配電變壓器油溫油位一體化無源無線監(jiān)測系統(tǒng)

(1.南瑞集團(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司,江蘇 南京 211000； 2.上海置信電氣股份有限公司,上海 200335；3.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240； 4.劭行(蘇州)智能科技有限公司，江蘇 蘇州 215123)

配電變壓器作為配電網(wǎng)的核心設(shè)備，其運行的安全可靠性至關(guān)重要。我國地域?qū)拸V，電網(wǎng)多為輻射型網(wǎng)絡(luò)，變壓器安裝密集、事故多、檢修停電范圍大。根據(jù)國家發(fā)改委《關(guān)于“十三五”期間實施新一輪農(nóng)村電網(wǎng)改造升級工程意見》，對配電變壓器[1-2]，尤其是農(nóng)村的配電變壓器在線監(jiān)測，是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要內(nèi)容。

配電網(wǎng)大量使用的油浸式配電變壓器，目前采用油浮式機械油位指示器和機械溫度計，尚無法對油位和油溫等非電量進行在線監(jiān)測以及數(shù)據(jù)遠傳，只能依靠人工目視巡檢，巡檢難度大，漏檢率高。因此，研制一種基于無源無線傳感技術(shù)的配電變壓器油位和油溫自動監(jiān)測及預(yù)報警系統(tǒng)，具有重要意義。

聲表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)傳感器同時具備無源和無線的特性。無源特性保證了傳感器安裝后設(shè)備免維護，消除了有源傳感器的諸多弊端；無線特性則保障了設(shè)備足夠的電氣安全。目前，聲表面波無線溫度傳感器也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高壓開關(guān)柜、電纜接頭、高壓斷路器等電力設(shè)備測溫系統(tǒng)[3-9]。針對聲表面波無源無線傳感技術(shù)在配電變壓器的應(yīng)用，設(shè)計了差動結(jié)構(gòu)傳感器，并采用有限元/邊界元 (Finite Element Method/Boundary Element Method,FEM/BEM)方法優(yōu)化了傳感器溫度采集特性，保證了傳感器溫度監(jiān)測工作的可靠性；同時，采用磁控開關(guān)切換天線連接，以低成本實現(xiàn)了變壓器油位狀態(tài)的少油報警監(jiān)視。另外，通過設(shè)計新型環(huán)形PIFA平面倒F抗金屬天線(Planar Inverted-F Antenna,PIFA)，實現(xiàn)了溫度監(jiān)測傳感器和變壓器原有油位計的一體化設(shè)計；結(jié)合閱讀裝置最終實現(xiàn)了基于聲表面波技術(shù)的配電變壓器油溫、油位在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

配電變壓器油溫油位一體化無源無線監(jiān)測系統(tǒng)，主要由油溫油位一體化無源無線監(jiān)測傳感器和閱讀裝置組成。閱讀裝置和無源無線傳感器之間通過無線鏈路完成變壓器油箱中頂層油溫信息和油位位置開關(guān)信息的傳感，閱讀裝置解析相關(guān)傳感信息并可接入智能配電變壓器監(jiān)測終端(Distribution Transformer Supervisory Terminal Unit,TTU)將數(shù)據(jù)遠傳至監(jiān)測平臺。

無源無線傳感器的核心技術(shù)是SAW諧振器，該技術(shù)的原理如圖1所示。閱讀器通過閱讀器天線發(fā)射窄帶電磁波，該電磁波被傳感器天線接收，激勵由壓電工藝制作的單端口SAW諧振器，通過逆壓電效應(yīng)，叉指換能器(Interdigital Transducer,IDT)將傳感器天線接收的電磁波轉(zhuǎn)換為SAW。單端口聲表面波諧振器(SAW Resonator,SAWR)的實際諧振頻率則是由諧振腔的結(jié)構(gòu)以及基片所處的環(huán)境影響決定的(如被測物處的溫度、應(yīng)變等)。當激勵消失之后，帶內(nèi)各頻率分量的聲表面波會以不同的時間常數(shù)自由衰減振蕩，只有頻率與SAWR固有諧振頻率相同的電磁波持續(xù)時間最長。IDT通過壓電效應(yīng)將SAW再次轉(zhuǎn)化為電磁波并由天線輻射出來。閱讀器接收被測量影響的衰減振蕩電磁波后估計出其諧振頻率，可實現(xiàn)相關(guān)傳感量的無線測量。

整個監(jiān)測系統(tǒng)中主要難點是變壓器油位和油溫一體化監(jiān)測傳感器設(shè)計，即通過合理的設(shè)計使傳統(tǒng)的油位計具備油位和油溫監(jiān)測功能，同時不影響油位計原有的指示功能和機械特性。

圖1 聲表面波無源無線傳感原理

設(shè)計的傳感器結(jié)構(gòu)和實物分別如圖2(a)和圖2(b)所示，包括用于產(chǎn)生油位報警的傳感器、用于測量變壓器油溫的傳感器、磁控開關(guān)、磁性體、標識管，裝置外殼、傳感器天線、閱讀器天線及閱讀器等部分。1號傳感器固定在裝置外殼上，用于測量環(huán)境溫度和產(chǎn)生油位少油報警。2號傳感器內(nèi)嵌于變壓器油位計的浮子中，用于測量頂層油溫；磁控開關(guān)安裝在裝置外殼的內(nèi)壁上，可耐受高溫的磁性體內(nèi)置于油位計的標識管中，并由連桿帶動隨浮子上下移動。當油位過低(少油)時，磁性體下移至磁控開關(guān)觸發(fā)工作產(chǎn)生油位報警。

圖2 變壓器油位和油溫一體化監(jiān)測傳感器結(jié)構(gòu)圖和實物圖

實際使用中最關(guān)心的是變壓器的油位低的報警狀態(tài)，為了以低成本實現(xiàn)油位的少油狀態(tài)的監(jiān)測，采用串聯(lián)磁控開關(guān)的方式來控制天線和1號傳感器之間電路的通斷。該開關(guān)在油位正常時處于閉合狀態(tài)，傳感器與傳感器天線連通，當油位低到設(shè)定位置時，隨油浮位置浮動的磁鐵遠離磁控開關(guān)，開關(guān)處于斷開狀態(tài)，閱讀器將長時間無法測量到環(huán)境溫度，作為油位的低位判別依據(jù)。而當油位正常時，該傳感器可持續(xù)提供環(huán)境溫度信息，而且能夠準確地計算變壓器油溫溫升。

2 SAW敏感器件設(shè)計

配電變壓器的工作環(huán)境中，存在較強的電磁干擾，SAW傳感器的原理是依靠器件的頻率-溫度特性進行溫度信息的傳感，因此，如果僅以單個SAW器件的頻率測量溫度，則極易受到各種環(huán)境因素的干擾。為此，每個SAW傳感器均采用圖3所示的兩個諧振器組成差動結(jié)構(gòu)，兩個諧振器在基片上與傳播方向呈不同的夾角，具有不同的溫度特性，將兩個諧振器之間的頻率差值作為溫度測量的依據(jù)，從而抵消干擾的影響，保證了測量的高精度。

圖3 差動式SAW傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

變壓器油溫傳感器需工作在最高150 ℃的溫度下，且測溫范圍較寬，因此需要對傳感器的溫度敏感特性進行優(yōu)化設(shè)計，以滿足全溫段的精度要求，并且在高溫段，傳感器應(yīng)當具備更高的靈敏度以抵消高溫對器件性能的影響。

SAW傳感器的溫度特性主要由基片切型、電極材料以及器件拓撲結(jié)構(gòu)決定，采用FEM/BEM方法結(jié)合廣義格林函數(shù)，可精確計算完整器件的溫度特性。首先，使用該方法計算了不同石英切型下的溫度系數(shù)，其結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)不同石英切型的溫度系數(shù)，優(yōu)化地選擇了AT切石英(0，126°，γ)，并對此切型上與傳播方向呈不同夾角的諧振器溫度特性進行了精確計算，最終選定γ=0°和γ=39°兩種傳播方向的諧振器構(gòu)成差動傳感器，其溫度特性如圖5所示，其在常溫段具有較好的線性度，而在高溫段具有較高的靈敏度，可有效補償高溫對器件性能的影響。

圖4 不同石英切型的溫度系數(shù)(TCD)

圖5 傳感器的溫度特性

3 傳感器天線設(shè)計

配電變壓器主要工作環(huán)境為戶外，油位計外形設(shè)計有一定的規(guī)范，加裝傳感器不應(yīng)大幅改變原有變壓器的外形，因此天線必須盡量選擇低剖面天線以減少突出。而變壓器油位計整體為鑄鋁材料，對天線的抗金屬性能也提出了很高的要求，并且由于變壓器的管狀外形，低剖面天線的輻射效率也會急劇下降。

PIFA天線利用接地平面來控制天線的阻抗和帶寬，通過調(diào)節(jié)饋電點和接地點之間的物理間距可以很容易地調(diào)節(jié)在金屬表面時的天線阻抗，從而保證在金屬環(huán)境下的天線性能；該類型天線還具有較低的剖面，可依照油位計的外形將輻射面設(shè)計為環(huán)形；同時PIFA天線的饋電端和接地端直接相連，保證了傳感器的可靠接地，具有良好的電氣特性。

通過HFSS電磁仿真軟件，建立了包括變壓器油位計在內(nèi)的仿真模型，最終經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的環(huán)形PIFA天線實物如圖6所示，天線環(huán)形輻射體半徑28 mm，弧度280，寬度為10 mm，材料為0.4 mm厚的鍍錫銅片，此優(yōu)化條件下的S11仿真結(jié)果如圖7所示,天線諧振頻率為433 MHz，-10 dB帶寬為7 MHz，天線的方向圖如圖8所示，其相對增益約為0.9 dBi，輻射效率約為0.43。

圖6 PIFA天線仿真模型和實物

圖8 環(huán)形PIFA天線的方向圖和輻射效率

4 系統(tǒng)測試

搭建實驗平臺對油溫傳感器的精度進行了測試。測試采用加熱臺對配電變壓器油進行加熱模擬溫升，油溫傳感器和熱電阻浸入油內(nèi)同一液面，設(shè)置加熱臺至一定溫度后1 h分別讀取無線傳感器和熱電阻數(shù)據(jù)，其結(jié)果如表1所示，無線傳感器在測試的溫度段內(nèi)都表現(xiàn)出非常好的精度。

表1 油位傳感器精度測試結(jié)果 單位：℃

使用同樣的平臺針對傳感器的溫升動態(tài)特性進行了測試，在20 ℃的室溫下，使用加熱臺將變壓器油加熱至75 ℃，將室溫下的油溫傳感器直接置入油內(nèi)，模擬溫度突變的情況，其結(jié)果如圖9所示，系統(tǒng)表現(xiàn)出很好的溫升動態(tài)特性。

圖9 溫升試驗結(jié)果

上海置信電氣股份有限公司針對傳感器在10 kV配電變壓器環(huán)境下的適應(yīng)性進行了測試，如圖10所示。測試內(nèi)容包括密封與壓力釋放檢測、耐壓試驗、溫升測試以及功能測試，系統(tǒng)整體運行可靠。當變壓器油溫高于設(shè)定的溫升值時，系統(tǒng)發(fā)出油溫報警。當紅色油浮在視窗內(nèi)超過2/3設(shè)定值時，系統(tǒng)產(chǎn)生少油報警。

圖10 油位、油溫一體化監(jiān)測傳感器現(xiàn)場測試

5 結(jié)束語

針對配電變壓器油位和油溫在線監(jiān)測中的實際需求，優(yōu)化設(shè)計了基于SAW技術(shù)的變壓器油位和溫度監(jiān)測系統(tǒng)，具備完全的無源無線特性，能適合變壓器監(jiān)測中的強電磁干擾等惡劣環(huán)境；通過實驗室測試以及上海置信電氣股份有限公司現(xiàn)場實際測試，證實該系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準確地測量變壓器油頂層溫度變化以及油位、溫升和溫升速率等監(jiān)測量。本裝置已在部分配網(wǎng)區(qū)域得到應(yīng)用，運行監(jiān)測功能良好。

通過對該無源無線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了配電變壓器油位和油溫的有效在線監(jiān)測，解決了現(xiàn)有配電變壓器在低成本條件下無法滿足智能監(jiān)測的問題，對實現(xiàn)配電網(wǎng)“智能運維、提高供電可靠”目標具有重要的現(xiàn)實意義。