|
美环能股份有限公司 吴振良 在电力设备中，开关柜是电力分配点的重要设备，在开关柜长期的使用中如果无法实时掌握开关柜的运行情况，就会存在电弧、爆炸、火灾等安全隐患。所以，对开关柜进行实时监测至关重要，目前的监测方法都存在很大的缺陷，激光供能智能温湿度监测系统的应用成功解决了以往监测中存在的问题。 一、前言2016年8月，公安部消防局公布了2016年上半年全国火灾统计情况[1]，以下数据不包含森林、草原、铁路、港航等火灾。2016年1至6月份，全国共接报火灾17.2万起，死亡911人，伤756人，已核直接财产损失19.2亿元，与去年上半年相比，四项数字分别下降16.7%、18.5%、7.1%和25.5%；其中，较大火灾38起，同比下降2.6%，未发生重大和特大火灾 (去年同期发生特大火灾1起、重大火灾3起)。从引发火灾的直接原因看，因电气引发的火灾共48392起，占总数的28.2%；因生活用火不慎引发的火灾共31045起，占18.1%。由此可见，电气引发火灾最多。在电气设备中，开关柜是电力分配点的重要设备，维持其正常稳定的运作，才能提供稳定的供电服务并保证人员及设备的安全。但开关柜在长时间的使用下，开关柜因内部温度湿度过高、内部材质老化劣化、或环境的变化而造成时有电弧、爆炸、火灾的情事发生 (案例如图1)，导致停电以及人员伤亡，造成巨大损失。所以，实时监测开关柜的运行状况，掌握其动态变化趋势，及时采取预防措施，对防止开关柜引起的火灾事故来说十分必要。 二、开关柜发生电气意外的原因1.温度过高： （1）电流过载：当连接过多负载或过流保护失效时，大量的电流将会造成开关柜内温度升高，进而引燃箱内的易燃性物质，造成起火或爆炸等意外事故。 （2）局部电阻增加：长期运行过程中，开关柜中的开关触头、铜排、电缆头连接处等部位，因材料老化、污染或接触松弛造成的接触电阻变大，造成局部过热而起火。 2.湿度过高：根据相关研究显示，当空气中的湿度高于60%时[2]，绝缘碍子的闪络电压将迅速地大幅降低，开关柜的绝缘性能降低将产生放电、漏电与短路情况，并引发灾害与停电。 3.其他： （1）绝缘劣化：长时间使用后绝缘材料的劣化，将使开关柜对高温及高湿的承受能力下降，对温度及湿度的变化更为敏感，在某些情况下，亦可能造成局部放电，使开关柜内的绝缘安全系数不足，形成安全隐患。 （2）开关柜箱门开启：人的身体可能带有静电，在人员打开箱门的瞬间亦有可能造成扬尘，或瞬间涌入的大量氧气，均可能改变箱内的平衡状况，进而发生电弧闪光或闪爆等现象，造成人员与电盘的损伤。 综上所述，中高压开关柜内的开关触头、铜排、电缆头连接处等部件长期处于高温、高电压、高磁场与强电磁干扰环境中，加速了劣化速度并增加电气意外风险。虽然一般开关柜具有超载、短路、漏电等保护，但如果缺少对箱体内温度、湿度的长期监测与预警，就无法掌握盘内电气部件的劣化趋势并及早采取必要的防制措施，会造成严重的安全事故。因此，为预防灾害发生与人员设备损伤，开关柜内的温湿度实时监控，将成为不可或缺的预警系统。 三、监测点的探讨1.温度：在开关柜内，由于开关触头、电缆头连接处等部位温度升高时，铜排温度也会因热传导而升高，直接测量铜排温度相较于测量开关柜内的环境温度准确性较高，可更有效的监测开关柜内的运行状态。 2.湿度：传统做法是测量开关柜底部的湿度，但在开关柜渗水或积水后，水气逐渐蒸发而上，可能聚积在铜排附近，造成局部高湿，降低绝缘安全系数并引发电气事故；且铜排附近的湿度对电极间是否会造成放电与漏电最为敏感，故直接测量铜排附近的湿度可更精准提前预警。 所以，直接测量开关柜内铜排温度及湿度是最佳的监测做法。  图1 开关柜发生电气意外导致起火燃烧 四、解决方案探讨开关柜的定期巡检通常为每年两次，由电气专业巡检人员打开开关柜箱门，并以手持式测温仪对铜排温度进行热点检测。这种传统做法需巡检人员到现场测量开关柜内状态，无法长期监测其温湿度的动态状况，也无法知悉其温湿度的长期变化趋势，因而无法有效地预判风险，进而采取防范措施，以避免灾害与人员设备损失。而且，巡检人员在接近配电箱或打开箱门时，随时都有可能产生电弧、闪燃及爆炸等意外情况，对人员与设备都存在很大的风险。 在开关柜内的高电压环境下做到长期、准确、实时、稳定的监测，综观各家做法，其运作模式不外是置放传感器于待测位置上，维持传感器运行，并将传感器所检知的数据传送至数据中心做分析与处理。下面就目前常见的解决方案在供能、感测与数据传输方式逐一进行说明，各家的产品架构均由以下三大部份排列组合而成。 1.传感器的供电方式： 铜线供电：传统的供能方式，除在低压传输时压降所造成的线损将消耗电能外，容易受到噪声、电晕、瞬间高压、短路、故障电流等状况的干扰，轻则供能不足，重则发生烧损或产生电弧。 电池供电：产品成本低，但需承受定期更换电池时候的箱门开启风险；且在箱内的高温环境下，电池寿命将大幅减短，造成更换周期频繁，更换的材料与人工成本亦将增加。如果使用的是锂电池，在高温下有爆炸的危险，将降低业主采用的意愿。 自取电供能：利用电磁感应原理，直接由待测线路上的感应产生所需电力，但若待侧线路上电流较低时，则可能造成感应电流不足而监测系统无法运作。 声波供电：以声波方式传递能量，提供传感器运作所需电力，此技术最大的问题在于易受干扰，任何的声波都将影响数据的准确性；此外，也有易受障碍物阻隔与传输距离受限的问题。 电波供电：以电磁波方式传递能量，提供传感器运作所需电力，只需选择特定波段，才能减少其他电波干扰。另外，传输距离受限，易受障碍物、磁屏蔽等阻隔，易受热、电晕、闪电等干扰、供能效率偏低等都是常见问题。 光纤传感器：光纤传感器无须供电，仅靠光纤内反射光的变化来感测环境的变化，只需克服光纤外表因水气、油气及尘埃沾附而可能发生的短路问题。 2.传感器的工作方式∶ 温湿度感测IC、热电偶测温、电阻式测温、表面声波测温、红外线测温、红外影像测温、光纤温度感测。 3.讯号传送方式： 铜线传输：需使用隔离线避免干扰，且绝缘披覆需能耐高压。 无线电波传输：无线传输，但传输距离受限，且讯号易受干扰与障碍物屏蔽阻隔。 光纤传输：讯号准确性高，需克服光纤外表因水气、油气及尘埃沾附而可能发生的短路问题。 五、激光供能的解决方案1.激光供能智能温湿度监测系统（图2）使用硅基垂直多结面光伏电池(Vertical Multi-Junction PV Cell)激光供能(PoF, Power over Fiber)技术，提供温湿度传感器运作所需能量，运作方式如下∶ 供能方式：主机内的9xx nm半导体激光器将市电转换为激光光能，该能量以激光的形式，直接经光纤传输至铜排上感测机盒内的光电转换器(PPC, Photovoltaic Power Converter)，光电转换器内的硅基垂直多结面光伏电池可将激光光能转换为电能，提供温湿度传感器运作所需的电力，避免了铜线、电池、自取电、声波及电波供电所面临的问题，充分做到在高压环境中的电隔离，确保供电安全。 温湿度感测方式：温度传感器及湿度传感器，可直接安装固定在中高压铜排上，直接、准确地实时测量铜排本体上的温度以及其附近周边区域的湿度，因为温度或湿度导致的潜在危机，都可由此二参数的累计变化趋势评估推测而得出。 数据传输方式：传感器测得的温湿度数据以光纤实时传送至数据中心分析处理，由于光纤传输不受外界因素干扰，可确保资料搜集汇整的准确性与可靠性，并为开关柜温湿度的长期监测提供连续且稳定的数据来源。 2.其他特点∶ 由于温湿度传感器及激光讯号发射器用电量微小，一个激光供能主机可供给多个传感器使用，可做到配电箱内的多点监测，甚至可供给多个配电箱同时进行监测；因光纤传输的损耗小，所以供电距离与讯号传输距离都可以大范围的拉开，增加硬件布建的弹性与方便性；因供电与讯号传输都使用光纤，即使在无法直接目视的多障碍环境下，亦可轻松的布建，没有屏障或阻隔的困扰；激光供能智能温湿度传感器可以安装在屋外或屋内的开关柜或铜排上。  图2 ：激光供能智能温湿度监测系统 六、结语开关柜一旦出事，轻则造成维修成本、设备成本、人工成本损失；重则造成大规模的设备毁损、建物烧损、人身伤害、大区域或长时间的停电等损失。所以，长期、实时监测开关柜的供电状况，采取预防及安全措施是非常必要的；监测系统应该列为开关柜的标准配备，而非选择配备，这样才能维持发电厂、变电站及电力分配点的安全且稳定的运行，以确保人员、设备的安全并维护高质量的供电。随着物联网的技术日渐成熟，若搭配此监测系统自动化所收集的大数据，将可利用云端运算针对长期运行数据进行分析，可以有效预防电气设备损坏，并达到全自动自我防护的目标。 |
|
|
