一种基于自具电源的智能无线电流温度传感器

陈小雄， 傅建平， 裴庆虎

(纪元电气集团有限公司,浙江 江山 324100)

一种基于自具电源的智能无线电流温度传感器

陈小雄， 傅建平， 裴庆虎

(纪元电气集团有限公司,浙江 江山 324100)

电流互感器在电力行业中被广泛应用于电流的测量，也有部分场合用来给监测装置供电，但很少电流互感器既用来测量电流值，又当作电源来使用。基于自具电源的智能无线温度传感器采用开合式结构设计，首次将电流互感器既当作电源用，又用来测量线路的电流值。此外传感器还带有无线通信、测温、带电指示、故障指示和故障录波等功能。

智能传感器；开合式结构；电流互感器；电网测温；无线测电流；故障指示

0 引 言

目前，电流互感器在电力行业中被广泛应用于电流的测量，也有部分场合被单纯地用来给监测设备供电。但很少电流互感器既用来测量电流值，又当作电源使用。并且，传统的电流互感器，需要将电流互感器输出的电流通过导线接至低压侧的监测仪表，如果一次高压绕组与二次低压绕组之间的绝缘产生缺陷，容易带来安全隐患。此外，电力设备在长期运行过程中，设备的一次线路连接处因老化或负载电流变大等原因容易出现稳升过高损坏绝缘，最终可能导致事故而断电[1-2]。

基于自具电源的智能无线电流温度传感器首次将电流互感器既当作电源用，又来测量线路的电流，并且利用现代电子技术使其具有无线通信、测温、带电指示、故障指示和故障录波等功能。它能将测量的数据通过无线模块以无线通讯方式发送到低压侧的监控装置，通信距离远，实现了高低压侧的有效隔离。传感器上带有电源指示灯、温度指示灯和电流指示灯，当一次线路有电流时，电源指示灯亮，当温度或电流超过相应的预警或报警值时，温度和电流指示灯以不同的方式指示，实现了带电指示和故障指示功能，预警值和报警值可通过无线通讯等方式进行设置。并且传感器中有数据存储器，对故障数据进行记录，可记录故障前后的10个波形，实现故障录波功能。基于自具电源的智能无线电流温度传感器为迅速排除电网故障提供了可靠的依据，有效提高事故反映速度，为线路抢修抢险赢得宝贵时间，节约人力物力，减少经济损失，保障供电可靠性，提高国家电网安全水平和服务质量，符合国家坚强智能电网的发展方向[3]。

1 传感器硬件设计

图1 传感器硬件框图

如图1所示，基于自具电源的智能无线电流温度传感器主要由开合式电流互感器、过压过流保护电路、稳压电路、电流采样电路、温度采样电路、微处理器、无线通讯模块等组成。安装在一次导线上的开合式的高精密电流互感器感应出电流，经过过压过流保护电路进行保护，再通过稳压电路稳压成Vcc给电路板上所有芯片供电。开合式电流互感器感应出的电流回路须穿过小电流互感器，小电流互感器感应出一个高精度的电流信号经过电流采样电路处理成电压信号，电压信号送到微处理器的ADC管脚上进行采样，得出电流值。温度传感器采用热敏电阻，通过温度采样电路出来后送给微处理器进行ADC采样。微处理器将采集到的电流值和温度值通过无线通讯模块以无线的方式发送到低压侧的监测主机，实现了高低压侧的电气有效隔离。

1.1 过压过流保护电路

传感器过压过流保护电路如图2所示，当穿过开合式电流互感器的一次设备导线有电流时，开合式电流互感器将感应出交流电流，交流电流首先经过TVS瞬态二极管进行浪涌保护，然后通过整流桥变成直流。此时整流桥的输出将产生一个电压V1，当电压V1大于稳压管的稳定电压时稳压管导通，稳压管的导通电流经过限流电阻R2进入GND，由于导通电流的缘故，电阻R2上会产生一个电压V3，电压V3接到MOSFET管1的栅极上， MOSFET管1的漏源极导通通道会随着电压V3的增大而慢慢打开，所以整流桥的部分输出电流会经过MOSFET管1和电阻R1进入GND地，达到过电流保护目的。稳压管导通以后，整流桥输出的电压V1为电阻R2和稳压管的稳定电压之和，达到了过压保护目的。当在大电流时，MOSFET管1会发热严重，所以作者为传感器设计了第二部分过电流保护功能。微处理器时刻采集电流值，当电流值超过设定的阈值时，微处理器开启MOSFET管2，让整流桥输出的另外一部分电流经过MOSFET管2进入GND，实现了第二部分过电流保护功能。

当电压V1大于电源稳压芯的输入电压时，电源稳压芯片开始工作，将电压V1稳压成稳定的电压V2，V2为5 V或者3.3 V，V2为传感器上的所有电子器件供电。稳压管在选型时，它的稳定电压要求大于电源稳压芯片的输入电压。

图2 过压过流保护电路原理图

1.2 电流采样电路

电流测量电路如图3所示，由于电阻R1阻值远远小于电阻R2和R3，所以电流互感器互感出的大部分电流流经R1，在R1上产生交流电压，此电压在由运放U1C组成的电压跟随器的作用下被抬升为直流电压。直流电压经过后续的差分放大电路处理后，送给微处理器进行AD转换。

图3 电流测量电路原理图

1.3 温度采样电路

传感器的温度采集利用热电偶PT100来实现，温度采样电路如图4所示。由于热电偶PT100的阻值受温度的变化很小，约为0.39 Ω/℃，导致PT100的导线阻值不可忽略不计，所以PT100采用三线值，分别接到电路图的ABC位置将线电阻进行抵消。电阻R1～R3和PT100组成四臂电桥，PT100阻值的变化导致电桥失去平衡产生差动电压，差动电压在后续的差分放大电路处理后送到微处理器进行AD转换[4]。

图4 温度测量电路原理图

1.4 传感器机械结构

图5 传感器机械三维图

传感器采用开合式设计，方便现场安装，机械三维图如图5所示。传感器由右半部分、左半部分和4个安装螺丝三部分组成。传感器外壳采用聚氯乙烯(PVC)材料，具有坚固、耐高温、绝缘等特点，铁芯采用优质硅钢材料，传感器内部使用环氧树脂浇注。4个安装螺丝处于传感器的圆中心直角对角线上，这样使得传感器可以安装于铜排、电缆等不同截面的导体上，并且4个安装螺丝处于传感器铁芯的水平上方，不能穿过铁芯，以免铁芯磁路受到影响。螺丝朝圆心的尖端套有硅胶帽，可以保护一次线缆免受安装螺丝的磨损。

2 传感器软件设计

2.1 程序架构

传感器的程序用C语言编写，程序流程图如图6所示。首先对传感器的各部分模块进行初始化，然后进入循环体，循环体的第一步进行电流温度量的采样计算，第二步将测量数据通过无线模块发往低压侧的控制器，第三步，将测得的数据与设定的预报警值进行比较，从而进行指示灯相应指示。

图6 程序流程图

2.2 电流温度采集算法

目前电力系统微机保护提取基波分量广泛采用全波傅里叶算法，全波傅立叶算法可以计算出基波及各次谐波分量的有效值及初相角，滤除直流分量和各次谐波分量如文献[5-6]。由于本传感器只需要计算出电流值，无需相角等值，所以作者对全波傅立叶算法进行简化。首先微处理器以3.2 K的采样率对电流信号进行采样，相当于每周期采样64个点，得出采样数据a1、a2……a63、a64，求出采样数据的平均值av。

(1)

求出采样数据据a1、a2……a63、a64和平均值av的差的绝对值A1、A2……A63、A64。

An=|an-av|n=1,…,64

(2)

求出绝对值A1、A2……A63、A64的和S：

(3)

所以互感器在工作时，真正的电流测量值为I=KS。

程序中对PT100温度值的处理方法为查表法，通过AD转换得到的数据，在提前建立好的阻温表中查找其对应的温度区间，进而得出温度值。

3 实验结果

对传感器硬件进行测试的图片如图7所示，作者用6位半电流表测开合式互感器送给电路板的交流电流IAC，用万用表测电路板上整流桥输出的电压VDC。

图7 实验测试图

实验测得的部分数据如表1所示，I为穿过开合式互感器的一次侧电流，It为微处理器软件算法计算出的电流值。由实验数据VDC可以看出，电路板稳压电路起到了良好的稳压作用。一次侧电流I为10 A时，传感器开始启动；当I大于19 A时，图1中的TVS管起到了稳压作用，VDC等于TVS管稳压值减去整流桥的压降；当I大于40 A时，图1中的稳压管可以起稳压作用，VDC慢慢接近于稳压管的稳定电压。

表1 实验数据

将测得数据的一次电流I和开合式互感器送给电路板的二次电流IAC进行线性拟合，拟合图如图8所示。由图可看出，二次电流IAC和一次电流I成正比关系，所以作者设计的算法完全适用。

图8 测得数据线性度

4 结束语

基于自具电源的智能无线电流温度传感器功能强大，具有无线通信、测温测电流、带电指示、故障指示和故障录波等功能。它首次将电流互感器既当作电源使用，又当作测量互感器使用，并且测量的数据以无线通讯的方式发送到低压侧的监控装置，实现了高低压侧的电气有效隔离。传感器采用开合式结构设计，方便现场安装。此外传感器成本低，有利于推广，可广泛应用于电力系统中需要测电流和测温度的地方，也可当作故障指示器使用。

[1] 黄新波，变电设备在线监测与故障诊断[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2] 田毅，黄新波.高压开关柜温升在线监测系统[J].高压电器,2010,46(3):64-67.

[3] 陈小雄，黄新波，朱永灿,等.输电线路雷击故障点远程定位装置的设计[J].高压电器,2013,49(7):53-59.

[4] 张国雄.测控电路[M].3版,天津：机械工业出版社,2008.

[5] 李斌，李永丽，贺家李.一种提取基波分量的高精度快速滤波算法[J].电力系统自动化,2006,30(10):39-43.

[6] 吴继维，童晓阳，廖小君,等.一种滤除衰减直流分量的全波傅氏改进算法研究[J].电力系统保护与控制,2016,44(2):9-17.

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

陈小雄(1988-)，男，陕西咸阳人，硕士，主要从事智能电网在线监测理论与关键技术研究。 傅建平(1975-)，男，浙江衢州人，工程师，主要从事高压电器制造与研究。 裴庆虎(1978-)，男，山东菏泽人，学士学位，主要从事各种电流电压互感器、组合式互感器、各种电子式电流电压互感器、各种电力智能及无线传输装置的研发和管理工作。