開關柜溫度監(jiān)測技術 開關柜溫度傳感器系統(tǒng)

1. 開關柜溫度監(jiān)測技術對比分析

目前，應用于開關柜溫度監(jiān)測的技術多種多樣，各有其工作原理、優(yōu)缺點和適用場景。選擇最合適的技術方案對于確保監(jiān)測的有效性和經濟性至關重要。

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

光纖溫度傳感器（FOTS）因其獨特的優(yōu)勢，在開關柜等強電磁干擾環(huán)境中得到了越來越廣泛的應用。其核心優(yōu)勢包括：本質安全（傳感器本身為電介質，不導電，不會引發(fā)短路或電?。?、完全免疫電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）、測量精度高、耐久性好、可實現與帶電部件的直接接觸測量，非常適用于高電壓環(huán)境 。高質量的光纖傳感器可在設備的全壽命周期內（例如20年以上）可靠工作，且無需校準。這些特性使其成為開關柜內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誤讀數的理想替代方案。

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半導體晶體）的熒光衰減時間隨溫度變化的特性進行測溫。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間，該衰減時間與溫度有明確的對應關系。
   • 優(yōu)勢：具有出色的點式測溫精度和長期穩(wěn)定性，測量結果對光信號強度的波動不敏感，通常也不受應力和壓力的影響。這種傳感器本質安全、測量準確、可重復性好且堅固耐用。
   • 缺點/局限性：主要是點式傳感（盡管可以通過多路復用監(jiān)測多個點）。歷史上成本相對較高，但隨著技術發(fā)展和規(guī)?；a，其成本已逐漸具有競爭力。
   • 開關柜適用性：非常適用于對開關柜內部關鍵熱點（如母線連接、斷路器觸點）進行連續(xù)、直接的溫度監(jiān)測，尤其是在中高壓環(huán)境中。HGSKYRAY 和 FJINNO 是該領域知名的供應商。

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

   • 工作原理：FBG是在光纖纖芯內形成的一種周期性折射率調制結構，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。當溫度發(fā)生變化時，光纖的熱脹冷縮以及熱光效應會導致布拉格波長發(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：具有良好的波分復用能力，即可以在單根光纖上刻寫多個具有不同布拉格波長的FBG傳感器，實現準分布式多點測量。傳感器體積小，同樣免疫電磁干擾。
   • 缺點：FBG傳感器對溫度和應變都敏感，因此在進行精確溫度測量時，需要采取一定的溫度應變解耦措施，例如使用不受應變的參考光柵或采用特殊的傳感器封裝設計，這增加了系統(tǒng)的復雜性。
   • 開關柜適用性：可用于開關柜內多點溫度監(jiān)測。雖然應變補償增加了復雜性，但在技術上是可行的。適用于需要沿某一路徑監(jiān)測多個離散點溫度的場合。

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，光在光纖中傳播時會產生拉曼散射。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度比，可以得到沿光纖路徑上每一點的溫度信息。
     • 布里淵散射DTSS：除了溫度，布里淵散射還對光纖的應變敏感。其背向散射光的頻率漂移與溫度和應變均相關，可用于同時測量溫度和應變。
   • 優(yōu)勢：能夠提供沿整條傳感光纖（長度可達數十公里）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。在某些條件下，標準通信光纖也可用于DTS傳感。
   • 缺點：與點式傳感器相比，DTS的空間分辨率可能較低（例如1米量級）。如果僅需監(jiān)測少數幾個特定點，DTS系統(tǒng)可能顯得過于復雜且成本較高。
   • 開關柜適用性：非常適用于監(jiān)測較大范圍的溫度分布，例如開關柜內較長的母線排、電纜橋架，或整個開關柜室的環(huán)境溫度，而非針對特定的小型元件進行精確點測溫。

綜合來看，光纖傳感技術，特別是熒光點式傳感，憑借其在安全性（高壓絕緣）、抗干擾性（強電磁環(huán)境適應性）、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，被認為是監(jiān)測開關柜內部關鍵的、通常是封閉的載流部件溫度的“黃金標準”。文獻 均有力支持了這一觀點。對于那些對可靠性和精度要求極高的關鍵內部連接點，盡管初始投資可能高于某些替代方案，但FOTS應作為首選。其長期效益，如減少故障、降低維護成本和延長設備壽命，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)出的紅外輻射強度來確定其溫度，因為所有溫度高于絕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，可在設備運行時進行檢測，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：
  • 視線要求：紅外測量需要清晰的視線路徑，任何遮擋物（如開關柜的門板、絕緣隔板、絕緣護套等）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點。
  • 安裝與校準：固定式紅外系統(tǒng)安裝時需要仔細對準，且可能成本較高。
  • 表面溫度：主要探測物體表面溫度，內部深層熱點只能通過其在表面的熱效應間接反映。
• 開關柜適用性：
  • 周期性巡檢：手持式紅外熱像儀是進行日常維護檢查、查找可直接觀測部件或通過紅外窗口觀察內部組件熱狀態(tài)的極佳工具。NFPA 70B標準也推薦使用紅外熱成像技術進行電氣設備檢查 。
  • 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，不太適合對開關柜內部封閉的關鍵部件進行連續(xù)、精確的監(jiān)測。可用于監(jiān)測開關柜外部表面溫度或開放式開關柜的內部情況。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、無法穿透絕緣護套等障礙物 ⁹）使其不適合作為現代封閉式開關柜內部關鍵連接點連續(xù)、精確監(jiān)測的唯一手段。紅外技術應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）相結合，以監(jiān)測關鍵的、不可直接觀測的內部點。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據發(fā)送到接收器或網關。SAW傳感器通常是無源的（無需電池供電） ⁹。
• 優(yōu)勢：安裝靈活，無需布設信號線纜，尤其便于在現有設備上進行改造和加裝?？朔思t外傳感器的視線限制問題。
• 缺點：
  • 電磁兼容性：開關柜內部存在強電磁場，無線傳感器及其通信鏈路易受EMI干擾，可能導致數據錯誤或通信中斷，這是其在開關柜應用中的主要顧慮。
  • 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，增加了維護工作量和成本。無源傳感器（如某些SAW器件或通過CT感應取電的傳感器）雖然解決了電池問題，但可能在靈敏度、響應時間或發(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柜內傳輸衰減較大，通信距離有限（例如SAW傳感器的通信距離通常小于30 cm）。天線的布置非常關鍵且具有挑戰(zhàn)性。
  • 數據安全：無線傳輸方式帶來了數據被竊聽或干擾的風險，需要考慮網絡安全問題。
  • 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。
  • 精度：精度可能低于FOTS，例如在 ±2°C 到 ±4°C 的范圍。
  • 調試：系統(tǒng)調試可能較為復雜和昂貴，涉及頻率分配、多天線設置等。
• 開關柜適用性：對于降低安裝復雜性，尤其是在改造項目或難以布線的場合，無線技術具有一定吸引力。然而，在關鍵的中高壓開關柜應用中，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) 等公司均有相關的無線測溫產品 。

無線技術的主要吸引力在于其安裝的便捷性。然而，開關柜是電氣條件惡劣的環(huán)境。文獻指出了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柜中普遍面臨的電源和可靠性問題。盡管一些先進的無線技術（如無源SAW）試圖緩解這些問題，但在高EMI環(huán)境中可靠運行并確保長期免維護運行的根本性挑戰(zhàn)依然存在。因此，在選擇無線方案時，應仔細評估其特定的抗EMI聲明、電源壽命以及在目標開關柜環(huán)境中的實際表現。它們可能更適合于非關鍵測點或光纖方案成本過高或安裝過于困難的低壓應用。

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)：利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化的特性進行測溫，常用材料有鉑、銅等。
  • 熱電偶：基于塞貝克效應，由兩種不同金屬導體組成閉合回路，當兩接點溫度不同時，回路中會產生溫差電動勢，其大小與溫度差相關。
• 優(yōu)勢：技術成熟，對于基本的點式測溫，成本相對較低。
• 缺點：
  • 布線復雜：需要在開關柜內敷設大量信號電纜，安裝工作量大，成本高，且可能引入新的故障點。
  • 抗干擾能力差：極易受到開關柜內強電磁場的干擾，導致測量讀數不準確甚至傳感器損壞。
  • 安全風險：傳感器本身及其引線均為導體，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柜本身的長壽命（通常20-30年）相匹配。
• 開關柜適用性：在開關柜溫度監(jiān)測中，傳統(tǒng)電子傳感器的應用非常有限，通常僅用于監(jiān)測輔助系統(tǒng)（如控制回路電源）、低壓控制隔室內的環(huán)境溫度，或電磁干擾較弱且無需高壓絕緣的非關鍵部位。不推薦用于直接監(jiān)測中高壓帶電部件的溫度。

開關柜溫度監(jiān)測技術對比總結表

為了更直觀地比較各種溫度監(jiān)測技術，下表匯總了它們的主要特性：

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

2. 開關柜溫度監(jiān)測的最佳實踐建議

成功實施開關柜溫度監(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, 關鍵性分析)

當前的技術趨勢和行業(yè)標準均指向對關鍵電氣設備采用連續(xù)熱監(jiān)測（CTM）。CTM能夠提供實時、不間斷的溫度數據，這對于捕捉瞬態(tài)熱異常和緩慢發(fā)展的故障至關重要，而這些都可能被周期性檢查所遺漏。在制定監(jiān)測策略時，應首先進行設備關鍵性分析，識別出那些一旦發(fā)生故障將導致最嚴重后果（如安全事故、大面積停電、重大經濟損失）的開關柜及其內部組件，這些關鍵點應優(yōu)先考慮部署CTM系統(tǒng)。對于非關鍵或易于接近的部件，可以輔以定期的紅外熱成像巡檢。

CTM的真正價值在于其為預測性維護（PdM）奠定了堅實的數據基礎。通過連續(xù)收集溫度數據，并結合電流、電壓、環(huán)境溫濕度等其他運行參數，可以進行趨勢分析、異常檢測和故障模式識別。這使得維護工作從傳統(tǒng)的“定期維修”或“故障后維修”轉變?yōu)椤盃顟B(tài)維修”或“預測性維修”，從而能夠更準確地預測潛在故障，優(yōu)化維護計劃，減少不必要的停機，并最大限度地延長設備壽命。

B. 傳感器布置和安裝注意事項

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柜的絕緣性能和安全運行構成任何威脅。例如，光纖傳感器因其非導電性而本質安全。
• 合規(guī)性：傳感器應符合相關的行業(yè)標準，例如提及的IEEE C37.20.3等開關柜測試標準中對附件的要求。
• 測點選擇：傳感器應安裝在最能反映設備熱狀態(tài)的關鍵部位，通常是預期的最高溫點或最易發(fā)生過熱故障的連接點，如母線連接、斷路器和隔離開關的觸頭、電纜終端等。
• 安裝方式：安裝應牢固可靠，避免因振動等原因導致傳感器松動或損壞。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套內部，以更接近發(fā)熱源 。

C. 與 SCADA, BMS 或預測性維護平臺集成

獲取的溫度數據如果不能方便地被運維人員獲取和分析，其價值將大打折扣。因此，溫度監(jiān)測系統(tǒng)應具備良好的集成能力，能夠與現有的監(jiān)控與數據采集系統(tǒng)（SCADA）、建筑管理系統(tǒng)（BMS）或專門的預測性維護平臺無縫對接 ⁹。通過集成，可以實現：

• 集中監(jiān)控：在一個統(tǒng)一的平臺上顯示所有監(jiān)測點的溫度數據和狀態(tài)。
• 自動報警：當溫度超過預設閾值或出現異常變化趨勢時，系統(tǒng)能自動發(fā)出報警信號，通知相關人員及時處理 ²⁶。
• 數據記錄與分析：長期記錄溫度數據，為趨勢分析、故障診斷和維護決策提供依據。
• 遠程訪問：在某些情況下，允許授權人員遠程訪問監(jiān)測數據和系統(tǒng)狀態(tài)。

D. 基線數據和趨勢分析的重要性

僅僅依靠絕對溫度值來判斷設備狀態(tài)往往是不夠的，因為設備的正常工作溫度會隨負載大小和環(huán)境溫度的變化而波動。建立設備在不同工況下的溫度基線數據，并進行長期的趨勢分析，對于準確識別異常發(fā)熱至關重要。

• 基線建立：在新設備投運初期或設備狀態(tài)良好時，記錄其在不同負載水平和典型環(huán)境條件下的溫度分布，作為后續(xù)比較的基準。
• 趨勢分析：通過連續(xù)監(jiān)測，觀察各測點溫度隨時間的變化趨勢。緩慢上升的溫度趨勢可能預示著連接松動、觸點老化等漸發(fā)性故障。
• 溫差分析 ($\Delta T$)：比較三相之間的溫度差異、同一部件在不同時間（相同負載下）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。