船用交流中压配电开关温升在线监测方法

吕 昊

(海军装备部装备项目管理中心，北京 100071)

0 引 言

船用交流中压配电开关在船舶电力系统中是较重要的控制保护设备，是众多船舶设备中的关重件。多家中压开关公司售后数据表明，开关超温故障占据全部故障的40%以上[1]。船用配电开关和陆用配电开关具有相似的结构，在设计时应遵循更严格的船海环境要求。

引起配电开关发热的原因较多：导体通电正常发热、绝缘介质接电损耗、柜壁涡流发热和接触电阻发热等。造成配电开关超温的原因往往是设备长时间过载运行、导体材料以次充好、接触电阻过大、柜体结构热设计不良和环境温度过高等[2]。温升在线监测可提前感知设备超温运行情况，提示设备运维人员寻找定位上述故障，避免发生大型事故，是配电开关在线监测较重要的组成部分，是船舶全寿期健康管理的重要一环。

陆用配电开关的温升在线监测方法主要包括示温片测温、逸出气体测温、红外测温、光纤测温、有源无线测温和无源无线测温等[2]，其中：射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)[3]、ZigBee和声表面波[4]等方法逐渐在工程中有所应用。众多文献对上述测温方法进行适用性分析评估，不足之处如下：(1)没有结合复杂船海环境进行分析；(2)所选传感器寿命过短，不能与主回路同步工作、同步维护；(3)没有考虑船舶建造时的电气舾装实际情况，安装常受限制。

1 各测温方法的特点及其适用性

数值模拟[5]和实际运维经验均表明，交流中压配电开关母线室和电缆室接头的触指插接处容易出现超温现象，在典型情况下每台开关柜应配置12个测温点：母线室3个、上下触臂各3个、电缆室3个。若断路器和开关柜不是同一家公司生产，推荐由断路器厂家负责上下触臂的测温点布置，开放标准的温度数据接口(如统一遵从Modbus通信协议)，由开关柜厂家集成制造，并可由第三方公司提供测温方法。

1.1 变色示温片测温

变色示温片测温是应用时间较长的电器示温法。目前配电开关所使用的示温片分为不可逆型[6]和可逆型[7]。不可逆型示温片原料为蜡，实际产品常以不同颜色区分不同的熔化温度(60 ℃，70 ℃，80 ℃，90 ℃，100 ℃)，一旦熔化变色则无法再次使用，而可逆型示温片原料是示温颜料，可重复多次使用。变色示温片的安装非常方便，一般使用建筑胶水固定，但在海洋潮湿盐碱条件下，难以满足开关近20 a的设计使用寿命，维护相当麻烦。变色示温片测温的优点是价格低廉，在精度和实时性要求不高的陆上场景中应用广泛，但其不足较为明显：现代船用配电开关外部铠装为不透明设计，内部设计紧凑，若需要在线监测，则需要在柜壁上设置透明观察窗，或在开关内布置摄像头，均引起诸多不便；变色示温片的测温精度较差，测温数据无法存储处理，不符合电器自动化和智能化的发展方向，属于事后报警。

1.2 逸出气体测温

逸出气体测温是指在触头搭接处超温条件下，气体存储装置受控释放气体，气体收集装置收集气体并根据逸出气体的占比计算超温范围[8]。与变色示温片测温相同，逸出气体测温具有滞后性且精度较差，若布置12个测温点，则气体存储、控制和收集装置占用空间大，且降低整个系统的可靠性。

1.3 红外测温

红外测温分为2种：热成像技术[9]和红外辐射技术[10]。热成像技术采用热成像仪对设备进行扫描测温，监测结果较为直观，但需要在柜体内部设计安装热成像仪。高精度的热成像装置属于精密仪器，价格昂贵且无法适应高盐碱度和潮湿的船海环境，在冲击振动情况下，成像位置可能有所变动，在实际运行时无法拆机调整。红外辐射技术利用玻尔兹曼辐射定律，可根据辐射量反演得到温度值，在实际使用时需要在关键位置涂抹深色油漆以增大辐射，若油漆脱落则测温误差可达10 K以上，不满足配电开关在线测温要求。这2种红外测温方法是典型的非接触式测温，解决高低电压隔离问题，即使红外接收装置失效，并不影响主回路供电，其不足之处是只能测量搭接处表面温度、占用空间大且测温精度受实际应用场景影响较大，如无法对新型固体绝缘开关进行温升监测。

1.4 光纤测温

光纤光栅测温、光纤半导体测温、分布式光纤测温这3种测温方法在电缆和气体绝缘封闭组合电器(Gas Insulated Switchgear，GIS)等设备测温中已得到应用[11]。测温原理为：光在光纤中传播，其波长、透射率和频率等光学参数受光纤周围温度影响发生改变。光纤光栅测温利用光波长敏感性进行测温，精度较高，但光波长受到应力影响，在实际使用时应尽可能减小光纤所受应力；光纤半导体测温利用光透射率敏感性进行测温，但测温精度和灵敏度不如光纤光栅测温；分布式光纤测温应用拉曼散射原理，采用单一频率激光光源，在温度改变时光纤材料的散射特性发生改变，激光频率同时发生偏移，即可进行测温。在光纤测温应用中，光纤不仅是传感器，而且是光的传播介质，满足高低电压隔离和抗干扰的要求。光信息解调装置较为昂贵，制约光纤传感器大规模应用，若船舶配电开关测温点不多，配置价格数倍于配电开关的光信息解调仪则性价比较低。光纤布线工艺繁杂，船舶空间狭小，大量光纤造成设备维护困难，移开式开关在断路器移出维护时容易受到布线干扰。

1.5 有源无线测温

有源无线测温的原理是在测温点布置接触式测温传感器，配合带有ZigBee和RFID等无线功能的单片机将测温序列发送至接收机。在典型有源无线测温应用中，在断路器上下触臂预埋DS18B20测温传感器，带有51单片机功能的CC2530 ZigBee收发芯片实现低成本的测温和无线发送[12]。传感器和CC2530芯片的供电来源为大容量锂电池和电流互感器(Current Transformer，CT)取电，少数文献提出的无线供电方法不够成熟。CC2530 是低功耗芯片，使用大容量锂电池可实现7 a以上免更换电池，而CT采用坡莫合金作磁路，在主回路超过一定电流值时可获取足够电能，在主回路负载微小时温度不高，在一定程度上满足免维护要求。有源无线测温是目前应用较广泛的开关柜测温方法，在应用时需要注意：(1)应将电子电路地接在主回路上，杜绝悬浮导体放电；(2)在设计通信协议时，应设置传输数据校验位或采用数据冗余传输机制，确保通信接收装置可收到准确数据。

1.6 无源无线测温

无源无线测温的典型代表是声表面波测温传感器方法。根据热-变形耦合结果，在温度发生变化时结构发生热力变形(仿真结果表明该变形大小约数十μm)，安装在测温点的叉指状应变检测结构随之发生改变，叉指状压电结构两侧的谐振腔将变形能量转换为电磁波能量发射出来，天线接收端对收到的信号进行解调，获取温度信息[13]。无源无线测温在船海条件下存在如下应用难点：(1)该方法尚未完全成熟，多个测温点信号相互干扰，仅2台配电开关、24个测温点即容易串频，在通信时较难排除船舶天线辐射干扰；(2)在船海冲击振动条件下，传感器对冲击产生的残余应变和温升产生的热力应变较难区分，测温精度有待进一步提升。

1.7 测温方法的船海适用性对比

从抗环境腐蚀、安装难易程度、保密性、测温精度、成本、固体绝缘开关适用性、抗冲击性等船海领域应用角度对多种测温方法进行对比，如表1所示。

表1 测温方法的船海环境适用性对比

示温片测温和逸出气体测温的测温精度较低，测温效果有待验证。红外测温较好地解决高低电压隔离问题，但设计安装需要预留部分位置用于高低电压绝缘隔离，在空间狭小的船舶上较难应用；小型化固体绝缘开关是船用交流中压配电开关的发展方向，红外线无法穿透绝缘固体对关键测温点进行测温。声表面波无源无线测温目前仅叉指状一种应变传感结构达到应用水平，且多路信号受干扰容易串频，在船海电磁环境下应用效果有待验证。光纤本身绝缘，特点是布线复杂、维护困难，在测温点较少时性价比低、保密效果好、精度较高，在保密要求高的条件下几乎是唯一选择。有源无线测温已在陆用条件下得到成熟应用，在船海环境应用时应注意预埋传感器不能影响开关原有绝缘设计。

2 超温判据

2.1 已有判据

目前温升报警判据主要为静态报警和动态预警。静态报警和动态预警的超温判据如图1所示，其中：静态报警判据由75 ℃和90 ℃超温曲线进行判断；动态判据的实际温升曲线与理论拟合曲线结果差值在一定范围内，说明温度状态良好。

图1 静态报警和动态预警的超温判据示例

静态报警采用绝对温度阈值判据，如三色灯判据：在测温点温度为75 ℃以下时，系统对外显示绿色，表明温度在可控范围内；在测温点温度为75～90 ℃时，系统对外显示黄色，表明存在局部超温风险，提醒用户检查确认；在测温点温度为90 ℃以上时，系统对外显示红色，表明设备已超温，需要用户立刻检查。静态绝对温度判据的特点是简单直观，使用方可大致了解设备温度情况。

某国际开关公司提出基于指数温升模型的动态预警判据：考虑实际电流大小影响，通过数据处理方法动态拟合指数模型参数，找出一段时间内的温升规律，若实际温升与理论预测结果偏差较大，则发出预警信号，提醒用户注意配电开关状态。与静态报警判据相比，动态预警判据考虑实际电流大小，可帮助用户掌握更多故障信息，更好定位故障原因，是CT和温度传感器的信息融合结果。

文献[14]结合深度学习技术提出温升预测方法，但未涉及超温判据研究，且其方法过于复杂，不便于就地超温检测。文献[15]基于三相温度差别不大这一实际情况，在动态温升判据基础上提出融合三相测温结果的动态复合温升报警算法模型，进一步提高模型精度。

2.2 考虑测温盲点的超温判据

目前任何一种测温方法均无法对测温盲点的温度进行直接测量，而实际上接触电阻过大的触指插接处的温升往往高于所选的可测温点温升。因此提出结合热传导进行温度反演，使用数字孪生技术，对开关关键盲点进行电磁-固体传热耦合场的数值模拟，主回路通入传感器一系列典型值电流，并设定测温点的温度为0 ℃，可精确模拟测温盲点的温度，与测量值相加即可获得关键测温盲点的温度，结合静态或动态许用温升进行判断。

3 结 论

综述船用交流中压配电开关的常见测温方法，结合船海环境进行适用性研究，提出一个新的超温判据，得到如下结论：

(1)示温片测温和逸出气体测温的测温精度和自动化程度不高，与智能船舶的发展理念不符。

(2)红外测温系统体积过大，较难适应船海狭小空间安装，且测温精度有待提高。

(3)光纤测温具有抗干扰性好、保密性好、高低电压隔离好等突出优点，在保密要求高的应用场合几乎是唯一可行的测温法，在实际使用时应合理布线。

(4)声表面波无源无线测温尚未完全成熟，在船海环境下应用时难以避免船用天线干扰和自身串扰，应用前景有待进一步验证。

(5)有源无线测温已在陆用领域应用多年，可基本满足民船配电开关测温应用需求。

(6)所提出的考虑测温盲点的超温判据比现有的静态报警和动态预警更为精确。