開關柜電氣接點溫度監測技術的分析與應用

劉少澤 雒浪 藍文軍 馬研清

（深圳市深水龍華水務有限公司，廣東深圳 518000）

電能是生產的動力源，高低壓開關柜在電能的輸送、分配和轉換過程中承載著開合、控制和保護的作用，開關柜內部電氣連接部分因制作工藝、機械磨損、表面氧化、臟污等原因導致接觸電阻增大而發熱，溫度過高不僅會對設備帶來不可逆的損壞，嚴重的將會引發火災或爆炸事故。在自來水廠中，若開關柜因發熱引發突發性停電事故，不僅會嚴重影響水廠正常生產，更有甚者或將導致供水片區大面積停水，造成不良社會影響和嚴重經濟損失。因此，有效監控開關柜電氣接點溫度，及時發現發熱隱患點，對實現開關柜從定期檢修和事后檢修到預防性檢修、確保其運行狀態安全可靠至關重要。

目前，開關柜常見的溫度監測方法主要有溫感材料監測法、手持紅外熱像儀測溫法、光纖光柵溫度在線監測法、無線溫度在線監測法、卡片式在線測溫熱像儀等監測方法，其中溫感材料測溫和手持紅外熱像儀測溫均不能實現溫度實時監測，且溫感材料測溫不能量化溫度指標，其余測溫方式均可實現溫度指標量化且可實時在線監測采集溫度數據。

1 常見測溫方法

1.1 溫感材料監測法

溫感材料監測法主要有以下3 種：（1）示溫蠟片是由具有固定熔點的特殊材料制成，將其用固定膠粘在需要被測溫的位置，當被測點溫度上升至示溫蠟片的熔點后，示溫蠟自動熔化滴落，巡檢人員定期巡檢過程中，可通過觀察示溫蠟片狀態變化確定被測點是否存在發熱故[1]。（2）示溫記錄標簽是利用特定熔點的材料，當溫度超過熔點后，材料呈現液態，利用液態下材料的流動擴散，達到顯色的效果。將示溫記錄標簽貼于被測點表面，當溫度超過特定溫度后，標簽顏色發生變化，巡檢人員通過觀察標簽顏色推斷被測點是否超溫。（3）表面涂層法是在電氣接點處涂抹一種顏色隨溫度變化而變化的特性發光材料，當溫度發生變化時，巡檢人員可通過觀察材料顏色變化得知被測點溫度變化情況。以上方法的缺點在于安裝不便，巡檢人員要定期材料變化狀態，發現材料變化時要及時處理，巡檢工作量大，效率低下，且處理過程中也存在一定觸電風險；若因巡檢人員巡查疏忽漏檢，則會造成事故隱患發現不及時的情況；此方法準確度低、可靠性差，不能量化溫度指標，優點在于成本較低。

1.2 手持紅外熱像儀測溫法

紅外熱像儀的工作原理是根據不同溫度物體表面發出的紅外輻射，使用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測物體表面的紅外輻射能量分布圖形，反映到紅外探測器的光敏元件上，獲得紅外熱像圖，經處理后顯示。手持紅外熱像儀應用于封閉式開關柜測溫，較為不便，因被測覆蓋區域可由點到面，價格跨度區間較大；無法實時監測，不能及時發現事故隱患，存在偶然性。其優點在于熱像儀測溫是與被測物體非接觸式監測，迅速，準確，直觀，操作者安全更有保障，測溫精度±2℃。

1.3 光纖光柵溫度在線監測法

光纖光柵溫度在線監測技術的核心在于光纖光柵溫度傳感器和解調儀，傳感器的核心部分是摻雜如鍺、磷等元素后具有光敏特性的光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating,FBG），在纖芯內形成空間相位光柵，其作用類似一個窄帶反射鏡[2]，如圖1所示，當寬帶光在光纖光柵傳感器中傳輸時，光柵會有選擇性的反射滿足特定條件波長的窄帶光，其余波長的光可以無損耗的透過，所反射的窄帶光的波長由光柵特性決定。

圖1 光纖光柵傳光原理

式中：λB為光纖光柵中心反射波長；neff為光纖光柵折射率；Λ 為光柵周期。

當外界溫度發生一定范圍內變化時，光纖光柵傳感器反射回的窄帶光波長量會程相應趨勢線性變化，只要測出波長變化量，就可根據公式（2）計算出溫度變化量。一般光纖光柵傳感器工作波長范圍從1520nm 到1570nm 之間，溫度每變化100 度，光譜中心波長位移將隨之變化1nm。

式中：ΔλB為光纖光柵中心反射波長變化量；α 為光纖的熱膨脹系數；ξ 為光纖的熱光系數；ΔT 為溫度變化量。

解調儀是對光纖布拉格光柵中心波長變化量ΔλB進行精確測量的裝置，其優劣直接決定了光纖光柵在線測溫系統的準確性。

光纖光柵溫度在線監測的實現方式是將光纖溫度傳感器直接粘在被測點，實時感知被測點表面因溫度變化引起的波長變化，傳感器經傳輸光纜匯聚到光纖分路盒與解調儀連接，解調儀將光纜傳送的光信號轉化為溫度信號后可在終端軟件實現數據處理、故障診斷、報警及控制。其優點在于可實時在線多點進行溫度監測、分析、處理，測溫高效、迅速、準確，精度可達±1℃。缺點在于開關柜內布線較多，不排除發生爬電的可能性；安裝調試過程需要停電，影響生產，造價成本較高，見圖2。

圖2 光纖光柵測溫系統結構示意圖

1.4 無源無線溫度在線監測法

無源無線溫度在線監測法的核心技術在于聲表面波傳感器，聲表面波是一種沿著物體表面傳播的彈性波，不同的邊界條件和傳播介質條件可以激發出不同模式的聲表面波。信號收發器發出高頻電磁波，傳感天線收到無線電磁波后，叉指換能器的輸入端接收到電磁信號激勵后，會在壓電基片表面激發相應的彈性變形，從而引起固體質點的振動，將電磁波轉換為聲表面波，聲表面波沿著壓電基片表面向左右兩側傳遞，遇到兩側的反射柵條后反射回來，兩側反射聲表面波產生諧振后經叉指換能器轉換為電磁波信號，由傳感天線發送出去[3]，見圖3。

圖3 溫度傳感器工作原理

當外界溫度發生變化時，傳感天線收到的高頻電磁波在壓電基片上產生的聲表面波也會發生相應變化，并通過反射柵條反射回攜帶溫度信號的聲表面波，經叉指換能器轉換為相應的電磁波經傳感天線發送到信號收發器，測量的溫度值與攜帶的電磁波頻率關系如下：

式中：Tc為測量溫度；To為校準溫度；fc為傳感器返回頻率；fo校準溫度值的頻率值；Kf為溫度頻率常數。

無源無線在線測溫技術實現方式是將聲表面波傳感器用絕緣材料制成的膠粘貼于被測點表面，傳感天線置于與傳感器同腔室的開關柜柜壁上，傳感器與傳感天線之間為無線連接。天線收發信號通過信號線纜與信號收發裝置連接，信號收發裝置安裝于開關柜儀表室室內，共用儀表電源，通過RS485 接入終端后臺，可實現溫度在線監測、分析、預警等功能。無源無線在線測溫技術的優點在于傳感器與傳感天線之間無需布線，且現在市面上傳感器型號種類多，不僅可監測母線、電纜連接處溫度，也可以實現斷路器觸頭溫度監測，適用范圍較廣，溫度偏差在±2℃以內；聲表面波傳感器由壓電材料制成，在高溫高電磁輻射環境下亦可以正常工作，環境適應能力強。但傳感器安裝過程需要停電操作，影響生產。

1.5 熱成像卡片機在線測溫

熱成像卡片機利用熱成像攝像頭實時在線監測溫度，其測溫原理與手持熱像儀相同，這里不再贅述。

熱成像卡片機在線測溫的實現方式是將卡片機磁吸或螺絲固定安裝于開關柜柜壁上，將攝像頭對于被測面，通過攝像頭將紅外圖像及原始測溫數據經電纜傳輸到信息中心或現場工作站，實現遠距離傳輸、實時視頻瀏覽和配置等功能。其優點在于安裝快捷方便，無需斷電，測溫可覆蓋面積較大，約70*70mm，測溫精度±2℃。缺點在于無法穿透物體，僅可測物體表面溫度，對于斷路器觸頭的溫度，無法實現直接檢測，且需要現場設供電電源，見圖4。

圖4 熱成像卡片機測溫系統結構

2 熱成像卡片機在線測溫效果測試

熱成像測溫是通過非接觸方式檢測運行中的設備溫度和運行狀態，安裝方便，無需斷電，不影響生產，故此次選用此測溫方式對其效果進行測試。

2.1 現場安裝

觀瀾茜坑水廠在低壓母線連接處和抽屜柜母線連接處分別布設一臺熱成像卡片機測試使用效果，卡片機下端連接兩根線纜，一根8 芯航空線與網口進行連接，輸出網絡信號，一根12芯航空線與電源連接，因兩臺卡片機都需要電源供電，現場僅有一個220V 電源插座，故將兩臺卡片機并聯后利用同一插座供電。硬件安裝完成后，兩臺卡片機已接入清湖和大和泵站視頻監控系統客戶端，可實時在線監測顯示被測區域溫度范圍，見圖5。

圖5

2.2 使用情況

根據現場使用情況，一臺卡片機覆蓋面積約為70*70cm，可實時監測覆蓋區域溫度范圍；利用點式手持測溫儀測得被測點溫度在覆蓋區域溫度范圍內；利用高溫電烙鐵測試時，發現溫度監測存在約2～3 秒的延時，具有溫度超過設定閾值（+60℃）后的頁面報警功能，見圖6。

圖6

2.2.1 使用效果：卡片式測溫熱像儀可實現非接觸式實時、精準的溫度監測，且可實現數據實時傳輸，在低壓開關柜中可推廣使用，但在高壓開關柜中，不排除存在爬電的可能性，且溫度監測存在一定的盲區。

2.2.2 使用測算：觀瀾茜坑水廠現有低壓變電房內開關柜（二期：8 面，脫水車間：5 面；一期中控：10 面）23 面，每面柜子安裝2 臺卡片式測溫熱像儀，廠家報價3500 元/臺（不包含其他費用），共計測溫儀成本約16 萬元。

3 結論

在智慧城市建設的大背景下，各行各業生產運營實現數字化、信息化、智能化是大勢所趨，自來水廠對于開關柜溫度的實時在線監測已勢在必行，傳統的溫感材料、手持測溫槍等非實時在線測溫方式已不適用。通過對光纖光柵在線測溫、無源無線在線測溫和熱成像卡片機測溫方式的原理、技術特點等的詳細分析，并測試使用了熱成像卡片機在線測溫的效果，為開關柜在線測溫方式的選擇與應用提供了一定的參考。