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，有效實(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)溫傳感器則必須在感應(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。

1 溫差發(fā)電理論（略）

在溫度梯度下，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體內(nèi)的載流子從熱端向冷端運(yùn)動(dòng)，并在冷端堆積，從而在材料內(nèi)部形成電勢(shì)差，同時(shí)在該電勢(shì)差作用下產(chǎn)生一個(gè)反向電荷流，當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)的電荷流與內(nèi)部電場(chǎng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，半導(dǎo)體兩端形成穩(wěn)定的溫差電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象被稱為塞貝克效應(yīng)。溫差發(fā)電器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 溫差發(fā)電器件結(jié)構(gòu)示意圖

本裝置的核心器件是熱電發(fā)生器，該熱電發(fā)生器兩側(cè)分別為冷端和熱端。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。

熱電發(fā)生器單元模塊的示意圖如圖2所示。通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)或者兩種結(jié)合的方式將多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換單元組合成一個(gè)整體。通過(guò)熱電發(fā)生器單元模塊，熱電發(fā)生器件將產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換為電能，即可以實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。

圖2 熱電發(fā)生器單元模塊的示意圖

2 信號(hào)傳輸理論（略）

2.1 無(wú)線信號(hào)發(fā)射器阻抗匹配理論

由阻抗匹配理論可知，當(dāng)設(shè)計(jì)無(wú)線信號(hào)發(fā)射天線時(shí)，應(yīng)使其傳輸線電路中的負(fù)載阻抗和輸入阻抗?jié)M足共軛匹配條件，以獲得最大的信號(hào)功率，從而使得信號(hào)傳輸性能達(dá)到最佳。

2.2 無(wú)線信號(hào)發(fā)射器的設(shè)計(jì)

本測(cè)溫裝置所設(shè)計(jì)的無(wú)線信號(hào)發(fā)射器為一種433MHz小型化螺旋形印制天線，天線在結(jié)構(gòu)上采用了微帶線在介質(zhì)基片的上下兩層串?dāng)_來(lái)模仿螺旋天線的走線形式。

在螺旋形印制天線的設(shè)計(jì)中，通過(guò)半徑大小為0.35mm的銅孔將天線上層和下層的走線端進(jìn)行連接，這種連接方式不但可以有效減少天線走線的占用空間，還可以增加天線電路路徑的物理長(zhǎng)度。

另外，考慮到上層天線和下層天線之間存在電磁干擾以及由上層天線和下層天線方向不同的電流走線而造成的增益衰減現(xiàn)象，通過(guò)上層天線和下層天線之間的介質(zhì)基片，還能夠有效提高其增益特性。

3 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8所示。

圖8 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。

4 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最高溫度值為120℃，允許最大溫升為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一體化的測(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9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，所以極大地方便了實(shí)際應(yīng)用，減少了后期維護(hù)成本。

圖9 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10所示。

圖10 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11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11 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12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13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。

圖12 變壓器套管監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局圖

圖13 測(cè)溫裝置實(shí)際安裝位置圖

圖14 河南某變電站220kV變壓器套管溫度數(shù)據(jù)界面

該套裝置自2016年安裝至今，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2017年7月26日變壓器套管溫度為例進(jìn)行說(shuō)明。圖15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16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15 變壓器套管溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖16 正常狀態(tài)下變壓器套管溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖15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。

5 結(jié)論

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)。

最后，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。