劉少澤 雒浪 藍(lán)文軍 馬研清

（深圳市深水龍華水務(wù)有限公司，廣東深圳 518000）

電能是生產(chǎn)的動(dòng)力源，高低壓開關(guān)柜在電能的輸送、分配和轉(zhuǎn)換過程中承載著開合、控制和保護(hù)的作用，開關(guān)柜內(nèi)部電氣連接部分因制作工藝、機(jī)械磨損、表面氧化、臟污等原因?qū)е陆佑|電阻增大而發(fā)熱，溫度過高不僅會(huì)對(duì)設(shè)備帶來不可逆的損壞，嚴(yán)重的將會(huì)引發(fā)火災(zāi)或爆炸事故。在自來水廠中，若開關(guān)柜因發(fā)熱引發(fā)突發(fā)性停電事故，不僅會(huì)嚴(yán)重影響水廠正常生產(chǎn)，更有甚者或?qū)?dǎo)致供水片區(qū)大面積停水，造成不良社會(huì)影響和嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。因此，有效監(jiān)控開關(guān)柜電氣接點(diǎn)溫度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)熱隱患點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜從定期檢修和事后檢修到預(yù)防性檢修、確保其運(yùn)行狀態(tài)安全可靠至關(guān)重要。

目前，開關(guān)柜常見的溫度監(jiān)測(cè)方法主要有溫感材料監(jiān)測(cè)法、手持紅外熱像儀測(cè)溫法、光纖光柵溫度在線監(jiān)測(cè)法、無線溫度在線監(jiān)測(cè)法、卡片式在線測(cè)溫?zé)嵯駜x等監(jiān)測(cè)方法，其中溫感材料測(cè)溫和手持紅外熱像儀測(cè)溫均不能實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且溫感材料測(cè)溫不能量化溫度指標(biāo)，其余測(cè)溫方式均可實(shí)現(xiàn)溫度指標(biāo)量化且可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)采集溫度數(shù)據(jù)。

1 常見測(cè)溫方法

1.1 溫感材料監(jiān)測(cè)法

溫感材料監(jiān)測(cè)法主要有以下3 種：（1）示溫蠟片是由具有固定熔點(diǎn)的特殊材料制成，將其用固定膠粘在需要被測(cè)溫的位置，當(dāng)被測(cè)點(diǎn)溫度上升至示溫蠟片的熔點(diǎn)后，示溫蠟自動(dòng)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(tài)變化確定被測(cè)點(diǎn)是否存在發(fā)熱故[1]。（2）示溫記錄標(biāo)簽是利用特定熔點(diǎn)的材料，當(dāng)溫度超過熔點(diǎn)后，材料呈現(xiàn)液態(tài)，利用液態(tài)下材料的流動(dòng)擴(kuò)散，達(dá)到顯色的效果。將示溫記錄標(biāo)簽貼于被測(cè)點(diǎn)表面，當(dāng)溫度超過特定溫度后，標(biāo)簽顏色發(fā)生變化，巡檢人員通過觀察標(biāo)簽顏色推斷被測(cè)點(diǎn)是否超溫。（3）表面涂層法是在電氣接點(diǎn)處涂抹一種顏色隨溫度變化而變化的特性發(fā)光材料，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，巡檢人員可通過觀察材料顏色變化得知被測(cè)點(diǎn)溫度變化情況。以上方法的缺點(diǎn)在于安裝不便，巡檢人員要定期材料變化狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)材料變化時(shí)要及時(shí)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(fēng)險(xiǎn)；若因巡檢人員巡查疏忽漏檢，則會(huì)造成事故隱患發(fā)現(xiàn)不及時(shí)的情況；此方法準(zhǔn)確度低、可靠性差，不能量化溫度指標(biāo)，優(yōu)點(diǎn)在于成本較低。

1.2 手持紅外熱像儀測(cè)溫法

紅外熱像儀的工作原理是根據(jù)不同溫度物體表面發(fā)出的紅外輻射，使用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)物體表面的紅外輻射能量分布圖形，反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，獲得紅外熱像圖，經(jīng)處理后顯示。手持紅外熱像儀應(yīng)用于封閉式開關(guān)柜測(cè)溫，較為不便，因被測(cè)覆蓋區(qū)域可由點(diǎn)到面，價(jià)格跨度區(qū)間較大；無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患，存在偶然性。其優(yōu)點(diǎn)在于熱像儀測(cè)溫是與被測(cè)物體非接觸式監(jiān)測(cè)，迅速，準(zhǔn)確，直觀，操作者安全更有保障，測(cè)溫精度±2℃。

1.3 光纖光柵溫度在線監(jiān)測(cè)法

光纖光柵溫度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心在于光纖光柵溫度傳感器和解調(diào)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(nèi)形成空間相位光柵，其作用類似一個(gè)窄帶反射鏡[2]，如圖1所示，當(dāng)寬帶光在光纖光柵傳感器中傳輸時(shí)，光柵會(huì)有選擇性的反射滿足特定條件波長(zhǎng)的窄帶光，其余波長(zhǎng)的光可以無損耗的透過，所反射的窄帶光的波長(zhǎng)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(zhǎng)；neff為光纖光柵折射率；Λ 為光柵周期。

當(dāng)外界溫度發(fā)生一定范圍內(nèi)變化時(shí)，光纖光柵傳感器反射回的窄帶光波長(zhǎng)量會(huì)程相應(yīng)趨勢(shì)線性變化，只要測(cè)出波長(zhǎng)變化量，就可根據(jù)公式（2）計(jì)算出溫度變化量。一般光纖光柵傳感器工作波長(zhǎng)范圍從1520nm 到1570nm 之間，溫度每變化100 度，光譜中心波長(zhǎng)位移將隨之變化1nm。

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

解調(diào)儀是對(duì)光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)變化量ΔλB進(jìn)行精確測(cè)量的裝置，其優(yōu)劣直接決定了光纖光柵在線測(cè)溫系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

光纖光柵溫度在線監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)方式是將光纖溫度傳感器直接粘在被測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)感知被測(cè)點(diǎn)表面因溫度變化引起的波長(zhǎng)變化，傳感器經(jīng)傳輸光纜匯聚到光纖分路盒與解調(diào)儀連接，解調(diào)儀將光纜傳送的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為溫度信號(hào)后可在終端軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、故障診斷、報(bào)警及控制。其優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)時(shí)在線多點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)、分析、處理，測(cè)溫高效、迅速、準(zhǔn)確，精度可達(dá)±1℃。缺點(diǎn)在于開關(guān)柜內(nèi)布線較多，不排除發(fā)生爬電的可能性；安裝調(diào)試過程需要停電，影響生產(chǎn)，造價(jià)成本較高，見圖2。

圖2 光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 無源無線溫度在線監(jiān)測(cè)法

無源無線溫度在線監(jiān)測(cè)法的核心技術(shù)在于聲表面波傳感器，聲表面波是一種沿著物體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，不同的邊界條件和傳播介質(zhì)條件可以激發(fā)出不同模式的聲表面波。信號(hào)收發(fā)器發(fā)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(hào)激勵(lì)后，會(huì)在壓電基片表面激發(fā)相應(yīng)的彈性變形，從而引起固體質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，將電磁波轉(zhuǎn)換為聲表面波，聲表面波沿著壓電基片表面向左右兩側(cè)傳遞，遇到兩側(cè)的反射柵條后反射回來，兩側(cè)反射聲表面波產(chǎn)生諧振后經(jīng)叉指換能器轉(zhuǎn)換為電磁波信號(hào)，由傳感天線發(fā)送出去[3]，見圖3。

圖3 溫度傳感器工作原理

當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，傳感天線收到的高頻電磁波在壓電基片上產(chǎn)生的聲表面波也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，并通過反射柵條反射回?cái)y帶溫度信號(hào)的聲表面波，經(jīng)叉指換能器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電磁波經(jīng)傳感天線發(fā)送到信號(hào)收發(fā)器，測(cè)量的溫度值與攜帶的電磁波頻率關(guān)系如下：

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

無源無線在線測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(cè)點(diǎn)表面，傳感天線置于與傳感器同腔室的開關(guān)柜柜壁上，傳感器與傳感天線之間為無線連接。天線收發(fā)信號(hào)通過信號(hào)線纜與信號(hào)收發(fā)裝置連接，信號(hào)收發(fā)裝置安裝于開關(guān)柜儀表室室內(nèi)，共用儀表電源，通過RS485 接入終端后臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)、分析、預(yù)警等功能。無源無線在線測(cè)溫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于傳感器與傳感天線之間無需布線，且現(xiàn)在市面上傳感器型號(hào)種類多，不僅可監(jiān)測(cè)母線、電纜連接處溫度，也可以實(shí)現(xiàn)斷路器觸頭溫度監(jiān)測(cè)，適用范圍較廣，溫度偏差在±2℃以內(nèi)；聲表面波傳感器由壓電材料制成，在高溫高電磁輻射環(huán)境下亦可以正常工作，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。但傳感器安裝過程需要停電操作，影響生產(chǎn)。

1.5 熱成像卡片機(jī)在線測(cè)溫

熱成像卡片機(jī)利用熱成像攝像頭實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)溫度，其測(cè)溫原理與手持熱像儀相同，這里不再贅述。

熱成像卡片機(jī)在線測(cè)溫的實(shí)現(xiàn)方式是將卡片機(jī)磁吸或螺絲固定安裝于開關(guān)柜柜壁上，將攝像頭對(duì)于被測(cè)面，通過攝像頭將紅外圖像及原始測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)經(jīng)電纜傳輸?shù)叫畔⒅行幕颥F(xiàn)場(chǎng)工作站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、實(shí)時(shí)視頻瀏覽和配置等功能。其優(yōu)點(diǎn)在于安裝快捷方便，無需斷電，測(cè)溫可覆蓋面積較大，約70*70mm，測(cè)溫精度±2℃。缺點(diǎn)在于無法穿透物體，僅可測(cè)物體表面溫度，對(duì)于斷路器觸頭的溫度，無法實(shí)現(xiàn)直接檢測(cè)，且需要現(xiàn)場(chǎng)設(shè)供電電源，見圖4。

圖4 熱成像卡片機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 熱成像卡片機(jī)在線測(cè)溫效果測(cè)試

熱成像測(cè)溫是通過非接觸方式檢測(cè)運(yùn)行中的設(shè)備溫度和運(yùn)行狀態(tài)，安裝方便，無需斷電，不影響生產(chǎn)，故此次選用此測(cè)溫方式對(duì)其效果進(jìn)行測(cè)試。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)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(shè)一臺(tái)熱成像卡片機(jī)測(cè)試使用效果，卡片機(jī)下端連接兩根線纜，一根8 芯航空線與網(wǎng)口進(jìn)行連接，輸出網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，一根12芯航空線與電源連接，因兩臺(tái)卡片機(jī)都需要電源供電，現(xiàn)場(chǎng)僅有一個(gè)220V 電源插座，故將兩臺(tái)卡片機(jī)并聯(lián)后利用同一插座供電。硬件安裝完成后，兩臺(tái)卡片機(jī)已接入清湖和大和泵站視頻監(jiān)控系統(tǒng)客戶端，可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)顯示被測(cè)區(qū)域溫度范圍，見圖5。

圖5

2.2 使用情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況，一臺(tái)卡片機(jī)覆蓋面積約為70*70cm，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)覆蓋區(qū)域溫度范圍；利用點(diǎn)式手持測(cè)溫儀測(cè)得被測(cè)點(diǎn)溫度在覆蓋區(qū)域溫度范圍內(nèi)；利用高溫電烙鐵測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)存在約2～3 秒的延時(shí)，具有溫度超過設(shè)定閾值（+60℃）后的頁面報(bào)警功能，見圖6。

圖6

2.2.1 使用效果：卡片式測(cè)溫?zé)嵯駜x可實(shí)現(xiàn)非接觸式實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的溫度監(jiān)測(cè)，且可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，在低壓開關(guān)柜中可推廣使用，但在高壓開關(guān)柜中，不排除存在爬電的可能性，且溫度監(jiān)測(cè)存在一定的盲區(qū)。

2.2.2 使用測(cè)算：觀瀾茜坑水廠現(xiàn)有低壓變電房?jī)?nèi)開關(guān)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(tái)卡片式測(cè)溫?zé)嵯駜x，廠家報(bào)價(jià)3500 元/臺(tái)（不包含其他費(fèi)用），共計(jì)測(cè)溫儀成本約16 萬元。

3 結(jié)論

在智慧城市建設(shè)的大背景下，各行各業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化、智能化是大勢(shì)所趨，自來水廠對(duì)于開關(guān)柜溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)已勢(shì)在必行，傳統(tǒng)的溫感材料、手持測(cè)溫槍等非實(shí)時(shí)在線測(cè)溫方式已不適用。通過對(duì)光纖光柵在線測(cè)溫、無源無線在線測(cè)溫和熱成像卡片機(jī)測(cè)溫方式的原理、技術(shù)特點(diǎn)等的詳細(xì)分析，并測(cè)試使用了熱成像卡片機(jī)在線測(cè)溫的效果，為開關(guān)柜在線測(cè)溫方式的選擇與應(yīng)用提供了一定的參考。