开关柜温度监测技术 开关柜温度传感器系统

1. 开关柜温度监测技术对比分析

目前，应用于开关柜温度监测的技术多种多样，各有其工作原理、优缺点和适用场景。选择最合适的技术方案对于确保监测的有效性和经济性至关重要。

A. 光纤温度传感器 (FOTS – Fiber Optic Temperature Sensors)

光纤温度传感器（FOTS）因其独特的优势，在开关柜等强电磁干扰环境中得到了越来越广泛的应用。其核心优势包括：本质安全（传感器本身为电介质，不导电，不会引发短路或电弧）、完全免疫电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）、测量精度高、耐久性好、可实现与带电部件的直接接触测量，非常适用于高电压环境 。高质量的光纤传感器可在设备的全寿命周期内（例如20年以上）可靠工作，且无需校准。这些特性使其成为开关柜内部恶劣电气和电磁环境下，传统电子传感器可能失效或提供错误读数的理想替代方案。

1. 荧光光纤温度传感器 (Fluorescent Fiber Optic Temperature Sensor)

   • 工作原理：此类传感器利用特定荧光材料（如磷化物晶体或砷化镓GaAs半导体晶体）的荧光衰减时间随温度变化的特性进行测温。监测系统发出光脉冲到光纤末端的荧光材料，激发其发光，然后精确测量荧光信号的衰减时间，该衰减时间与温度有明确的对应关系。
   • 优势：具有出色的点式测温精度和长期稳定性，测量结果对光信号强度的波动不敏感，通常也不受应力和压力的影响。这种传感器本质安全、测量准确、可重复性好且坚固耐用。
   • 缺点/局限性：主要是点式传感（尽管可以通过多路复用监测多个点）。历史上成本相对较高，但随着技术发展和规模化生产，其成本已逐渐具有竞争力。
   • 开关柜适用性：非常适用于对开关柜内部关键热点（如母线连接、断路器触点）进行连续、直接的温度监测，尤其是在中高压环境中。HGSKYRAY 和 FJINNO 是该领域知名的供应商。

2. 光纤布拉格光栅 (FBG) 传感器 (Fiber Bragg Grating (FBG) Sensors)

   • 工作原理：FBG是在光纤纤芯内形成的一种周期性折射率调制结构，它会反射特定波长（布拉格波长）的光，而让其他波长的光透射过去。当温度发生变化时，光纤的热胀冷缩以及热光效应会导致布拉格波长发生漂移，通过监测此波长漂移即可换算出温度值。
   • 优势：具有良好的波分复用能力，即可以在单根光纤上刻写多个具有不同布拉格波长的FBG传感器，实现准分布式多点测量。传感器体积小，同样免疫电磁干扰。
   • 缺点：FBG传感器对温度和应变都敏感，因此在进行精确温度测量时，需要采取一定的温度应变解耦措施，例如使用不受应变的参考光栅或采用特殊的传感器封装设计，这增加了系统的复杂性。
   • 开关柜适用性：可用于开关柜内多点温度监测。虽然应变补偿增加了复杂性，但在技术上是可行的。适用于需要沿某一路径监测多个离散点温度的场合。

3. 分布式光纤温度传感 (DTS – 拉曼/布里渊) (Distributed Temperature Sensing (DTS – Raman/Brillouin))

   • 工作原理：
     • 拉曼散射DTS：向传感光纤中注入激光脉冲，光在光纤中传播时会产生拉曼散射。背向散射光中包含斯托克斯光（对温度不太敏感）和反斯托KES光（对温度高度敏感）。通过分析这两者信号的强度比，可以得到沿光纤路径上每一点的温度信息。
     • 布里渊散射DTSS：除了温度，布里渊散射还对光纤的应变敏感。其背向散射光的频率漂移与温度和应变均相关，可用于同时测量温度和应变。
   • 优势：能够提供沿整条传感光纤（长度可达数十公里）的连续温度分布曲线，可以检测和定位光纤路径上任何位置的热点。在某些条件下，标准通信光纤也可用于DTS传感。
   • 缺点：与点式传感器相比，DTS的空间分辨率可能较低（例如1米量级）。如果仅需监测少数几个特定点，DTS系统可能显得过于复杂且成本较高。
   • 开关柜适用性：非常适用于监测较大范围的温度分布，例如开关柜内较长的母线排、电缆桥架，或整个开关柜室的环境温度，而非针对特定的小型元件进行精确点测温。

综合来看，光纤传感技术，特别是荧光点式传感，凭借其在安全性（高压绝缘）、抗干扰性（强电磁环境适应性）、测量方式（直接接触带来的高精度）和耐用性（长寿命）等方面的综合优势，被认为是监测开关柜内部关键的、通常是封闭的载流部件温度的“黄金标准”。文献 均有力支持了这一观点。对于那些对可靠性和精度要求极高的关键内部连接点，尽管初始投资可能高于某些替代方案，但FOTS应作为首选。其长期效益，如减少故障、降低维护成本和延长设备寿命，往往能够证明其投资的合理性。

B. 红外 (IR) 热成像和传感器 (Infrared (IR) Thermography and Sensors)

• 工作原理：红外热成像技术是一种非接触式测温方法，通过探测物体表面发出的红外辐射强度来确定其温度，因为所有温度高于绝对零度的物体都会发出红外辐射。
• 类型：
  • 手持式红外热像仪：主要用于周期性的巡检 。
  • 固定式红外传感器/热像仪：可对特定区域进行连续或半连续的在线监测。
• 优势：非侵入式测量，可在设备运行时进行检测，无需停电；能够快速扫描大面积区域（适用于周期性检查）；传感器本身不直接接触带电部件，操作相对安全。
• 缺点：
  • 视线要求：红外测量需要清晰的视线路径，任何遮挡物（如开关柜的门板、绝缘隔板、绝缘护套等）都会阻碍测量。
  • 精度影响因素多：测量精度受到被测物体表面发射率、环境反射、测量距离、空气湿度、风速等多种因素的影响。其精度通常在 ±2∘C 到 ±4∘C 之间。
  • 穿透性差：红外辐射不能穿透固体障碍物，例如，无法透过玻璃进行测温。虽然可以安装红外窗口以便于观察，但这会增加成本并引入新的维护点。
  • 安装与校准：固定式红外系统安装时需要仔细对准，且可能成本较高。
  • 表面温度：主要探测物体表面温度，内部深层热点只能通过其在表面的热效应间接反映。
• 开关柜适用性：
  • 周期性巡检：手持式红外热像仪是进行日常维护检查、查找可直接观测部件或通过红外窗口观察内部组件热状态的极佳工具。NFPA 70B标准也推荐使用红外热成像技术进行电气设备检查 。
  • 连续监测：固定式红外传感器/热像仪由于视线限制和精度问题，不太适合对开关柜内部封闭的关键部件进行连续、精确的监测。可用于监测开关柜外部表面温度或开放式开关柜的内部情况。Exertherm 和 InfraSensing 等公司提供连续红外监测解决方案。Teledyne FLIR 是主要的红外热像仪制造商。

尽管红外热成像对于周期性的外部扫描和识别明显的温度异常非常有价值，但其固有的局限性（如视线要求、发射率问题、无法穿透绝缘护套等障碍物 ⁹）使其不适合作为现代封闭式开关柜内部关键连接点连续、精确监测的唯一手段。红外技术应作为更广泛的热管理策略的一部分，通常需要与直接接触式传感器（如FOTS）相结合，以监测关键的、不可直接观测的内部点。持续热监测（CTM）的趋势表明，行业正在超越单纯的周期性红外检查。

C. 无线温度传感器 (例如 SAW, RF 型) (Wireless Temperature Sensors (e.g., SAW, RF-based))

• 工作原理：将温度传感器（如热敏电阻、RTD、表面声波SAW器件等）安装在被测部件上，传感器通过无线方式将温度数据发送到接收器或网关。SAW传感器通常是无源的（无需电池供电） ⁹。
• 优势：安装灵活，无需布设信号线缆，尤其便于在现有设备上进行改造和加装。克服了红外传感器的视线限制问题。
• 缺点：
  • 电磁兼容性：开关柜内部存在强电磁场，无线传感器及其通信链路易受EMI干扰，可能导致数据错误或通信中断，这是其在开关柜应用中的主要顾虑。
  • 供电问题：有源无线传感器依赖电池供电，电池寿命有限，需要定期更换，增加了维护工作量和成本。无源传感器（如某些SAW器件或通过CT感应取电的传感器）虽然解决了电池问题，但可能在灵敏度、响应时间或发射功率方面存在局限。
  • 信号传输与覆盖：无线信号在金属封闭的开关柜内传输衰减较大，通信距离有限（例如SAW传感器的通信距离通常小于30 cm）。天线的布置非常关键且具有挑战性。
  • 数据安全：无线传输方式带来了数据被窃听或干扰的风险，需要考虑网络安全问题。
  • 传感器尺寸：部分无线传感器可能体积较大，不便于安装在紧凑空间内。
  • 精度：精度可能低于FOTS，例如在 ±2∘C 到 ±4∘C 的范围。
  • 调试：系统调试可能较为复杂和昂贵，涉及频率分配、多天线设置等。
• 开关柜适用性：对于降低安装复杂性，尤其是在改造项目或难以布线的场合，无线技术具有一定吸引力。然而，在关键的中高压开关柜应用中，抗EMI能力和长期供电/可靠性是必须克服的重大障碍。无线传感器可能更适用于低压柜、辅助设备监测或电磁环境相对温和的场合。Acrel、Faclon Labs、El-Watch、threephasetech 以及 Emerson (SAW) 等公司均有相关的无线测温产品 。

无线技术的主要吸引力在于其安装的便捷性。然而，开关柜是电气条件恶劣的环境。文献指出了SAW传感器存在的EMI和通信距离问题，则讨论了电子传感器在开关柜中普遍面临的电源和可靠性问题。尽管一些先进的无线技术（如无源SAW）试图缓解这些问题，但在高EMI环境中可靠运行并确保长期免维护运行的根本性挑战依然存在。因此，在选择无线方案时，应仔细评估其特定的抗EMI声明、电源寿命以及在目标开关柜环境中的实际表现。它们可能更适合于非关键测点或光纤方案成本过高或安装过于困难的低压应用。

D. 传统电子传感器 (RTD, 热电偶) (Conventional Electronic Sensors (RTDs, Thermocouples))

• 工作原理：
  • RTD (电阻温度探测器)：利用导体或半导体的电阻值随温度变化的特性进行测温，常用材料有铂、铜等。
  • 热电偶：基于塞贝克效应，由两种不同金属导体组成闭合回路，当两接点温度不同时，回路中会产生温差电动势，其大小与温度差相关。
• 优势：技术成熟，对于基本的点式测温，成本相对较低。
• 缺点：
  • 布线复杂：需要在开关柜内敷设大量信号电缆，安装工作量大，成本高，且可能引入新的故障点。
  • 抗干扰能力差：极易受到开关柜内强电磁场的干扰，导致测量读数不准确甚至传感器损坏。
  • 安全风险：传感器本身及其引线均为导体，若绝缘损坏，可能直接接触高压带电部件，引发短路、感应高压等安全事故，因此通常不适用于直接安装在中高压带电体上。
  • 可靠性与寿命：其可靠性和使用寿命可能无法与开关柜本身的长寿命（通常20-30年）相匹配。
• 开关柜适用性：在开关柜温度监测中，传统电子传感器的应用非常有限，通常仅用于监测辅助系统（如控制回路电源）、低压控制隔室内的环境温度，或电磁干扰较弱且无需高压绝缘的非关键部位。不推荐用于直接监测中高压带电部件的温度。

开关柜温度监测技术对比总结表

为了更直观地比较各种温度监测技术，下表汇总了它们的主要特性：

此表为用户提供了一个清晰的概览，帮助其根据具体需求（如对抗EMI能力、成本、安装便捷性等）快速筛选合适的技术方案。

2. 开关柜温度监测的最佳实践建议

成功实施开关柜温度监测系统并不仅仅是选择和安装传感器，更需要一套系统性的策略和方法。

A. 定义监测策略 (连续 vs. 周期性, 关键性分析)

当前的技术趋势和行业标准均指向对关键电气设备采用连续热监测（CTM）。CTM能够提供实时、不间断的温度数据，这对于捕捉瞬态热异常和缓慢发展的故障至关重要，而这些都可能被周期性检查所遗漏。在制定监测策略时，应首先进行设备关键性分析，识别出那些一旦发生故障将导致最严重后果（如安全事故、大面积停电、重大经济损失）的开关柜及其内部组件，这些关键点应优先考虑部署CTM系统。对于非关键或易于接近的部件，可以辅以定期的红外热成像巡检。

CTM的真正价值在于其为预测性维护（PdM）奠定了坚实的数据基础。通过连续收集温度数据，并结合电流、电压、环境温湿度等其他运行参数，可以进行趋势分析、异常检测和故障模式识别。这使得维护工作从传统的“定期维修”或“故障后维修”转变为“状态维修”或“预测性维修”，从而能够更准确地预测潜在故障，优化维护计划，减少不必要的停机，并最大限度地延长设备寿命。

B. 传感器布置和安装注意事项

传感器的正确选择和安装是确保监测系统有效性的前提。

• 安全性：传感器及其安装方式不得对开关柜的绝缘性能和安全运行构成任何威胁。例如，光纤传感器因其非导电性而本质安全。
• 合规性：传感器应符合相关的行业标准，例如提及的IEEE C37.20.3等开关柜测试标准中对附件的要求。
• 测点选择：传感器应安装在最能反映设备热状态的关键部位，通常是预期的最高温点或最易发生过热故障的连接点，如母线连接、断路器和隔离开关的触头、电缆终端等。
• 安装方式：安装应牢固可靠，避免因振动等原因导致传感器松动或损坏。对于光纤传感器，其柔韧性使其可以方便地安装在狭小空间或不规则表面，甚至可以安装在绝缘护套内部，以更接近发热源 。

C. 与 SCADA, BMS 或预测性维护平台集成

获取的温度数据如果不能方便地被运维人员获取和分析，其价值将大打折扣。因此，温度监测系统应具备良好的集成能力，能够与现有的监控与数据采集系统（SCADA）、建筑管理系统（BMS）或专门的预测性维护平台无缝对接 ⁹。通过集成，可以实现：

• 集中监控：在一个统一的平台上显示所有监测点的温度数据和状态。
• 自动报警：当温度超过预设阈值或出现异常变化趋势时，系统能自动发出报警信号，通知相关人员及时处理 ²⁶。
• 数据记录与分析：长期记录温度数据，为趋势分析、故障诊断和维护决策提供依据。
• 远程访问：在某些情况下，允许授权人员远程访问监测数据和系统状态。

D. 基线数据和趋势分析的重要性

仅仅依靠绝对温度值来判断设备状态往往是不够的，因为设备的正常工作温度会随负载大小和环境温度的变化而波动。建立设备在不同工况下的温度基线数据，并进行长期的趋势分析，对于准确识别异常发热至关重要。

• 基线建立：在新设备投运初期或设备状态良好时，记录其在不同负载水平和典型环境条件下的温度分布，作为后续比较的基准。
• 趋势分析：通过连续监测，观察各测点温度随时间的变化趋势。缓慢上升的温度趋势可能预示着连接松动、触点老化等渐发性故障。
• 温差分析 ($\Delta T$)：比较三相之间的温度差异、同一部件在不同时间（相同负载下）的温度差异、以及部件温度与环境温度的差异，是判断是否存在异常发热的有效方法。例如，在相似负载下，某相温度明显高于其他两相，或高于其历史同期值，则可能存在问题。