摘要：电力设备在长期高压、过载运行中会导致接触点温度过高，氧化腐蚀发生爆炸、火灾等安全事故，造成严重的生命财产损失。随着科技的发展，无源无线测温传感器应运而生。当高压设备因过载运行或接点氧化、接触不良时，往往引起高压设备有关部分温度的上升，过热会导致绝缘老化甚至烧毁绝缘材料，造成短路故障和重大经济损失。因此在线监测接点的温度显得相当重要，当其超过某一设定值或三相温度不平衡时，发出本地和远程报警信号，提示生产维护人员及时发现故障前兆，对高压电力设备和电力系统的安全稳定运行具有非常重要的意义。无源无线温度传感器，正是基于环境能量收集型的自供电无线温度传感器。真正意义上实现了免维护、自供电、高精度、超低功耗、电气隔离、实时温度监测。
关键词：电力；无源；无线；温度监测；防护。
1 研究的背景及意义
电力系统无源无线传感防护技术是为减轻人工巡检的负担，实现电力设备温度的实时监测、提前报警而开发的实时温度监测系统。发电厂、变电站等系统中的各类型电力设备是保证电力系统安全运行的重要环节，以中低压开关柜和环网柜为例，这些设备经常会因为发热而引起设备烧毁或突然停电等事故的产生，造成重大安全事故或经济损失。现代电力系统对电能质量的要求越来越高，相应的对相关电力设备运行的可靠性也提出了更高的要求。同时，随着传感器技术、信号处理技术、计算机技术、人工智能技术的发展，是的电力设备运行状态的在线监测与及时发现故障并对累积性故障做出预测成为可能。它对于保证电力设备的正常运行，减少维修次数，提高电力系统运行的可靠性和自动化程度都具有重要意义。在设备长期运行过程中，电力设备中的触点和母排连接处等部位因老化或者接触电阻过大而发热，或母线与触点在载流过大时经常出现温升过高，是相邻的绝缘不见性能优劣，而这些发热部位的温度不发监测，由此最终导致击穿甚至火灾而造成事故。电器设备的外部热鼓掌主要是指裸露接头由于压接不良等原因，在大电流作用下，接头温度升高，接触电阻增大，恶性循环在成隐患，此类故障占外部故障的百分之九十以上。统计近几年来检测到的外部热故障的几千个数据，可以看到线夹和刀闸触头的热故障占整个外部热故障的百分之七十左右。电器设备内部热故障的特点是故障点密封在绝缘材料或者外金属壳中，其发热时间长且较稳定，与故障点周围道题或绝缘材料发生热传递，使局部温度升高，因此可以通过检测其周围材料的温升来诊断电器设备的内部故障。根据电力事故分析，电气设备过热故障可能引起火灾导致大面积设备烧毁，造成被迫停电，短时间内无法恢复生产，造成重大经济损失。为预防和杜绝此类事件的发生，提高供电的可靠性，减少停电时间和停电次数，保证用户长期、稳定、安全的用电，有必要设计出能够实时监测并记录电力设备关键点的温度变化的监测系统，预测可能引起火灾或设备故障在成的局部过热的情况，为现场设备的安全运行提供可靠保证。同时又可以作为电气设备故障的温度记录器，能在设备故障发生之前发出报警及检修建议，让管理人员及时发现故障前兆，提前采取防患措施，将定期检查转变为按需检查，从而减少大量的人力物力投入，实现电器设备的在线温度监测是保证电力供应与分配过程的重要手段。
2 常规电力设备温度监测技术的研究现状
开关柜作为供配电系统中使用较为频繁的柜体，其触头以及母线等均处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境中。电力设备在线监测技术为当前及时发现电力设备的局部过热点位置、检查运行线路绝缘状态、计算导体载流量的首选措施。具体包括故障检测、绝缘检测、电流检测以及温度监测。而导体的温度最能直接反映出电缆是否正常运行，导体自身电阻所引起的损耗与流过导体的电流平方成正比，这个损耗会通过热量表现出来，而除导体的功率损耗外，表面氧化、器件松动以及交替电压也会引起介质损耗，这些损耗都会对导体的温升产生影响。
基于以上存在的现场情况，需要建立一套完整的、可靠的，针对电力设备的实时温度监测系统，传统的测温方式主要包括点式温度传感技术、基于热效应的电气设备在线监测技术、线式温度传感技术、为有源有线的方式以及光纤传感器技术等，这一类的测试设备探头需要现有的电源供应，且其通讯的方式为有线连接。整体的工作方式可以概括为有源有线方式，这一类测试设备虽然具有较高的测试精度，但受其较为复杂的供电线路和通讯线路等的影响，导致了各类型传感器安装位置存在局限性，且数据传输方式受局部限制。在此基础上，衍生出了无源无线实时温度监测方案。该监测方案去除了传统测试设备中所需的电源和通讯线的影响，并对相关器件进行微型化，使得原有的不便于安装的测试点位可以得到覆盖，满足了各类型电气设备的全点位测试需求。
3 多种无源无线测试方案对比
目前市面上的无源无线测温方式主要可以分为三大类，第一类是无电池感应取电（CT/EH/PT取点），该测试设备采用接触式测试，传感器自身不含电池，其工作能源来自于传感器与其所在的被检测器件之间产生的电势差，驱动传感器进行正常工作，并将测试获取的数据信息通过无线通讯的方式进行发送。该方案虽然实现了无源无线监测功能，但由于其通信模块工作温度的限制，其所测试的温度范围不超过85摄氏度，且在高压环境下，其储能模块也存在一定的安全隐患。
此外还有声表面波无源无线测温技术（SAW），该方案同样不含有电池，且不具备IC电路，体积小、重量轻、安装简易，其所测试的温度范围比前者要大。但此类型的传感距离极短，由于SAW温度传感器本质上是一个谐振频率与温度成一定关系的谐振器，当空中的电磁波与它的谐振频率吻合时将引起震荡并反射出一个同样频率的电磁波信号。为保证谐波信号的正常接收，该类型传感器需要放置到较为空旷的环境下才能够正常工作，能够测试的点位收到局限。而且，如果不采取抗干扰措施，电气设备外部的超高频同频信号（通常来源于对讲机、变电站内其他无线通信设备等）会对温度测量产生影响，造成误报。
以上两种无源无线监测方案都因为自身技术的局限性而导致了其应用范围收到限制，需要考虑的相关问题基本包括去电方式、通讯方式、安装位置、通讯距离、耐温值以及功耗情况等等。基于无源超高频RFID技术开发的电力无源温度监测系统，为电力设备提供部署灵活、安全免维护的在线温度实时监测方案。提供及时的隐患预警、故障报警，助力电网安全运行。无源超高频RFID温度传感标签，测温范围广，不带电池，无源测温的特点。标签基于特殊的基材和天线设计，可以在包括金属表面在内的绝大多数应用场景下有良好工作，并具有耐受超过220℃环境温度的耐温性能。在完全不影响电力设备绝缘和安全性的前提下，实现电力设备关键结点实施温度监控的需求。该方案具有无源无线、实时失效、数据稳定、安装便捷、测温范围广、可耐220℃高温、运维成本低等特性，从真正意义上解决了传统电力系统中的高压开关柜、环网柜、高压线缆接头、刀闸开关等重要设备，在长期运行中可能出现设备老化，表面氧化、腐蚀，紧固螺栓松动等相关问题。传统电力设备长期高负荷运行，容易引发温度异常。如不及时发现处理，可能引起熔融、燃烧甚至爆炸等安全事故。另一方面，电力设备的电气特性要求监测系统以无源无线的方式采集温度，同时要求监测系统可对设备关键节点（如母排、动静触头、堵头等）温度进行实时记录并在大数据分析基础上进行安全预警。
4 系统架构
无源超高频RFID温度监测系统主要由读写器、读写器天线、测温标签，以及监测终端组成。读写器通过读写器天线向测温标签发出超高频射频信号，测温标签接收到信号之后开始工作，在被识别的同时，反馈其所处环境的温度值，读写器天线接收到相关信号，并传送至读写器，读写器对相关数据进行收集整理，并最终展示在监控终端界面。其系统架构如图所示：
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实物结构如图所示：
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5 小结
通过类比可知，无源超高频RFID温度监测系统的整体性能远优于其他类型的监测方案，它不仅改变了常规传感器的监测方式，更由于普通无源无线监测方案，传感器标签的微型化，可以满足更多的测试环境，使传统工作中部分点位无法测温的问题得到解决。同时，对应的读写器支持MODBUS RTU协议，支持多种安装方式，配置灵活，可同时监控多台设备，相关数据的实时上传于自定义预警值，替换了常规条件下人为巡检的工作量，大大减小了电力系统的运维成本，同时又提高了系统运行的稳定性，是一种值得大面积推广的新型系统防护技术。
论文作者:童永强1,朱卫东2,皇甫伟刚3,韦方正1,朱瀛1
论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期
论文发表时间:2020/5/6