美環(huán)能股份有限公司 吳振良

激光供能智能溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)在開關(guān)柜溫濕度監(jiān)測中的應(yīng)用

美環(huán)能股份有限公司 吳振良

在電力設(shè)備中，開關(guān)柜是電力分配點的重要設(shè)備，在開關(guān)柜長期的使用中如果無法實時掌握開關(guān)柜的運行情況，就會存在電弧、爆炸、火災(zāi)等安全隱患。所以，對開關(guān)柜進行實時監(jiān)測至關(guān)重要，目前的監(jiān)測方法都存在很大的缺陷，激光供能智能溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用成功解決了以往監(jiān)測中存在的問題。

一、前言

2016年8月，公安部消防局公布了2016年上半年全國火災(zāi)統(tǒng)計情況[1]，以下數(shù)據(jù)不包含森林、草原、鐵路、港航等火災(zāi)。2016年1至6月份，全國共接報火災(zāi)17.2萬起，死亡911人，傷756人，已核直接財產(chǎn)損失19.2億元，與去年上半年相比，四項數(shù)字分別下降16.7%、18.5%、7.1%和25.5%；其中，較大火災(zāi)38起，同比下降2.6%，未發(fā)生重大和特大火災(zāi) (去年同期發(fā)生特大火災(zāi)1起、重大火災(zāi)3起)。從引發(fā)火災(zāi)的直接原因看，因電氣引發(fā)的火災(zāi)共48392起，占總數(shù)的28.2%；因生活用火不慎引發(fā)的火災(zāi)共31045起，占18.1%。由此可見，電氣引發(fā)火災(zāi)最多。在電氣設(shè)備中，開關(guān)柜是電力分配點的重要設(shè)備，維持其正常穩(wěn)定的運作，才能提供穩(wěn)定的供電服務(wù)并保證人員及設(shè)備的安全。但開關(guān)柜在長時間的使用下，開關(guān)柜因內(nèi)部溫度濕度過高、內(nèi)部材質(zhì)老化劣化、或環(huán)境的變化而造成時有電弧、爆炸、火災(zāi)的情事發(fā)生 (案例如圖1)，導(dǎo)致停電以及人員傷亡，造成巨大損失。所以，實時監(jiān)測開關(guān)柜的運行狀況，掌握其動態(tài)變化趨勢，及時采取預(yù)防措施，對防止開關(guān)柜引起的火災(zāi)事故來說十分必要。

二、開關(guān)柜發(fā)生電氣意外的原因

1.溫度過高：

（1）電流過載：當(dāng)連接過多負(fù)載或過流保護失效時，大量的電流將會造成開關(guān)柜內(nèi)溫度升高，進而引燃箱內(nèi)的易燃性物質(zhì)，造成起火或爆炸等意外事故。

（2）局部電阻增加：長期運行過程中，開關(guān)柜中的開關(guān)觸頭、銅排、電纜頭連接處等部位，因材料老化、污染或接觸松弛造成的接觸電阻變大，造成局部過熱而起火。

2.濕度過高：根據(jù)相關(guān)研究顯示，當(dāng)空氣中的濕度高于60%時[2]，絕緣礙子的閃絡(luò)電壓將迅速地大幅降低，開關(guān)柜的絕緣性能降低將產(chǎn)生放電、漏電與短路情況，并引發(fā)災(zāi)害與停電。

3.其他：

（1）絕緣劣化：長時間使用后絕緣材料的劣化，將使開關(guān)柜對高溫及高濕的承受能力下降，對溫度及濕度的變化更為敏感，在某些情況下，亦可能造成局部放電，使開關(guān)柜內(nèi)的絕緣安全系數(shù)不足，形成安全隱患。

（2）開關(guān)柜箱門開啟：人的身體可能帶有靜電，在人員打開箱門的瞬間亦有可能造成揚塵，或瞬間涌入的大量氧氣，均可能改變箱內(nèi)的平衡狀況，進而發(fā)生電弧閃光或閃爆等現(xiàn)象，造成人員與電盤的損傷。

綜上所述，中高壓開關(guān)柜內(nèi)的開關(guān)觸頭、銅排、電纜頭連接處等部件長期處于高溫、高電壓、高磁場與強電磁干擾環(huán)境中，加速了劣化速度并增加電氣意外風(fēng)險。雖然一般開關(guān)柜具有超載、短路、漏電等保護，但如果缺少對箱體內(nèi)溫度、濕度的長期監(jiān)測與預(yù)警，就無法掌握盤內(nèi)電氣部件的劣化趨勢并及早采取必要的防制措施，會造成嚴(yán)重的安全事故。因此，為預(yù)防災(zāi)害發(fā)生與人員設(shè)備損傷，開關(guān)柜內(nèi)的溫濕度實時監(jiān)控，將成為不可或缺的預(yù)警系統(tǒng)。

三、監(jiān)測點的探討

1.溫度：在開關(guān)柜內(nèi)，由于開關(guān)觸頭、電纜頭連接處等部位溫度升高時，銅排溫度也會因熱傳導(dǎo)而升高，直接測量銅排溫度相較于測量開關(guān)柜內(nèi)的環(huán)境溫度準(zhǔn)確性較高，可更有效的監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)的運行狀態(tài)。

2.濕度：傳統(tǒng)做法是測量開關(guān)柜底部的濕度，但在開關(guān)柜滲水或積水后，水氣逐漸蒸發(fā)而上，可能聚積在銅排附近，造成局部高濕，降低絕緣安全系數(shù)并引發(fā)電氣事故；且銅排附近的濕度對電極間是否會造成放電與漏電最為敏感，故直接測量銅排附近的濕度可更精準(zhǔn)提前預(yù)警。

所以，直接測量開關(guān)柜內(nèi)銅排溫度及濕度是最佳的監(jiān)測做法。

圖1 開關(guān)柜發(fā)生電氣意外導(dǎo)致起火燃燒

四、解決方案探討

開關(guān)柜的定期巡檢通常為每年兩次，由電氣專業(yè)巡檢人員打開開關(guān)柜箱門，并以手持式測溫儀對銅排溫度進行熱點檢測。這種傳統(tǒng)做法需巡檢人員到現(xiàn)場測量開關(guān)柜內(nèi)狀態(tài)，無法長期監(jiān)測其溫濕度的動態(tài)狀況，也無法知悉其溫濕度的長期變化趨勢，因而無法有效地預(yù)判風(fēng)險，進而采取防范措施，以避免災(zāi)害與人員設(shè)備損失。而且，巡檢人員在接近配電箱或打開箱門時，隨時都有可能產(chǎn)生電弧、閃燃及爆炸等意外情況，對人員與設(shè)備都存在很大的風(fēng)險。

在開關(guān)柜內(nèi)的高電壓環(huán)境下做到長期、準(zhǔn)確、實時、穩(wěn)定的監(jiān)測，綜觀各家做法，其運作模式不外是置放傳感器于待測位置上，維持傳感器運行，并將傳感器所檢知的數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心做分析與處理。下面就目前常見的解決方案在供能、感測與數(shù)據(jù)傳輸方式逐一進行說明，各家的產(chǎn)品架構(gòu)均由以下三大部份排列組合而成。

1.傳感器的供電方式：

銅線供電：傳統(tǒng)的供能方式，除在低壓傳輸時壓降所造成的線損將消耗電能外，容易受到噪聲、電暈、瞬間高壓、短路、故障電流等狀況的干擾，輕則供能不足，重則發(fā)生燒損或產(chǎn)生電弧。

電池供電：產(chǎn)品成本低，但需承受定期更換電池時候的箱門開啟風(fēng)險；且在箱內(nèi)的高溫環(huán)境下，電池壽命將大幅減短，造成更換周期頻繁，更換的材料與人工成本亦將增加。如果使用的是鋰電池，在高溫下有爆炸的危險，將降低業(yè)主采用的意愿。

自取電供能：利用電磁感應(yīng)原理，直接由待測線路上的感應(yīng)產(chǎn)生所需電力，但若待側(cè)線路上電流較低時，則可能造成感應(yīng)電流不足而監(jiān)測系統(tǒng)無法運作。

聲波供電：以聲波方式傳遞能量，提供傳感器運作所需電力，此技術(shù)最大的問題在于易受干擾，任何的聲波都將影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；此外，也有易受障礙物阻隔與傳輸距離受限的問題。

電波供電：以電磁波方式傳遞能量，提供傳感器運作所需電力，只需選擇特定波段，才能減少其他電波干擾。另外，傳輸距離受限，易受障礙物、磁屏蔽等阻隔，易受熱、電暈、閃電等干擾、供能效率偏低等都是常見問題。

光纖傳感器：光纖傳感器無須供電，僅靠光纖內(nèi)反射光的變化來感測環(huán)境的變化，只需克服光纖外表因水氣、油氣及塵埃沾附而可能發(fā)生的短路問題。

2.傳感器的工作方式∶

溫濕度感測IC、熱電偶測溫、電阻式測溫、表面聲波測溫、紅外線測溫、紅外影像測溫、光纖溫度感測。

3.訊號傳送方式：

銅線傳輸：需使用隔離線避免干擾，且絕緣披覆需能耐高壓。

無線電波傳輸：無線傳輸，但傳輸距離受限，且訊號易受干擾與障礙物屏蔽阻隔。

光纖傳輸：訊號準(zhǔn)確性高，需克服光纖外表因水氣、油氣及塵埃沾附而可能發(fā)生的短路問題。

五、激光供能的解決方案

1.激光供能智能溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)（圖2）使用硅基垂直多結(jié)面光伏電池(Vertical Multi-Junction PV Cell)激光供能(PoF, Power over Fiber)技術(shù)，提供溫濕度傳感器運作所需能量，運作方式如下∶

供能方式：主機內(nèi)的9xx nm半導(dǎo)體激光器將市電轉(zhuǎn)換為激光光能，該能量以激光的形式，直接經(jīng)光纖傳輸至銅排上感測機盒內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換器(PPC, Photovoltaic Power Converter)，光電轉(zhuǎn)換器內(nèi)的硅基垂直多結(jié)面光伏電池可將激光光能轉(zhuǎn)換為電能，提供溫濕度傳感器運作所需的電力，避免了銅線、電池、自取電、聲波及電波供電所面臨的問題，充分做到在高壓環(huán)境中的電隔離，確保供電安全。

溫濕度感測方式：溫度傳感器及濕度傳感器，可直接安裝固定在中高壓銅排上，直接、準(zhǔn)確地實時測量銅排本體上的溫度以及其附近周邊區(qū)域的濕度，因為溫度或濕度導(dǎo)致的潛在危機，都可由此二參數(shù)的累計變化趨勢評估推測而得出。

數(shù)據(jù)傳輸方式：傳感器測得的溫濕度數(shù)據(jù)以光纖實時傳送至數(shù)據(jù)中心分析處理，由于光纖傳輸不受外界因素干擾，可確保資料搜集匯整的準(zhǔn)確性與可靠性，并為開關(guān)柜溫濕度的長期監(jiān)測提供連續(xù)且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來源。

2.其他特點∶

由于溫濕度傳感器及激光訊號發(fā)射器用電量微小，一個激光供能主機可供給多個傳感器使用，可做到配電箱內(nèi)的多點監(jiān)測，甚至可供給多個配電箱同時進行監(jiān)測；因光纖傳輸?shù)膿p耗小，所以供電距離與訊號傳輸距離都可以大范圍的拉開，增加硬件布建的彈性與方便性；因供電與訊號傳輸都使用光纖，即使在無法直接目視的多障礙環(huán)境下，亦可輕松的布建，沒有屏障或阻隔的困擾；激光供能智能溫濕度傳感器可以安裝在屋外或屋內(nèi)的開關(guān)柜或銅排上。

圖2 ：激光供能智能溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

六、結(jié)語

開關(guān)柜一旦出事，輕則造成維修成本、設(shè)備成本、人工成本損失；重則造成大規(guī)模的設(shè)備毀損、建物燒損、人身傷害、大區(qū)域或長時間的停電等損失。所以，長期、實時監(jiān)測開關(guān)柜的供電狀況，采取預(yù)防及安全措施是非常必要的；監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該列為開關(guān)柜的標(biāo)準(zhǔn)配備，而非選擇配備，這樣才能維持發(fā)電廠、變電站及電力分配點的安全且穩(wěn)定的運行，以確保人員、設(shè)備的安全并維護高質(zhì)量的供電。隨著物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)日漸成熟，若搭配此監(jiān)測系統(tǒng)自動化所收集的大數(shù)據(jù)，將可利用云端運算針對長期運行數(shù)據(jù)進行分析，可以有效預(yù)防電氣設(shè)備損壞，并達到全自動自我防護的目標(biāo)。