一种基于 UHF RFID 无源无线测温技术及其应用.pdf

RURAL ELECTRIFICATION一种基于 UHF RFID 无源无线测温技术及其应用谭志勇*，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）摘要：针对配电设备点多、面广且易因过热导致引发严重事故的现状，设计了一种基于UHF RFID 无源无线温度监测系统，阐述了该无源无线温度监测技术的工作原理及技术指标，并对其测温精度进行了验证，测试结果表明测温精度优于规范要求；设计了一种典型的无源无线温度监测系统架构，并通过研究电力设备的结构特点以及传感器结构形态，对两者进行了适配性设计，满足不同配电设备的测温需求；最后通过几个实际应用案例验证了该种测温技术优越性以及实用性。关键词：测温装置；无源无线传感器；配电设备；射频识别；在线监测中图分类号：TM835A Passive Wireless Temperature Measurement Technology Based onUHF RFID and Its ApplicationTANZhiyong*,XIARui,WANGYuanyuan,YANGHaijun(ChangyuanCo-createElectricPowerSafetyTechnologyCo.,Ltd.,GuangdongZhuhai519085,China)Abstract:Inviewofthecurrentsituationthatpowerdistributionequipmenthasmanypoints,wideareasandiseasytocauseseriousaccidentsduetooverheating,thispaperdesignsapassivewirelesstemperaturemonitoringsystembasedonUHFRFID,describestheworkingprincipleandtechnicalindicatorsofthepassivewirelesstemperaturemonitoringtechnology,andverifiesitstemperaturemeasurementaccuracy.Thetestresultsshowthatthetemperaturemeasurementaccuracy is better than the specification requirements;A typical passive wireless temperature monitoring systemarchitectureisdesigned,andthroughthestudyofthestructuralcharacteristicsofpowerequipmentandthestructuralformofsensors,theadaptivedesigniscarriedouttomeetthetemperaturemeasurementrequirementsofdifferentpowerdistributionequipment;Finally,theadvantagesandpracticabilityofthistemperaturemeasurementtechnologyareverifiedthroughseveralpracticalapplicationcases.Keywords:temperature measuring device;passive wireless sensor;power distribution equipment;RFID;onlinemonitoring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收稿日期：20221107DOI:10.13882/ki.ncdqh.2023.08.010Operation&Maintenance|运行维护2023 年第 8 期 总第 435 期 43RURAL ELECTRIFICATION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 UHFRFID 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1.1UHFRFID 测温技术UHFRIFD 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。天线传感器传感器传感器采集器能量和信号实时温度数据图 1UHF RFID 测温原理1.2UHFRFID 测温技术指标温度传感器（1）接收距离：2m；（2）测量温度：40C+150C；（3）测量精度：40C100C 时误差 1C，100150 时误差 2C；（4）最高耐受温度：最高耐受温度为 155C可运行 2h；且最高耐受温度为 250C 时可运行 4s；（5）测量分辨率：0.1C；（6）数据更新时间：最小 1s，可调节；（7）工作频率：920925MHz。（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、150C，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开关状态表设定温度温度计传感器A传感器A误差传感器B传感器B误差-40-40.0-40.79-0.79-39.220.78-20-20.0-20.53-0.53-19.570.4300.90.41-0.491.260.362020.020.220.2220.890.894040.040.440.4440.620.626060.060.080.0860.530.538585.084.81-0.1984.92-0.08100100.099.07-0.9399.07-0.93125125.8128.22-0.28127.24-1.26150152.5153.10.6151.85-0.65从表 1 可以看出40100C 的误差在1C 以内，其他范围误差在2C，测温精度优于文献 13中 085C 误差不大于2C，85125C 误差不大于4C 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。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UHFRFID 温度传感器从外部结构上看，包括谭志勇等：一种基于 UHF RFID 无源无线测温技术及其应用44 2023 年第 8 期 总第 435 期RURAL ELECTRIFICATION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。陶瓷传感器PCB传感器PCB柔性传感器图 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。音叉式传感器安装实例图 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。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、静触头表面电力光纤、专网等通信网移动应用服务器温度在线监测系统站端监测终端采集器采集器采集天线采集天线温度传感器温度传感器开关柜N#电力专网、4G等图 2无源无线温度在线监测系统架构Operation&Maintenance|运行维护2023 年第 8 期 总第 435 期 45RURAL ELECTRIFICATION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。触头式传感器安装实例图 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。绑扎式传感器安装实例图 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 UHFRFID 传感器可以设计成柔性的，也可以体积非常小（例如 10mm5mm3mm，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 35kV 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 10kV 高压设备、0.4kV 低压设备及直流设备等。图 9 为安装在列头螺母传感器安装实例图 5螺母传感器及安装实例图 9列头柜安装实例谭志勇等：一种基于 UHF RFID 无源无线测温技术及其应用46 2023 年第 8 期 总第 435 期RURAL ELECTRIFICATION柜熔丝接点处，该设备为 48V 直流设备，无法用感应取电等方式进行温度监测，UHFRFID 测温技术无须取电，且可以利用螺栓进行带电无损安装。5结束语UHFRFID 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。参考文献漆灿，李庆武，郑云海，等.基于智能视觉物联网的变电站红外监测系统J.电力系统保护与控制，2018,46(15)：135141.1叶日新，赵新志，窦小晶，等.基于红外测温技术的500 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日，人民日报刊发辽宁长海县完善电力设施，满足发展需求电缆通海岛供电更可靠，以图文形式报道国家电网公司持续完善辽宁大连长海县电力设施，提高海岛供电可靠性，满足海岛发展用电需求。早晨的辽东半岛，雾锁海面。辽宁大连长海县大长山岛北砣湾口，一艘海缆敷设船停泊于此。浮筏包裹着海缆，在“突突”的马达声中，被渔船缓缓牵引向岸边。这是记者近日在大连 66kV普兰店城子坦至长海县海缆敷设工程现场看到的场景。“这条海缆长约 20km，截面积更大，投用后能将海岛输电能力提升 1 倍以上。”国网大连长海供电公司海缆专责李广介绍，长海县设立后，曾经靠汽油机、柴油机发电。43 年前，电力部门在这片海域敷设海缆，为长海县群众带来了期盼已久的稳定电源。如今，新工程预计 9 月末投运，将对提高海岛供电可靠性、满足海岛发展用电需求发挥重要作用。电力设施的完善，不仅提高了海岛居民生活水平，还加快了当地经济社会发展。据统计，长海县售电量从 1980 年的不足 500 万 kWh，增长到 2022 年底的 2.13 亿 kWh。2022 年，长海县财政收入达 4.8 亿元，农村居民人均可支配收入约 4 万元。信息来源：国家电网公司Operation&Maintenance|运行维护2023 年第 8 期 总第 435 期 47