船用交流中壓配電開關(guān)溫升在線監(jiān)測方法

呂 昊

(海軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100071)

0 引 言

船用交流中壓配電開關(guān)在船舶電力系統(tǒng)中是較重要的控制保護設(shè)備，是眾多船舶設(shè)備中的關(guān)重件。多家中壓開關(guān)公司售后數(shù)據(jù)表明，開關(guān)超溫故障占據(jù)全部故障的40%以上[1]。船用配電開關(guān)和陸用配電開關(guān)具有相似的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計時應(yīng)遵循更嚴格的船海環(huán)境要求。

引起配電開關(guān)發(fā)熱的原因較多：導體通電正常發(fā)熱、絕緣介質(zhì)接電損耗、柜壁渦流發(fā)熱和接觸電阻發(fā)熱等。造成配電開關(guān)超溫的原因往往是設(shè)備長時間過載運行、導體材料以次充好、接觸電阻過大、柜體結(jié)構(gòu)熱設(shè)計不良和環(huán)境溫度過高等[2]。溫升在線監(jiān)測可提前感知設(shè)備超溫運行情況，提示設(shè)備運維人員尋找定位上述故障，避免發(fā)生大型事故，是配電開關(guān)在線監(jiān)測較重要的組成部分，是船舶全壽期健康管理的重要一環(huán)。

陸用配電開關(guān)的溫升在線監(jiān)測方法主要包括示溫片測溫、逸出氣體測溫、紅外測溫、光纖測溫、有源無線測溫和無源無線測溫等[2]，其中：射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)[3]、ZigBee和聲表面波[4]等方法逐漸在工程中有所應(yīng)用。眾多文獻對上述測溫方法進行適用性分析評估，不足之處如下：(1)沒有結(jié)合復(fù)雜船海環(huán)境進行分析；(2)所選傳感器壽命過短，不能與主回路同步工作、同步維護；(3)沒有考慮船舶建造時的電氣舾裝實際情況，安裝常受限制。

1 各測溫方法的特點及其適用性

數(shù)值模擬[5]和實際運維經(jīng)驗均表明，交流中壓配電開關(guān)母線室和電纜室接頭的觸指插接處容易出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，在典型情況下每臺開關(guān)柜應(yīng)配置12個測溫點：母線室3個、上下觸臂各3個、電纜室3個。若斷路器和開關(guān)柜不是同一家公司生產(chǎn)，推薦由斷路器廠家負責上下觸臂的測溫點布置，開放標準的溫度數(shù)據(jù)接口(如統(tǒng)一遵從Modbus通信協(xié)議)，由開關(guān)柜廠家集成制造，并可由第三方公司提供測溫方法。

1.1 變色示溫片測溫

變色示溫片測溫是應(yīng)用時間較長的電器示溫法。目前配電開關(guān)所使用的示溫片分為不可逆型[6]和可逆型[7]。不可逆型示溫片原料為蠟，實際產(chǎn)品常以不同顏色區(qū)分不同的熔化溫度(60 ℃，70 ℃，80 ℃，90 ℃，100 ℃)，一旦熔化變色則無法再次使用，而可逆型示溫片原料是示溫顏料，可重復(fù)多次使用。變色示溫片的安裝非常方便，一般使用建筑膠水固定，但在海洋潮濕鹽堿條件下，難以滿足開關(guān)近20 a的設(shè)計使用壽命，維護相當麻煩。變色示溫片測溫的優(yōu)點是價格低廉，在精度和實時性要求不高的陸上場景中應(yīng)用廣泛，但其不足較為明顯：現(xiàn)代船用配電開關(guān)外部鎧裝為不透明設(shè)計，內(nèi)部設(shè)計緊湊，若需要在線監(jiān)測，則需要在柜壁上設(shè)置透明觀察窗，或在開關(guān)內(nèi)布置攝像頭，均引起諸多不便；變色示溫片的測溫精度較差，測溫數(shù)據(jù)無法存儲處理，不符合電器自動化和智能化的發(fā)展方向，屬于事后報警。

1.2 逸出氣體測溫

逸出氣體測溫是指在觸頭搭接處超溫條件下，氣體存儲裝置受控釋放氣體，氣體收集裝置收集氣體并根據(jù)逸出氣體的占比計算超溫范圍[8]。與變色示溫片測溫相同，逸出氣體測溫具有滯后性且精度較差，若布置12個測溫點，則氣體存儲、控制和收集裝置占用空間大，且降低整個系統(tǒng)的可靠性。

1.3 紅外測溫

紅外測溫分為2種：熱成像技術(shù)[9]和紅外輻射技術(shù)[10]。熱成像技術(shù)采用熱成像儀對設(shè)備進行掃描測溫，監(jiān)測結(jié)果較為直觀，但需要在柜體內(nèi)部設(shè)計安裝熱成像儀。高精度的熱成像裝置屬于精密儀器，價格昂貴且無法適應(yīng)高鹽堿度和潮濕的船海環(huán)境，在沖擊振動情況下，成像位置可能有所變動，在實際運行時無法拆機調(diào)整。紅外輻射技術(shù)利用玻爾茲曼輻射定律，可根據(jù)輻射量反演得到溫度值，在實際使用時需要在關(guān)鍵位置涂抹深色油漆以增大輻射，若油漆脫落則測溫誤差可達10 K以上，不滿足配電開關(guān)在線測溫要求。這2種紅外測溫方法是典型的非接觸式測溫，解決高低電壓隔離問題，即使紅外接收裝置失效，并不影響主回路供電，其不足之處是只能測量搭接處表面溫度、占用空間大且測溫精度受實際應(yīng)用場景影響較大，如無法對新型固體絕緣開關(guān)進行溫升監(jiān)測。

1.4 光纖測溫

光纖光柵測溫、光纖半導體測溫、分布式光纖測溫這3種測溫方法在電纜和氣體絕緣封閉組合電器(Gas Insulated Switchgear，GIS)等設(shè)備測溫中已得到應(yīng)用[11]。測溫原理為：光在光纖中傳播，其波長、透射率和頻率等光學參數(shù)受光纖周圍溫度影響發(fā)生改變。光纖光柵測溫利用光波長敏感性進行測溫，精度較高，但光波長受到應(yīng)力影響，在實際使用時應(yīng)盡可能減小光纖所受應(yīng)力；光纖半導體測溫利用光透射率敏感性進行測溫，但測溫精度和靈敏度不如光纖光柵測溫；分布式光纖測溫應(yīng)用拉曼散射原理，采用單一頻率激光光源，在溫度改變時光纖材料的散射特性發(fā)生改變，激光頻率同時發(fā)生偏移，即可進行測溫。在光纖測溫應(yīng)用中，光纖不僅是傳感器，而且是光的傳播介質(zhì)，滿足高低電壓隔離和抗干擾的要求。光信息解調(diào)裝置較為昂貴，制約光纖傳感器大規(guī)模應(yīng)用，若船舶配電開關(guān)測溫點不多，配置價格數(shù)倍于配電開關(guān)的光信息解調(diào)儀則性價比較低。光纖布線工藝繁雜，船舶空間狹小，大量光纖造成設(shè)備維護困難，移開式開關(guān)在斷路器移出維護時容易受到布線干擾。

1.5 有源無線測溫

有源無線測溫的原理是在測溫點布置接觸式測溫傳感器，配合帶有ZigBee和RFID等無線功能的單片機將測溫序列發(fā)送至接收機。在典型有源無線測溫應(yīng)用中，在斷路器上下觸臂預(yù)埋DS18B20測溫傳感器，帶有51單片機功能的CC2530 ZigBee收發(fā)芯片實現(xiàn)低成本的測溫和無線發(fā)送[12]。傳感器和CC2530芯片的供電來源為大容量鋰電池和電流互感器(Current Transformer，CT)取電，少數(shù)文獻提出的無線供電方法不夠成熟。CC2530 是低功耗芯片，使用大容量鋰電池可實現(xiàn)7 a以上免更換電池，而CT采用坡莫合金作磁路，在主回路超過一定電流值時可獲取足夠電能，在主回路負載微小時溫度不高，在一定程度上滿足免維護要求。有源無線測溫是目前應(yīng)用較廣泛的開關(guān)柜測溫方法，在應(yīng)用時需要注意：(1)應(yīng)將電子電路地接在主回路上，杜絕懸浮導體放電；(2)在設(shè)計通信協(xié)議時，應(yīng)設(shè)置傳輸數(shù)據(jù)校驗位或采用數(shù)據(jù)冗余傳輸機制，確保通信接收裝置可收到準確數(shù)據(jù)。

1.6 無源無線測溫

無源無線測溫的典型代表是聲表面波測溫傳感器方法。根據(jù)熱-變形耦合結(jié)果，在溫度發(fā)生變化時結(jié)構(gòu)發(fā)生熱力變形(仿真結(jié)果表明該變形大小約數(shù)十μm)，安裝在測溫點的叉指狀應(yīng)變檢測結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生改變，叉指狀壓電結(jié)構(gòu)兩側(cè)的諧振腔將變形能量轉(zhuǎn)換為電磁波能量發(fā)射出來，天線接收端對收到的信號進行解調(diào)，獲取溫度信息[13]。無源無線測溫在船海條件下存在如下應(yīng)用難點：(1)該方法尚未完全成熟，多個測溫點信號相互干擾，僅2臺配電開關(guān)、24個測溫點即容易串頻，在通信時較難排除船舶天線輻射干擾；(2)在船海沖擊振動條件下，傳感器對沖擊產(chǎn)生的殘余應(yīng)變和溫升產(chǎn)生的熱力應(yīng)變較難區(qū)分，測溫精度有待進一步提升。

1.7 測溫方法的船海適用性對比

從抗環(huán)境腐蝕、安裝難易程度、保密性、測溫精度、成本、固體絕緣開關(guān)適用性、抗沖擊性等船海領(lǐng)域應(yīng)用角度對多種測溫方法進行對比，如表1所示。

表1 測溫方法的船海環(huán)境適用性對比

示溫片測溫和逸出氣體測溫的測溫精度較低，測溫效果有待驗證。紅外測溫較好地解決高低電壓隔離問題，但設(shè)計安裝需要預(yù)留部分位置用于高低電壓絕緣隔離，在空間狹小的船舶上較難應(yīng)用；小型化固體絕緣開關(guān)是船用交流中壓配電開關(guān)的發(fā)展方向，紅外線無法穿透絕緣固體對關(guān)鍵測溫點進行測溫。聲表面波無源無線測溫目前僅叉指狀一種應(yīng)變傳感結(jié)構(gòu)達到應(yīng)用水平，且多路信號受干擾容易串頻，在船海電磁環(huán)境下應(yīng)用效果有待驗證。光纖本身絕緣，特點是布線復(fù)雜、維護困難，在測溫點較少時性價比低、保密效果好、精度較高，在保密要求高的條件下幾乎是唯一選擇。有源無線測溫已在陸用條件下得到成熟應(yīng)用，在船海環(huán)境應(yīng)用時應(yīng)注意預(yù)埋傳感器不能影響開關(guān)原有絕緣設(shè)計。

2 超溫判據(jù)

2.1 已有判據(jù)

目前溫升報警判據(jù)主要為靜態(tài)報警和動態(tài)預(yù)警。靜態(tài)報警和動態(tài)預(yù)警的超溫判據(jù)如圖1所示，其中：靜態(tài)報警判據(jù)由75 ℃和90 ℃超溫曲線進行判斷；動態(tài)判據(jù)的實際溫升曲線與理論擬合曲線結(jié)果差值在一定范圍內(nèi)，說明溫度狀態(tài)良好。

圖1 靜態(tài)報警和動態(tài)預(yù)警的超溫判據(jù)示例

靜態(tài)報警采用絕對溫度閾值判據(jù)，如三色燈判據(jù)：在測溫點溫度為75 ℃以下時，系統(tǒng)對外顯示綠色，表明溫度在可控范圍內(nèi)；在測溫點溫度為75～90 ℃時，系統(tǒng)對外顯示黃色，表明存在局部超溫風險，提醒用戶檢查確認；在測溫點溫度為90 ℃以上時，系統(tǒng)對外顯示紅色，表明設(shè)備已超溫，需要用戶立刻檢查。靜態(tài)絕對溫度判據(jù)的特點是簡單直觀，使用方可大致了解設(shè)備溫度情況。

某國際開關(guān)公司提出基于指數(shù)溫升模型的動態(tài)預(yù)警判據(jù)：考慮實際電流大小影響，通過數(shù)據(jù)處理方法動態(tài)擬合指數(shù)模型參數(shù)，找出一段時間內(nèi)的溫升規(guī)律，若實際溫升與理論預(yù)測結(jié)果偏差較大，則發(fā)出預(yù)警信號，提醒用戶注意配電開關(guān)狀態(tài)。與靜態(tài)報警判據(jù)相比，動態(tài)預(yù)警判據(jù)考慮實際電流大小，可幫助用戶掌握更多故障信息，更好定位故障原因，是CT和溫度傳感器的信息融合結(jié)果。

文獻[14]結(jié)合深度學習技術(shù)提出溫升預(yù)測方法，但未涉及超溫判據(jù)研究，且其方法過于復(fù)雜，不便于就地超溫檢測。文獻[15]基于三相溫度差別不大這一實際情況，在動態(tài)溫升判據(jù)基礎(chǔ)上提出融合三相測溫結(jié)果的動態(tài)復(fù)合溫升報警算法模型，進一步提高模型精度。

2.2 考慮測溫盲點的超溫判據(jù)

目前任何一種測溫方法均無法對測溫盲點的溫度進行直接測量，而實際上接觸電阻過大的觸指插接處的溫升往往高于所選的可測溫點溫升。因此提出結(jié)合熱傳導進行溫度反演，使用數(shù)字孿生技術(shù)，對開關(guān)關(guān)鍵盲點進行電磁-固體傳熱耦合場的數(shù)值模擬，主回路通入傳感器一系列典型值電流，并設(shè)定測溫點的溫度為0 ℃，可精確模擬測溫盲點的溫度，與測量值相加即可獲得關(guān)鍵測溫盲點的溫度，結(jié)合靜態(tài)或動態(tài)許用溫升進行判斷。

3 結(jié) 論

綜述船用交流中壓配電開關(guān)的常見測溫方法，結(jié)合船海環(huán)境進行適用性研究，提出一個新的超溫判據(jù)，得到如下結(jié)論：

(1)示溫片測溫和逸出氣體測溫的測溫精度和自動化程度不高，與智能船舶的發(fā)展理念不符。

(2)紅外測溫系統(tǒng)體積過大，較難適應(yīng)船海狹小空間安裝，且測溫精度有待提高。

(3)光纖測溫具有抗干擾性好、保密性好、高低電壓隔離好等突出優(yōu)點，在保密要求高的應(yīng)用場合幾乎是唯一可行的測溫法，在實際使用時應(yīng)合理布線。

(4)聲表面波無源無線測溫尚未完全成熟，在船海環(huán)境下應(yīng)用時難以避免船用天線干擾和自身串擾，應(yīng)用前景有待進一步驗證。

(5)有源無線測溫已在陸用領(lǐng)域應(yīng)用多年，可基本滿足民船配電開關(guān)測溫應(yīng)用需求。

(6)所提出的考慮測溫盲點的超溫判據(jù)比現(xiàn)有的靜態(tài)報警和動態(tài)預(yù)警更為精確。