開關(guān)柜溫度監(jiān)測技術(shù) 開關(guān)柜溫度傳感器系統(tǒng)

1. 開關(guān)柜溫度監(jiān)測技術(shù)對比分析

目前，應(yīng)用于開關(guān)柜溫度監(jiān)測的技術(shù)多種多樣，各有其工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用場景。選擇最合適的技術(shù)方案對于確保監(jiān)測的有效性和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。

A. 光纖溫度傳感器 (FOTS – Fiber Optic Temperature Sensors)

光纖溫度傳感器（FOTS）因其獨(dú)特的優(yōu)勢，在開關(guān)柜等強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。其核心優(yōu)勢包括：本質(zhì)安全（傳感器本身為電介質(zhì)，不導(dǎo)電，不會引發(fā)短路或電弧）、完全免疫電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）、測量精度高、耐久性好、可實(shí)現(xiàn)與帶電部件的直接接觸測量，非常適用于高電壓環(huán)境 。高質(zhì)量的光纖傳感器可在設(shè)備的全壽命周期內(nèi)（例如20年以上）可靠工作，且無需校準(zhǔn)。這些特性使其成為開關(guān)柜內(nèi)部惡劣電氣和電磁環(huán)境下，傳統(tǒng)電子傳感器可能失效或提供錯(cuò)誤讀數(shù)的理想替代方案。

1. 熒光光纖溫度傳感器 (Fluorescent Fiber Optic Temperature Sensor)

   • 工作原理：此類傳感器利用特定熒光材料（如磷化物晶體或砷化鎵GaAs半導(dǎo)體晶體）的熒光衰減時(shí)間隨溫度變化的特性進(jìn)行測溫。監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出光脈沖到光纖末端的熒光材料，激發(fā)其發(fā)光，然后精確測量熒光信號的衰減時(shí)間，該衰減時(shí)間與溫度有明確的對應(yīng)關(guān)系。
   • 優(yōu)勢：具有出色的點(diǎn)式測溫精度和長期穩(wěn)定性，測量結(jié)果對光信號強(qiáng)度的波動不敏感，通常也不受應(yīng)力和壓力的影響。這種傳感器本質(zhì)安全、測量準(zhǔn)確、可重復(fù)性好且堅(jiān)固耐用。
   • 缺點(diǎn)/局限性：主要是點(diǎn)式傳感（盡管可以通過多路復(fù)用監(jiān)測多個(gè)點(diǎn)）。歷史上成本相對較高，但隨著技術(shù)發(fā)展和規(guī)?；a(chǎn)，其成本已逐漸具有競爭力。
   • 開關(guān)柜適用性：非常適用于對開關(guān)柜內(nèi)部關(guān)鍵熱點(diǎn)（如母線連接、斷路器觸點(diǎn)）進(jìn)行連續(xù)、直接的溫度監(jiān)測，尤其是在中高壓環(huán)境中。HGSKYRAY 和 FJINNO 是該領(lǐng)域知名的供應(yīng)商。

2. 光纖布拉格光柵 (FBG) 傳感器 (Fiber Bragg Grating (FBG) Sensors)

   • 工作原理：FBG是在光纖纖芯內(nèi)形成的一種周期性折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)，它會反射特定波長（布拉格波長）的光，而讓其他波長的光透射過去。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，光纖的熱脹冷縮以及熱光效應(yīng)會導(dǎo)致布拉格波長發(fā)生漂移，通過監(jiān)測此波長漂移即可換算出溫度值。
   • 優(yōu)勢：具有良好的波分復(fù)用能力，即可以在單根光纖上刻寫多個(gè)具有不同布拉格波長的FBG傳感器，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式多點(diǎn)測量。傳感器體積小，同樣免疫電磁干擾。
   • 缺點(diǎn)：FBG傳感器對溫度和應(yīng)變都敏感，因此在進(jìn)行精確溫度測量時(shí)，需要采取一定的溫度應(yīng)變解耦措施，例如使用不受應(yīng)變的參考光柵或采用特殊的傳感器封裝設(shè)計(jì)，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。
   • 開關(guān)柜適用性：可用于開關(guān)柜內(nèi)多點(diǎn)溫度監(jiān)測。雖然應(yīng)變補(bǔ)償增加了復(fù)雜性，但在技術(shù)上是可行的。適用于需要沿某一路徑監(jiān)測多個(gè)離散點(diǎn)溫度的場合。

3. 分布式光纖溫度傳感 (DTS – 拉曼/布里淵) (Distributed Temperature Sensing (DTS – Raman/Brillouin))

   • 工作原理：
     • 拉曼散射DTS：向傳感光纖中注入激光脈沖，光在光纖中傳播時(shí)會產(chǎn)生拉曼散射。背向散射光中包含斯托克斯光（對溫度不太敏感）和反斯托KES光（對溫度高度敏感）。通過分析這兩者信號的強(qiáng)度比，可以得到沿光纖路徑上每一點(diǎn)的溫度信息。
     • 布里淵散射DTSS：除了溫度，布里淵散射還對光纖的應(yīng)變敏感。其背向散射光的頻率漂移與溫度和應(yīng)變均相關(guān)，可用于同時(shí)測量溫度和應(yīng)變。
   • 優(yōu)勢：能夠提供沿整條傳感光纖（長度可達(dá)數(shù)十公里）的連續(xù)溫度分布曲線，可以檢測和定位光纖路徑上任何位置的熱點(diǎn)。在某些條件下，標(biāo)準(zhǔn)通信光纖也可用于DTS傳感。
   • 缺點(diǎn)：與點(diǎn)式傳感器相比，DTS的空間分辨率可能較低（例如1米量級）。如果僅需監(jiān)測少數(shù)幾個(gè)特定點(diǎn)，DTS系統(tǒng)可能顯得過于復(fù)雜且成本較高。
   • 開關(guān)柜適用性：非常適用于監(jiān)測較大范圍的溫度分布，例如開關(guān)柜內(nèi)較長的母線排、電纜橋架，或整個(gè)開關(guān)柜室的環(huán)境溫度，而非針對特定的小型元件進(jìn)行精確點(diǎn)測溫。

綜合來看，光纖傳感技術(shù)，特別是熒光點(diǎn)式傳感，憑借其在安全性（高壓絕緣）、抗干擾性（強(qiáng)電磁環(huán)境適應(yīng)性）、測量方式（直接接觸帶來的高精度）和耐用性（長壽命）等方面的綜合優(yōu)勢，被認(rèn)為是監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)部關(guān)鍵的、通常是封閉的載流部件溫度的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。文獻(xiàn) 均有力支持了這一觀點(diǎn)。對于那些對可靠性和精度要求極高的關(guān)鍵內(nèi)部連接點(diǎn)，盡管初始投資可能高于某些替代方案，但FOTS應(yīng)作為首選。其長期效益，如減少故障、降低維護(hù)成本和延長設(shè)備壽命，往往能夠證明其投資的合理性。

B. 紅外 (IR) 熱成像和傳感器 (Infrared (IR) Thermography and Sensors)

• 工作原理：紅外熱成像技術(shù)是一種非接觸式測溫方法，通過探測物體表面發(fā)出的紅外輻射強(qiáng)度來確定其溫度，因?yàn)樗袦囟雀哂诮^對零度的物體都會發(fā)出紅外輻射。
• 類型：
  • 手持式紅外熱像儀：主要用于周期性的巡檢 。
  • 固定式紅外傳感器/熱像儀：可對特定區(qū)域進(jìn)行連續(xù)或半連續(xù)的在線監(jiān)測。
• 優(yōu)勢：非侵入式測量，可在設(shè)備運(yùn)行時(shí)進(jìn)行檢測，無需停電；能夠快速掃描大面積區(qū)域（適用于周期性檢查）；傳感器本身不直接接觸帶電部件，操作相對安全。
• 缺點(diǎn)：
  • 視線要求：紅外測量需要清晰的視線路徑，任何遮擋物（如開關(guān)柜的門板、絕緣隔板、絕緣護(hù)套等）都會阻礙測量。
  • 精度影響因素多：測量精度受到被測物體表面發(fā)射率、環(huán)境反射、測量距離、空氣濕度、風(fēng)速等多種因素的影響。其精度通常在 ±2°C 到 ±4°C 之間。
  • 穿透性差：紅外輻射不能穿透固體障礙物，例如，無法透過玻璃進(jìn)行測溫。雖然可以安裝紅外窗口以便于觀察，但這會增加成本并引入新的維護(hù)點(diǎn)。
  • 安裝與校準(zhǔn)：固定式紅外系統(tǒng)安裝時(shí)需要仔細(xì)對準(zhǔn)，且可能成本較高。
  • 表面溫度：主要探測物體表面溫度，內(nèi)部深層熱點(diǎn)只能通過其在表面的熱效應(yīng)間接反映。
• 開關(guān)柜適用性：
  • 周期性巡檢：手持式紅外熱像儀是進(jìn)行日常維護(hù)檢查、查找可直接觀測部件或通過紅外窗口觀察內(nèi)部組件熱狀態(tài)的極佳工具。NFPA 70B標(biāo)準(zhǔn)也推薦使用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行電氣設(shè)備檢查 。
  • 連續(xù)監(jiān)測：固定式紅外傳感器/熱像儀由于視線限制和精度問題，不太適合對開關(guān)柜內(nèi)部封閉的關(guān)鍵部件進(jìn)行連續(xù)、精確的監(jiān)測?？捎糜诒O(jiān)測開關(guān)柜外部表面溫度或開放式開關(guān)柜的內(nèi)部情況。Exertherm 和 InfraSensing 等公司提供連續(xù)紅外監(jiān)測解決方案。Teledyne FLIR 是主要的紅外熱像儀制造商。

盡管紅外熱成像對于周期性的外部掃描和識別明顯的溫度異常非常有價(jià)值，但其固有的局限性（如視線要求、發(fā)射率問題、無法穿透絕緣護(hù)套等障礙物 ⁹）使其不適合作為現(xiàn)代封閉式開關(guān)柜內(nèi)部關(guān)鍵連接點(diǎn)連續(xù)、精確監(jiān)測的唯一手段。紅外技術(shù)應(yīng)作為更廣泛的熱管理策略的一部分，通常需要與直接接觸式傳感器（如FOTS）相結(jié)合，以監(jiān)測關(guān)鍵的、不可直接觀測的內(nèi)部點(diǎn)。持續(xù)熱監(jiān)測（CTM）的趨勢表明，行業(yè)正在超越單純的周期性紅外檢查。

C. 無線溫度傳感器 (例如 SAW, RF 型) (Wireless Temperature Sensors (e.g., SAW, RF-based))

• 工作原理：將溫度傳感器（如熱敏電阻、RTD、表面聲波SAW器件等）安裝在被測部件上，傳感器通過無線方式將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到接收器或網(wǎng)關(guān)。SAW傳感器通常是無源的（無需電池供電） ⁹。
• 優(yōu)勢：安裝靈活，無需布設(shè)信號線纜，尤其便于在現(xiàn)有設(shè)備上進(jìn)行改造和加裝?？朔思t外傳感器的視線限制問題。
• 缺點(diǎn)：
  • 電磁兼容性：開關(guān)柜內(nèi)部存在強(qiáng)電磁場，無線傳感器及其通信鏈路易受EMI干擾，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或通信中斷，這是其在開關(guān)柜應(yīng)用中的主要顧慮。
  • 供電問題：有源無線傳感器依賴電池供電，電池壽命有限，需要定期更換，增加了維護(hù)工作量和成本。無源傳感器（如某些SAW器件或通過CT感應(yīng)取電的傳感器）雖然解決了電池問題，但可能在靈敏度、響應(yīng)時(shí)間或發(fā)射功率方面存在局限。
  • 信號傳輸與覆蓋：無線信號在金屬封閉的開關(guān)柜內(nèi)傳輸衰減較大，通信距離有限（例如SAW傳感器的通信距離通常小于30 cm）。天線的布置非常關(guān)鍵且具有挑戰(zhàn)性。
  • 數(shù)據(jù)安全：無線傳輸方式帶來了數(shù)據(jù)被竊聽或干擾的風(fēng)險(xiǎn)，需要考慮網(wǎng)絡(luò)安全問題。
  • 傳感器尺寸：部分無線傳感器可能體積較大，不便于安裝在緊湊空間內(nèi)。
  • 精度：精度可能低于FOTS，例如在 ±2°C 到 ±4°C 的范圍。
  • 調(diào)試：系統(tǒng)調(diào)試可能較為復(fù)雜和昂貴，涉及頻率分配、多天線設(shè)置等。
• 開關(guān)柜適用性：對于降低安裝復(fù)雜性，尤其是在改造項(xiàng)目或難以布線的場合，無線技術(shù)具有一定吸引力。然而，在關(guān)鍵的中高壓開關(guān)柜應(yīng)用中，抗EMI能力和長期供電/可靠性是必須克服的重大障礙。無線傳感器可能更適用于低壓柜、輔助設(shè)備監(jiān)測或電磁環(huán)境相對溫和的場合。Acrel、Faclon Labs、El-Watch、threephasetech 以及 Emerson (SAW) 等公司均有相關(guān)的無線測溫產(chǎn)品 。

無線技術(shù)的主要吸引力在于其安裝的便捷性。然而，開關(guān)柜是電氣條件惡劣的環(huán)境。文獻(xiàn)指出了SAW傳感器存在的EMI和通信距離問題，則討論了電子傳感器在開關(guān)柜中普遍面臨的電源和可靠性問題。盡管一些先進(jìn)的無線技術(shù)（如無源SAW）試圖緩解這些問題，但在高EMI環(huán)境中可靠運(yùn)行并確保長期免維護(hù)運(yùn)行的根本性挑戰(zhàn)依然存在。因此，在選擇無線方案時(shí)，應(yīng)仔細(xì)評估其特定的抗EMI聲明、電源壽命以及在目標(biāo)開關(guān)柜環(huán)境中的實(shí)際表現(xiàn)。它們可能更適合于非關(guān)鍵測點(diǎn)或光纖方案成本過高或安裝過于困難的低壓應(yīng)用。

D. 傳統(tǒng)電子傳感器 (RTD, 熱電偶) (Conventional Electronic Sensors (RTDs, Thermocouples))

• 工作原理：
  • RTD (電阻溫度探測器)：利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的特性進(jìn)行測溫，常用材料有鉑、銅等。
  • 熱電偶：基于塞貝克效應(yīng)，由兩種不同金屬導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中會產(chǎn)生溫差電動勢，其大小與溫度差相關(guān)。
• 優(yōu)勢：技術(shù)成熟，對于基本的點(diǎn)式測溫，成本相對較低。
• 缺點(diǎn)：
  • 布線復(fù)雜：需要在開關(guān)柜內(nèi)敷設(shè)大量信號電纜，安裝工作量大，成本高，且可能引入新的故障點(diǎn)。
  • 抗干擾能力差：極易受到開關(guān)柜內(nèi)強(qiáng)電磁場的干擾，導(dǎo)致測量讀數(shù)不準(zhǔn)確甚至傳感器損壞。
  • 安全風(fēng)險(xiǎn)：傳感器本身及其引線均為導(dǎo)體，若絕緣損壞，可能直接接觸高壓帶電部件，引發(fā)短路、感應(yīng)高壓等安全事故，因此通常不適用于直接安裝在中高壓帶電體上。
  • 可靠性與壽命：其可靠性和使用壽命可能無法與開關(guān)柜本身的長壽命（通常20-30年）相匹配。
• 開關(guān)柜適用性：在開關(guān)柜溫度監(jiān)測中，傳統(tǒng)電子傳感器的應(yīng)用非常有限，通常僅用于監(jiān)測輔助系統(tǒng)（如控制回路電源）、低壓控制隔室內(nèi)的環(huán)境溫度，或電磁干擾較弱且無需高壓絕緣的非關(guān)鍵部位。不推薦用于直接監(jiān)測中高壓帶電部件的溫度。

開關(guān)柜溫度監(jiān)測技術(shù)對比總結(jié)表

為了更直觀地比較各種溫度監(jiān)測技術(shù)，下表匯總了它們的主要特性：

此表為用戶提供了一個(gè)清晰的概覽，幫助其根據(jù)具體需求（如對抗EMI能力、成本、安裝便捷性等）快速篩選合適的技術(shù)方案。

2. 開關(guān)柜溫度監(jiān)測的最佳實(shí)踐建議

成功實(shí)施開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)并不僅僅是選擇和安裝傳感器，更需要一套系統(tǒng)性的策略和方法。

A. 定義監(jiān)測策略 (連續(xù) vs. 周期性, 關(guān)鍵性分析)

當(dāng)前的技術(shù)趨勢和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均指向?qū)﹃P(guān)鍵電氣設(shè)備采用連續(xù)熱監(jiān)測（CTM）。CTM能夠提供實(shí)時(shí)、不間斷的溫度數(shù)據(jù)，這對于捕捉瞬態(tài)熱異常和緩慢發(fā)展的故障至關(guān)重要，而這些都可能被周期性檢查所遺漏。在制定監(jiān)測策略時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行設(shè)備關(guān)鍵性分析，識別出那些一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致最嚴(yán)重后果（如安全事故、大面積停電、重大經(jīng)濟(jì)損失）的開關(guān)柜及其內(nèi)部組件，這些關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先考慮部署CTM系統(tǒng)。對于非關(guān)鍵或易于接近的部件，可以輔以定期的紅外熱成像巡檢。

CTM的真正價(jià)值在于其為預(yù)測性維護(hù)（PdM）奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過連續(xù)收集溫度數(shù)據(jù)，并結(jié)合電流、電壓、環(huán)境溫濕度等其他運(yùn)行參數(shù)，可以進(jìn)行趨勢分析、異常檢測和故障模式識別。這使得維護(hù)工作從傳統(tǒng)的“定期維修”或“故障后維修”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盃顟B(tài)維修”或“預(yù)測性維修”，從而能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測潛在故障，優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃，減少不必要的停機(jī)，并最大限度地延長設(shè)備壽命。

B. 傳感器布置和安裝注意事項(xiàng)

傳感器的正確選擇和安裝是確保監(jiān)測系統(tǒng)有效性的前提。

• 安全性：傳感器及其安裝方式不得對開關(guān)柜的絕緣性能和安全運(yùn)行構(gòu)成任何威脅。例如，光纖傳感器因其非導(dǎo)電性而本質(zhì)安全。
• 合規(guī)性：傳感器應(yīng)符合相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如提及的IEEE C37.20.3等開關(guān)柜測試標(biāo)準(zhǔn)中對附件的要求。
• 測點(diǎn)選擇：傳感器應(yīng)安裝在最能反映設(shè)備熱狀態(tài)的關(guān)鍵部位，通常是預(yù)期的最高溫點(diǎn)或最易發(fā)生過熱故障的連接點(diǎn)，如母線連接、斷路器和隔離開關(guān)的觸頭、電纜終端等。
• 安裝方式：安裝應(yīng)牢固可靠，避免因振動等原因?qū)е聜鞲衅魉蓜踊驌p壞。對于光纖傳感器，其柔韌性使其可以方便地安裝在狹小空間或不規(guī)則表面，甚至可以安裝在絕緣護(hù)套內(nèi)部，以更接近發(fā)熱源 。

C. 與 SCADA, BMS 或預(yù)測性維護(hù)平臺集成

獲取的溫度數(shù)據(jù)如果不能方便地被運(yùn)維人員獲取和分析，其價(jià)值將大打折扣。因此，溫度監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備良好的集成能力，能夠與現(xiàn)有的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）、建筑管理系統(tǒng)（BMS）或?qū)ｉT的預(yù)測性維護(hù)平臺無縫對接 ⁹。通過集成，可以實(shí)現(xiàn)：

• 集中監(jiān)控：在一個(gè)統(tǒng)一的平臺上顯示所有監(jiān)測點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)和狀態(tài)。
• 自動報(bào)警：當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)閾值或出現(xiàn)異常變化趨勢時(shí)，系統(tǒng)能自動發(fā)出報(bào)警信號，通知相關(guān)人員及時(shí)處理 ²⁶。
• 數(shù)據(jù)記錄與分析：長期記錄溫度數(shù)據(jù)，為趨勢分析、故障診斷和維護(hù)決策提供依據(jù)。
• 遠(yuǎn)程訪問：在某些情況下，允許授權(quán)人員遠(yuǎn)程訪問監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)。

D. 基線數(shù)據(jù)和趨勢分析的重要性

僅僅依靠絕對溫度值來判斷設(shè)備狀態(tài)往往是不夠的，因?yàn)樵O(shè)備的正常工作溫度會隨負(fù)載大小和環(huán)境溫度的變化而波動。建立設(shè)備在不同工況下的溫度基線數(shù)據(jù)，并進(jìn)行長期的趨勢分析，對于準(zhǔn)確識別異常發(fā)熱至關(guān)重要。

• 基線建立：在新設(shè)備投運(yùn)初期或設(shè)備狀態(tài)良好時(shí)，記錄其在不同負(fù)載水平和典型環(huán)境條件下的溫度分布，作為后續(xù)比較的基準(zhǔn)。
• 趨勢分析：通過連續(xù)監(jiān)測，觀察各測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化趨勢。緩慢上升的溫度趨勢可能預(yù)示著連接松動、觸點(diǎn)老化等漸發(fā)性故障。
• 溫差分析 ($\Delta T$)：比較三相之間的溫度差異、同一部件在不同時(shí)間（相同負(fù)載下）的溫度差異、以及部件溫度與環(huán)境溫度的差異，是判斷是否存在異常發(fā)熱的有效方法。例如，在相似負(fù)載下，某相溫度明顯高于其他兩相，或高于其歷史同期值，則可能存在問題。