楊立璠，陳海亮，茅靜，於岳祥，霍凱龍，衛(wèi)國平

（1.施耐德電氣（中國）有限公司，上海 201203；2.杭州市電力設計院有限公司，浙江 杭州 310006；3.國網(wǎng)浙江杭州市蕭山區(qū)供電有限公司，浙江 杭州 311225）

對關鍵電力設備進行多維度（如溫度、濕度、局放、弧光、運行參數(shù)、關鍵部件損耗率、報警信息、電能質(zhì)量等）的實時狀態(tài)監(jiān)測可以隨時掌握設備建康狀況，這有利于技術(shù)人員對設備的異常運行情況進行及時處理。同時，基于對狀態(tài)監(jiān)測得到的動態(tài)趨勢分析，為預防性維護的規(guī)劃提供更科學的指導。

實時狀態(tài)監(jiān)測的溫度測量與控制十分重要，溫度參數(shù)的準確測量對電能的輸出品質(zhì)、生產(chǎn)效率和設備安全可靠地運行至關重要。目前，在電力生產(chǎn)和檢修過程中，在線溫度監(jiān)測技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，形成多種技術(shù)方案［1］，例如：無源無線測溫（如聲表面波測溫）、無源有線測溫（如光纖測溫）、有源無線測溫（如感應取能無線測溫）、紅外測溫等。這些方式都不同程度地實現(xiàn)了重要設備的溫度監(jiān)視。

在線測溫產(chǎn)品屬于二次設備，與電力一次設備相比，對運行環(huán)境要求更高。簡單地組合安裝就使用，往往會導致測溫產(chǎn)品故障率高、使用壽命低，難以取得監(jiān)視的作用，甚至危及一次設備的正常運行。

不論哪種形式的測溫方案，用戶在使用時首先提出的是使用壽命的問題，所以是否能夠與被監(jiān)測的一次電力設備保持相同或相近的使用壽命，一直是業(yè)內(nèi)關注的主要問題之一。

1 中壓開關柜在線測溫

在線測溫方案具有不同的分類方法。按照測溫傳感器和開關設備的相對位置，可以分為非嵌入式和嵌入式兩類技術(shù)方案。

1.1 非嵌入式

非嵌入式測溫系統(tǒng)與開關柜本體具有明顯的距離，尤其是傳感器部分，一般不會直接附著在開關本體，如圖1所示。較常見的是熱成像方案，如卡片式測溫熱像儀，尺寸小巧，可以安裝在柜體內(nèi)部，對導體關鍵部分（如銅排搭接處）進行監(jiān)測。由于沒有直接接觸，對開關的電氣性能和絕緣性能通常不會產(chǎn)生影響，可以最大限度地實現(xiàn)不停電改造。

圖1 開關柜母排熱成像（左）及可見光成像（右）

紅外測溫精度受諸多因素影響，比如探測距離、外界熱源（環(huán)境溫度）、被測物表面狀況［2］。對于開關設備在線測溫應用，最明顯的因素是測溫對象的輻射系數(shù)。如圖2所示，以中壓開關柜常用的銅排為例，不同規(guī)格的銅材有不同的輻射系數(shù)，即使在出廠前把輻射系數(shù)調(diào)校到較高精準的水平，隨著使用時間推移，銅排的表層氧化程度、粗糙程度的變化都會影響測溫精度。因此，這種測量方法的精度通常不會很高。

圖2 輻射系數(shù)對紅外測溫精度的影響

另外一種常見的非嵌入式安裝是捆扎方式。對于目前廣泛使用的全絕緣環(huán)網(wǎng)柜，如圖3所示，導體關鍵部分（如電纜終端或擴展母線）采用硅橡膠或者環(huán)氧樹脂材料包裹，溫度傳感器只能捆扎在絕緣材料的外表。

圖3 全絕緣環(huán)網(wǎng)柜捆扎測溫方案

因為會受到絕緣材料的導熱率、比熱容，以及環(huán)境溫度等因素的影響，這種測溫方式通常誤差比較大。硅橡膠的導熱系數(shù)大概是0.27W/（m·K），遠低于純銅的401W/（m·K）。如圖4所示，表明導體和電纜T型頭外表的溫度差異，并且這個差異隨著溫度的升高還有擴大的趨勢。因此，對于全絕緣開關設備，非嵌入式測溫無法實時、有效地在關鍵部位實現(xiàn)在線測溫，其測溫結(jié)果也無法滿足相關標準要求［3］。

圖4 導體和絕緣體外表的溫度曲線

1.2 嵌入式

嵌入式測溫系統(tǒng)與開關柜本體融為一體，尤其是傳感器部分會貼附在開關本體或嵌入在關鍵測溫點導體內(nèi)部，可以靈敏地、準確地反映設備的溫升情況。如下圖5展示的方案中，將溫度傳感器嵌入在斷路器的觸臂導體中，通過無線通訊的方式采集測溫結(jié)果。如下圖6所示，將微型溫度傳感器嵌入在T型電纜頭的固定螺母中，可以直接測量到電纜連接處的溫度。

圖5 斷路器觸臂嵌入式測溫方案

圖6 T型電纜頭嵌入式測溫方案

嵌入式測溫系統(tǒng)需要從量測技術(shù)、供電方式和通訊方式等三個方面的要素來考慮。這三個方面的技術(shù)不是完全獨立，而是相互影響。比如，不同的測溫技術(shù)的功耗特征是不一樣的，這就需要合適的供電方式與之匹配，無線通訊與供能方式有時可以合二為一進行設計。

溫度傳感器嵌入到開關設備中后，有可能對設備絕緣造成影響，復雜的電磁環(huán)境，尤其是在短路、開斷等工況時，可能會造成傳感器件損壞。因此，嵌入式在線測溫系統(tǒng)需要更高的設計品質(zhì)，并且要求通過相應的絕緣實驗、局放試驗、短時耐受試驗和峰值耐受試驗進行驗證［4］。

對于嵌入式測溫方案一個重要的挑戰(zhàn)是能否與一次設備做同壽命周期，尤其是嵌入在開關本體內(nèi)的傳感器部分。

2 使用壽命評估

在線測溫產(chǎn)品一般包括溫度傳感器，數(shù)據(jù)接收模塊及顯示模塊。其中溫度傳感器是核心部分，并且其運行環(huán)境較其他模塊更加惡劣，安裝、調(diào)試和更換更加困難，因此它是使用壽命分析的重點。

2.1 加速壽命試驗原理和模型

加速壽命試驗是可靠性評定常用方法。其基本思想是在不改變失效機理的前提下，提高應力，使元件加速失效，在較短的時間內(nèi)取得失效率壽命數(shù)據(jù)，利用高應力下的壽命特征去外推正常應力水平下的壽命特征［5］。可以根據(jù)較短時間內(nèi)的試驗結(jié)果驗證長時間實際使用環(huán)境下的耐用年數(shù)。實現(xiàn)這個基本思想的關鍵在于建立壽命特征與應力水平之間的關系，即加速模型。

對于溫度是產(chǎn)品壽命的主要加速應力的場合，可采用阿倫尼斯（Arrhenius）模型；如果還需要引入其他的應力，如濕度、電壓或機械應力等，也可采用愛玲模型（Eyring Model）。

阿倫尼斯（Arrhenius）模型是最典型、應用最廣的加速模型，其表達式為∶

式（1）中∶?M/?t表示溫度在T（熱力學溫度）時的退化速率；K為玻耳茲曼常數(shù)8.617×10-5eV/℃；T為環(huán)境絕對溫度；c為常數(shù)，由試驗確定；t為反應時間；Ea為失效機理激活能，單位eV，對同一類產(chǎn)品的同一種失效模式為常數(shù)。

在半導體器件中，常見的一些加速因素為溫度、濕度、電壓和電流。在大多數(shù)情況下，加速測試不改變故障的物理特性，但會改變觀察時間。從正常使用狀態(tài)T1到加速狀態(tài)T2的加速因子Af，表征在使用條件下的壽命和高壓測試應力條件下的壽命的比值。

目前，國內(nèi)外比較成熟的加速壽命試驗數(shù)據(jù)處理方法都是基于失效數(shù)據(jù)的?？梢允菧y出加速狀態(tài)時的失效率λ加速，然后依據(jù)加速因子Af計算出各相應溫度條件下的失效率λ。

對于電子產(chǎn)品來講，當外部條件不變時偶發(fā)失效的失效率基本上是個常數(shù)，意味著隨時可能發(fā)生故障，并且某一時刻發(fā)生故障的概率是相似的。因此，一般的情況下，失效率被假定為常量，并認為早期失效率是可以忽略的，非內(nèi)在殘余失效可以通過把各組件的失效率相加而得到。

在當今電子制造技術(shù)水平下，失效率λ已經(jīng)很低了，基本在100 小時每次（FIT）的級別［6］。MTBF或MTTF作為衡量電子產(chǎn)品壽命的指標，稱為平均壽命。更準確的概念應該是“可靠壽命”，即在產(chǎn)品的可靠度下降至某個特定水平的時間。對于按指數(shù)分布的電子產(chǎn)品，MTBF或MTTF這個壽命值對應的可靠度大約只有36.7%。在設定的可靠度水平R下的使用壽命L應該為：

2.2 傳感器加速試驗分析

隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，測溫芯片更加集成化，將溫度傳感、電源管理、射頻和數(shù)字處理等功能完全集成并封裝在一個芯片中。溫度傳感器的使用壽命即等效于高度集成化的測溫芯片的使用壽命。芯片廠家能夠提供相關的加速測試數(shù)據(jù)［7］，如表1所示。

表1 測溫芯片試驗數(shù)據(jù)

依據(jù)阿氏模型（失效機理激活能Ea=0.7eV），可以外推出各個溫度條件下的加速因子和FIT，從而依據(jù)公式（4）得出在不同可靠度水平下的使用壽命如圖7所示。

圖7 不同可靠度的溫度-壽命曲線

為了更好的評估傳感器的使用壽命，按照開關設備的實際運行經(jīng)驗［8］，環(huán)境溫度按25℃考慮，依據(jù)不同的負荷水平分布及對應的溫度，建立溫度測試組合，如表2所示。

表2 兩種負荷-溫度組合用于使用壽命評估

表2模擬了開關設備的正常運行情況下不同負荷對應溫度的時間分布。組合1是負荷比較高的情況，組合2是中等負荷的情況。負荷水平基本符合正態(tài)分布，對應的溫度為開關設備在該負荷工況下測點的實測溫度。

采用表2的溫度組合對傳感器的壽命評估，更符合實際的工況。可以通過圖7獲取各運行溫度的使用壽命值。以采用可靠度為99%為例，綜合壽命評估結(jié)果如下：

以上的數(shù)據(jù)結(jié)果只是根據(jù)測溫元件的原始數(shù)據(jù)，利用阿氏模型進行的推導計算結(jié)果，并不表示在實際工程上實際使用的年限。該數(shù)據(jù)可以有效地表征產(chǎn)品的可靠性。繼電保護產(chǎn)品MTBF通常在100年至150年之間，該測溫元件的可靠性與繼電保護產(chǎn)品處于相同的水平。

2.3 其他影響因素

需要注意的是該溫度組合沒有考慮短路故障引起的瞬時高溫。開關設備須要考核短時耐受電流，時間經(jīng)常被要求為4s，這個過程溫度會突發(fā)升高，并且來不及散熱，經(jīng)驗值會達到150～160℃左右。實際運行中，因為短路故障電流會在很短的時間內(nèi)被繼電保護動作切除，后備過流保護的時限不大于0.5s～0.7s［9］，即使考慮開關動作時間等其他因素，短路故障電流持續(xù)時間通常會限制在2s以內(nèi)。上述短路故障的情況，會對測溫元件使用壽命產(chǎn)生一定的影響。

除了溫度影響溫度傳感器的使用壽命外，還應該考慮其他的環(huán)境影響因素。有些無線無源溫度傳感器設計上避免了與開關柜之間的電氣聯(lián)系，但是強電磁環(huán)境對其使用壽命的影響，需要在后續(xù)研究中做更全面的評估。

3 結(jié)論

中壓開關設備在線溫度監(jiān)測是實現(xiàn)設備高效可靠運行，提升智能化運維水平的技術(shù)手段。在線溫度監(jiān)測方案有不同的技術(shù)路線，需要從溫度傳感器、供電方式及通訊方式等方面進行全面的評估?；诮?jīng)典壽命加速試驗模型和測溫芯片的失效數(shù)據(jù)，結(jié)合開關運行工況組合，可以對產(chǎn)品壽命做出定量評估。

開關設備選用在線測溫傳感器時，應優(yōu)先采用嵌入式無線無源測溫方案。同時，商業(yè)化的高集成測溫芯片作為無線無源測溫產(chǎn)品的核心，不再需要外圍的模擬回路和電容元件，完全封裝，具有較高的可靠性。嵌入式在線測溫方案可以和一次設備進行一體化設計、一體化測試檢驗，也為整體方案的可靠性和使用壽命提供了有力保障。