無(wú)源無(wú)線測(cè)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(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)可防止事故發(fā)生，保障變壓器設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文提出一種無(wú)源無(wú)線測(cè)溫裝置，首先對(duì)該裝置的理論基礎(chǔ)進(jìn)行闡述，包括溫差發(fā)電理論和阻抗匹配推導(dǎo)過(guò)程，并對(duì)無(wú)線信號(hào)發(fā)射器的可靠性進(jìn)行測(cè)試；然后對(duì)該裝置的工作原理進(jìn)行介紹；將該裝置應(yīng)用于河南某變電站的一臺(tái)220kV變壓器上，驗(yàn)證了該測(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)良，并能夠長(zhǎng)期、安全監(jiān)測(cè)變壓器的溫度變化，避免因變壓器運(yùn)行溫度過(guò)高引起變壓器安全隱患，為變壓器的安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：無(wú)線測(cè)溫裝置；變壓器；測(cè)溫傳感器；無(wú)線溫度傳感器；溫度傳感器

一、引言

隨著國(guó)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(yùn)行的安全可靠性將會(huì)對(duì)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(guò)熱故障占總故障臺(tái)數(shù)的63％左右。因此，實(shí)施對(duì)變壓器溫度在線監(jiān)測(cè)對(duì)保證變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

從總體上看，可將當(dāng)前的測(cè)溫方式分為定期檢測(cè)和實(shí)時(shí)在線測(cè)溫兩種。其中，定期檢測(cè)的方式主要有紅外檢測(cè)儀方式和通過(guò)預(yù)防性試驗(yàn)的停電測(cè)溫方式兩種，這兩種方式均存在測(cè)溫工作量大、效率低、不能實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度的問(wèn)題。

從取電方式上看，可將在線測(cè)溫方式主要分為有源測(cè)溫和無(wú)源測(cè)溫兩種。其中：有源測(cè)溫方式有紅外攝像頭測(cè)溫方式，利用紅外成像原理進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，但成本非常高；無(wú)源測(cè)溫傳感器主要有鉑熱電阻溫度傳感器、光纖測(cè)溫傳感器、聲表面波測(cè)溫傳感器和感應(yīng)取電測(cè)溫傳感器等。在無(wú)源測(cè)溫傳感器中：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)境影響大；光纖測(cè)溫傳感器采用光纖作為傳輸信號(hào)線，測(cè)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(shí)易將光纖芯折斷且成本較高；聲表面波測(cè)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(shí)時(shí)溫度，但存在傳輸距離短的缺點(diǎn)；感應(yīng)取電測(cè)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(wèn)題。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出一種基于無(wú)源無(wú)線傳感技術(shù)的變壓器測(cè)溫裝置，采用無(wú)源無(wú)線技術(shù)和溫差發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變壓器溫度在線監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)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(wú)源無(wú)線測(cè)溫裝置工作原理

無(wú)源無(wú)線測(cè)溫裝置由溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理及隔離模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線發(fā)射器、無(wú)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(jìn)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(jìn)行熱傳導(dǎo)。在熱電發(fā)生器冷端和熱端溫度差達(dá)到一定程度后，熱電發(fā)生器將熱量轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過(guò)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(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)生器輸出的較低電壓升高，并存儲(chǔ)在電容或充電電池中；起動(dòng)電路控制能量的輸出，當(dāng)儲(chǔ)能器件的電壓升至高電壓閥值時(shí)，起動(dòng)電路控制打開(kāi)后級(jí)電路，能量流向后級(jí)，供后續(xù)電路使用，當(dāng)儲(chǔ)能器件的電壓降至低電壓閥值時(shí)，起動(dòng)電路控制關(guān)斷后級(jí)電路，儲(chǔ)能器件繼續(xù)儲(chǔ)能，周而復(fù)始地工作。

數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)控制溫度傳感器定時(shí)采集測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，并通過(guò)信號(hào)調(diào)理及隔離模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并提供給數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理模塊將處理過(guò)的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射器發(fā)出，由溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的另一模塊無(wú)線接收器接收，并上傳PC、APP和大屏幕顯示。

三、測(cè)溫裝置在變壓器套管中的應(yīng)用

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《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(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℃，從理論上能夠滿足變壓器套管溫度在線監(jiān)測(cè)的需求。

該裝置采用溫差發(fā)電芯片與溫度傳感器測(cè)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(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。測(cè)溫裝置安裝示意圖如圖2所示。由于測(cè)溫裝置采用基于溫差發(fā)電技術(shù)的無(wú)源無(wú)線測(cè)溫方式，安裝后不會(huì)影響變壓器套管的安全運(yùn)行，所以方便了實(shí)際應(yīng)用，減少了后期維護(hù)成本。

圖2 測(cè)溫裝置安裝示意圖

基于溫差發(fā)電的無(wú)源無(wú)線測(cè)溫裝置的工作示意圖如圖3所示。

圖3 測(cè)溫裝置工作示意圖

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)生器對(duì)溫差進(jìn)行判定，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(guò)無(wú)線發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端，無(wú)線接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層。

圖4 測(cè)溫裝置工作流程圖

以河南某變電站為例，選取其中一臺(tái)220kV變壓器高、中、低側(cè)的套管接線板的位置，共安裝9個(gè)測(cè)溫裝置，連續(xù)監(jiān)測(cè)變壓器套管溫度的的變化。變壓器套管監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局如圖5所示。將測(cè)溫裝置安裝于變壓器套管高壓側(cè)兩相，其實(shí)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(cè)點(diǎn)布局圖

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圖6 測(cè)溫裝置實(shí)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(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題。下面結(jié)合變壓器套管溫度為例進(jìn)行說(shuō)明。圖8所示為該案例問(wèn)題得到解決前的變壓器套管溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果。圖9所示為該案例問(wèn)題查找并解決后在正常狀態(tài)下變壓器套管溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖8 變壓器套管溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖9 正常狀態(tài)下變壓器套管溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖8可以看出，高壓B相接線板溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他高壓側(cè)溫度，出現(xiàn)變壓器套管溫度異?，F(xiàn)象。經(jīng)檢測(cè)確認(rèn)，該問(wèn)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(guò)熱。

確認(rèn)問(wèn)題后，將變壓器套管接線板重新進(jìn)行接線。經(jīng)過(guò)整改，將變壓器套管溫度數(shù)據(jù)重新恢復(fù)，及時(shí)幫助用戶對(duì)變壓器套管運(yùn)行中存在的問(wèn)題進(jìn)行解決，從而保證了變壓器的安全可靠運(yùn)行。

四、安科瑞測(cè)溫產(chǎn)品介紹

a．電池供電型無(wú)線溫度傳感器

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

目前無(wú)線溫度傳感器有三款：

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b．CT感應(yīng)取電無(wú)線溫度傳感器

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

目前無(wú)線溫度傳感器有兩款：

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安科瑞無(wú)線測(cè)溫就地顯示配置：

ASD300／320智能操控裝置可連接12路無(wú)線溫度傳感器，ARTM－Pn無(wú)線測(cè)溫裝置可連接18路無(wú)線溫度傳感器，無(wú)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(diǎn)）和ATE200（表帶式，主要用于斷路器觸頭等接點(diǎn)捆綁安裝，因安裝較ATE100更方便，電纜／銅排等搭接點(diǎn)也常選用）。

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無(wú)線測(cè)溫帶操顯功能（就地顯示）

Acrel－2000T／B無(wú)線測(cè)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(tái)／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(shí)時(shí)顯示溫度分布以及報(bào)警等詳細(xì)參數(shù)。

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無(wú)線測(cè)溫采集設(shè)備配置方案

五、結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一套基于無(wú)源無(wú)線傳感技術(shù)的變壓器測(cè)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(cè)溫裝置供電，同時(shí)測(cè)溫模塊工作，并將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)處理后通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊和無(wú)線接收模塊傳送給應(yīng)用層，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器的溫度監(jiān)測(cè)。通過(guò)將該套測(cè)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(yàn)證了測(cè)溫裝置的安全可靠性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。該套測(cè)溫裝置體積小，維護(hù)成本低，可大力推廣使用，對(duì)維護(hù)變壓器等電力設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要意義。
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　　審核編輯：鄢孟繁