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無線測溫裝置在變壓器中的設(shè)計與應(yīng)用

來源：安科瑞電氣股份有限公司 2022年01月04日 13:18

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(jìn)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(jìn)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(jìn)行測試；然后對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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(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(fù)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(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(jìn)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(hù)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(jìn)行判定，當(dāng)冷端與熱端溫差大于5℃時，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。

圖5變壓器套管監(jiān)測點布局圖

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(jìn)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(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)檢測確認(rèn)，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(rèn)問題后，將變壓器套管接線板重新進(jìn)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(jìn)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?/div>

　　目前無線溫度傳感器有三款：

　　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?/div>

　　目前無線溫度傳感器有兩款：

　　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）。

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(xì)參數(shù)。

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(hù)成本低，可大力推廣使用，對維護(hù)變壓器等電力設(shè)備的安全運行具有重要意義。

【參考文獻(xiàn)】

　　[1]朱建華，梁棟，李芳，翟海文，馮琳娜，無源無線測溫裝置在變壓器中的應(yīng)用，

　　[2]隋洪崗，PT100溫度傳感器在溫度數(shù)據(jù)實時監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2020.06版

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