隨著國家電力行業規模的快速發展，用電需求量也在持續上升，電力變壓器不斷在向大容量、高電壓方向發展。變壓器作為電力系統中的重要電力設備，運行的安全可靠性將會對電網的供電質量產生直接影響。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的63%左右。因此，有效實施對變壓器溫度在線監測對保證變壓器的安全穩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，測溫精度和數據傳輸質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吸收的光譜隨溫度變化而變化的原理，分析光纖傳輸的光譜了解實時溫度，但存在傳輸距離短的缺點；感應取電測溫傳感器則必須在感應電流大于一定值后才能正常工作，存在應用范圍受限的問題。

針對這些問題，本文提出一種基于無源無線傳感技術的變壓器測溫裝置，采用無源無線技術和溫差發電技術，實現變壓器溫度在線監測，可以及時發現變壓器溫度異常情況，防止變壓器事故的發生。

1 溫差發電理論（略）

在溫度梯度下，P型半導體和N型半導體內的載流子從熱端向冷端運動，并在冷端堆積，從而在材料內部形成電勢差，同時在該電勢差作用下產生一個反向電荷流，當熱運動的電荷流與內部電場達到動態平衡時，半導體兩端形成穩定的溫差電動勢，這種現象被稱為塞貝克效應。溫差發電器件結構示意圖如圖1所示。

圖1 溫差發電器件結構示意圖

本裝置的核心器件是熱電發生器，該熱電發生器兩側分別為冷端和熱端。在熱電發生器冷端和熱端溫度差達到一定程度后，熱電發生器將熱量轉化為電能，經過后續電路的處理后給本裝置自身供電。

熱電發生器單元模塊的示意圖如圖2所示。通過串聯、并聯或者兩種結合的方式將多個熱電轉換單元組合成一個整體。通過熱電發生器單元模塊，熱電發生器件將產生的熱量轉換為電能，即可以實現熱電轉換。

圖2 熱電發生器單元模塊的示意圖

2 信號傳輸理論（略）

2.1 無線信號發射器阻抗匹配理論

由阻抗匹配理論可知，當設計無線信號發射天線時，應使其傳輸線電路中的負載阻抗和輸入阻抗滿足共軛匹配條件，以獲得最大的信號功率，從而使得信號傳輸性能達到最佳。

2.2 無線信號發射器的設計

本測溫裝置所設計的無線信號發射器為一種433MHz小型化螺旋形印制天線，天線在結構上采用了微帶線在介質基片的上下兩層串擾來模仿螺旋天線的走線形式。

在螺旋形印制天線的設計中，通過半徑大小為0.35mm的銅孔將天線上層和下層的走線端進行連接，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象，通過上層天線和下層天線之間的介質基片，還能夠有效提高其增益特性。

3 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、信號調理及隔離模塊、數據處理模塊、無線發射器、無線接收器以及能量管理電路、散熱器以及熱電發生器等模塊構成。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

該裝置的熱電發生器各有一冷端和熱端，散熱器被設置在冷端的一側，并與該冷端直接進行熱傳導，安裝部位位于熱端的一側，并與該熱端直接進行熱傳導。在熱電發生器冷端和熱端溫度差達到一定程度后，熱電發生器將熱量轉化為電能，經過后續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、起動電路和穩壓電路三部分組成。升壓電路負責將熱電發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，起動電路控制關斷后級電路，儲能器件繼續儲能，周而復始地工作。

數據處理模塊通過控制溫度傳感器定時采集測溫數據，并通過信號調理及隔離模塊將模擬信號轉化成數字信號，并提供給數據處理模塊進行處理，數據處理模塊將處理過的數據通過無線發射器發出，由溫度監測系統中的另一模塊無線接收器接收，并上傳PC、APP和大屏幕顯示。

4 測溫裝置在變壓器套管中的應用

依據國家標準《GB/T 4109—1999 高壓套管技術條件》，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℃。該測溫裝置的測溫范圍為0℃～140℃，傳輸距離為50m，監測精度為1℃，從理論上能夠滿足變壓器套管溫度在線監測的需求。

該裝置采用溫差發電芯片與溫度傳感器一體化的測溫方案，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測。測溫裝置安裝示意圖如圖9所示。由于測溫裝置采用基于溫差發電技術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，所以極大地方便了實際應用，減少了后期維護成本。

圖9 測溫裝置安裝示意圖

基于溫差發電的無源無線測溫裝置的工作示意圖如圖10所示。

圖10 測溫裝置工作示意圖

在實際應用中，測溫裝置的整個工作流程如圖11所示。首先，測溫裝置的熱電發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的溫度數據，通過無線發送模塊將數據發送給接收端，無線接收模塊將接收到的數據傳輸到應用層。

圖11 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、低側的套管接線板的位置，共安裝9個測溫裝置，連續監測變壓器套管溫度的的變化。變壓器套管監測點布局如圖12所示。將測溫裝置安裝于變壓器套管高壓側兩相，其實際安裝位置圖如圖13所示。2019年7月河南某變電站220kV變壓器套管溫度數據界面如圖14所示。

圖12 變壓器套管監測點布局圖

圖13 測溫裝置實際安裝位置圖

圖14 河南某變電站220kV變壓器套管溫度數據界面

該套裝置自2016年安裝至今，取得了良好的應用效果，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。下面結合2017年7月26日變壓器套管溫度為例進行說明。圖15所示為該案例問題得到解決前的變壓器套管溫度監測結果。圖16所示為該案例問題查找并解決后在正常狀態下變壓器套管溫度監測結果。

圖15 變壓器套管溫度監測結果

圖16 正常狀態下變壓器套管溫度監測結果

從圖15可以看出，高壓B相接線板溫度遠遠高于其他高壓側溫度，出現變壓器套管溫度異常現象。經檢測確認，該問題出現的原因是變壓器套管接線板接觸不良而導致局部過熱。

確認問題后，將變壓器套管接線板重新進行接線。經過整改，將變壓器套管溫度數據重新恢復，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。

5 結論

本文提出了一套基于無源無線傳感技術的變壓器測溫裝置。基于溫差發電原理的熱電發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據通過處理后通過無線發送模塊和無線接收模塊傳送給應用層，從而實現了對變壓器的溫度監測。

最后，通過將該套測溫裝置應用于河南某變電站變壓器套管中，經溫度數據分析，驗證了測溫裝置的安全可靠性和實際應用價值。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備的安全運行具有重要意義。