無源測溫裝置的工作原理及其在變壓器中的應用

　　溫度是變壓器運行狀態的關鍵參數之一。對變壓器溫度進行實時監測，可以預防事故發生，保證變壓器設備anquan穩定運行。本文提出了一種無源無線測溫裝置。首先闡述了該裝置的理論基礎，包括熱電發電的原理和阻抗匹配的推導過程，并對無線信號發射機的可靠性進行了測試。然后介紹了該裝置的工作原理。該裝置應用于河南某變電站的220kV變壓器，驗證了測溫裝置的實用性。結果表明，該裝置的天線在433MHz工作頻率下性能優異，能夠長時間anquan監測變壓器的溫度變化，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運行提供了技術支持。

　　一.導言

　　隨著國家電力行業規模的快速發展，用電需求也在不斷上升，電力變壓器正在向大容量、高電壓方向發展。變壓器作為電力系統中重要的電力設備，運行的anquan性和可靠性將直接影響電網的供電質量。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個點。因此，在線監測變壓器溫度對保證變壓器anquan穩定運行具有重要意義。

　　一般來說，目前的測溫方法可以分為兩種:定期檢測和實時在線測溫。其中常規檢測方式有紅外探測器和通過預防性試驗斷電測溫兩種，均存在工作量大、效率低、無法實時檢測溫度的問題。

　　從功率采集的角度來看，在線測溫可分為主動測溫和被動測溫。其中，主動測溫法包括紅外相機測溫法，利用紅外成像原理實時檢測溫度，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行信號傳輸，溫度信號受環境影響較大；光纖溫度傳感器采用光纖作為傳輸信號線，其測溫精度和數據傳輸質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吸收的光譜隨溫度變化的原理，分析光纖傳輸的光譜來了解實時溫度，但其缺點是傳輸距離短。但電感式溫度傳感器在感應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。

　　針對這些問題，本文提出了一種基于無源無線傳感技術的變壓器溫度測量裝置，利用無源無線技術和熱電發電技術實現對變壓器溫度的在線監測，能夠及時發現變壓器溫度的異常情況，預防變壓器事故的發生。

　　二、無源無線測溫裝置的工作原理

　　無源測溫裝置由溫度傳感器、信號調理與隔離模塊、數據處理模塊、無線發射器、無線接收器、能量管理電路、散熱器、熱電發電機等模塊組成。

　　該裝置的熱電發生器分別具有冷端和熱端，散熱器設置在冷端的一側并與冷端直接導熱，安裝部位于熱端的一側并與熱端直接導熱。熱電發生器的冷端和熱端溫差達到一定程度后，熱電發生器將熱量轉化為電能，再由后續電路處理，為裝置本身供電。

　　能量管理電路主要由升壓電路、啟動電路和穩壓電路三部分組成。升壓電路負責將熱電發電機輸出的較低電壓升壓后存儲在電容器或可充電電池中；啟動電路控制能量的輸出。當儲能裝置的電壓上升到高電壓閾值時，啟動電路控制后級電路的開啟，能量流向后級電路供后級電路使用。當儲能裝置的電壓降至低電壓閾值時，啟動電路控制后級電路的閉合，儲能裝置繼續儲能并重復工作。

　　數據處理模塊控制溫度傳感器定時采集溫度測量數據，并通過信號調理隔離模塊將模擬信號轉換為數字信號，提供給數據處理模塊進行處理。數據處理模塊通過無線發射器發送處理后的數據，由溫度監測系統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.測溫裝置在變壓器套管中的應用

　　根據國家標準GB/T4109—1999《高壓套管技術條件》，變壓器套管各部位允許溫度值為120℃，允許溫升為90℃。該測溫裝置的測溫范圍為0℃~140℃，傳輸距離為50m，監測精度為1℃，理論上可以滿足變壓器套管溫度在線監測的需求。

　　該裝置采用熱電發電芯片和溫度傳感器的測溫方案，以螺栓連接的形式安裝在變壓器套管接線板上進行實時溫度監測。測溫裝置安裝示意圖如圖2所示。由于測溫裝置采用基于熱電發電技術的無源無線測溫方法，安裝后不會影響變壓器套管的anquan運行，便于實際應用，降低后期維護成本。

　　在實際應用中，測溫裝置的整個工作流程如圖4所示。首先，測溫裝置的熱電發生器判斷溫差。當冷端與熱端溫差大于5℃時，溫度傳感器采集變壓器套管當前狀態的溫度數據，通過無線發送模塊發送到接收端，接收端將接收到的數據傳輸到應用層。

　　以河南某變電站為例，安裝了9個測溫裝置，通過選擇高、中、低側220kV變壓器套管端子板中的一個位置，連續監測變壓器套管溫度的變化。變壓器套管監測點布局如圖5所示。將測溫裝置分兩相安裝在變壓器套管高壓側，實際安裝位置如圖6所示。2019年7月，河南某變電站220kV變壓器套管溫度數據界面如圖14所示。

　　該裝置安裝以來，取得了良好的應用效果，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測結果。圖9為發現并解決該案例問題后，正常狀態下變壓器套管溫度的監測結果。

　　可以看出，高壓B相接線板的溫度遠高于其他高壓側，導致變壓器套管溫度異?，F象。經檢測，確認該問題原因為變壓器套管接線盒接觸不良導致局部過熱。

　　確認問題后，重新連接變壓器套管接線盒。整改后恢復了變壓器套管溫度數據，及時解決了變壓器套管運行中存在的問題，確保了變壓器套管anquan可靠運行。