基于LC振荡电路的无线测温技术研究

基于LC振荡电路的无线测温技术研究

李茂林马伟伟

（国网山东省电力公司济南市历城区供电公司山东济南250000）

摘要：目前在电力系统线路经常出现电力设备在运行过程中由于过载或短路情况下，电线温度或设备温度会急剧升高，造成设备损坏，进而线路故障停电，影响居民正常用电。目前线路测温工作多采用红外测温仪、光纤测温系统等测温方法，但部分方法不能直接测得被测对象的真实温度，需要进行发射率的修正，增加了对测量结果进行处理的难度。通过对比研究利用LC谐振电路的热敏电容特性，把某一温度下对应的谐振频率换算成相应的温度，不存在修正算法，因此测温值比较精确；采用互感线圈为测温发送单元供电，实现了工业级免维护封装，可长期免维护工作。

引言

在电力系统中，温度是表征一次设备运行正常的一个重要参数。尤其是一次设备的开断接触点，由于设备制造的原因、设备受环境污染的原因、设备长期运行、严惩重超载运行、触点氧化、电弧冲击等原因造成接触电阻增大，因此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了隐患，如果不及时发现，容易导致起火或爆炸，造成大量的财产损失，这一现象在负荷增长较快的地区显得尤为普遍。

近年来，电力系统已发生多起因设备过热而发生火灾和大面积停电事故。据统计分析，我国每年发生的电力事故，有40%是由高压电气设备过热所致;而在采用高压开关柜和电力电缆的供电系统中，有70%以上的电缆运行故障是因为连接部位接触电阻变大、过负荷等引起接头温度过高所致。因此，对线路、开关柜、电缆等配电设备连接点的温度变化进行实时监测及预警是非常必要的。

1现有测温方式比较

目前线路测温工作多采用红外测温仪、光纤测温系统等测温方法，但部分方法不能直接测得被测对象的真实温度，要得到真实温度，需要进行发射率的修正，而发射率是一个影晌因素相当复杂的参数，这就增加了对测量结果进行处理的难度。而且，目前的测温模块采用的是电池供电，需要经常更换电池。

以下是目前几种测温方法的比较：

通过比较发现无论是红外线测温还是光纤测温都存在着一定的缺陷。红外测温受环境影响较大，所测温度不稳定，而光纤测温则安装复杂，扩展性不好。综合比较高压无线测温系统无论从测温精度还是使用方法等方面都具有相当大的优势。

2技术研究

2.1技术实现目标

基于LC振荡电路的无线测温系统。其主要技术实现目标是：

（1）安全性高：它通过采用先进的数字温度传感器，避免了传感器输出模拟信号的传输受到电场、磁场的干扰。

（2）可靠性高：通过采用先进的扩频通讯、数据纠错、自适应调频技术，有效地保证了数据无线传输的可靠性;另外，无线射频传感技术不受震动以及外界灰尘的影响，测温精度高。

（3）智能化水平高：在常规模式下，温度值以分钟间隔进行采集并传输到监控中心，当发生突发事件导致温度升高到报警阈值或温度升速增快时，温度测量节点将进入快速反应状态，持续以秒为间隔密集采集温度并传输报警，从而避免错过任何可能的温升事故。

（4）安装方便：无线温度传感器体积小、没有接线，可以很方便地安装在开关触头、电缆接头等安装空间狭小的被测点上。

（5）免调试：通电即可使用，无需调试，特别适合停电时间短、安装工期紧的改造项目。

2.2技术组成

基于LC振荡电路的无线测温系统，它包括通过无线方式相互连接的测温发送单元和接收显示单元，测温发送单元包括测温模块、无线发射模块和电源模块，测温模块与无线发射模块连接，电源模块分别为测温模块和无线发射模块供电；接收显示单元包括微处理器、无线接收模块和显示模块，微处理器分别与无线接收模块和显示模块连接，无线接收模块与无线发射模块通过无线通信方式相连。其利用LC谐振电路的热敏电容特性，把某一温度下对应的谐振频率换算成相应的温度，不存在修正算法，因此测温值比较精确；采用互感线圈为测温发送单元供电，实现了工业级免维护封装，可长期免维护工作。

2.3功能实现

基于LC振荡电路的无线测温系统主要包括测温发送单元和接受现实单元。附图说明

下面结合附图对该测温技术的实施方式进行详细描述：

具体实施方式

如图1所示，基于LC振荡电路的无线测温系统，包括通过无线方式相互连接的测温发送单元和接收显示单元，其特征是，测温发送单元包括测温模块、无线发射模块和电源模块，测温模块与无线发射模块连接，电源模块分别为测温模块和无线发射模块供电；接收显示单元包括微处理器、无线接收模块和显示模块，微处理器分别与无线接收模块和显示模块连接，无线接收模块与无线发射模块通过无线通信方式相连。

测温模块包括依次连接的温度检测电路、LC谐振电路和运算放大电路，温度检测电路设置在被测线路上检测线路温度信息并将温度信息发送给LC谐振电路，LC谐振电路根据温度变化而产生相应谐振频率并将谐振频率信号发送给运算放大电路，运算放大电路将放大后谐振频率信号通过无线发射模块发送给无线接收模块，无线接收模块将接收到的谐振频率信号发送给微处理器，微处理器根据谐振频率信号计算出相应温度，并通过显示模块进行显示。

测温模块采用LC谐振电路和运算放大器，根据回路谐振时，其等效阻抗为纯电阻，可以得到谐振时ω0L=1／(ω0C)，由此求得谐振频率：f0=1/(2π)，这样把LC谐振电路的电容改成为热敏电容，LC谐振电路就可根据温度变化而产生相应的谐振频率，谐振频率经过运算放大器后由发射模块发送给无线接收模块，无线接收模块将频率参数传送给微处理器，如图2所示，由于LC并联谐振网络的中心频率为f0，输入的高频信号使LC网络一直处于失谐状态，即工作于谐振曲线上以A为中心的BC之间的区域。当输入信号频率增大时，工作点由A向C移动，对应的输出电压由Uma减小为Umc；反之，当输入信号频率减小时，工作点由A向B移动，对应的输出电压由Uma增大为Umb。当输入信号最大频偏△f变化不大时，线段BC很短，可近似看作直线，因此它所产生的频率-振幅变换作用是线性，输出电压振幅的变化与输入信号频率的变化呈线性关系。根据频率和振幅变换特性，经过实验和计算获得以下函数式：

Δt=f(f0,ft)；t=f(f0,ft)

Δt：温度差

t：温度

f0：谐振中心频率

ft：激发频率

这样，微处理器就可根据谐振频率计算出相应的温度。由于在线路的不同位置设有测温发送单元，在使用接收显示单元时，为了准确测得某一位置的温度而不受其他位置的测温发送单元的干扰，在LC谐振电路上设有无线遥控触发模块，在接收显示单元设置红外遥控装置，所述红外遥控装置与无线遥控触发模块相连，用以触发LC谐振电路开始测温。

供电装置采用设置在被测线路上的电压互感线圈取电，这样，测温发送单元就不用采用电池供电，实现工业级免维护封装，可长期免维护工作。

3技术成品

3.1无线传感器网络简介

无线传感器网络（wirelesssensornetwork，WSN）是当前国际上备受关注的由多学科交叉的新兴前沿研究热点领域。无线传感器网络就是由许多集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源受限的嵌人式节点通过无线方式互连起来的网络。WSN是由大量部署在监控区域的智能节点构成的一种网络应用系统。广泛运用于设施安全、环境监控等。

3.2温度在线监测系统简介

（1）系统组成

本系统由无线温度传感器和手持智能采集终端组成。

手持智能采集终端是由将数据传输基站内置于手持设备中，从而将信号采集设备和监控主机进行了结合，功能上实现了工控机、无线传感网综合管理软件和数据传输基站的完美结合。

无线温度传感器集成了传感、数据收集、处理和无线通讯能力，可精确探测被测设备的温度数据，具有低成本、低功耗、高安全性、高可靠性、环境适应性好、布置灵活等特点。

（2）系统主要技术参数

无线温度传感器技术参数

手持智能采集终端参数

手持智能采集终端实物图

3.3系统工作原理

无线温度传感器通常直接安装在被监测设备附近或之上，每个传感器都具有唯一ID，实际安装时要记录监测点物理位置，并一起录入手持智能采集终端的数据库中。无线温度传感器定时启动测量和发送被监测点温度数据，这些数据通过无线信道传输到手持智能采集终端的基站中。手持智能采集终端具备监测数据汇集、数据比较、标准化数据通信等功能。实现变电站设备状态智能在线监测。

4现场应用

（1）手持智能采集终端根据110kV田园变电站的需求，配备两台手持智能采集终端，在每个终端中安装“无线传感器综合管理软件”。

（2）无线温度传感器根据110kV田园变电站的安装需求，对其中的10kV田沙线、10kV田水线首先进行试点安装，安装位置为该两条在变电站内电缆头与母排连接点，各安装3个无线温度传感器，其安装方式为结构胶黏贴；1#杆电缆头端接点，安装6个无线温度传感器，其安装方式为抱箍固定。一共12个测温点。安装示意图如下图：

（3）软件

软件使用的是“无线传感器网络综合管理软件”，此软件能对上传的数据进行存储、归类、比较，不仅能进行测温点与环境温度的比较，还能进行相间比较。并实时记录各个测温点的温度数据。可进行历史查询，历史数据比较等操作。

（4）安装方式方法

1、结构胶黏贴安装步骤

①将被测面上的灰尘、油脂、锈迹等杂质擦拭干净；

②在被测面喷上适量催化剂，以覆盖导热底座为准；

③在温度传感器的导热底座上涂上适量的结构胶，胶层的厚度约为0.1mm-0.5mm；

④待被测面的催化剂干后，将传感器粘贴上；

⑤用手轻压传感器，使胶层间隙内的空气尽量排尽；

⑥轻压1分钟，待胶粘剂固化后即可放手；

⑦15分钟内保证传感器不受任何外力挤压。

2、抱箍固定安装步骤

①将电缆的测温处擦拭干净；

②根据电缆的直径选择合适的抱箍；

③将无线温度传感器嵌入抱箍内；

④用抱箍钳将抱箍撑开，然后夹在需要测温的电缆上。（抱箍不能长时间撑得太开，以免无法还原到正常形状，影响温度传感器和电缆的接触。）

5总结

通过对LC震荡电路测温装置应用的研究，有效解决了配电设备测温工作中测温困难和测温不准确的问题。国网山东济南市历城区供电公司在部分配电设备日常运行维护中试点应用无线侧位仪，通过使用，准确的获得了设备温度的准确数据，减少了运行人员测温时间，较少了等高作业，提高了该项工作安全性。同时在获得准确数据的同时，及时发现设备隐患，及时消除，减少了设备因故障造成的停电时间，进而增加了企业效益。

通过LC震荡电路测温技术的应用，制定更加有效的设备测温计划，可有效的提高电力设备测温工作效率，进而减少设备故障的发生，确保电网安全稳定的运行，进而产生一定的涉会效益。

减少设备故障的发生，可减少线路停电时间，提高供电企业效益。无线测温技术的应用还提高了电力设备测温工作的安全性，减少了等高测温或与设备近距离接触的次数，确保了人员的人身安全。

参考文献：

[1]叶鹤林,陈国锋,陈霞,等.基于声表面波特性的无源无线测温技术在电力系统的应用研究[J].电工技术：理论与实践,2015(9):127-127.

[2]盛坚,梁明超,贺威,等.基于无线测温的真空熔铸炉高温合金液相温场检测[J].计测技术,2014(5):40-42.

[3]严勇锋.基于DSP的6KV电机无线测温测振控制器[J].电子世界,2016(15):163-163.

作者简介：李茂林（1986.01.05），性别：男，学历：山东科技大学工学学士，民族：汉，籍贯：山东济南职称：中级工程师单位：国网山东省电力公司济南市历城区供电公司，研究方向：配电线路。

马伟伟（1987.04.08），性别：男，学历：东华理工大学工学学士，民族：汉，籍贯：山东滕州职称：中级工程师单位：国网山东省电力公司济南市历城区供电公司，研究方向：配电线路。