激光供能智能溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在開(kāi)關(guān)柜溫濕度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

美環(huán)能股份有限公司 吳振良

激光供能智能溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在開(kāi)關(guān)柜溫濕度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

美環(huán)能股份有限公司 吳振良

在電力設(shè)備中，開(kāi)關(guān)柜是電力分配點(diǎn)的重要設(shè)備，在開(kāi)關(guān)柜長(zhǎng)期的使用中如果無(wú)法實(shí)時(shí)掌握開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行情況，就會(huì)存在電弧、爆炸、火災(zāi)等安全隱患。所以，對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，目前的監(jiān)測(cè)方法都存在很大的缺陷，激光供能智能溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用成功解決了以往監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題。

一、前言

2016年8月，公安部消防局公布了2016年上半年全國(guó)火災(zāi)統(tǒng)計(jì)情況[1]，以下數(shù)據(jù)不包含森林、草原、鐵路、港航等火災(zāi)。2016年1至6月份，全國(guó)共接報(bào)火災(zāi)17.2萬(wàn)起，死亡911人，傷756人，已核直接財(cái)產(chǎn)損失19.2億元，與去年上半年相比，四項(xiàng)數(shù)字分別下降16.7%、18.5%、7.1%和25.5%；其中，較大火災(zāi)38起，同比下降2.6%，未發(fā)生重大和特大火災(zāi) (去年同期發(fā)生特大火災(zāi)1起、重大火災(zāi)3起)。從引發(fā)火災(zāi)的直接原因看，因電氣引發(fā)的火災(zāi)共48392起，占總數(shù)的28.2%；因生活用火不慎引發(fā)的火災(zāi)共31045起，占18.1%。由此可見(jiàn)，電氣引發(fā)火災(zāi)最多。在電氣設(shè)備中，開(kāi)關(guān)柜是電力分配點(diǎn)的重要設(shè)備，維持其正常穩(wěn)定的運(yùn)作，才能提供穩(wěn)定的供電服務(wù)并保證人員及設(shè)備的安全。但開(kāi)關(guān)柜在長(zhǎng)時(shí)間的使用下，開(kāi)關(guān)柜因內(nèi)部溫度濕度過(guò)高、內(nèi)部材質(zhì)老化劣化、或環(huán)境的變化而造成時(shí)有電弧、爆炸、火災(zāi)的情事發(fā)生 (案例如圖1)，導(dǎo)致停電以及人員傷亡，造成巨大損失。所以，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行狀況，掌握其動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，及時(shí)采取預(yù)防措施，對(duì)防止開(kāi)關(guān)柜引起的火災(zāi)事故來(lái)說(shuō)十分必要。

二、開(kāi)關(guān)柜發(fā)生電氣意外的原因

1.溫度過(guò)高：

（1）電流過(guò)載：當(dāng)連接過(guò)多負(fù)載或過(guò)流保護(hù)失效時(shí)，大量的電流將會(huì)造成開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度升高，進(jìn)而引燃箱內(nèi)的易燃性物質(zhì)，造成起火或爆炸等意外事故。

（2）局部電阻增加：長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，開(kāi)關(guān)柜中的開(kāi)關(guān)觸頭、銅排、電纜頭連接處等部位，因材料老化、污染或接觸松弛造成的接觸電阻變大，造成局部過(guò)熱而起火。

2.濕度過(guò)高：根據(jù)相關(guān)研究顯示，當(dāng)空氣中的濕度高于60%時(shí)[2]，絕緣礙子的閃絡(luò)電壓將迅速地大幅降低，開(kāi)關(guān)柜的絕緣性能降低將產(chǎn)生放電、漏電與短路情況，并引發(fā)災(zāi)害與停電。

3.其他：

（1）絕緣劣化：長(zhǎng)時(shí)間使用后絕緣材料的劣化，將使開(kāi)關(guān)柜對(duì)高溫及高濕的承受能力下降，對(duì)溫度及濕度的變化更為敏感，在某些情況下，亦可能造成局部放電，使開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的絕緣安全系數(shù)不足，形成安全隱患。

（2）開(kāi)關(guān)柜箱門(mén)開(kāi)啟：人的身體可能帶有靜電，在人員打開(kāi)箱門(mén)的瞬間亦有可能造成揚(yáng)塵，或瞬間涌入的大量氧氣，均可能改變箱內(nèi)的平衡狀況，進(jìn)而發(fā)生電弧閃光或閃爆等現(xiàn)象，造成人員與電盤(pán)的損傷。

綜上所述，中高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的開(kāi)關(guān)觸頭、銅排、電纜頭連接處等部件長(zhǎng)期處于高溫、高電壓、高磁場(chǎng)與強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，加速了劣化速度并增加電氣意外風(fēng)險(xiǎn)。雖然一般開(kāi)關(guān)柜具有超載、短路、漏電等保護(hù)，但如果缺少對(duì)箱體內(nèi)溫度、濕度的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與預(yù)警，就無(wú)法掌握盤(pán)內(nèi)電氣部件的劣化趨勢(shì)并及早采取必要的防制措施，會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故。因此，為預(yù)防災(zāi)害發(fā)生與人員設(shè)備損傷，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控，將成為不可或缺的預(yù)警系統(tǒng)。

三、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的探討

1.溫度：在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，由于開(kāi)關(guān)觸頭、電纜頭連接處等部位溫度升高時(shí)，銅排溫度也會(huì)因熱傳導(dǎo)而升高，直接測(cè)量銅排溫度相較于測(cè)量開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的環(huán)境溫度準(zhǔn)確性較高，可更有效的監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.濕度：傳統(tǒng)做法是測(cè)量開(kāi)關(guān)柜底部的濕度，但在開(kāi)關(guān)柜滲水或積水后，水氣逐漸蒸發(fā)而上，可能聚積在銅排附近，造成局部高濕，降低絕緣安全系數(shù)并引發(fā)電氣事故；且銅排附近的濕度對(duì)電極間是否會(huì)造成放電與漏電最為敏感，故直接測(cè)量銅排附近的濕度可更精準(zhǔn)提前預(yù)警。

所以，直接測(cè)量開(kāi)關(guān)柜內(nèi)銅排溫度及濕度是最佳的監(jiān)測(cè)做法。

圖1 開(kāi)關(guān)柜發(fā)生電氣意外導(dǎo)致起火燃燒

四、解決方案探討

開(kāi)關(guān)柜的定期巡檢通常為每年兩次，由電氣專業(yè)巡檢人員打開(kāi)開(kāi)關(guān)柜箱門(mén)，并以手持式測(cè)溫儀對(duì)銅排溫度進(jìn)行熱點(diǎn)檢測(cè)。這種傳統(tǒng)做法需巡檢人員到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量開(kāi)關(guān)柜內(nèi)狀態(tài)，無(wú)法長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)其溫濕度的動(dòng)態(tài)狀況，也無(wú)法知悉其溫濕度的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，因而無(wú)法有效地預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而采取防范措施，以避免災(zāi)害與人員設(shè)備損失。而且，巡檢人員在接近配電箱或打開(kāi)箱門(mén)時(shí)，隨時(shí)都有可能產(chǎn)生電弧、閃燃及爆炸等意外情況，對(duì)人員與設(shè)備都存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。

在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的高電壓環(huán)境下做到長(zhǎng)期、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)，綜觀各家做法，其運(yùn)作模式不外是置放傳感器于待測(cè)位置上，維持傳感器運(yùn)行，并將傳感器所檢知的數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心做分析與處理。下面就目前常見(jiàn)的解決方案在供能、感測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸方式逐一進(jìn)行說(shuō)明，各家的產(chǎn)品架構(gòu)均由以下三大部份排列組合而成。

1.傳感器的供電方式：

銅線供電：傳統(tǒng)的供能方式，除在低壓傳輸時(shí)壓降所造成的線損將消耗電能外，容易受到噪聲、電暈、瞬間高壓、短路、故障電流等狀況的干擾，輕則供能不足，重則發(fā)生燒損或產(chǎn)生電弧。

電池供電：產(chǎn)品成本低，但需承受定期更換電池時(shí)候的箱門(mén)開(kāi)啟風(fēng)險(xiǎn)；且在箱內(nèi)的高溫環(huán)境下，電池壽命將大幅減短，造成更換周期頻繁，更換的材料與人工成本亦將增加。如果使用的是鋰電池，在高溫下有爆炸的危險(xiǎn)，將降低業(yè)主采用的意愿。

自取電供能：利用電磁感應(yīng)原理，直接由待測(cè)線路上的感應(yīng)產(chǎn)生所需電力，但若待側(cè)線路上電流較低時(shí)，則可能造成感應(yīng)電流不足而監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)作。

聲波供電：以聲波方式傳遞能量，提供傳感器運(yùn)作所需電力，此技術(shù)最大的問(wèn)題在于易受干擾，任何的聲波都將影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；此外，也有易受障礙物阻隔與傳輸距離受限的問(wèn)題。

電波供電：以電磁波方式傳遞能量，提供傳感器運(yùn)作所需電力，只需選擇特定波段，才能減少其他電波干擾。另外，傳輸距離受限，易受障礙物、磁屏蔽等阻隔，易受熱、電暈、閃電等干擾、供能效率偏低等都是常見(jiàn)問(wèn)題。

光纖傳感器：光纖傳感器無(wú)須供電，僅靠光纖內(nèi)反射光的變化來(lái)感測(cè)環(huán)境的變化，只需克服光纖外表因水氣、油氣及塵埃沾附而可能發(fā)生的短路問(wèn)題。

2.傳感器的工作方式∶

溫濕度感測(cè)IC、熱電偶測(cè)溫、電阻式測(cè)溫、表面聲波測(cè)溫、紅外線測(cè)溫、紅外影像測(cè)溫、光纖溫度感測(cè)。

3.訊號(hào)傳送方式：

銅線傳輸：需使用隔離線避免干擾，且絕緣披覆需能耐高壓。

無(wú)線電波傳輸：無(wú)線傳輸，但傳輸距離受限，且訊號(hào)易受干擾與障礙物屏蔽阻隔。

光纖傳輸：訊號(hào)準(zhǔn)確性高，需克服光纖外表因水氣、油氣及塵埃沾附而可能發(fā)生的短路問(wèn)題。

五、激光供能的解決方案

1.激光供能智能溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖2）使用硅基垂直多結(jié)面光伏電池(Vertical Multi-Junction PV Cell)激光供能(PoF, Power over Fiber)技術(shù)，提供溫濕度傳感器運(yùn)作所需能量，運(yùn)作方式如下∶

供能方式：主機(jī)內(nèi)的9xx nm半導(dǎo)體激光器將市電轉(zhuǎn)換為激光光能，該能量以激光的形式，直接經(jīng)光纖傳輸至銅排上感測(cè)機(jī)盒內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換器(PPC, Photovoltaic Power Converter)，光電轉(zhuǎn)換器內(nèi)的硅基垂直多結(jié)面光伏電池可將激光光能轉(zhuǎn)換為電能，提供溫濕度傳感器運(yùn)作所需的電力，避免了銅線、電池、自取電、聲波及電波供電所面臨的問(wèn)題，充分做到在高壓環(huán)境中的電隔離，確保供電安全。

溫濕度感測(cè)方式：溫度傳感器及濕度傳感器，可直接安裝固定在中高壓銅排上，直接、準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)測(cè)量銅排本體上的溫度以及其附近周邊區(qū)域的濕度，因?yàn)闇囟然驖穸葘?dǎo)致的潛在危機(jī)，都可由此二參數(shù)的累計(jì)變化趨勢(shì)評(píng)估推測(cè)而得出。

數(shù)據(jù)傳輸方式：傳感器測(cè)得的溫濕度數(shù)據(jù)以光纖實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)中心分析處理，由于光纖傳輸不受外界因素干擾，可確保資料搜集匯整的準(zhǔn)確性與可靠性，并為開(kāi)關(guān)柜溫濕度的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)提供連續(xù)且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來(lái)源。

2.其他特點(diǎn)∶

由于溫濕度傳感器及激光訊號(hào)發(fā)射器用電量微小，一個(gè)激光供能主機(jī)可供給多個(gè)傳感器使用，可做到配電箱內(nèi)的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，甚至可供給多個(gè)配電箱同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；因光纖傳輸?shù)膿p耗小，所以供電距離與訊號(hào)傳輸距離都可以大范圍的拉開(kāi)，增加硬件布建的彈性與方便性；因供電與訊號(hào)傳輸都使用光纖，即使在無(wú)法直接目視的多障礙環(huán)境下，亦可輕松的布建，沒(méi)有屏障或阻隔的困擾；激光供能智能溫濕度傳感器可以安裝在屋外或屋內(nèi)的開(kāi)關(guān)柜或銅排上。

圖2 ：激光供能智能溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

六、結(jié)語(yǔ)

開(kāi)關(guān)柜一旦出事，輕則造成維修成本、設(shè)備成本、人工成本損失；重則造成大規(guī)模的設(shè)備毀損、建物燒損、人身傷害、大區(qū)域或長(zhǎng)時(shí)間的停電等損失。所以，長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜的供電狀況，采取預(yù)防及安全措施是非常必要的；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該列為開(kāi)關(guān)柜的標(biāo)準(zhǔn)配備，而非選擇配備，這樣才能維持發(fā)電廠、變電站及電力分配點(diǎn)的安全且穩(wěn)定的運(yùn)行，以確保人員、設(shè)備的安全并維護(hù)高質(zhì)量的供電。隨著物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)日漸成熟，若搭配此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化所收集的大數(shù)據(jù)，將可利用云端運(yùn)算針對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以有效預(yù)防電氣設(shè)備損壞，并達(dá)到全自動(dòng)自我防護(hù)的目標(biāo)。