譚志勇，夏 銳，王媛媛，楊海軍

（長園共創(chuàng)電力安全技術股份有限公司，廣東 珠海 519085）

配電設備點多面廣，包含有大量的開關柜、環(huán)網(wǎng)柜等設備。這類設備含有斷路器可以移動的部件，斷路器頻繁合閘、分閘導致動、靜觸頭表面鍍銀層破損，表面氧化等易造成發(fā)熱異常；還有一些重要的接頭比如電纜接頭、母排連接頭等，其螺栓松動或者裝配不良等也會有發(fā)熱的風險。由于開關柜、環(huán)網(wǎng)柜等采用金屬封閉，不能用手持紅外儀器對其發(fā)熱情況進行有效檢測，易發(fā)展成嚴重的停電事故。因此，研究對開關柜、環(huán)網(wǎng)柜等設備的溫度監(jiān)測具有重大意義。

國內(nèi)外學者對配電設備溫度監(jiān)測的研究已有不少成就，部分產(chǎn)品應用到市場已經(jīng)多年。其中紅外測溫技術[1-3]在電力行業(yè)應用非常廣泛，研究較多，在敞開式設備和輸電線路運維方面取得了很好的效果，但GIS 和開關柜等封閉式結構的電力設備應用效果有限。有源無線測溫技術[4]在早期得到了一定應用，但含電池的傳感器存在體積較大、電池壽命有限等缺點，其在配電設備溫度監(jiān)測應用逐漸較少，但在對于不方便取電的高壓直流設備的溫度監(jiān)測還有一定的應用價值。文獻[5-7]中介紹了一種感應取能的測溫技術，該種測溫利用電磁感應原理從運行設備取得能量，驅動測溫元件進行測溫，傳感器的調試需要一次設備帶電或者給一次設備加電流，且其感應元件也易出現(xiàn)磁飽和以及發(fā)熱現(xiàn)象。文獻[8-10]闡述了一種基于光纖測溫技術的在線監(jiān)測系統(tǒng)，光纖測溫為線式測溫，在高壓電纜測溫中有獨特的優(yōu)勢，應用較多。因其與一次設備帶電部分通過光纖連接，隨著設備運行，灰塵、凝露或其自然老化存在爬電的風險，且其安裝復雜，在配電設備上應用不多。文獻[11-12]介紹了一種基于聲表面波的溫度監(jiān)測技術，該技術的優(yōu)點是無源無線，其不同的傳感器通過不同的頻段區(qū)分，沒有獨立的ID，現(xiàn)場安裝溫度須要校準，測溫的準確性和安裝的便利性不佳。

本文設計了一種UHF RFID 的溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，測溫傳感器利用射頻感應取電、無線傳輸，且體積小，結構設計多樣，每只傳感器都有獨立的ID，在配電設備測溫領域有很好的推廣應用價值。

1 原理及驗證

1.1 UHF RFID 測溫技術

UHF RIFD 測溫裝置由測溫傳感器、溫度采集器、天線組成。具體的工作原理如圖1 所示，采集器利用射頻天線發(fā)射超高頻電磁波，溫度傳感器從電磁波中獲得能量且接收采集器的測溫指令，溫度傳感器調制能量用反向散射來返回調制的信號（包含實時傳感數(shù)據(jù)），采集器則將數(shù)據(jù)進行解析、處理和上傳。

圖1 UHF RFID 測溫原理

1.2 UHF RFID 測溫技術指標

溫度傳感器

（1）接收距離： ≥ 2 m；

（2）測量溫度：-40 °C～+150 °C；

（3）測量精度：-40 °C～100 °C 時誤差 ≤ ±1 °C，100～150 時誤差 ≤ ±2 °C；

（4）最高耐受溫度：最高耐受溫度為155 °C可運行2 h；且最高耐受溫度為250 °C 時可運行 ≥ 4 s；

（5）測量分辨率：0.1 °C；

（6）數(shù)據(jù)更新時間：最小1 s，可調節(jié)；

（7）工作頻率：920～925 MHz。

（8）取電方式：射頻無源取電工作模式。

1.3 測溫精度驗證

為驗證溫度傳感器溫度測試精度，將傳感器A和B 放置于高低溫箱中分別設定溫度為-40、-20、0、20、40、60、85、100、125、150 °C，并以高精度溫度儀器為標準，測試傳感器的測量精度，測試結果如表1 所示。

表1 開關狀態(tài)表℃

從表1 可以看出-40～100 °C 的誤差在±1 °C 以內(nèi)，其他范圍誤差在±2 °C，測溫精度優(yōu)于文獻[13]中0～85 °C 誤差不大于±2 °C，85～125 °C 誤差不大于±4 °C 的要求。

2 無源無線測溫系統(tǒng)架構設計

溫度監(jiān)測裝置應用時可經(jīng)站、房的智能網(wǎng)關，接入電網(wǎng)公司物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測平臺[14-15]，也可自成系統(tǒng)。本項目設計了一種獨立組網(wǎng)的無源無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，具體架構系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 無源無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)架構

無源無線溫度監(jiān)測裝置由溫度傳感器、采集天線、采集器組成，負責溫度的采集以及溫度數(shù)據(jù)上送等功能；站端的監(jiān)測終端則負責對站內(nèi)數(shù)據(jù)的分析、展示；服務器主要作用是部署溫度在線系統(tǒng)及存儲溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)；溫度監(jiān)測平臺則負責對整個系統(tǒng)內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析、展示、報警等。

3 溫度傳感器應用設計

3.1 溫度傳感器形態(tài)

UHF RFID 溫度傳感器從外部結構上看，包括測溫芯片和天線2 部分。天線的設計可以采用陶瓷體、PCB 以及柔性FPC 材料，因此溫度傳感器可以根據(jù)不同的應用場景設計不同的形態(tài)。如圖3 為幾種常用的溫度傳感器。

圖3 溫度傳感器的幾種形態(tài)

3.2 電力測溫傳感器設計

電力設備溫度傳感器的設計，最重要的是要解決絕緣問題，RFID 無源無線溫度傳感器在這一方面有天然優(yōu)勢；其次要解決安裝問題，這方面須要深入研究被測電力設備的結構特點進行適配性設計，本文針對不同的應用場景設計了多種不同的溫度傳感器。

3.2.1 音叉式傳感器

電力設備大部分連接都采用螺母和螺栓固定，如開關柜內(nèi)電纜接頭，該連接處由于安裝不牢固或者長時間運行后出現(xiàn)松動，接觸電阻變大，造成異常發(fā)熱。針對該部分測溫設計了音叉式傳感器，音叉式傳感器利用原設備的螺母固定，安裝牢固且不影響絕緣距離，音叉式傳感器實物和安裝圖如圖4所示。

圖4 音叉?zhèn)鞲衅骷鞍惭b實例

3.2.2 螺母式傳感器

環(huán)網(wǎng)柜T 電纜頭絕緣層很厚，且該部分是電纜的接頭因過熱燒毀事故頻發(fā)[16]，其溫度監(jiān)測一直是業(yè)界難題，采用感應式取電測溫技術方案，將傳感器安裝于絕緣層外部，無法測量電纜頭內(nèi)部溫度。本文設計了一種測溫傳感器和電纜頭緊固螺母一體的新型傳感器，該新型傳感器實現(xiàn)了對電纜頭內(nèi)部溫度的直接監(jiān)測。該傳感器的示意圖和安裝實例圖如圖5 所示。

圖5 螺母傳感器及安裝實例

3.2.3 觸頭式傳感器

開關柜斷路器觸頭是開關柜中唯一可以移動的部件，斷路器頻繁合閘、分閘導致動、靜觸頭表面鍍銀層破損，表面氧化等易造成發(fā)熱異常。本方案根據(jù)動觸頭觸指特點設計了一種可以直接固定在觸頭上的專用傳感器，示意圖和安裝示意圖如圖6 所示。

圖6 觸頭傳感器及安裝實例

3.2.4 綁扎式傳感器

電力設備中有部分溫度監(jiān)測點為圓形或者無螺栓等可以用來固定傳感器，如斷路器的觸臂、母排以及電纜本體等。本方案設計了一種綁扎式傳感器，可用絕緣硅膠帶等將傳感器固定于須要進行溫度監(jiān)測的點，示意圖和安裝示意圖如圖7 所示。

圖7 綁扎傳感器及安裝實例

上述4 種傳感器都是針對改造或者后裝市場，實際上由于UHF RFID 傳感器可以設計成柔性的，也可以體積非常?。ɡ?0 mm × 5 mm × 3 mm，也可更?。?，且傳感器的壽命與一次設備同壽命，在預裝市場可以將傳感器與一次設備進行融合設計，例如可以將傳感器和一次設備澆筑在一起，也可以將傳感器內(nèi)嵌于設備的金屬部分。

4 現(xiàn)場應用

4.1 開關柜智能化監(jiān)測項目

2021 年8 月-2022 年9 月，配合某成套開關柜對35 kV 開關柜動觸頭進行了溫度監(jiān)測。項目采用了觸頭式溫度傳感器，實際安裝效果圖如圖8 所示。傳感器安裝于開關柜的動觸頭的觸指上，溫度監(jiān)測非常直接、精準。安裝測溫傳感器的開關柜通過了型式試驗中雷擊、耐壓、局放、凝露等各項嚴苛的試驗的考驗，順利地拿到了試驗報告。驗證了測溫系統(tǒng)本身性能的同時，也驗證了測溫系統(tǒng)安裝于開關柜上不影響一次設備的性能。

圖8 開關柜安裝實例

4.2 云南某公司測溫項目

2022 年7 月，在云南曲靖某電信公司配電室安裝了本測溫系統(tǒng)，主要被測設備為10 kV 高壓設備、0.4 kV 低壓設備及直流設備等。圖9 為安裝在列頭柜熔絲接點處，該設備為48 V 直流設備，無法用感應取電等方式進行溫度監(jiān)測，UHF RFID 測溫技術無須取電，且可以利用螺栓進行帶電無損安裝。

圖9 列頭柜安裝實例

5 結束語

UHF RFID 無源無線溫度監(jiān)測技術，具有不影響一次設備的絕緣性能、可以直接測量一次設備的金屬部分、無須向被測設備取能等特點，在解決開關柜、環(huán)網(wǎng)柜以及直流設備的溫度監(jiān)測，有獨特的優(yōu)勢。

該測溫技術具有反應靈敏、測溫精度高的特點。

傳感器體積小、形態(tài)多變，其應用場景及應用方式可以多種多樣，發(fā)展前景好。