高压开关柜无线温度传感器设计

●珠海泰坦科技股份有限公司 李云荣 珠海瓦特电力设备有限公司 莫华林

高压开关柜是变电站最重要的电气设备之一。在日常运行过程中，高电压、大电流开关设备由于承载的电流过大或因运输、安装不良及老化松动引起接触电阻过大时，将导致局部温度过高，如得不到及时解决，极易导致电气火灾的发生。据统计，变电站的设备缺陷有80%以上与温度过高有关；在变电站发生的运行事故中，有40%是由于高压电气设备过热导致，造成了很大的经济损失。

因此，急需一种能实时监测高压开关柜内各类设备、触头和节点的温度预警系统，在高温事故发生前能发出预警信号，通知变电站运维人员采取紧急措施，避免电气火灾的发生。温度预警系统中温度传感器又是重中之重，本文设计了一款低功耗的无线温度传感器，能将采集到的温度通过2.4G无线网络发送给无线接收模块。

1 硬件设计

1.1 常用的开关柜节点测温方法

（1）柜内红外线离线测温：红外测温为非接触式测温，但极易受环境灰尘影响，因为高压设备一般积灰较多，当红外测温探头被灰尘遮盖后，温度测量值急剧变化，常常正常的温度突然显示几百度，从而误报警。

（2）红外热像仪测温：无法监测到柜内的关键节点温度，只能测量露在柜子外面的节点温度。

（3）光纤测温：采用光纤传输温度信号，具有优异的绝缘性能，能够隔离开关柜内的高压，可直接安装到开关柜内的高压触点上，准确测量高压触点的运行温度。然而，光纤表面可能受到污染，将导致光纤沿面放电，这使得光纤测温系统用于室外开关设备测温时受到限制。

1.2 无线测温的优点

无线测温采用无线信号传输，传感器直接安装在设备上，温度测量准确，解决了电气绝缘的问题，且不受环境影响，可以测量室内外任何高压带电设备的温度。

1.3 无线温度传感器电路设计

传感器电路组成框图如图1所示。

（1）单片机选用microchip低功耗单片机pic16f913，该处理器内部采用高精度振荡器、宽工作电压范围（2.0～5.5V)、工业级的温度范围、高耐用性闪存。使用纳瓦技术，待机电流小于100mA(当电压为2.0V时），看门狗定时器电流为1uA（当电压为 2.0V 时）。

图1 无线温度传感器电路框图

（2）温度传感器采用美国AD公司的新产品TMP36，是一款工作电压低、精度高的温度传感器，其测量温度范围为-40～125℃， 在 0℃时输出 0.5V，25℃时输出 750mV；静态电流小于50uA，关闭状态时功耗仅0.5uA；在整个测温范围内，其精度为±1℃，线性度±0.5℃。

（3）2.4G 无线通信模块选用微型 NRF24L01+无线模块。该模块选用NORDIC公司的NRF24L01+芯片，有如下特点：低工作电压 1.9～3.6V；具有 125 个频点，可实现跳频通信；可工作在发送、接收、停机、待机、掉电等5种模式。模块的工作参考数据如表1所示。

表1 参考数据表

数据包有2种处理方式：ShockBusrt和增强型ShockBurst模式。ShockBusrt模式下，MCU通过SPI接口与NRF24L01+通信，当接收到数据包时，NRF24L01+拉低IRQ引脚，MCU通过中断或查询该引脚从RX FIFO中读出数据，发送数据结束后拉低IRQ通知MCU。增强型ShockBurst模式下数据发送方要求接收方接收到数据后发一个应答信号，以便发送方检查接收方是否收到数据，如查到接收方没有收到数据，则重新发送数据包。此种重发机制完全由芯片自行完成，不需MCU参与。

（4）参考电压。电路中采用TI公司的TL431产生2.5V参考电压，来作为AD采样的基准电压。TL431是一款具有良好热稳定性能的可控精密稳压源，工作温度范围为-40～85℃，误差为±0.4%（25℃）。

（5）低功耗控制。在MCU处于休眠状态时，关断NRF24L01+模块及TMP36的电源，由PIC16F913的RC6引脚输出高电平，使Q1（AO3401）的G极为高电平，VDD失电。正常的温度采集状态时RC6输出低电平，Q1导通，VDD得电。

1.4 无线温度传感器

无线温度传感器尺寸为22mm×14mm×17mm(长×宽×高），感温铜片紧帖传感器TMP36。

1.5 电池

选用锂亚高能量电池ER17335，标称容量为1900mAh，开路电压为 3.6V，工作温度为-55℃～85℃，尺寸为：¢17mm×33.5mm。

2 软件设计

软件系统依靠8位单片机PIC16F913来实现温度采集与无线发送功能，具体有以下3个方面的功能：

2.1 写码

为每一个无线温度传感器分配5个字节的无线通信网络地址以及1字节的自身地址，只有具有相同网络地址的NRF24L01+芯片之间才能通信。写码时将PCB板上的写码跳线与GND网络短接，重新给传感器上电，使程序进入到写码流程，这时上位机通过串口对传感器写入地址码。写码通信规约如表2所示，表2中校验和为从包头到自身地址的所有字节之和。

表2 写码通信规约

2.2 温度采集与无线传输

使用PIC16F913的第0通道AD转换器来采集TMP36的输出电压，具体算法是：连续采样10次，去掉最大和最小值，再求和后求平均值，再通过公式（1）换算成实际的温度值t。

t为小数，为了数据发送方便，将t乘以10得到整数，即t的精度为0.1，在后续的仪表中再换算过来。

无线发送策略：模块每次上电初始时都传输温度值，以后每次定时休眠被唤醒后，都采集温度值，并与上次的温度值作比较，如差值的绝对值大于3℃，将温度值立即无线发射出去，供无线接收模块接收，否则正常状态下每5次采集发送一次温度数据。无线温度数据传输通信规约如表3所示，其中校验和为数据包前5字节之和。

表3 无线数传通信规约

2.3 低功耗控制

除了使用前面介绍的使用无线传输决策来控制无线发送次数外，系统还采用定时休眠来降低功耗。PIC16F913的休眠模式可以提供一种电流消耗很低的工作方式，休眠中的单片机可通过中断或看门狗定时器唤醒。WDT以标称的16ms作为其工作时基，通过设置看门狗定时器控制寄存器WDTCON来实现不同的定时时间，本软件系统中将看门狗定时器定时时间设置为8.118s，程序如下：

3 结束语

为实现高压开关柜节点的无线测温，本文设计了一款基于TMP36的低功耗无线温度传感器。经测试，其休眠功耗为3.3uA，每8.118s采集一次温度数据，如用1900mAh的电池供电，考虑到电池实际电量的折损，传感器可工作约8年时间，具有很高的实用阶值。