谭志勇，夏 锐，王媛媛，杨海军

（长园共创电力安全技术股份有限公司，广东 珠海 519085）

配电设备点多面广，包含有大量的开关柜、环网柜等设备。这类设备含有断路器可以移动的部件，断路器频繁合闸、分闸导致动、静触头表面镀银层破损，表面氧化等易造成发热异常；还有一些重要的接头比如电缆接头、母排连接头等，其螺栓松动或者装配不良等也会有发热的风险。由于开关柜、环网柜等采用金属封闭，不能用手持红外仪器对其发热情况进行有效检测，易发展成严重的停电事故。因此，研究对开关柜、环网柜等设备的温度监测具有重大意义。

国内外学者对配电设备温度监测的研究已有不少成就，部分产品应用到市场已经多年。其中红外测温技术[1-3]在电力行业应用非常广泛，研究较多，在敞开式设备和输电线路运维方面取得了很好的效果，但GIS 和开关柜等封闭式结构的电力设备应用效果有限。有源无线测温技术[4]在早期得到了一定应用，但含电池的传感器存在体积较大、电池寿命有限等缺点，其在配电设备温度监测应用逐渐较少，但在对于不方便取电的高压直流设备的温度监测还有一定的应用价值。文献[5-7]中介绍了一种感应取能的测温技术，该种测温利用电磁感应原理从运行设备取得能量，驱动测温元件进行测温，传感器的调试需要一次设备带电或者给一次设备加电流，且其感应元件也易出现磁饱和以及发热现象。文献[8-10]阐述了一种基于光纤测温技术的在线监测系统，光纤测温为线式测温，在高压电缆测温中有独特的优势，应用较多。因其与一次设备带电部分通过光纤连接，随着设备运行，灰尘、凝露或其自然老化存在爬电的风险，且其安装复杂，在配电设备上应用不多。文献[11-12]介绍了一种基于声表面波的温度监测技术，该技术的优点是无源无线，其不同的传感器通过不同的频段区分，没有独立的ID，现场安装温度须要校准，测温的准确性和安装的便利性不佳。

本文设计了一种UHF RFID 的温度在线监测系统，测温传感器利用射频感应取电、无线传输，且体积小，结构设计多样，每只传感器都有独立的ID，在配电设备测温领域有很好的推广应用价值。

1 原理及验证

1.1 UHF RFID 测温技术

UHF RIFD 测温装置由测温传感器、温度采集器、天线组成。具体的工作原理如图1 所示，采集器利用射频天线发射超高频电磁波，温度传感器从电磁波中获得能量且接收采集器的测温指令，温度传感器调制能量用反向散射来返回调制的信号（包含实时传感数据），采集器则将数据进行解析、处理和上传。

图1 UHF RFID 测温原理

1.2 UHF RFID 测温技术指标

温度传感器

（1）接收距离： ≥ 2 m；

（2）测量温度：-40 °C～+150 °C；

（3）测量精度：-40 °C～100 °C 时误差 ≤ ±1 °C，100～150 时误差 ≤ ±2 °C；

（4）最高耐受温度：最高耐受温度为155 °C可运行2 h；且最高耐受温度为250 °C 时可运行 ≥ 4 s；

（5）测量分辨率：0.1 °C；

（6）数据更新时间：最小1 s，可调节；

（7）工作频率：920～925 MHz。

（8）取电方式：射频无源取电工作模式。

1.3 测温精度验证

为验证温度传感器温度测试精度，将传感器A和B 放置于高低温箱中分别设定温度为-40、-20、0、20、40、60、85、100、125、150 °C，并以高精度温度仪器为标准，测试传感器的测量精度，测试结果如表1 所示。

表1 开关状态表℃

从表1 可以看出-40～100 °C 的误差在±1 °C 以内，其他范围误差在±2 °C，测温精度优于文献[13]中0～85 °C 误差不大于±2 °C，85～125 °C 误差不大于±4 °C 的要求。

2 无源无线测温系统架构设计

温度监测装置应用时可经站、房的智能网关，接入电网公司物联网在线监测平台[14-15]，也可自成系统。本项目设计了一种独立组网的无源无线温度在线监测系统，具体架构系统如图2 所示。

图2 无源无线温度在线监测系统架构

无源无线温度监测装置由温度传感器、采集天线、采集器组成，负责温度的采集以及温度数据上送等功能；站端的监测终端则负责对站内数据的分析、展示；服务器主要作用是部署温度在线系统及存储温度监测数据；温度监测平台则负责对整个系统内的温度数据统计、分析、展示、报警等。

3 温度传感器应用设计

3.1 温度传感器形态

UHF RFID 温度传感器从外部结构上看，包括测温芯片和天线2 部分。天线的设计可以采用陶瓷体、PCB 以及柔性FPC 材料，因此温度传感器可以根据不同的应用场景设计不同的形态。如图3 为几种常用的温度传感器。

图3 温度传感器的几种形态

3.2 电力测温传感器设计

电力设备温度传感器的设计，最重要的是要解决绝缘问题，RFID 无源无线温度传感器在这一方面有天然优势；其次要解决安装问题，这方面须要深入研究被测电力设备的结构特点进行适配性设计，本文针对不同的应用场景设计了多种不同的温度传感器。

3.2.1 音叉式传感器

电力设备大部分连接都采用螺母和螺栓固定，如开关柜内电缆接头，该连接处由于安装不牢固或者长时间运行后出现松动，接触电阻变大，造成异常发热。针对该部分测温设计了音叉式传感器，音叉式传感器利用原设备的螺母固定，安装牢固且不影响绝缘距离，音叉式传感器实物和安装图如图4所示。

图4 音叉传感器及安装实例

3.2.2 螺母式传感器

环网柜T 电缆头绝缘层很厚，且该部分是电缆的接头因过热烧毁事故频发[16]，其温度监测一直是业界难题，采用感应式取电测温技术方案，将传感器安装于绝缘层外部，无法测量电缆头内部温度。本文设计了一种测温传感器和电缆头紧固螺母一体的新型传感器，该新型传感器实现了对电缆头内部温度的直接监测。该传感器的示意图和安装实例图如图5 所示。

图5 螺母传感器及安装实例

3.2.3 触头式传感器

开关柜断路器触头是开关柜中唯一可以移动的部件，断路器频繁合闸、分闸导致动、静触头表面镀银层破损，表面氧化等易造成发热异常。本方案根据动触头触指特点设计了一种可以直接固定在触头上的专用传感器，示意图和安装示意图如图6 所示。

图6 触头传感器及安装实例

3.2.4 绑扎式传感器

电力设备中有部分温度监测点为圆形或者无螺栓等可以用来固定传感器，如断路器的触臂、母排以及电缆本体等。本方案设计了一种绑扎式传感器，可用绝缘硅胶带等将传感器固定于须要进行温度监测的点，示意图和安装示意图如图7 所示。

图7 绑扎传感器及安装实例

上述4 种传感器都是针对改造或者后装市场，实际上由于UHF RFID 传感器可以设计成柔性的，也可以体积非常小（例如10 mm × 5 mm × 3 mm，也可更小），且传感器的寿命与一次设备同寿命，在预装市场可以将传感器与一次设备进行融合设计，例如可以将传感器和一次设备浇筑在一起，也可以将传感器内嵌于设备的金属部分。

4 现场应用

4.1 开关柜智能化监测项目

2021 年8 月-2022 年9 月，配合某成套开关柜对35 kV 开关柜动触头进行了温度监测。项目采用了触头式温度传感器，实际安装效果图如图8 所示。传感器安装于开关柜的动触头的触指上，温度监测非常直接、精准。安装测温传感器的开关柜通过了型式试验中雷击、耐压、局放、凝露等各项严苛的试验的考验，顺利地拿到了试验报告。验证了测温系统本身性能的同时，也验证了测温系统安装于开关柜上不影响一次设备的性能。

图8 开关柜安装实例

4.2 云南某公司测温项目

2022 年7 月，在云南曲靖某电信公司配电室安装了本测温系统，主要被测设备为10 kV 高压设备、0.4 kV 低压设备及直流设备等。图9 为安装在列头柜熔丝接点处，该设备为48 V 直流设备，无法用感应取电等方式进行温度监测，UHF RFID 测温技术无须取电，且可以利用螺栓进行带电无损安装。

图9 列头柜安装实例

5 结束语

UHF RFID 无源无线温度监测技术，具有不影响一次设备的绝缘性能、可以直接测量一次设备的金属部分、无须向被测设备取能等特点，在解决开关柜、环网柜以及直流设备的温度监测，有独特的优势。

该测温技术具有反应灵敏、测温精度高的特点。

传感器体积小、形态多变，其应用场景及应用方式可以多种多样，发展前景好。