無源無線測溫裝置工作原理及在變壓器中的應(yīng)用

安科瑞 任心怡

技術(shù)支持：安科瑞 彭峰

摘要：溫度是變壓器運行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)之一，對變壓器溫度進行實時監(jiān)測可防止事故發(fā)生，保障變壓器設(shè)備安全穩(wěn)定運行。本文提出一種無源無線測溫裝置，首先對該裝置的理論基礎(chǔ)進行闡述，包括溫差發(fā)電理論和阻抗匹配推導(dǎo)過程，并對無線信號發(fā)射器的可靠性進行測試；然后對該裝置的工作原理進行介紹；將該裝置應(yīng)用于河南某變電站的一臺220kV變壓器上，驗證了該測溫裝置的實用性。結(jié)果表明，該裝置的天線在433MHz工作頻率下性能優(yōu)良，并能夠長期、安全監(jiān)測變壓器的溫度變化，避免因變壓器運行溫度過高引起變壓器安全隱患，為變壓器的安全運行提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：無線測溫裝置；變壓器；測溫傳感器；無線溫度傳感器；溫度傳感器

一、引言

隨著國家電力行業(yè)規(guī)模的快速發(fā)展，用電需求量也在持續(xù)上升，電力變壓器不斷在向大容量、高電壓方向發(fā)展。變壓器作為電力系統(tǒng)中的重要電力設(shè)備，運行的安全可靠性將會對電網(wǎng)的供電質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。電力變壓器故障主要有熱性故障和電性故障，其中過熱故障占總故障臺數(shù)的63％左右。因此，實施對變壓器溫度在線監(jiān)測對保證變壓器的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

從總體上看，可將當前的測溫方式分為定期檢測和實時在線測溫兩種。其中，定期檢測的方式主要有紅外檢測儀方式和通過預(yù)防性試驗的停電測溫方式兩種，這兩種方式均存在測溫工作量大、效率低、不能實時檢測溫度的問題。

從取電方式上看，可將在線測溫方式主要分為有源測溫和無源測溫兩種。其中：有源測溫方式有紅外攝像頭測溫方式，利用紅外成像原理進行溫度的實時檢測，但成本非常高；無源測溫傳感器主要有鉑熱電阻溫度傳感器、光纖測溫傳感器、聲表面波測溫傳感器和感應(yīng)取電測溫傳感器等。在無源測溫傳感器中：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(huán)境影響大；光纖測溫傳感器采用光纖作為傳輸信號線，測溫精度和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量較鉑熱電阻溫度傳感器高些，但安裝時易將光纖芯折斷且成本較高；聲表面波測溫傳感器利用部分物質(zhì)吸收的光譜隨溫度變化而變化的原理，分析光纖傳輸?shù)墓庾V了解實時溫度，但存在傳輸距離短的缺點；感應(yīng)取電測溫傳感器則須在感應(yīng)電流大于一定值后才能正常工作，存在應(yīng)用范圍受限的問題。

針對這些問題，本文提出一種基于無源無線傳感技術(shù)的變壓器測溫裝置，采用無源無線技術(shù)和溫差發(fā)電技術(shù)，實現(xiàn)變壓器溫度在線監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)變壓器溫度異常情況，防止變壓器事故的發(fā)生。

二、無源無線測溫裝置工作原理

無源無線測溫裝置由溫度傳感器、信號調(diào)理及隔離模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線發(fā)射器、無線接收器以及能量管理電路、散熱器以及熱電發(fā)生器等模塊構(gòu)成。該裝置工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 裝置工作原理示意圖

該裝置的熱電發(fā)生器各有一冷端和熱端，散熱器被設(shè)置在冷端的一側(cè)，并與該冷端直接進行熱傳導(dǎo)，安裝部位位于熱端的一側(cè)，并與該熱端直接進行熱傳導(dǎo)。在熱電發(fā)生器冷端和熱端溫度差達到一定程度后，熱電發(fā)生器將熱量轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過后續(xù)電路的處理后給本裝置自身供電。

能量管理電路主要由升壓電路、起動電路和穩(wěn)壓電路三部分組成。升壓電路負責(zé)將熱電發(fā)生器輸出的較低電壓升高，并存儲在電容或充電電池中；起動電路控制能量的輸出，當儲能器件的電壓升至高電壓閥值時，起動電路控制打開后級電路，能量流向后級，供后續(xù)電路使用，當儲能器件的電壓降至低電壓閥值時，起動電路控制關(guān)斷后級電路，儲能器件繼續(xù)儲能，周而復(fù)始地工作。

數(shù)據(jù)處理模塊通過控制溫度傳感器定時采集測溫數(shù)據(jù)，并通過信號調(diào)理及隔離模塊將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并提供給數(shù)據(jù)處理模塊進行處理，數(shù)據(jù)處理模塊將處理過的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射器發(fā)出，由溫度監(jiān)測系統(tǒng)中的另一模塊無線接收器接收，并上傳PC、APP和大屏幕顯示。

三、測溫裝置在變壓器套管中的應(yīng)用

依據(jù)國家標準《GB／T 4109—1999高壓套管技術(shù)條件》，變壓器套管各部分允許的溫度值為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(jiān)測精度為1℃，從理論上能夠滿足變壓器套管溫度在線監(jiān)測的需求。

該裝置采用溫差發(fā)電芯片與溫度傳感器測溫方案，將裝置用螺栓連接的形式安裝于變壓器套管接線板上進行溫度實時監(jiān)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溫差發(fā)電技術(shù)的無源無線測溫方式，安裝后不會影響變壓器套管的安全運行，所以方便了實際應(yīng)用，減少了后期維護成本。

圖2 測溫裝置安裝示意圖

基于溫差發(fā)電的無源無線測溫裝置的工作示意圖如圖3所示。

圖3 測溫裝置工作示意圖

在實際應(yīng)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(fā)生器對溫差進行判定，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(tài)的溫度數(shù)據(jù)，通過無線發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端，無線接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層。

圖4 測溫裝置工作流程圖

以河南某變電站為例，選取其中一臺220kV變壓器高、中、低側(cè)的套管接線板的位置，共安裝9個測溫裝置，連續(xù)監(jiān)測變壓器套管溫度的的變化。變壓器套管監(jiān)測點布局如圖5所示。將測溫裝置安裝于變壓器套管高壓側(cè)兩相，其實際安裝位置圖如圖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。

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圖5 變壓器套管監(jiān)測點布局圖

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圖6 測溫裝置實際安裝位置圖

圖7 河南某變電站220kV變壓器套管溫度數(shù)據(jù)界面

該套裝置安裝至今，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在運行過程中存在的問題。下面結(jié)合變壓器套管溫度為例進行說明。圖8所示為該案例問題得到解決前的變壓器套管溫度監(jiān)測結(jié)果。圖9所示為該案例問題查找并解決后在正常狀態(tài)下變壓器套管溫度監(jiān)測結(jié)果。

圖8 變壓器套管溫度監(jiān)測結(jié)果

圖9 正常狀態(tài)下變壓器套管溫度監(jiān)測結(jié)果

從圖8可以看出，高壓B相接線板溫度遠遠高于其他高壓側(cè)溫度，出現(xiàn)變壓器套管溫度異常現(xiàn)象。經(jīng)檢測確認，該問題出現(xiàn)的原因是變壓器套管接線板接觸不良而導(dǎo)致局部過熱。

確認問題后，將變壓器套管接線板重新進行接線。經(jīng)過整改，將變壓器套管溫度數(shù)據(jù)重新恢復(fù)，及時幫助用戶對變壓器套管運行中存在的問題進行解決，從而保證了變壓器的安全可靠運行。

四、安科瑞測溫產(chǎn)品介紹

a．電池供電型無線溫度傳感器

安裝于發(fā)熱部位，采集溫度量并通過無線方式傳輸?shù)膫鞲衅鳌?/p>

目前無線溫度傳感器有三款：

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b．CT感應(yīng)取電無線溫度傳感器

安裝于斷路器觸頭、母排、電纜搭接點等大電流處，采集溫度量并通過無線方式傳輸?shù)膫鞲衅鳌?/p>

目前無線溫度傳感器有兩款：

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安科瑞無線測溫就地顯示配置：

ASD300／320智能操控裝置可連接12路無線溫度傳感器，ARTM－Pn無線測溫裝置可連接18路無線溫度傳感器，無源（CT取電）方式為ATE300（捆綁式安裝），有源（電池供電）方式為ATE100（螺栓式安裝，主要用于電纜／銅排等螺絲固定的搭接點）和ATE200（表帶式，主要用于斷路器觸頭等接點捆綁安裝，因安裝較ATE100更方便，電纜／銅排等搭接點也常選用）。

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無線測溫帶操顯功能（就地顯示）

Acrel－2000T／B無線測溫壁掛式監(jiān)控設(shè)備，內(nèi)存4G，硬盤128G，以太網(wǎng)口，顯示器12寸，分辨率800＊600，可選Web平臺／App服務(wù)器，柜體尺寸480＊420＊200（單位mm），配置IPAD，安裝ACREL－2000／T軟件。就地實時顯示溫度分布以及報警等詳細參數(shù)。

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無線測溫采集設(shè)備配置方案

五、結(jié)束語

本文提出了一套基于無源無線傳感技術(shù)的變壓器測溫裝置?；跍夭畎l(fā)電原理的熱電發(fā)生模塊可以為整套測溫裝置供電，同時測溫模塊工作，并將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過處理后通過無線發(fā)送模塊和無線接收模塊傳送給應(yīng)用層，從而實現(xiàn)了對變壓器的溫度監(jiān)測。通過將該套測溫裝置應(yīng)用于河南某變電站變壓器套管中，經(jīng)溫度數(shù)據(jù)分析，驗證了測溫裝置的安全可靠性和實際應(yīng)用價值。該套測溫裝置體積小，維護成本低，可大力推廣使用，對維護變壓器等電力設(shè)備的安全運行具有重要意義。
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　　審核編輯：鄢孟繁