配电变压器油温油位一体化无源无线监测系统

(1.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司,江苏 南京 211000； 2.上海置信电气股份有限公司,上海 200335；3.上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海 200240； 4.劭行(苏州)智能科技有限公司，江苏 苏州 215123)

配电变压器作为配电网的核心设备，其运行的安全可靠性至关重要。我国地域宽广，电网多为辐射型网络，变压器安装密集、事故多、检修停电范围大。根据国家发改委《关于“十三五”期间实施新一轮农村电网改造升级工程意见》，对配电变压器[1-2]，尤其是农村的配电变压器在线监测，是智能电网建设的重要内容。

配电网大量使用的油浸式配电变压器，目前采用油浮式机械油位指示器和机械温度计，尚无法对油位和油温等非电量进行在线监测以及数据远传，只能依靠人工目视巡检，巡检难度大，漏检率高。因此，研制一种基于无源无线传感技术的配电变压器油位和油温自动监测及预报警系统，具有重要意义。

声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)传感器同时具备无源和无线的特性。无源特性保证了传感器安装后设备免维护，消除了有源传感器的诸多弊端；无线特性则保障了设备足够的电气安全。目前，声表面波无线温度传感器也已经广泛应用于高压开关柜、电缆接头、高压断路器等电力设备测温系统[3-9]。针对声表面波无源无线传感技术在配电变压器的应用，设计了差动结构传感器，并采用有限元/边界元 (Finite Element Method/Boundary Element Method,FEM/BEM)方法优化了传感器温度采集特性，保证了传感器温度监测工作的可靠性；同时，采用磁控开关切换天线连接，以低成本实现了变压器油位状态的少油报警监视。另外，通过设计新型环形PIFA平面倒F抗金属天线(Planar Inverted-F Antenna,PIFA)，实现了温度监测传感器和变压器原有油位计的一体化设计；结合阅读装置最终实现了基于声表面波技术的配电变压器油温、油位在线监测系统。

1 系统总体设计

配电变压器油温油位一体化无源无线监测系统，主要由油温油位一体化无源无线监测传感器和阅读装置组成。阅读装置和无源无线传感器之间通过无线链路完成变压器油箱中顶层油温信息和油位位置开关信息的传感，阅读装置解析相关传感信息并可接入智能配电变压器监测终端(Distribution Transformer Supervisory Terminal Unit,TTU)将数据远传至监测平台。

无源无线传感器的核心技术是SAW谐振器，该技术的原理如图1所示。阅读器通过阅读器天线发射窄带电磁波，该电磁波被传感器天线接收，激励由压电工艺制作的单端口SAW谐振器，通过逆压电效应，叉指换能器(Interdigital Transducer,IDT)将传感器天线接收的电磁波转换为SAW。单端口声表面波谐振器(SAW Resonator,SAWR)的实际谐振频率则是由谐振腔的结构以及基片所处的环境影响决定的(如被测物处的温度、应变等)。当激励消失之后，带内各频率分量的声表面波会以不同的时间常数自由衰减振荡，只有频率与SAWR固有谐振频率相同的电磁波持续时间最长。IDT通过压电效应将SAW再次转化为电磁波并由天线辐射出来。阅读器接收被测量影响的衰减振荡电磁波后估计出其谐振频率，可实现相关传感量的无线测量。

整个监测系统中主要难点是变压器油位和油温一体化监测传感器设计，即通过合理的设计使传统的油位计具备油位和油温监测功能，同时不影响油位计原有的指示功能和机械特性。

图1 声表面波无源无线传感原理

设计的传感器结构和实物分别如图2(a)和图2(b)所示，包括用于产生油位报警的传感器、用于测量变压器油温的传感器、磁控开关、磁性体、标识管，装置外壳、传感器天线、阅读器天线及阅读器等部分。1号传感器固定在装置外壳上，用于测量环境温度和产生油位少油报警。2号传感器内嵌于变压器油位计的浮子中，用于测量顶层油温；磁控开关安装在装置外壳的内壁上，可耐受高温的磁性体内置于油位计的标识管中，并由连杆带动随浮子上下移动。当油位过低(少油)时，磁性体下移至磁控开关触发工作产生油位报警。

图2 变压器油位和油温一体化监测传感器结构图和实物图

实际使用中最关心的是变压器的油位低的报警状态，为了以低成本实现油位的少油状态的监测，采用串联磁控开关的方式来控制天线和1号传感器之间电路的通断。该开关在油位正常时处于闭合状态，传感器与传感器天线连通，当油位低到设定位置时，随油浮位置浮动的磁铁远离磁控开关，开关处于断开状态，阅读器将长时间无法测量到环境温度，作为油位的低位判别依据。而当油位正常时，该传感器可持续提供环境温度信息，而且能够准确地计算变压器油温温升。

2 SAW敏感器件设计

配电变压器的工作环境中，存在较强的电磁干扰，SAW传感器的原理是依靠器件的频率-温度特性进行温度信息的传感，因此，如果仅以单个SAW器件的频率测量温度，则极易受到各种环境因素的干扰。为此，每个SAW传感器均采用图3所示的两个谐振器组成差动结构，两个谐振器在基片上与传播方向呈不同的夹角，具有不同的温度特性，将两个谐振器之间的频率差值作为温度测量的依据，从而抵消干扰的影响，保证了测量的高精度。

图3 差动式SAW传感器结构示意图

变压器油温传感器需工作在最高150 ℃的温度下，且测温范围较宽，因此需要对传感器的温度敏感特性进行优化设计，以满足全温段的精度要求，并且在高温段，传感器应当具备更高的灵敏度以抵消高温对器件性能的影响。

SAW传感器的温度特性主要由基片切型、电极材料以及器件拓扑结构决定，采用FEM/BEM方法结合广义格林函数，可精确计算完整器件的温度特性。首先，使用该方法计算了不同石英切型下的温度系数，其结果如图4所示。

根据不同石英切型的温度系数，优化地选择了AT切石英(0，126°，γ)，并对此切型上与传播方向呈不同夹角的谐振器温度特性进行了精确计算，最终选定γ=0°和γ=39°两种传播方向的谐振器构成差动传感器，其温度特性如图5所示，其在常温段具有较好的线性度，而在高温段具有较高的灵敏度，可有效补偿高温对器件性能的影响。

图4 不同石英切型的温度系数(TCD)

图5 传感器的温度特性

3 传感器天线设计

配电变压器主要工作环境为户外，油位计外形设计有一定的规范，加装传感器不应大幅改变原有变压器的外形，因此天线必须尽量选择低剖面天线以减少突出。而变压器油位计整体为铸铝材料，对天线的抗金属性能也提出了很高的要求，并且由于变压器的管状外形，低剖面天线的辐射效率也会急剧下降。

PIFA天线利用接地平面来控制天线的阻抗和带宽，通过调节馈电点和接地点之间的物理间距可以很容易地调节在金属表面时的天线阻抗，从而保证在金属环境下的天线性能；该类型天线还具有较低的剖面，可依照油位计的外形将辐射面设计为环形；同时PIFA天线的馈电端和接地端直接相连，保证了传感器的可靠接地，具有良好的电气特性。

通过HFSS电磁仿真软件，建立了包括变压器油位计在内的仿真模型，最终经过优化设计的环形PIFA天线实物如图6所示，天线环形辐射体半径28 mm，弧度280，宽度为10 mm，材料为0.4 mm厚的镀锡铜片，此优化条件下的S11仿真结果如图7所示,天线谐振频率为433 MHz，-10 dB带宽为7 MHz，天线的方向图如图8所示，其相对增益约为0.9 dBi，辐射效率约为0.43。

图6 PIFA天线仿真模型和实物

图8 环形PIFA天线的方向图和辐射效率

4 系统测试

搭建实验平台对油温传感器的精度进行了测试。测试采用加热台对配电变压器油进行加热模拟温升，油温传感器和热电阻浸入油内同一液面，设置加热台至一定温度后1 h分别读取无线传感器和热电阻数据，其结果如表1所示，无线传感器在测试的温度段内都表现出非常好的精度。

表1 油位传感器精度测试结果 单位：℃

使用同样的平台针对传感器的温升动态特性进行了测试，在20 ℃的室温下，使用加热台将变压器油加热至75 ℃，将室温下的油温传感器直接置入油内，模拟温度突变的情况，其结果如图9所示，系统表现出很好的温升动态特性。

图9 温升试验结果

上海置信电气股份有限公司针对传感器在10 kV配电变压器环境下的适应性进行了测试，如图10所示。测试内容包括密封与压力释放检测、耐压试验、温升测试以及功能测试，系统整体运行可靠。当变压器油温高于设定的温升值时，系统发出油温报警。当红色油浮在视窗内超过2/3设定值时，系统产生少油报警。

图10 油位、油温一体化监测传感器现场测试

5 结束语

针对配电变压器油位和油温在线监测中的实际需求，优化设计了基于SAW技术的变压器油位和温度监测系统，具备完全的无源无线特性，能适合变压器监测中的强电磁干扰等恶劣环境；通过实验室测试以及上海置信电气股份有限公司现场实际测试，证实该系统能够实时、准确地测量变压器油顶层温度变化以及油位、温升和温升速率等监测量。本装置已在部分配网区域得到应用，运行监测功能良好。

通过对该无源无线监测系统的应用，实现了配电变压器油位和油温的有效在线监测，解决了现有配电变压器在低成本条件下无法满足智能监测的问题，对实现配电网“智能运维、提高供电可靠”目标具有重要的现实意义。