CN107505521A - 一种配电网变压器的无源无线温升传感器及温升检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种配电网变压器的无源无线温升传感器及温升检测方法，包括：基于温差能量转换单元将温差转换为电能；基于温差电动势采样单元对电能采样；基于信号处理单元根据温差电动势计算对应的温升；基于无线发送单元实时传输温差数据信号；基于电能稳定单元将温差产生的电能转化为电源电压，以此供电。本发明通过本身温差产生的电能为传感器供电，进而实现长时间无间断的对变压器的温度进行检测回传；同时，温度检测不通过外部的温度传感器，而是通过本身温差电动势计算变压器温升的数值，直接获取温升，便于对变压器的性能进行评估；此外，本发明采用无线通讯，无需进行通讯数据线的布线、通信简便、检测精度高。

Description

一种配电网变压器的无源无线温升传感器及温升检测方法

技术领域

本发明涉及电网领域，特别是涉及一种配电网变压器的无源无线温升传感器及温升检测方法。

背景技术

电力变压器是电网传输、变电、配电、用电的重要器件，其安全可靠性是保障电力系统可靠运行的重要条件，随着电力系统规模和变压器单机容量的不断增大，其故障对国民经济造成的损失也愈来愈大，因而对变压器的可靠性分析与风险评价越来越重要。需要对变压器的运行健康状态进行监测，及时的消除隐患，保证电力变压器的正常工作。

变压器是一种按电磁感应原理工作的电气设备，变压器的两个相互绝缘着的绕组，绕在一个铁芯上，通过电磁耦合达到改变电压，输送电能的目的。变压器在运行中会发热，发热的主要原因在于两个方面：铜损(短路损耗)：指变压器一、二次电流流过一次、二次绕组，在绕组电阻上所消耗的能量之和。由于绕组多用铜导线制成，故简称铜损。铜损与一、二次电流的平方成正比，铭牌上所标的铜损系指绕组在75℃通过额定电流时的铜损。另一个损耗为铁损：系指变压器在额定电压下(二次开路)铁芯中消耗的功率，包括激磁损耗和涡流损耗。在实际运行中，变压器铜损是可变的，它和负荷的大小有直接关系，而变压器铁损几乎是恒定不变的，只要变压器运行就存在一个定量的损耗。导致变压器的热效应现象十分明显，热效应作为变压器健康状态的主要特征因素之一。

需要建立变压器的热学原理模型，真实反映变压器的运行状态，有效的扑捉、分析变压器的故障信息。热效应是变压器绝缘系统老化的主要因素，其内部温度的准确测量是对智能化变压器的运行非常重要。变压器绕组的真实温度能反映出变压器的负荷、温升过快、局部过热故障。因此对变压器温度的监测就显得十分重要，从而通过对温升的实时跟踪监测，保证变压器的正常运行。

目前市场中用于变压器的常见温度传感器大多数带有电源供电线和通信数据线，这样就造成了传感器供电和布线的复杂。市场上也有无线温度传感器，依靠无线射频进行数据的交互，简化了传感器的安装；但是，其供电是通过安装电池来提供电能，需要定期的对传感器进行充电维护，造成流程上的复杂性，容易发生触电事故，同时这种频繁的拆装不利于在高压电力环境下使用。

因此，如何在供电和布线简单的前提下，对变压器的温度进行实时监测已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种配电网变压器的无源无线温升传感器及温升检测方法，用于解决现有技术中电池供电维护困难、流程复杂、容易发生触电事故，以及变压器的通讯数据线布线复杂等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种配电网变压器的无源无线温升传感器，所述配电网变压器的无源无线温升传感器至少包括：

温差能量转换单元、温差电动势采样单元、信号处理单元、无线发送单元以及电能稳定单元；

所述温差能量转换单元将环境温度与变压器内的待测温度的温差转换为电能；

所述温差电动势采样单元连接于所述温差能量转换单元的输出端，对所述温差能量转换单元输出的电能进行采样；

所述信号处理单元连接于所述温差电动势采样单元的输出端，根据所述温差电动势采样单元输出的温差电动势采样信号计算对应的温升；

所述无线发送单元连接于所述信号处理单元的输出端，对所述信号处理单元输出的温差数据信号进行传输；

所述电能稳定单元连接于所述温差能量转换单元的输出端，将所述温差能量转换单元输出的电能转化为稳定的电源电压，为所述温差电动势采样单元、所述信号处理单元及所述无线发送单元供电。

优选地，所述温差能量转换单元包括半导体温差电池组，所述半导体温差电池组的两端相连形成回路；所述半导体温差电池组的热端置于所述变压器的待测温度中、冷端置于所述环境温度中，通过所述待测温度与所述环境温度的温差产生直流电。

优选地，所述温差电动势采样单元为模数转换器，通过模数转换实现采样。

优选地，所述信号处理单元包括温度转换模块及温度量化模块；所述温度转换模块接收所述温差电动势采样单元输出的温差电动势采样信号，将所述温差电动势采样信号转换为对应的温升；所述温度量化模块连接于所述温度转换模块的输出端，将所述温度转换模块输出的温升进行量化以得到所述温升数据信号。

优选地，所述电能稳定单元包括升压模块及稳压模块；所述升压模块接收所述温差能量转换单元输出的电能，将所述电能的电压升高，以获得所述电源电压；所述稳压模块连接于所述升压模块的输出端，用于稳定所述电源电压并控制供电方向。

更优选地，所述稳压模块包括整流桥。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种配电网变压器的无源无线温升检测方法，所述配电网变压器的无源无线温升检测方法至少包括：

将环境温度与变压器内的待测温度的温差转换为电能；

对所述电能进行采样，以得到温差电动势采样信号；

根据所述温差电动势采样信号计算对应的温升，并将计算得到的温升转化为温升数据信号；

将所述温升数据信号以无线方式进行传输；

将所述环境温度与所述变压器内的待测温度的温差产生的电能转化为电源电压，用以供电。

优选地，利用热电效应，藉由变压器中的待测温度与环境温度形成闭合回路产生电流，进而产生温差电动势。

优选地，所述配电网变压器的无源无线温升检测方法进一步包括：对所述温差电动势进行采样，采用均值方差的方式计算对应温升，并将温升进行模数转换以得到所述温升数据信号。

更优选地，所述温升与所述温差电动势满足如下关系式：

E＝α(T1-T2)，

其中，E为温差电动势，α为常数，T1为所述待测温度，T2为所述环境温度。

优选地，所述配电网变压器的无源无线温升检测方法进一步包括：对所述电能进行升压以获得电源电压，基于整流桥对所述电源电压进行稳压并控制所述电源电压的供电方向。

如上所述，本发明的配电网变压器的无源无线温升传感器及温升检测方法，具有以下有益效果：

本发明提供一种配电网变压器的无源无线温升传感器及温升检测方法，通过本身温差产生的电能为传感器的运行过程供电，进而实现长时间无间断的对变压器的温度进行检测并回传，使得变压器的热效应更加凸现更加全面，进而全面评价变压器的健康状态；同时，温度检测不通过外部的温度传感器，而是通过本身温差电动势计算变压器温升的数值，直接获取温升，便于对变压器的性能进行评估；此外，本发明采用无线通讯，无需进行通讯数据线的布线、通信简便、检测精度高。

附图说明

图1显示为本发明的配电网变压器的无源无线温升传感器的结构示意图。

图2显示为本发明的信号处理单元的结构示意图。

元件标号说明

1 配电网变压器的无源无线温升传感器

11 温差能量转换单元

12 温差电动势采样单元

13 信号处理单元

131 温度转换模块

132 温度量化模块

14 无线发送单元

15 电能稳定单元

S1～S5 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种配电网变压器的无源无线温升传感器1，所述配电网变压器的无源无线温升传感器1至少包括：

温差能量转换单元11、温差电动势采样单元12、信号处理单元13、无线发送单元14以及电能稳定单元15。

如图1所示，所述温差能量转换单元11将环境温度与变压器内的待测温度的温差转换为电能。

具体地，在本实施例中，所述温差能量转换单元11包括半导体温差电池组，所述半导体温差电池组的两端通过导线连接形成回路；所述半导体温差电池组的一端作为热端，放置于所述变压器的待测温度中；所述半导体温差电池组的另一端作为冷端，放置于所述环境温度中；所述温差能量转换单元11基于塞贝克效应，通过所述待测温度与所述环境温度的温差产生直流电。

如图1所示，所述温差电动势采样单元12连接于所述温差能量转换单元11的输出端，对所述温差能量转换单元11输出的电能进行采样。

具体地，在本实施例中，所述温差电动势采样单元12为模数转换器，其他任意可实现采样功能的电路均适用于本发明，不以本实施例为限。

如图1所示，所述信号处理单元13连接于所述温差电动势采样单元12的输出端，根据所述温差电动势采样单元12输出的温差电动势采样信号计算对应的温升。

具体地，在本实施例中，所述信号处理单元13采用微处理器实现。所述信号处理单元13包括温度转换模块131及温度量化模块132。所述温度转换模块131接收所述温差电动势采样单元输出的温差电动势采样信号，根据所述温差电动势与温升之间的关系将采样到的温差电动势转换为对应的温升。所述温度量化模块132连接于所述温度转换模块131的输出端，将所述温度转换模块131输出的温升进行量化，在本实施例中，所述温度量化模块132为模数转换器，通过模数转换将计算得到的温升转化为温差数据信号(所述数据信号为数字信号)。所述信号处理单元13输出端的温差数据信号直接与变压器的温升有关，可直观反映变压器的温度变化。

如图1所示，所述无线发送单元14连接于所述信号处理单元13的输出端，对所述信号处理单元13输出的温差数据信号进行传输，对变压器的温升实现实时监测。

如图1所示，所述电能稳定单元15连接于所述温差能量转换单元11的输出端，将所述温差能量转换单元11输出的电能转化为稳定的电源电压，为所述温差电动势采样单元12、所述信号处理单元13及所述无线发送单元14供电。

具体地，所述电能稳定单元15包括升压模块及稳压模块；所述升压模块接收所述温差能量转换单元11输出的电能，将所述电能的电压升高，以获得所述电源电压。所述稳压模块连接于所述升压模块的输出端，用于稳定所述电源电压并控制供电方向，在本实施例中，通过整流桥实现稳压和控制供电方向，其他可实现稳压或控制供电方向的电路均适用于本发明，在此不一一赘述。

所述配电网变压器的无源无线温升传感器1利用变压器顶层的油温作为热端，周围环境温度作为冷端，两端之间的差值，形成温差供电条件，对传感器进行供电，解决传感器的供电问题以及电池的老化问题；利用稳压电路输出稳定的供电电压，为传感器提供稳定的供电环境；利用无线射频电路解决现场布线复杂，解决数据实时传输的问题；利用对温差电动势的采样，通过温差电动势与温升之间的线性关系，计算出变压器的温升数值，通过此温升数值实时反映变压器的健康状态；利用整流桥的基本原理，解决传感器本身的供电方向问题；利用热电效应，由温差产生电压的方式进行能量的收集和转化为电能，通过此电能对传感器进行供电。

所述配电网变压器的无源无线温升传感器1的工作原理如下：

步骤S1：所述温差能量转换单元11将环境温度与变压器内的待测温度的温差转换为电能。

具体地，本发明基于热电效应可直接将温差(热能)转换成电能，只要存在温差就能产生相应电压。变压器顶层油温与环境温度存在较大的温差，利用温差-电技术可将温差转化为电能；所述电能中包含温差的信息，同时又以电的形式存在。将两种半导体结合，并使其一端处于变压器的高温状态(热源)T1，而另一端处于低温状态(冷源)T2，由此在热端和冷端会产生一定的电动势。在本实施例中，藉由半导体温差电池组实现温差与电能的转换，半导体温差电池组的两端通过导线连接形成回路；所述半导体温差电池组的一端作为热端，放置于所述变压器的待测温度中；所述半导体温差电池组的另一端作为冷端，放置于所述环境温度中，输出的直流电与环境温度和变压器内的待测温度的温差有关。

步骤S2：对所述电能进行采样，以得到温差电动势采样信号。

具体地，在本实施例中，采用模数转换的方式对所述电能进行采样，进而获取所述温差电动势采样信号。

步骤S3：根据所述温差电动势采样信号计算对应的温升，并将计算得到的温升转化为温升数据信号。

具体地，对所述温差电动势进行采样，采用均值方差的方式计算对应温升，并将温升进行模数转换以得到所述温升数据信号；其中，所述温升与所述温差电动势满足如下关系式：

E＝α(T1-T2)，

E为温差电动势，α为常数，T1为所述待测温度(热端)，T2为所述环境温度(冷端)。

步骤S4：将所述温升数据信号以无线方式进行实时传输。

步骤S5：将所述环境温度与所述变压器内的待测温度的温差产生的电能转化为电源电压，用以供电。

具体地，半导体温差电池组产生的电压较小，需要采用升压电路实现升压，满足传感器的供电要求；因此，在本实施例中，通过所述升压模块将所述温差能量转换单元11输出的电能放大，进而获得所述电源电压。

具体地，由于很难将环境温度(冷端的温度)控制在一个固定值，则所述温差能量转换单元11两边的温差不稳定，导致输出电压也会不稳定，因此需经过稳压后才能为传感器内其他模块进行供电。在本实施例中，所述稳压模块通过整流桥进行电压稳定和方向限定，以作为电源电压提供内部供电，避免使用外置电源、避免经常更换电源所带来的安全隐患。

步骤S1～S5仅用于区分步骤，对步骤的先后顺序没有限定作用。

本发明提供一种配电网变压器的无源无线温升传感器及温升检测方法，通过本身温差产生的电能为传感器的运行过程供电，进而实现长时间无间断的对变压器的温度进行检测并回传，使得变压器的热效应更加凸现更加全面，进而全面评价变压器的健康状态；同时，温度检测不通过外部的温度传感器，而是通过本身温差电动势计算变压器温升的数值，直接获取温升，便于对变压器的性能进行评估；此外，本发明采用无线通讯，无需进行通讯数据线的布线、通信简便、检测精度高。

综上所述，本发明提供一种配电网变压器的无源无线温升传感器及温升检测方法，包括：基于温差能量转换单元将温差转换为电能；基于温差电动势采样单元对电能采样；基于信号处理单元根据温差电动势计算对应的温升；基于无线发送单元实时传输温差数据信号；基于电能稳定单元将温差产生的电能转化为电源电压，以此供电。本发明提供一种配电网变压器的无源无线温升传感器及温升检测方法，通过本身温差产生的电能为传感器的运行过程供电，进而实现长时间无间断的对变压器的温度进行检测并回传，使得变压器的热效应更加凸现更加全面，进而全面评价变压器的健康状态；同时，温度检测不通过外部的温度传感器，而是通过本身温差电动势计算变压器温升的数值，直接获取温升，便于对变压器的性能进行评估；此外，本发明采用无线通讯，无需进行通讯数据线的布线、通信简便、检测精度高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种配电网变压器的无源无线温升传感器，其特征在于，所述配电网变压器的无源无线温升传感器至少包括：

温差能量转换单元、温差电动势采样单元、信号处理单元、无线发送单元以及电能稳定单元；

所述温差能量转换单元将环境温度与变压器内的待测温度的温差转换为电能；

所述温差电动势采样单元连接于所述温差能量转换单元的输出端，对所述温差能量转换单元输出的电能进行采样；

所述信号处理单元连接于所述温差电动势采样单元的输出端，根据所述温差电动势采样单元输出的温差电动势采样信号计算对应的温升；

所述无线发送单元连接于所述信号处理单元的输出端，对所述信号处理单元输出的温差数据信号进行传输；

所述电能稳定单元连接于所述温差能量转换单元的输出端，将所述温差能量转换单元输出的电能转化为稳定的电源电压，为所述温差电动势采样单元、所述信号处理单元及所述无线发送单元供电。

2.根据权利要求1所述的配电网变压器的无源无线温升传感器，其特征在于：所述温差能量转换单元包括半导体温差电池组，所述半导体温差电池组的两端相连形成回路；所述半导体温差电池组的热端置于所述变压器的待测温度中、冷端置于所述环境温度中，通过所述待测温度与所述环境温度的温差产生直流电。

3.根据权利要求1所述的配电网变压器的无源无线温升传感器，其特征在于：所述温差电动势采样单元为模数转换器，通过模数转换实现采样。

4.根据权利要求1所述的配电网变压器的无源无线温升传感器，其特征在于：所述信号处理单元包括温度转换模块及温度量化模块；所述温度转换模块接收所述温差电动势采样单元输出的温差电动势采样信号，将所述温差电动势采样信号转换为对应的温升；所述温度量化模块连接于所述温度转换模块的输出端，将所述温度转换模块输出的温升进行量化以得到所述温升数据信号。

5.根据权利要求1所述的配电网变压器的无源无线温升传感器，其特征在于：所述电能稳定单元包括升压模块及稳压模块；所述升压模块接收所述温差能量转换单元输出的电能，将所述电能的电压升高，以获得所述电源电压；所述稳压模块连接于所述升压模块的输出端，用于稳定所述电源电压并控制供电方向。

6.根据权利要求5所述的配电网变压器的无源无线温升传感器，其特征在于：所述稳压模块包括整流桥。

7.一种配电网变压器的无源无线温升检测方法，其特征在于，所述配电网变压器的无源无线温升检测方法至少包括：

将环境温度与变压器内的待测温度的温差转换为电能；

对所述电能进行采样，以得到温差电动势采样信号；

根据所述温差电动势采样信号计算对应的温升，并将计算得到的温升转化为温升数据信号；

将所述温升数据信号以无线方式进行传输；

将所述环境温度与所述变压器内的待测温度的温差产生的电能转化为电源电压，用以供电。

8.根据权利要求7所述的配电网变压器的无源无线温升检测方法，其特征在于：利用热电效应，藉由变压器中的待测温度与环境温度形成闭合回路产生电流，进而产生温差电动势。

9.根据权利要求7所述的配电网变压器的无源无线温升检测方法，其特征在于：所述配电网变压器的无源无线温升检测方法进一步包括：对所述温差电动势进行采样，采用均值方差的方式计算对应温升，并将温升进行模数转换以得到所述温升数据信号。

10.根据权利要求7或9所述的配电网变压器的无源无线温升检测方法，其特征在于：所述温升与所述温差电动势满足如下关系式：

E＝α(T1-T2)，

其中，E为温差电动势，α为常数，T1为所述待测温度，T2为所述环境温度。

11.根据权利要求7所述的配电网变压器的无源无线温升检测方法，其特征在于：所述配电网变压器的无源无线温升检测方法进一步包括：对所述电能进行升压以获得电源电压，基于整流桥对所述电源电压进行稳压并控制所述电源电压的供电方向。