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無源無線測溫裝置在變壓器中的應用
溫度是變壓器運行狀態(tài)的關鍵參數之一，對變壓器溫度進行實時監(jiān)測可有效防止事故發(fā)生，保障變壓器設備安全穩(wěn)定運行。西安西變組件有限公司的研究人員朱建華、梁棟、李芳、翟海文、馮琳娜，在2020年第1期《電氣技術》雜志上撰文，提出一種無源無線測溫裝置。
研究結果表明，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、有效監(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保障。
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(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(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(fā)電技術，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。
1 溫差發(fā)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(tài)平衡時，半導體兩端形成穩(wěn)定的溫差電動勢，這種現(xiàn)象被稱為塞貝克效應。溫差發(fā)電器件結構示意圖如圖1所示。
圖1 溫差發(fā)電器件結構示意圖
本裝置的核心器件是熱電發(fā)生器，該熱電發(fā)生器兩側分別為冷端和熱端。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)生器將熱量轉化為電能，經過后續(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。通過串聯(lián)、并聯(lián)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(fā)生器單元模塊，熱電發(fā)生器件將產生的熱量轉換為電能，即可以實現(xiàn)熱電轉換。
圖2 熱電發(fā)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(fā)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(fā)射天線時，應使其傳輸線電路中的負載阻抗和輸入阻抗?jié)M足共軛匹配條件，以獲得最大的信號功率，從而使得信號傳輸性能達到最佳。
2.2 無線信號發(fā)射器的設計
本測溫裝置所設計的無線信號發(fā)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(xiàn)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。
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