to monitoring devices. However, it is seldom used for current measurement and power supply at the same time. As the smart wireless temperature sensor with its own power supply adopts retractable structure in its design, for the first time we use the current transformer for both power supply and line current measurement. Furthermore, the sensor has such functions as wireless communication, temperature measurement, electric indication, failure indication and fault recording.

smart sensor; retractable structure; current transformer; grid temperature measurement; wireless current measurement; failure indication

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.030

TP732

A

1000-3886(2017)04-0101-03

定稿日期: 2016-11-29

陳小雄(1988-)，男，陜西咸陽(yáng)人，碩士，主要從事智能電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究。 傅建平(1975-)，男，浙江衢州人，工程師，主要從事高壓電器制造與研究。 裴慶虎(1978-)，男，山東菏澤人，學(xué)士學(xué)位，主要從事各種電流電壓互感器、組合式互感器、各種電子式電流電壓互感器、各種電力智能及無(wú)線傳輸裝置的研發(fā)和管理工作。