1. 開關(guān)柜溫度監(jiān)測技術(shù)對(duì)比分析

目前，應(yīng)用于開關(guān)柜溫度監(jiān)測的技術(shù)多種多樣，各有其工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用場景。選擇最合適的技術(shù)方案對(duì)于確保監(jiān)測的有效性和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。

A. 光纖溫度傳感器 (FOTS – Fiber Optic Temperature Sensors)

光纖溫度傳感器（FOTS）因其獨(dú)特的優(yōu)勢，在開關(guān)柜等強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。其核心優(yōu)勢包括：本質(zhì)安全（傳感器本身為電介質(zhì)，不導(dǎo)電，不會(huì)引發(fā)短路或電弧）、完全免疫電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）、測量精度高、耐久性好、可實(shí)現(xiàn)與帶電部件的直接接觸測量，非常適用于高電壓環(huán)境 。高質(zhì)量的光纖傳感器可在設(shè)備的全壽命周期內(nèi)（例如20年以上）可靠工作，且無需校準(zhǔn)。這些特性使其成為開關(guān)柜內(nèi)部惡劣電氣和電磁環(huán)境下，傳統(tǒng)電子傳感器可能失效或提供錯(cuò)誤讀數(shù)的理想替代方案。

1. 熒光光纖溫度傳感器 (Fluorescent Fiber Optic Temperature Sensor)

   • 工作原理：此類傳感器利用特定熒光材料（如磷化物晶體或砷化鎵GaAs半導(dǎo)體晶體）的熒光衰減時(shí)間隨溫度變化的特性進(jìn)行測溫。監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出光脈沖到光纖末端的熒光材料，激發(fā)其發(fā)光，然后精確測量熒光信號(hào)的衰減時(shí)間，該衰減時(shí)間與溫度有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
   • 優(yōu)勢：具有出色的點(diǎn)式測溫精度和長期穩(wěn)定性，測量結(jié)果對(duì)光信號(hào)強(qiáng)度的波動(dòng)不敏感，通常也不受應(yīng)力和壓力的影響。這種傳感器本質(zhì)安全、測量準(zhǔn)確、可重復(fù)性好且堅(jiān)固耐用。
   • 缺點(diǎn)/局限性：主要是點(diǎn)式傳感（盡管可以通過多路復(fù)用監(jiān)測多個(gè)點(diǎn)）。歷史上成本相對(duì)較高，但隨著技術(shù)發(fā)展和規(guī)模化生產(chǎn)，其成本已逐漸具有競爭力。
   • 開關(guān)柜適用性：非常適用于對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部關(guān)鍵熱點(diǎn)（如母線連接、斷路器觸點(diǎn)）進(jìn)行連續(xù)、直接的溫度監(jiān)測，尤其是在中高壓環(huán)境中。HGSKYRAY 和 FJINNO 是該領(lǐng)域知名的供應(yīng)商。

2. 光纖布拉格光柵 (FBG) 傳感器 (Fiber Bragg Grating (FBG) Sensors)

   • 工作原理：FBG是在光纖纖芯內(nèi)形成的一種周期性折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)，它會(huì)反射特定波長（布拉格波長）的光，而讓其他波長的光透射過去。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，光纖的熱脹冷縮以及熱光效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致布拉格波長發(fā)生漂移，通過監(jiān)測此波長漂移即可換算出溫度值。
   • 優(yōu)勢：具有良好的波分復(fù)用能力，即可以在單根光纖上刻寫多個(gè)具有不同布拉格波長的FBG傳感器，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式多點(diǎn)測量。傳感器體積小，同樣免疫電磁干擾。
   • 缺點(diǎn)：FBG傳感器對(duì)溫度和應(yīng)變都敏感，因此在進(jìn)行精確溫度測量時(shí)，需要采取一定的溫度應(yīng)變解耦措施，例如使用不受應(yīng)變的參考光柵或采用特殊的傳感器封裝設(shè)計(jì)，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。
   • 開關(guān)柜適用性：可用于開關(guān)柜內(nèi)多點(diǎn)溫度監(jiān)測。雖然應(yīng)變補(bǔ)償增加了復(fù)雜性，但在技術(shù)上是可行的。適用于需要沿某一路徑監(jiān)測多個(gè)離散點(diǎn)溫度的場合。

3. 分布式光纖溫度傳感 (DTS – 拉曼/布里淵) (Distributed Temperature Sensing (DTS – Raman/Brillouin))

   • 工作原理：
     • 拉曼散射DTS：向傳感光纖中注入激光脈沖，光在光纖中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生拉曼散射。背向散射光中包含斯托克斯光（對(duì)溫度不太敏感）和反斯托KES光（對(duì)溫度高度敏感）。通過分析這兩者信號(hào)的強(qiáng)度比，可以得到沿光纖路徑上每一點(diǎn)的溫度信息。
     • 布里淵散射DTSS：除了溫度，布里淵散射還對(duì)光纖的應(yīng)變敏感。其背向散射光的頻率漂移與溫度和應(yīng)變均相關(guān)，可用于同時(shí)測量溫度和應(yīng)變。
   • 優(yōu)勢：能夠提供沿整條傳感光纖（長度可達(dá)數(shù)十公里）的連續(xù)溫度分布曲線，可以檢測和定位光纖路徑上任何位置的熱點(diǎn)。在某些條件下，標(biāo)準(zhǔn)通信光纖也可用于DTS傳感。
   • 缺點(diǎn)：與點(diǎn)式傳感器相比，DTS的空間分辨率可能較低（例如1米量級(jí)）。如果僅需監(jiān)測少數(shù)幾個(gè)特定點(diǎn)，DTS系統(tǒng)可能顯得過于復(fù)雜且成本較高。
   • 開關(guān)柜適用性：非常適用于監(jiān)測較大范圍的溫度分布，例如開關(guān)柜內(nèi)較長的母線排、電纜橋架，或整個(gè)開關(guān)柜室的環(huán)境溫度，而非針對(duì)特定的小型元件進(jìn)行精確點(diǎn)測溫。

綜合來看，光纖傳感技術(shù)，特別是熒光點(diǎn)式傳感，憑借其在安全性（高壓絕緣）、抗干擾性（強(qiáng)電磁環(huán)境適應(yīng)性）、測量方式（直接接觸帶來的高精度）和耐用性（長壽命）等方面的綜合優(yōu)勢，被認(rèn)為是監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)部關(guān)鍵的、通常是封閉的載流部件溫度的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。文獻(xiàn) 均有力支持了這一觀點(diǎn)。對(duì)于那些對(duì)可靠性和精度要求極高的關(guān)鍵內(nèi)部連接點(diǎn)，盡管初始投資可能高于某些替代方案，但FOTS應(yīng)作為首選。其長期效益，如減少故障、降低維護(hù)成本和延長設(shè)備壽命，往往能夠證明其投資的合理性。

B. 紅外 (IR) 熱成像和傳感器 (Infrared (IR) Thermography and Sensors)

• 工作原理：紅外熱成像技術(shù)是一種非接觸式測溫方法，通過探測物體表面發(fā)出的紅外輻射強(qiáng)度來確定其溫度，因?yàn)樗袦囟雀哂诮^對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)出紅外輻射。
• 類型：
  • 手持式紅外熱像儀：主要用于周期性的巡檢 。
  • 固定式紅外傳感器/熱像儀：可對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行連續(xù)或半連續(xù)的在線監(jiān)測。
• 優(yōu)勢：非侵入式測量，可在設(shè)備運(yùn)行時(shí)進(jìn)行檢測，無需停電；能夠快速掃描大面積區(qū)域（適用于周期性檢查）；傳感器本身不直接接觸帶電部件，操作相對(duì)安全。
• 缺點(diǎn)：
  • 視線要求：紅外測量需要清晰的視線路徑，任何遮擋物（如開關(guān)柜的門板、絕緣隔板、絕緣護(hù)套等）都會(huì)阻礙測量。
  • 精度影響因素多：測量精度受到被測物體表面發(fā)射率、環(huán)境反射、測量距離、空氣濕度、風(fēng)速等多種因素的影響。其精度通常在 ±2°C 到 ±4°C 之間。
  • 穿透性差：紅外輻射不能穿透固體障礙物，例如，無法透過玻璃進(jìn)行測溫。雖然可以安裝紅外窗口以便于觀察，但這會(huì)增加成本并引入新的維護(hù)點(diǎn)。
  • 安裝與校準(zhǔn)：固定式紅外系統(tǒng)安裝時(shí)需要仔細(xì)對(duì)準(zhǔn)，且可能成本較高。
  • 表面溫度：主要探測物體表面溫度，內(nèi)部深層熱點(diǎn)只能通過其在表面的熱效應(yīng)間接反映。
• 開關(guān)柜適用性：
  • 周期性巡檢：手持式紅外熱像儀是進(jìn)行日常維護(hù)檢查、查找可直接觀測部件或通過紅外窗口觀察內(nèi)部組件熱狀態(tài)的極佳工具。NFPA 70B標(biāo)準(zhǔn)也推薦使用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行電氣設(shè)備檢查 。
  • 連續(xù)監(jiān)測：固定式紅外傳感器/熱像儀由于視線限制和精度問題，不太適合對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部封閉的關(guān)鍵部件進(jìn)行連續(xù)、精確的監(jiān)測。可用于監(jiān)測開關(guān)柜外部表面溫度或開放式開關(guān)柜的內(nèi)部情況。Exertherm 和 InfraSensing 等公司提供連續(xù)紅外監(jiān)測解決方案。Teledyne FLIR 是主要的紅外熱像儀制造商。

盡管紅外熱成像對(duì)于周期性的外部掃描和識(shí)別明顯的溫度異常非常有價(jià)值，但其固有的局限性（如視線要求、發(fā)射率問題、無法穿透絕緣護(hù)套等障礙物 ⁹）使其不適合作為現(xiàn)代封閉式開關(guān)柜內(nèi)部關(guān)鍵連接點(diǎn)連續(xù)、精確監(jiān)測的唯一手段。紅外技術(shù)應(yīng)作為更廣泛的熱管理策略的一部分，通常需要與直接接觸式傳感器（如FOTS）相結(jié)合，以監(jiān)測關(guān)鍵的、不可直接觀測的內(nèi)部點(diǎn)。持續(xù)熱監(jiān)測（CTM）的趨勢表明，行業(yè)正在超越單純的周期性紅外檢查。

C. 無線溫度傳感器 (例如 SAW, RF 型) (Wireless Temperature Sensors (e.g., SAW, RF-based))

• 工作原理：將溫度傳感器（如熱敏電阻、RTD、表面聲波SAW器件等）安裝在被測部件上，傳感器通過無線方式將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到接收器或網(wǎng)關(guān)。SAW傳感器通常是無源的（無需電池供電） ⁹。
• 優(yōu)勢：安裝靈活，無需布設(shè)信號(hào)線纜，尤其便于在現(xiàn)有設(shè)備上進(jìn)行改造和加裝。克服了紅外傳感器的視線限制問題。
• 缺點(diǎn)：
  • 電磁兼容性：開關(guān)柜內(nèi)部存在強(qiáng)電磁場，無線傳感器及其通信鏈路易受EMI干擾，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或通信中斷，這是其在開關(guān)柜應(yīng)用中的主要顧慮。
  • 供電問題：有源無線傳感器依賴電池供電，電池壽命有限，需要定期更換，增加了維護(hù)工作量和成本。無源傳感器（如某些SAW器件或通過CT感應(yīng)取電的傳感器）雖然解決了電池問題，但可能在靈敏度、響應(yīng)時(shí)間或發(fā)射功率方面存在局限。
  • 信號(hào)傳輸與覆蓋：無線信號(hào)在金屬封閉的開關(guān)柜內(nèi)傳輸衰減較大，通信距離有限（例如SAW傳感器的通信距離通常小于30 cm）。天線的布置非常關(guān)鍵且具有挑戰(zhàn)性。
  • 數(shù)據(jù)安全：無線傳輸方式帶來了數(shù)據(jù)被竊聽或干擾的風(fēng)險(xiǎn)，需要考慮網(wǎng)絡(luò)安全問題。
  • 傳感器尺寸：部分無線傳感器可能體積較大，不便于安裝在緊湊空間內(nèi)。
  • 精度：精度可能低于FOTS，例如在 ±2°C 到 ±4°C 的范圍。
  • 調(diào)試：系統(tǒng)調(diào)試可能較為復(fù)雜和昂貴，涉及頻率分配、多天線設(shè)置等。
• 開關(guān)柜適用性：對(duì)于降低安裝復(fù)雜性，尤其是在改造項(xiàng)目或難以布線的場合，無線技術(shù)具有一定吸引力。然而，在關(guān)鍵的中高壓開關(guān)柜應(yīng)用中，抗EMI能力和長期供電/可靠性是必須克服的重大障礙。無線傳感器可能更適用于低壓柜、輔助設(shè)備監(jiān)測或電磁環(huán)境相對(duì)溫和的場合。Acrel、Faclon Labs、El-Watch、threephasetech 以及 Emerson (SAW) 等公司均有相關(guān)的無線測溫產(chǎn)品 。

無線技術(shù)的主要吸引力在于其安裝的便捷性。然而，開關(guān)柜是電氣條件惡劣的環(huán)境。文獻(xiàn)指出了SAW傳感器存在的EMI和通信距離問題，則討論了電子傳感器在開關(guān)柜中普遍面臨的電源和可靠性問題。盡管一些先進(jìn)的無線技術(shù)（如無源SAW）試圖緩解這些問題，但在高EMI環(huán)境中可靠運(yùn)行并確保長期免維護(hù)運(yùn)行的根本性挑戰(zhàn)依然存在。因此，在選擇無線方案時(shí)，應(yīng)仔細(xì)評(píng)估其特定的抗EMI聲明、電源壽命以及在目標(biāo)開關(guān)柜環(huán)境中的實(shí)際表現(xiàn)。它們可能更適合于非關(guān)鍵測點(diǎn)或光纖方案成本過高或安裝過于困難的低壓應(yīng)用。

D. 傳統(tǒng)電子傳感器 (RTD, 熱電偶) (Conventional Electronic Sensors (RTDs, Thermocouples))

• 工作原理：
  • RTD (電阻溫度探測器)：利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的特性進(jìn)行測溫，常用材料有鉑、銅等。
  • 熱電偶：基于塞貝克效應(yīng)，由兩種不同金屬導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢，其大小與溫度差相關(guān)。
• 優(yōu)勢：技術(shù)成熟，對(duì)于基本的點(diǎn)式測溫，成本相對(duì)較低。
• 缺點(diǎn)：
  • 布線復(fù)雜：需要在開關(guān)柜內(nèi)敷設(shè)大量信號(hào)電纜，安裝工作量大，成本高，且可能引入新的故障點(diǎn)。
  • 抗干擾能力差：極易受到開關(guān)柜內(nèi)強(qiáng)電磁場的干擾，導(dǎo)致測量讀數(shù)不準(zhǔn)確甚至傳感器損壞。
  • 安全風(fēng)險(xiǎn)：傳感器本身及其引線均為導(dǎo)體，若絕緣損壞，可能直接接觸高壓帶電部件，引發(fā)短路、感應(yīng)高壓等安全事故，因此通常不適用于直接安裝在中高壓帶電體上。
  • 可靠性與壽命：其可靠性和使用壽命可能無法與開關(guān)柜本身的長壽命（通常20-30年）相匹配。
• 開關(guān)柜適用性：在開關(guān)柜溫度監(jiān)測中，傳統(tǒng)電子傳感器的應(yīng)用非常有限，通常僅用于監(jiān)測輔助系統(tǒng)（如控制回路電源）、低壓控制隔室內(nèi)的環(huán)境溫度，或電磁干擾較弱且無需高壓絕緣的非關(guān)鍵部位。不推薦用于直接監(jiān)測中高壓帶電部件的溫度。

開關(guān)柜溫度監(jiān)測技術(shù)對(duì)比總結(jié)表

為了更直觀地比較各種溫度監(jiān)測技術(shù)，下表匯總了它們的主要特性：

此表為用戶提供了一個(gè)清晰的概覽，幫助其根據(jù)具體需求（如對(duì)抗EMI能力、成本、安裝便捷性等）快速篩選合適的技術(shù)方案。

2. 開關(guān)柜溫度監(jiān)測的最佳實(shí)踐建議

成功實(shí)施開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)并不僅僅是選擇和安裝傳感器，更需要一套系統(tǒng)性的策略和方法。

A. 定義監(jiān)測策略 (連續(xù) vs. 周期性, 關(guān)鍵性分析)

當(dāng)前的技術(shù)趨勢和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均指向?qū)﹃P(guān)鍵電氣設(shè)備采用連續(xù)熱監(jiān)測（CTM）。CTM能夠提供實(shí)時(shí)、不間斷的溫度數(shù)據(jù)，這對(duì)于捕捉瞬態(tài)熱異常和緩慢發(fā)展的故障至關(guān)重要，而這些都可能被周期性檢查所遺漏。在制定監(jiān)測策略時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行設(shè)備關(guān)鍵性分析，識(shí)別出那些一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致最嚴(yán)重后果（如安全事故、大面積停電、重大經(jīng)濟(jì)損失）的開關(guān)柜及其內(nèi)部組件，這些關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先考慮部署CTM系統(tǒng)。對(duì)于非關(guān)鍵或易于接近的部件，可以輔以定期的紅外熱成像巡檢。

CTM的真正價(jià)值在于其為預(yù)測性維護(hù)（PdM）奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過連續(xù)收集溫度數(shù)據(jù)，并結(jié)合電流、電壓、環(huán)境溫濕度等其他運(yùn)行參數(shù)，可以進(jìn)行趨勢分析、異常檢測和故障模式識(shí)別。這使得維護(hù)工作從傳統(tǒng)的“定期維修”或“故障后維修”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盃顟B(tài)維修”或“預(yù)測性維修”，從而能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測潛在故障，優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃，減少不必要的停機(jī)，并最大限度地延長設(shè)備壽命。

B. 傳感器布置和安裝注意事項(xiàng)

傳感器的正確選擇和安裝是確保監(jiān)測系統(tǒng)有效性的前提。

• 安全性：傳感器及其安裝方式不得對(duì)開關(guān)柜的絕緣性能和安全運(yùn)行構(gòu)成任何威脅。例如，光纖傳感器因其非導(dǎo)電性而本質(zhì)安全。
• 合規(guī)性：傳感器應(yīng)符合相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如提及的IEEE C37.20.3等開關(guān)柜測試標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)附件的要求。
• 測點(diǎn)選擇：傳感器應(yīng)安裝在最能反映設(shè)備熱狀態(tài)的關(guān)鍵部位，通常是預(yù)期的最高溫點(diǎn)或最易發(fā)生過熱故障的連接點(diǎn)，如母線連接、斷路器和隔離開關(guān)的觸頭、電纜終端等。
• 安裝方式：安裝應(yīng)牢固可靠，避免因振動(dòng)等原因?qū)е聜鞲衅魉蓜?dòng)或損壞。對(duì)于光纖傳感器，其柔韌性使其可以方便地安裝在狹小空間或不規(guī)則表面，甚至可以安裝在絕緣護(hù)套內(nèi)部，以更接近發(fā)熱源 。

C. 與 SCADA, BMS 或預(yù)測性維護(hù)平臺(tái)集成

獲取的溫度數(shù)據(jù)如果不能方便地被運(yùn)維人員獲取和分析，其價(jià)值將大打折扣。因此，溫度監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備良好的集成能力，能夠與現(xiàn)有的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）、建筑管理系統(tǒng)（BMS）或?qū)ｉT的預(yù)測性維護(hù)平臺(tái)無縫對(duì)接 ⁹。通過集成，可以實(shí)現(xiàn)：

• 集中監(jiān)控：在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)上顯示所有監(jiān)測點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)和狀態(tài)。
• 自動(dòng)報(bào)警：當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)閾值或出現(xiàn)異常變化趨勢時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通知相關(guān)人員及時(shí)處理 ²⁶。
• 數(shù)據(jù)記錄與分析：長期記錄溫度數(shù)據(jù)，為趨勢分析、故障診斷和維護(hù)決策提供依據(jù)。
• 遠(yuǎn)程訪問：在某些情況下，允許授權(quán)人員遠(yuǎn)程訪問監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)。

D. 基線數(shù)據(jù)和趨勢分析的重要性

僅僅依靠絕對(duì)溫度值來判斷設(shè)備狀態(tài)往往是不夠的，因?yàn)樵O(shè)備的正常工作溫度會(huì)隨負(fù)載大小和環(huán)境溫度的變化而波動(dòng)。建立設(shè)備在不同工況下的溫度基線數(shù)據(jù)，并進(jìn)行長期的趨勢分析，對(duì)于準(zhǔn)確識(shí)別異常發(fā)熱至關(guān)重要。

• 基線建立：在新設(shè)備投運(yùn)初期或設(shè)備狀態(tài)良好時(shí)，記錄其在不同負(fù)載水平和典型環(huán)境條件下的溫度分布，作為后續(xù)比較的基準(zhǔn)。
• 趨勢分析：通過連續(xù)監(jiān)測，觀察各測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化趨勢。緩慢上升的溫度趨勢可能預(yù)示著連接松動(dòng)、觸點(diǎn)老化等漸發(fā)性故障。
• 溫差分析 ($\Delta T$)：比較三相之間的溫度差異、同一部件在不同時(shí)間（相同負(fù)載下）的溫度差異、以及部件溫度與環(huán)境溫度的差異，是判斷是否存在異常發(fā)熱的有效方法。例如，在相似負(fù)載下，某相溫度明顯高于其他兩相，或高于其歷史同期值，則可能存在問題。