中压开关柜温度传感器使用寿命分析

2021-12-10杨立璠陈海亮茅静於岳祥霍凯龙卫国平

电气传动自动化 2021年5期

杨立璠，陈海亮，茅静，於岳祥，霍凯龙，卫国平

（1.施耐德电气（中国）有限公司，上海 201203；2.杭州市电力设计院有限公司，浙江杭州 310006；3.国网浙江杭州市萧山区供电有限公司，浙江杭州 311225）

对关键电力设备进行多维度（如温度、湿度、局放、弧光、运行参数、关键部件损耗率、报警信息、电能质量等）的实时状态监测可以随时掌握设备建康状况，这有利于技术人员对设备的异常运行情况进行及时处理。同时，基于对状态监测得到的动态趋势分析，为预防性维护的规划提供更科学的指导。

实时状态监测的温度测量与控制十分重要，温度参数的准确测量对电能的输出品质、生产效率和设备安全可靠地运行至关重要。目前，在电力生产和检修过程中，在线温度监测技术经过多年发展，形成多种技术方案［1］，例如：无源无线测温（如声表面波测温）、无源有线测温（如光纤测温）、有源无线测温（如感应取能无线测温）、红外测温等。这些方式都不同程度地实现了重要设备的温度监视。

在线测温产品属于二次设备，与电力一次设备相比，对运行环境要求更高。简单地组合安装就使用，往往会导致测温产品故障率高、使用寿命低，难以取得监视的作用，甚至危及一次设备的正常运行。

不论哪种形式的测温方案，用户在使用时首先提出的是使用寿命的问题，所以是否能够与被监测的一次电力设备保持相同或相近的使用寿命，一直是业内关注的主要问题之一。

1 中压开关柜在线测温

在线测温方案具有不同的分类方法。按照测温传感器和开关设备的相对位置，可以分为非嵌入式和嵌入式两类技术方案。

1.1 非嵌入式

非嵌入式测温系统与开关柜本体具有明显的距离，尤其是传感器部分，一般不会直接附着在开关本体，如图1所示。较常见的是热成像方案，如卡片式测温热像仪，尺寸小巧，可以安装在柜体内部，对导体关键部分（如铜排搭接处）进行监测。由于没有直接接触，对开关的电气性能和绝缘性能通常不会产生影响，可以最大限度地实现不停电改造。

图1 开关柜母排热成像（左）及可见光成像（右）

红外测温精度受诸多因素影响，比如探测距离、外界热源（环境温度）、被测物表面状况［2］。对于开关设备在线测温应用，最明显的因素是测温对象的辐射系数。如图2所示，以中压开关柜常用的铜排为例，不同规格的铜材有不同的辐射系数，即使在出厂前把辐射系数调校到较高精准的水平，随着使用时间推移，铜排的表层氧化程度、粗糙程度的变化都会影响测温精度。因此，这种测量方法的精度通常不会很高。

图2 辐射系数对红外测温精度的影响

另外一种常见的非嵌入式安装是捆扎方式。对于目前广泛使用的全绝缘环网柜，如图3所示，导体关键部分（如电缆终端或扩展母线）采用硅橡胶或者环氧树脂材料包裹，温度传感器只能捆扎在绝缘材料的外表。

图3 全绝缘环网柜捆扎测温方案

因为会受到绝缘材料的导热率、比热容，以及环境温度等因素的影响，这种测温方式通常误差比较大。硅橡胶的导热系数大概是0.27W/（m·K），远低于纯铜的401W/（m·K）。如图4所示，表明导体和电缆T型头外表的温度差异，并且这个差异随着温度的升高还有扩大的趋势。因此，对于全绝缘开关设备，非嵌入式测温无法实时、有效地在关键部位实现在线测温，其测温结果也无法满足相关标准要求［3］。

图4 导体和绝缘体外表的温度曲线

1.2 嵌入式

嵌入式测温系统与开关柜本体融为一体，尤其是传感器部分会贴附在开关本体或嵌入在关键测温点导体内部，可以灵敏地、准确地反映设备的温升情况。如下图5展示的方案中，将温度传感器嵌入在断路器的触臂导体中，通过无线通讯的方式采集测温结果。如下图6所示，将微型温度传感器嵌入在T型电缆头的固定螺母中，可以直接测量到电缆连接处的温度。

图5 断路器触臂嵌入式测温方案

图6 T型电缆头嵌入式测温方案

嵌入式测温系统需要从量测技术、供电方式和通讯方式等三个方面的要素来考虑。这三个方面的技术不是完全独立，而是相互影响。比如，不同的测温技术的功耗特征是不一样的，这就需要合适的供电方式与之匹配，无线通讯与供能方式有时可以合二为一进行设计。

温度传感器嵌入到开关设备中后，有可能对设备绝缘造成影响，复杂的电磁环境，尤其是在短路、开断等工况时，可能会造成传感器件损坏。因此，嵌入式在线测温系统需要更高的设计品质，并且要求通过相应的绝缘实验、局放试验、短时耐受试验和峰值耐受试验进行验证［4］。

对于嵌入式测温方案一个重要的挑战是能否与一次设备做同寿命周期，尤其是嵌入在开关本体内的传感器部分。

2 使用寿命评估

在线测温产品一般包括温度传感器，数据接收模块及显示模块。其中温度传感器是核心部分，并且其运行环境较其他模块更加恶劣，安装、调试和更换更加困难，因此它是使用寿命分析的重点。

2.1 加速寿命试验原理和模型

加速寿命试验是可靠性评定常用方法。其基本思想是在不改变失效机理的前提下，提高应力，使元件加速失效，在较短的时间内取得失效率寿命数据，利用高应力下的寿命特征去外推正常应力水平下的寿命特征［5］。可以根据较短时间内的试验结果验证长时间实际使用环境下的耐用年数。实现这个基本思想的关键在于建立寿命特征与应力水平之间的关系，即加速模型。

对于温度是产品寿命的主要加速应力的场合，可采用阿伦尼斯（Arrhenius）模型；如果还需要引入其他的应力，如湿度、电压或机械应力等，也可采用爱玲模型（Eyring Model）。

阿伦尼斯（Arrhenius）模型是最典型、应用最广的加速模型，其表达式为∶

式（1）中∶∂M/∂t表示温度在T（热力学温度）时的退化速率；K为玻耳兹曼常数8.617×10-5eV/℃；T为环境绝对温度；c为常数，由试验确定；t为反应时间；Ea为失效机理激活能，单位eV，对同一类产品的同一种失效模式为常数。

在半导体器件中，常见的一些加速因素为温度、湿度、电压和电流。在大多数情况下，加速测试不改变故障的物理特性，但会改变观察时间。从正常使用状态T1到加速状态T2的加速因子Af，表征在使用条件下的寿命和高压测试应力条件下的寿命的比值。

目前，国内外比较成熟的加速寿命试验数据处理方法都是基于失效数据的。可以是测出加速状态时的失效率λ加速，然后依据加速因子Af计算出各相应温度条件下的失效率λ。

对于电子产品来讲，当外部条件不变时偶发失效的失效率基本上是个常数，意味着随时可能发生故障，并且某一时刻发生故障的概率是相似的。因此，一般的情况下，失效率被假定为常量，并认为早期失效率是可以忽略的，非内在残余失效可以通过把各组件的失效率相加而得到。

在当今电子制造技术水平下，失效率λ已经很低了，基本在100 小时每次（FIT）的级别［6］。MTBF或MTTF作为衡量电子产品寿命的指标，称为平均寿命。更准确的概念应该是“可靠寿命”，即在产品的可靠度下降至某个特定水平的时间。对于按指数分布的电子产品，MTBF或MTTF这个寿命值对应的可靠度大约只有36.7%。在设定的可靠度水平R下的使用寿命L应该为：

2.2 传感器加速试验分析

随着芯片技术的发展，测温芯片更加集成化，将温度传感、电源管理、射频和数字处理等功能完全集成并封装在一个芯片中。温度传感器的使用寿命即等效于高度集成化的测温芯片的使用寿命。芯片厂家能够提供相关的加速测试数据［7］，如表1所示。

表1 测温芯片试验数据

依据阿氏模型（失效机理激活能Ea=0.7eV），可以外推出各个温度条件下的加速因子和FIT，从而依据公式（4）得出在不同可靠度水平下的使用寿命如图7所示。

图7 不同可靠度的温度-寿命曲线

为了更好的评估传感器的使用寿命，按照开关设备的实际运行经验［8］，环境温度按25℃考虑，依据不同的负荷水平分布及对应的温度，建立温度测试组合，如表2所示。

表2 两种负荷-温度组合用于使用寿命评估

表2模拟了开关设备的正常运行情况下不同负荷对应温度的时间分布。组合1是负荷比较高的情况，组合2是中等负荷的情况。负荷水平基本符合正态分布，对应的温度为开关设备在该负荷工况下测点的实测温度。

采用表2的温度组合对传感器的寿命评估，更符合实际的工况。可以通过图7获取各运行温度的使用寿命值。以采用可靠度为99%为例，综合寿命评估结果如下：

以上的数据结果只是根据测温元件的原始数据，利用阿氏模型进行的推导计算结果，并不表示在实际工程上实际使用的年限。该数据可以有效地表征产品的可靠性。继电保护产品MTBF通常在100年至150年之间，该测温元件的可靠性与继电保护产品处于相同的水平。

2.3 其他影响因素

需要注意的是该温度组合没有考虑短路故障引起的瞬时高温。开关设备须要考核短时耐受电流，时间经常被要求为4s，这个过程温度会突发升高，并且来不及散热，经验值会达到150～160℃左右。实际运行中，因为短路故障电流会在很短的时间内被继电保护动作切除，后备过流保护的时限不大于0.5s～0.7s［9］，即使考虑开关动作时间等其他因素，短路故障电流持续时间通常会限制在2s以内。上述短路故障的情况，会对测温元件使用寿命产生一定的影响。

除了温度影响温度传感器的使用寿命外，还应该考虑其他的环境影响因素。有些无线无源温度传感器设计上避免了与开关柜之间的电气联系，但是强电磁环境对其使用寿命的影响，需要在后续研究中做更全面的评估。