开关柜电气接点温度监测技术的分析与应用

刘少泽 雒浪 蓝文军 马研清

（深圳市深水龙华水务有限公司，广东深圳 518000）

电能是生产的动力源，高低压开关柜在电能的输送、分配和转换过程中承载着开合、控制和保护的作用，开关柜内部电气连接部分因制作工艺、机械磨损、表面氧化、脏污等原因导致接触电阻增大而发热，温度过高不仅会对设备带来不可逆的损坏，严重的将会引发火灾或爆炸事故。在自来水厂中，若开关柜因发热引发突发性停电事故，不仅会严重影响水厂正常生产，更有甚者或将导致供水片区大面积停水，造成不良社会影响和严重经济损失。因此，有效监控开关柜电气接点温度，及时发现发热隐患点，对实现开关柜从定期检修和事后检修到预防性检修、确保其运行状态安全可靠至关重要。

目前，开关柜常见的温度监测方法主要有温感材料监测法、手持红外热像仪测温法、光纤光栅温度在线监测法、无线温度在线监测法、卡片式在线测温热像仪等监测方法，其中温感材料测温和手持红外热像仪测温均不能实现温度实时监测，且温感材料测温不能量化温度指标，其余测温方式均可实现温度指标量化且可实时在线监测采集温度数据。

1 常见测温方法

1.1 温感材料监测法

温感材料监测法主要有以下3 种：（1）示温蜡片是由具有固定熔点的特殊材料制成，将其用固定胶粘在需要被测温的位置，当被测点温度上升至示温蜡片的熔点后，示温蜡自动熔化滴落，巡检人员定期巡检过程中，可通过观察示温蜡片状态变化确定被测点是否存在发热故[1]。（2）示温记录标签是利用特定熔点的材料，当温度超过熔点后，材料呈现液态，利用液态下材料的流动扩散，达到显色的效果。将示温记录标签贴于被测点表面，当温度超过特定温度后，标签颜色发生变化，巡检人员通过观察标签颜色推断被测点是否超温。（3）表面涂层法是在电气接点处涂抹一种颜色随温度变化而变化的特性发光材料，当温度发生变化时，巡检人员可通过观察材料颜色变化得知被测点温度变化情况。以上方法的缺点在于安装不便，巡检人员要定期材料变化状态，发现材料变化时要及时处理，巡检工作量大，效率低下，且处理过程中也存在一定触电风险；若因巡检人员巡查疏忽漏检，则会造成事故隐患发现不及时的情况；此方法准确度低、可靠性差，不能量化温度指标，优点在于成本较低。

1.2 手持红外热像仪测温法

红外热像仪的工作原理是根据不同温度物体表面发出的红外辐射，使用红外探测器和光学成像物镜接受被测物体表面的红外辐射能量分布图形，反映到红外探测器的光敏元件上，获得红外热像图，经处理后显示。手持红外热像仪应用于封闭式开关柜测温，较为不便，因被测覆盖区域可由点到面，价格跨度区间较大；无法实时监测，不能及时发现事故隐患，存在偶然性。其优点在于热像仪测温是与被测物体非接触式监测，迅速，准确，直观，操作者安全更有保障，测温精度±2℃。

1.3 光纤光栅温度在线监测法

光纤光栅温度在线监测技术的核心在于光纤光栅温度传感器和解调仪，传感器的核心部分是掺杂如锗、磷等元素后具有光敏特性的光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用类似一个窄带反射镜[2]，如图1所示，当宽带光在光纤光栅传感器中传输时，光栅会有选择性的反射满足特定条件波长的窄带光，其余波长的光可以无损耗的透过，所反射的窄带光的波长由光栅特性决定。

图1 光纤光栅传光原理

式中：λB为光纤光栅中心反射波长；neff为光纤光栅折射率；Λ 为光栅周期。

当外界温度发生一定范围内变化时，光纤光栅传感器反射回的窄带光波长量会程相应趋势线性变化，只要测出波长变化量，就可根据公式（2）计算出温度变化量。一般光纤光栅传感器工作波长范围从1520nm 到1570nm 之间，温度每变化100 度，光谱中心波长位移将随之变化1nm。

式中：ΔλB为光纤光栅中心反射波长变化量；α 为光纤的热膨胀系数；ξ 为光纤的热光系数；ΔT 为温度变化量。

解调仪是对光纤布拉格光栅中心波长变化量ΔλB进行精确测量的装置，其优劣直接决定了光纤光栅在线测温系统的准确性。

光纤光栅温度在线监测的实现方式是将光纤温度传感器直接粘在被测点，实时感知被测点表面因温度变化引起的波长变化，传感器经传输光缆汇聚到光纤分路盒与解调仪连接，解调仪将光缆传送的光信号转化为温度信号后可在终端软件实现数据处理、故障诊断、报警及控制。其优点在于可实时在线多点进行温度监测、分析、处理，测温高效、迅速、准确，精度可达±1℃。缺点在于开关柜内布线较多，不排除发生爬电的可能性；安装调试过程需要停电，影响生产，造价成本较高，见图2。

图2 光纤光栅测温系统结构示意图

1.4 无源无线温度在线监测法

无源无线温度在线监测法的核心技术在于声表面波传感器，声表面波是一种沿着物体表面传播的弹性波，不同的边界条件和传播介质条件可以激发出不同模式的声表面波。信号收发器发出高频电磁波，传感天线收到无线电磁波后，叉指换能器的输入端接收到电磁信号激励后，会在压电基片表面激发相应的弹性变形，从而引起固体质点的振动，将电磁波转换为声表面波，声表面波沿着压电基片表面向左右两侧传递，遇到两侧的反射栅条后反射回来，两侧反射声表面波产生谐振后经叉指换能器转换为电磁波信号，由传感天线发送出去[3]，见图3。

图3 温度传感器工作原理

当外界温度发生变化时，传感天线收到的高频电磁波在压电基片上产生的声表面波也会发生相应变化，并通过反射栅条反射回携带温度信号的声表面波，经叉指换能器转换为相应的电磁波经传感天线发送到信号收发器，测量的温度值与携带的电磁波频率关系如下：

式中：Tc为测量温度；To为校准温度；fc为传感器返回频率；fo校准温度值的频率值；Kf为温度频率常数。

无源无线在线测温技术实现方式是将声表面波传感器用绝缘材料制成的胶粘贴于被测点表面，传感天线置于与传感器同腔室的开关柜柜壁上，传感器与传感天线之间为无线连接。天线收发信号通过信号线缆与信号收发装置连接，信号收发装置安装于开关柜仪表室室内，共用仪表电源，通过RS485 接入终端后台，可实现温度在线监测、分析、预警等功能。无源无线在线测温技术的优点在于传感器与传感天线之间无需布线，且现在市面上传感器型号种类多，不仅可监测母线、电缆连接处温度，也可以实现断路器触头温度监测，适用范围较广，温度偏差在±2℃以内；声表面波传感器由压电材料制成，在高温高电磁辐射环境下亦可以正常工作，环境适应能力强。但传感器安装过程需要停电操作，影响生产。

1.5 热成像卡片机在线测温

热成像卡片机利用热成像摄像头实时在线监测温度，其测温原理与手持热像仪相同，这里不再赘述。

热成像卡片机在线测温的实现方式是将卡片机磁吸或螺丝固定安装于开关柜柜壁上，将摄像头对于被测面，通过摄像头将红外图像及原始测温数据经电缆传输到信息中心或现场工作站，实现远距离传输、实时视频浏览和配置等功能。其优点在于安装快捷方便，无需断电，测温可覆盖面积较大，约70*70mm，测温精度±2℃。缺点在于无法穿透物体，仅可测物体表面温度，对于断路器触头的温度，无法实现直接检测，且需要现场设供电电源，见图4。

图4 热成像卡片机测温系统结构

2 热成像卡片机在线测温效果测试

热成像测温是通过非接触方式检测运行中的设备温度和运行状态，安装方便，无需断电，不影响生产，故此次选用此测温方式对其效果进行测试。

2.1 现场安装

观澜茜坑水厂在低压母线连接处和抽屉柜母线连接处分别布设一台热成像卡片机测试使用效果，卡片机下端连接两根线缆，一根8 芯航空线与网口进行连接，输出网络信号，一根12芯航空线与电源连接，因两台卡片机都需要电源供电，现场仅有一个220V 电源插座，故将两台卡片机并联后利用同一插座供电。硬件安装完成后，两台卡片机已接入清湖和大和泵站视频监控系统客户端，可实时在线监测显示被测区域温度范围，见图5。

图5

2.2 使用情况

根据现场使用情况，一台卡片机覆盖面积约为70*70cm，可实时监测覆盖区域温度范围；利用点式手持测温仪测得被测点温度在覆盖区域温度范围内；利用高温电烙铁测试时，发现温度监测存在约2～3 秒的延时，具有温度超过设定阈值（+60℃）后的页面报警功能，见图6。

图6

2.2.1 使用效果：卡片式测温热像仪可实现非接触式实时、精准的温度监测，且可实现数据实时传输，在低压开关柜中可推广使用，但在高压开关柜中，不排除存在爬电的可能性，且温度监测存在一定的盲区。

2.2.2 使用测算：观澜茜坑水厂现有低压变电房内开关柜（二期：8 面，脱水车间：5 面；一期中控：10 面）23 面，每面柜子安装2 台卡片式测温热像仪，厂家报价3500 元/台（不包含其他费用），共计测温仪成本约16 万元。

3 结论

在智慧城市建设的大背景下，各行各业生产运营实现数字化、信息化、智能化是大势所趋，自来水厂对于开关柜温度的实时在线监测已势在必行，传统的温感材料、手持测温枪等非实时在线测温方式已不适用。通过对光纤光栅在线测温、无源无线在线测温和热成像卡片机测温方式的原理、技术特点等的详细分析，并测试使用了热成像卡片机在线测温的效果，为开关柜在线测温方式的选择与应用提供了一定的参考。