高壓開關(guān)柜無(wú)線溫度傳感器設(shè)計(jì)

●珠海泰坦科技股份有限公司 李云榮 珠海瓦特電力設(shè)備有限公司 莫華林

高壓開關(guān)柜是變電站最重要的電氣設(shè)備之一。在日常運(yùn)行過(guò)程中，高電壓、大電流開關(guān)設(shè)備由于承載的電流過(guò)大或因運(yùn)輸、安裝不良及老化松動(dòng)引起接觸電阻過(guò)大時(shí)，將導(dǎo)致局部溫度過(guò)高，如得不到及時(shí)解決，極易導(dǎo)致電氣火災(zāi)的發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，變電站的設(shè)備缺陷有80%以上與溫度過(guò)高有關(guān)；在變電站發(fā)生的運(yùn)行事故中，有40%是由于高壓電氣設(shè)備過(guò)熱導(dǎo)致，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

因此，急需一種能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓開關(guān)柜內(nèi)各類設(shè)備、觸頭和節(jié)點(diǎn)的溫度預(yù)警系統(tǒng)，在高溫事故發(fā)生前能發(fā)出預(yù)警信號(hào)，通知變電站運(yùn)維人員采取緊急措施，避免電氣火災(zāi)的發(fā)生。溫度預(yù)警系統(tǒng)中溫度傳感器又是重中之重，本文設(shè)計(jì)了一款低功耗的無(wú)線溫度傳感器，能將采集到的溫度通過(guò)2.4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給無(wú)線接收模塊。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 常用的開關(guān)柜節(jié)點(diǎn)測(cè)溫方法

（1）柜內(nèi)紅外線離線測(cè)溫：紅外測(cè)溫為非接觸式測(cè)溫，但極易受環(huán)境灰塵影響，因?yàn)楦邏涸O(shè)備一般積灰較多，當(dāng)紅外測(cè)溫探頭被灰塵遮蓋后，溫度測(cè)量值急劇變化，常常正常的溫度突然顯示幾百度，從而誤報(bào)警。

（2）紅外熱像儀測(cè)溫：無(wú)法監(jiān)測(cè)到柜內(nèi)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度，只能測(cè)量露在柜子外面的節(jié)點(diǎn)溫度。

（3）光纖測(cè)溫：采用光纖傳輸溫度信號(hào)，具有優(yōu)異的絕緣性能，能夠隔離開關(guān)柜內(nèi)的高壓，可直接安裝到開關(guān)柜內(nèi)的高壓觸點(diǎn)上，準(zhǔn)確測(cè)量高壓觸點(diǎn)的運(yùn)行溫度。然而，光纖表面可能受到污染，將導(dǎo)致光纖沿面放電，這使得光纖測(cè)溫系統(tǒng)用于室外開關(guān)設(shè)備測(cè)溫時(shí)受到限制。

1.2 無(wú)線測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)

無(wú)線測(cè)溫采用無(wú)線信號(hào)傳輸，傳感器直接安裝在設(shè)備上，溫度測(cè)量準(zhǔn)確，解決了電氣絕緣的問(wèn)題，且不受環(huán)境影響，可以測(cè)量室內(nèi)外任何高壓帶電設(shè)備的溫度。

1.3 無(wú)線溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

傳感器電路組成框圖如圖1所示。

（1）單片機(jī)選用microchip低功耗單片機(jī)pic16f913，該處理器內(nèi)部采用高精度振蕩器、寬工作電壓范圍（2.0～5.5V)、工業(yè)級(jí)的溫度范圍、高耐用性閃存。使用納瓦技術(shù)，待機(jī)電流小于100mA(當(dāng)電壓為2.0V時(shí)），看門狗定時(shí)器電流為1uA（當(dāng)電壓為 2.0V 時(shí)）。

圖1 無(wú)線溫度傳感器電路框圖

（2）溫度傳感器采用美國(guó)AD公司的新產(chǎn)品TMP36，是一款工作電壓低、精度高的溫度傳感器，其測(cè)量溫度范圍為-40～125℃， 在 0℃時(shí)輸出 0.5V，25℃時(shí)輸出 750mV；靜態(tài)電流小于50uA，關(guān)閉狀態(tài)時(shí)功耗僅0.5uA；在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)，其精度為±1℃，線性度±0.5℃。

（3）2.4G 無(wú)線通信模塊選用微型 NRF24L01+無(wú)線模塊。該模塊選用NORDIC公司的NRF24L01+芯片，有如下特點(diǎn)：低工作電壓 1.9～3.6V；具有 125 個(gè)頻點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)跳頻通信；可工作在發(fā)送、接收、停機(jī)、待機(jī)、掉電等5種模式。模塊的工作參考數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 參考數(shù)據(jù)表

數(shù)據(jù)包有2種處理方式：ShockBusrt和增強(qiáng)型ShockBurst模式。ShockBusrt模式下，MCU通過(guò)SPI接口與NRF24L01+通信，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，NRF24L01+拉低IRQ引腳，MCU通過(guò)中斷或查詢?cè)撘_從RX FIFO中讀出數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束后拉低IRQ通知MCU。增強(qiáng)型ShockBurst模式下數(shù)據(jù)發(fā)送方要求接收方接收到數(shù)據(jù)后發(fā)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，以便發(fā)送方檢查接收方是否收到數(shù)據(jù)，如查到接收方?jīng)]有收到數(shù)據(jù)，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。此種重發(fā)機(jī)制完全由芯片自行完成，不需MCU參與。

（4）參考電壓。電路中采用TI公司的TL431產(chǎn)生2.5V參考電壓，來(lái)作為AD采樣的基準(zhǔn)電壓。TL431是一款具有良好熱穩(wěn)定性能的可控精密穩(wěn)壓源，工作溫度范圍為-40～85℃，誤差為±0.4%（25℃）。

（5）低功耗控制。在MCU處于休眠狀態(tài)時(shí)，關(guān)斷NRF24L01+模塊及TMP36的電源，由PIC16F913的RC6引腳輸出高電平，使Q1（AO3401）的G極為高電平，VDD失電。正常的溫度采集狀態(tài)時(shí)RC6輸出低電平，Q1導(dǎo)通，VDD得電。

1.4 無(wú)線溫度傳感器

無(wú)線溫度傳感器尺寸為22mm×14mm×17mm(長(zhǎng)×寬×高），感溫銅片緊帖傳感器TMP36。

1.5 電池

選用鋰亞高能量電池ER17335，標(biāo)稱容量為1900mAh，開路電壓為 3.6V，工作溫度為-55℃～85℃，尺寸為：￠17mm×33.5mm。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)依靠8位單片機(jī)PIC16F913來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度采集與無(wú)線發(fā)送功能，具體有以下3個(gè)方面的功能：

2.1 寫碼

為每一個(gè)無(wú)線溫度傳感器分配5個(gè)字節(jié)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)地址以及1字節(jié)的自身地址，只有具有相同網(wǎng)絡(luò)地址的NRF24L01+芯片之間才能通信。寫碼時(shí)將PCB板上的寫碼跳線與GND網(wǎng)絡(luò)短接，重新給傳感器上電，使程序進(jìn)入到寫碼流程，這時(shí)上位機(jī)通過(guò)串口對(duì)傳感器寫入地址碼。寫碼通信規(guī)約如表2所示，表2中校驗(yàn)和為從包頭到自身地址的所有字節(jié)之和。

表2 寫碼通信規(guī)約

2.2 溫度采集與無(wú)線傳輸

使用PIC16F913的第0通道AD轉(zhuǎn)換器來(lái)采集TMP36的輸出電壓，具體算法是：連續(xù)采樣10次，去掉最大和最小值，再求和后求平均值，再通過(guò)公式（1）換算成實(shí)際的溫度值t。

t為小數(shù)，為了數(shù)據(jù)發(fā)送方便，將t乘以10得到整數(shù)，即t的精度為0.1，在后續(xù)的儀表中再換算過(guò)來(lái)。

無(wú)線發(fā)送策略：模塊每次上電初始時(shí)都傳輸溫度值，以后每次定時(shí)休眠被喚醒后，都采集溫度值，并與上次的溫度值作比較，如差值的絕對(duì)值大于3℃，將溫度值立即無(wú)線發(fā)射出去，供無(wú)線接收模塊接收，否則正常狀態(tài)下每5次采集發(fā)送一次溫度數(shù)據(jù)。無(wú)線溫度數(shù)據(jù)傳輸通信規(guī)約如表3所示，其中校驗(yàn)和為數(shù)據(jù)包前5字節(jié)之和。

表3 無(wú)線數(shù)傳通信規(guī)約

2.3 低功耗控制

除了使用前面介紹的使用無(wú)線傳輸決策來(lái)控制無(wú)線發(fā)送次數(shù)外，系統(tǒng)還采用定時(shí)休眠來(lái)降低功耗。PIC16F913的休眠模式可以提供一種電流消耗很低的工作方式，休眠中的單片機(jī)可通過(guò)中斷或看門狗定時(shí)器喚醒。WDT以標(biāo)稱的16ms作為其工作時(shí)基，通過(guò)設(shè)置看門狗定時(shí)器控制寄存器WDTCON來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的定時(shí)時(shí)間，本軟件系統(tǒng)中將看門狗定時(shí)器定時(shí)時(shí)間設(shè)置為8.118s，程序如下：

3 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)柜節(jié)點(diǎn)的無(wú)線測(cè)溫，本文設(shè)計(jì)了一款基于TMP36的低功耗無(wú)線溫度傳感器。經(jīng)測(cè)試，其休眠功耗為3.3uA，每8.118s采集一次溫度數(shù)據(jù)，如用1900mAh的電池供電，考慮到電池實(shí)際電量的折損，傳感器可工作約8年時(shí)間，具有很高的實(shí)用階值。