无源无线测温装置在变压器中的应用
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温度是变压器运行状态的关键参数之一，对变压器温度进行实时监测可有效防止事故发生，保障变压器设备安全稳定运行。西安西变组件有限公司的研究人员朱建华、梁栋、李芳、翟海文、冯琳娜，在2020年第1期《电气技术》杂志上撰文，提出一种无源无线测温装置。
研究结果表明，该装置的天线在433MHz工作频率下性能优良，并能够长期、安全、有效监测变压器的温度变化，避免因变压器运行温度过高引起变压器安全隐患，为变压器的安全运行提供技术保障。
随着国家电力行业规模的快速发展，用电需求量也在持续上升，电力变压器不断在向大容量、高电压方向发展。变压器作为电力系统中的重要电力设备，运行的安全可靠性将会对电网的供电质量产生直接影响。电力变压器故障主要有热性故障和电性故障，其中过热故障占总故障台数的63%左右。因此，有效实施对变压器温度在线监测对保证变压器的安全稳定运行具有重要意义。
从总体上看，可将当前的测温方式分为定期检测和实时在线测温两种。其中，定期检测的方式主要有红外检测仪方式和通过预防性试验的停电测温方式两种，这两种方式均存在测温工作量大、效率低、不能实时检测温度的问题。
从取电方式上看，可将在线测温方式主要分为有源测温和无源测温两种。其中：有源测温方式有红外摄像头测温方式，利用红外成像原理进行温度的实时检测，但成本非常高；无源测温传感器主要有铂热电阻温度传感器、光纤测温传感器、声表面波测温传感器和感应取电测温传感器等。
在无源测温传感器中：铂热电阻温度传感器采用电缆进行信号传输，温度信号受环境影响大；光纤测温传感器采用光纤作为传输信号线，测温精度和数据传输质量较铂热电阻温度传感器高些，但安装时易将光纤芯折断且成本较高；声表面波测温传感器利用部分物质吸收的光谱随温度变化而变化的原理，分析光纤传输的光谱了解实时温度，但存在传输距离短的缺点；感应取电测温传感器则必须在感应电流大于一定值后才能正常工作，存在应用范围受限的问题。
针对这些问题，本文提出一种基于无源无线传感技术的变压器测温装置，采用无源无线技术和温差发电技术，实现变压器温度在线监测，可以及时发现变压器温度异常情况，防止变压器事故的发生。
1 温差发电理论（略）
在温度梯度下，P型半导体和N型半导体内的载流子从热端向冷端运动，并在冷端堆积，从而在材料内部形成电势差，同时在该电势差作用下产生一个反向电荷流，当热运动的电荷流与内部电场达到动态平衡时，半导体两端形成稳定的温差电动势，这种现象被称为塞贝克效应。温差发电器件结构示意图如图1所示。
图1 温差发电器件结构示意图
本装置的核心器件是热电发生器，该热电发生器两侧分别为冷端和热端。在热电发生器冷端和热端温度差达到一定程度后，热电发生器将热量转化为电能，经过后续电路的处理后给本装置自身供电。
热电发生器单元模块的示意图如图2所示。通过串联、并联或者两种结合的方式将多个热电转换单元组合成一个整体。通过热电发生器单元模块，热电发生器件将产生的热量转换为电能，即可以实现热电转换。
图2 热电发生器单元模块的示意图
2 信号传输理论（略）
2.1 无线信号发射器阻抗匹配理论
由阻抗匹配理论可知，当设计无线信号发射天线时，应使其传输线电路中的负载阻抗和输入阻抗满足共轭匹配条件，以获得最大的信号功率，从而使得信号传输性能达到最佳。
2.2 无线信号发射器的设计
本测温装置所设计的无线信号发射器为一种433MHz小型化螺旋形印制天线，天线在结构上采用了微带线在介质基片的上下两层串扰来模仿螺旋天线的走线形式。
在螺旋形印制天线的设计中，通过半径大小为0.35mm的铜孔将天线上层和下层的走线端进行连接，这种连接方式不但可以有效减少天线走线的占用空间，还可以增加天线电路路径的物理长度。
另外，考虑到上层天线和下层天线之间存在电磁干扰以及由上层天线和下层天线方向不同的电流走线而造成的增益衰减现象，通过上层天线和下层天线之间的介质基片，还能够有效提高其增益特性。
3 无源无线测温装置工作原理
无源无线测温装置由温度传感器、信号调理及隔离模块、数据处理模块、无线发射器、无线接收器以及能量管理电路、散热器以及热电发生器等模块构成。该装置工作原理示意图如图8所示。
图8 装置工作原理示意图
该装置的热电发生器各有一冷端和热端，散热器被设置在冷端的一侧，并与该冷端直接进行热传导，安装部位位于热端的一侧，并与该热端直接进行热传导。在热电发生器冷端和热端温度差达到一定程度后，热电发生器将热量转化为电能，经过后续电路的处理后给本装置自身供电。
能量管理电路主要由升压电路、起动电路和稳压电路三部分组成。升压电路负责将热电发生器输出的较低电压升高，并存储在电容或充电电池中；起动电路控制能量的输出，当储能器件的电压升至高电压阀值时，起动电路控制打开后级电路，能量流向后级，供后续电路使用，当储能器件的电压降至低电压阀值时，起动电路控制关断后级电路，储能器件继续储能，周而复始地工作。
数据处理模块通过控制温度传感器定时采集测温数据，并通过信号调理及隔离模块将模拟信号转化成数字信号，并提供给数据处理模块进行处理，数据处理模块将处理过的数据通过无线发射器发出，由温度监测系统中的另一模块无线接收器接收，并上传PC、APP和大屏幕显示。
4 测温装置在变压器套管中的应用
依据国家标准《GB/T 4109—1999 高压套管技术条件》，变压器套管各部分允许的最高温度值为120℃，允许最大温升为90℃。该测温装置的测温范围为0℃～140℃，传输距离为50m，监测精度为1℃，从理论上能够满足变压器套管温度在线监测的需求。
该装置采用温差发电芯片与温度传感器一体化的测温方案，将装置用螺栓连接的形式安装于变压器套管接线板上进行温度实时监测。测温装置安装示意图如图9所示。由于测温装置采用基于温差发电技术的无源无线测温方式，安装后不会影响变压器套管的安全运行，所以极大地方便了实际应用，减少了后期维护成本。
图9 测温装置安装示意图
基于温差发电的无源无线测温装置的工作示意图如图10所示。
图10 测温装置工作示意图
在实际应用中，测温装置的整个工作流程如图11所示。首先，测温装置的热电发生器对温差进行判定，当冷端与热端温差大于5℃时，温度传感器采集变压器套管当前状态的温度数据，通过无线发送模块将数据发送给接收端，无线接收模块将接收到的数据传输到应用层。
图11 测温装置工作流程图
以河南某变电站为例，选取其中一台220kV变压器高、中、低侧的套管接线板的位置，共安装9个测温装置，连续监测变压器套管温度的的变化。变压器套管监测点布局如图12所示。将测温装置安装于变压器套管高压侧两相，其实际安装位置图如图13所示。2019年7月河南某变电站220kV变压器套管温度数据界面如图14所示。
图12 变压器套管监测点布局图
图13 测温装置实际安装位置图
图14 河南某变电站220kV变压器套管温度数据界面
该套装置自2016年安装至今，取得了良好的应用效果，成功帮助用户解决了变压器套管在运行过程中存在的问题。下面结合2017年7月26日变压器套管温度为例进行说明。图15所示为该案例问题得到解决前的变压器套管温度监测结果。图16所示为该案例问题查找并解决后在正常状态下变压器套管温度监测结果。
图15 变压器套管温度监测结果
图16 正常状态下变压器套管温度监测结果
从图15可以看出，高压B相接线板温度远远高于其他高压侧温度，出现变压器套管温度异常现象。经检测确认，该问题出现的原因是变压器套管接线板接触不良而导致局部过热。
确认问题后，将变压器套管接线板重新进行接线。经过整改，将变压器套管温度数据重新恢复，及时帮助用户对变压器套管运行中存在的问题进行解决，从而保证了变压器的安全可靠运行。
5 结论
本文提出了一套基于无源无线传感技术的变压器测温装置。基于温差发电原理的热电发生模块可以为整套测温装置供电，同时测温模块工作，并将采集到的温度数据通过处理后通过无线发送模块和无线接收模块传送给应用层，从而实现了对变压器的温度监测。
最后，通过将该套测温装置应用于河南某变电站变压器套管中，经温度数据分析，验证了测温装置的安全可靠性和实际应用价值。该套测温装置体积小，维护成本低，可大力推广使用，对维护变压器等电力设备的安全运行具有重要意义。