無源測(cè)溫裝置的工作原理及其在變壓器中的應(yīng)用

　　溫度是變壓器運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)之一。對(duì)變壓器溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以預(yù)防事故發(fā)生，保證變壓器設(shè)備anquan穩(wěn)定運(yùn)行。本文提出了一種無源無線測(cè)溫裝置。首先闡述了該裝置的理論基礎(chǔ)，包括熱電發(fā)電的原理和阻抗匹配的推導(dǎo)過程，并對(duì)無線信號(hào)發(fā)射機(jī)的可靠性進(jìn)行了測(cè)試。然后介紹了該裝置的工作原理。該裝置應(yīng)用于河南某變電站的220kV變壓器，驗(yàn)證了測(cè)溫裝置的實(shí)用性。結(jié)果表明，該裝置的天線在433MHz工作頻率下性能優(yōu)異，能夠長(zhǎng)時(shí)間anquan監(jiān)測(cè)變壓器的溫度變化，避免了變壓器工作溫度過高帶來的變壓器anquan隱患，為變壓器的anquan運(yùn)行提供了技術(shù)支持。

　　一.導(dǎo)言

　　隨著國(guó)家電力行業(yè)規(guī)模的快速發(fā)展，用電需求也在不斷上升，電力變壓器正在向大容量、高電壓方向發(fā)展。變壓器作為電力系統(tǒng)中重要的電力設(shè)備，運(yùn)行的anquan性和可靠性將直接影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量。電源變壓器故障主要包括熱故障和電故障，其中過熱故障約占總故障的63個(gè)點(diǎn)。因此，在線監(jiān)測(cè)變壓器溫度對(duì)保證變壓器anquan穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

　　一般來說，目前的測(cè)溫方法可以分為兩種:定期檢測(cè)和實(shí)時(shí)在線測(cè)溫。其中常規(guī)檢測(cè)方式有紅外探測(cè)器和通過預(yù)防性試驗(yàn)斷電測(cè)溫兩種，均存在工作量大、效率低、無法實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度的問題。

　　從功率采集的角度來看，在線測(cè)溫可分為主動(dòng)測(cè)溫和被動(dòng)測(cè)溫。其中，主動(dòng)測(cè)溫法包括紅外相機(jī)測(cè)溫法，利用紅外成像原理實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度，但成本很高；無源溫度傳感器主要包括鉑熱電阻溫度傳感器、光纖溫度傳感器、聲表面波溫度傳感器、感應(yīng)電溫度傳感器等。無源溫度傳感器中，鉑熱電阻溫度傳感器采用電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，溫度信號(hào)受環(huán)境影響較大；光纖溫度傳感器采用光纖作為傳輸信號(hào)線，其測(cè)溫精度和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量高于鉑熱電阻溫度傳感器，但在安裝過程中容易折斷光纖芯，成本較高。聲表面波溫度傳感器利用某些物質(zhì)吸收的光譜隨溫度變化的原理，分析光纖傳輸?shù)墓庾V來了解實(shí)時(shí)溫度，但其缺點(diǎn)是傳輸距離短。但電感式溫度傳感器在感應(yīng)電流大于一定值后才能正常工作，存在適用范圍有限的問題。

　　針對(duì)這些問題，本文提出了一種基于無源無線傳感技術(shù)的變壓器溫度測(cè)量裝置，利用無源無線技術(shù)和熱電發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器溫度的在線監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器溫度的異常情況，預(yù)防變壓器事故的發(fā)生。

　　二、無源無線測(cè)溫裝置的工作原理

　　無源測(cè)溫裝置由溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理與隔離模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線發(fā)射器、無線接收器、能量管理電路、散熱器、熱電發(fā)電機(jī)等模塊組成。

　　該裝置的熱電發(fā)生器分別具有冷端和熱端，散熱器設(shè)置在冷端的一側(cè)并與冷端直接導(dǎo)熱，安裝部位于熱端的一側(cè)并與熱端直接導(dǎo)熱。熱電發(fā)生器的冷端和熱端溫差達(dá)到一定程度后，熱電發(fā)生器將熱量轉(zhuǎn)化為電能，再由后續(xù)電路處理，為裝置本身供電。

　　能量管理電路主要由升壓電路、啟動(dòng)電路和穩(wěn)壓電路三部分組成。升壓電路負(fù)責(zé)將熱電發(fā)電機(jī)輸出的較低電壓升壓后存儲(chǔ)在電容器或可充電電池中；啟動(dòng)電路控制能量的輸出。當(dāng)儲(chǔ)能裝置的電壓上升到高電壓閾值時(shí)，啟動(dòng)電路控制后級(jí)電路的開啟，能量流向后級(jí)電路供后級(jí)電路使用。當(dāng)儲(chǔ)能裝置的電壓降至低電壓閾值時(shí)，啟動(dòng)電路控制后級(jí)電路的閉合，儲(chǔ)能裝置繼續(xù)儲(chǔ)能并重復(fù)工作。

　　數(shù)據(jù)處理模塊控制溫度傳感器定時(shí)采集溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，并通過信號(hào)調(diào)理隔離模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，提供給數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理模塊通過無線發(fā)射器發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)，由溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中另一模塊的無線接收器接收，并上傳至PC、APP和大屏幕顯示器。

　　三.測(cè)溫裝置在變壓器套管中的應(yīng)用

　　根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4109—1999《高壓套管技術(shù)條件》，變壓器套管各部位允許溫度值為120℃，允許溫升為90℃。該測(cè)溫裝置的測(cè)溫范圍為0℃~140℃，傳輸距離為50m，監(jiān)測(cè)精度為1℃，理論上可以滿足變壓器套管溫度在線監(jiān)測(cè)的需求。

　　該裝置采用熱電發(fā)電芯片和溫度傳感器的測(cè)溫方案，以螺栓連接的形式安裝在變壓器套管接線板上進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。測(cè)溫裝置安裝示意圖如圖2所示。由于測(cè)溫裝置采用基于熱電發(fā)電技術(shù)的無源無線測(cè)溫方法，安裝后不會(huì)影響變壓器套管的anquan運(yùn)行，便于實(shí)際應(yīng)用，降低后期維護(hù)成本。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)溫裝置的整個(gè)工作流程如圖4所示。首先，測(cè)溫裝置的熱電發(fā)生器判斷溫差。當(dāng)冷端與熱端溫差大于5℃時(shí)，溫度傳感器采集變壓器套管當(dāng)前狀態(tài)的溫度數(shù)據(jù)，通過無線發(fā)送模塊發(fā)送到接收端，接收端將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層。

　　以河南某變電站為例，安裝了9個(gè)測(cè)溫裝置，通過選擇高、中、低側(cè)220kV變壓器套管端子板中的一個(gè)位置，連續(xù)監(jiān)測(cè)變壓器套管溫度的變化。變壓器套管監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局如圖5所示。將測(cè)溫裝置分兩相安裝在變壓器套管高壓側(cè)，實(shí)際安裝位置如圖6所示。2019年7月，河南某變電站220kV變壓器套管溫度數(shù)據(jù)界面如圖14所示。

　　該裝置安裝以來，取得了良好的應(yīng)用效果，成功幫助用戶解決了變壓器套管操作中存在的問題。以下描述將以變壓器套管溫度為例。圖8為變壓器套管解決套管問題前的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果。圖9為發(fā)現(xiàn)并解決該案例問題后，正常狀態(tài)下變壓器套管溫度的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

　　可以看出，高壓B相接線板的溫度遠(yuǎn)高于其他高壓側(cè)，導(dǎo)致變壓器套管溫度異?，F(xiàn)象。經(jīng)檢測(cè)，確認(rèn)該問題原因?yàn)樽儔浩魈坠芙泳€盒接觸不良導(dǎo)致局部過熱。

　　確認(rèn)問題后，重新連接變壓器套管接線盒。整改后恢復(fù)了變壓器套管溫度數(shù)據(jù)，及時(shí)解決了變壓器套管運(yùn)行中存在的問題，確保了變壓器套管anquan可靠運(yùn)行。