激光供能智能溫濕度監測系統在開關柜溫濕度監測中的應用

美環能股份有限公司 吳振良

激光供能智能溫濕度監測系統在開關柜溫濕度監測中的應用

美環能股份有限公司 吳振良

在電力設備中，開關柜是電力分配點的重要設備，在開關柜長期的使用中如果無法實時掌握開關柜的運行情況，就會存在電弧、爆炸、火災等安全隱患。所以，對開關柜進行實時監測至關重要，目前的監測方法都存在很大的缺陷，激光供能智能溫濕度監測系統的應用成功解決了以往監測中存在的問題。

一、前言

2016年8月，公安部消防局公布了2016年上半年全國火災統計情況[1]，以下數據不包含森林、草原、鐵路、港航等火災。2016年1至6月份，全國共接報火災17.2萬起，死亡911人，傷756人，已核直接財產損失19.2億元，與去年上半年相比，四項數字分別下降16.7%、18.5%、7.1%和25.5%；其中，較大火災38起，同比下降2.6%，未發生重大和特大火災 (去年同期發生特大火災1起、重大火災3起)。從引發火災的直接原因看，因電氣引發的火災共48392起，占總數的28.2%；因生活用火不慎引發的火災共31045起，占18.1%。由此可見，電氣引發火災最多。在電氣設備中，開關柜是電力分配點的重要設備，維持其正常穩定的運作，才能提供穩定的供電服務并保證人員及設備的安全。但開關柜在長時間的使用下，開關柜因內部溫度濕度過高、內部材質老化劣化、或環境的變化而造成時有電弧、爆炸、火災的情事發生 (案例如圖1)，導致停電以及人員傷亡，造成巨大損失。所以，實時監測開關柜的運行狀況，掌握其動態變化趨勢，及時采取預防措施，對防止開關柜引起的火災事故來說十分必要。

二、開關柜發生電氣意外的原因

1.溫度過高：

（1）電流過載：當連接過多負載或過流保護失效時，大量的電流將會造成開關柜內溫度升高，進而引燃箱內的易燃性物質，造成起火或爆炸等意外事故。

（2）局部電阻增加：長期運行過程中，開關柜中的開關觸頭、銅排、電纜頭連接處等部位，因材料老化、污染或接觸松弛造成的接觸電阻變大，造成局部過熱而起火。

2.濕度過高：根據相關研究顯示，當空氣中的濕度高于60%時[2]，絕緣礙子的閃絡電壓將迅速地大幅降低，開關柜的絕緣性能降低將產生放電、漏電與短路情況，并引發災害與停電。

3.其他：

（1）絕緣劣化：長時間使用后絕緣材料的劣化，將使開關柜對高溫及高濕的承受能力下降，對溫度及濕度的變化更為敏感，在某些情況下，亦可能造成局部放電，使開關柜內的絕緣安全系數不足，形成安全隱患。

（2）開關柜箱門開啟：人的身體可能帶有靜電，在人員打開箱門的瞬間亦有可能造成揚塵，或瞬間涌入的大量氧氣，均可能改變箱內的平衡狀況，進而發生電弧閃光或閃爆等現象，造成人員與電盤的損傷。

綜上所述，中高壓開關柜內的開關觸頭、銅排、電纜頭連接處等部件長期處于高溫、高電壓、高磁場與強電磁干擾環境中，加速了劣化速度并增加電氣意外風險。雖然一般開關柜具有超載、短路、漏電等保護，但如果缺少對箱體內溫度、濕度的長期監測與預警，就無法掌握盤內電氣部件的劣化趨勢并及早采取必要的防制措施，會造成嚴重的安全事故。因此，為預防災害發生與人員設備損傷，開關柜內的溫濕度實時監控，將成為不可或缺的預警系統。

三、監測點的探討

1.溫度：在開關柜內，由于開關觸頭、電纜頭連接處等部位溫度升高時，銅排溫度也會因熱傳導而升高，直接測量銅排溫度相較于測量開關柜內的環境溫度準確性較高，可更有效的監測開關柜內的運行狀態。

2.濕度：傳統做法是測量開關柜底部的濕度，但在開關柜滲水或積水后，水氣逐漸蒸發而上，可能聚積在銅排附近，造成局部高濕，降低絕緣安全系數并引發電氣事故；且銅排附近的濕度對電極間是否會造成放電與漏電最為敏感，故直接測量銅排附近的濕度可更精準提前預警。

所以，直接測量開關柜內銅排溫度及濕度是最佳的監測做法。

圖1 開關柜發生電氣意外導致起火燃燒

四、解決方案探討

開關柜的定期巡檢通常為每年兩次，由電氣專業巡檢人員打開開關柜箱門，并以手持式測溫儀對銅排溫度進行熱點檢測。這種傳統做法需巡檢人員到現場測量開關柜內狀態，無法長期監測其溫濕度的動態狀況，也無法知悉其溫濕度的長期變化趨勢，因而無法有效地預判風險，進而采取防范措施，以避免災害與人員設備損失。而且，巡檢人員在接近配電箱或打開箱門時，隨時都有可能產生電弧、閃燃及爆炸等意外情況，對人員與設備都存在很大的風險。

在開關柜內的高電壓環境下做到長期、準確、實時、穩定的監測，綜觀各家做法，其運作模式不外是置放傳感器于待測位置上，維持傳感器運行，并將傳感器所檢知的數據傳送至數據中心做分析與處理。下面就目前常見的解決方案在供能、感測與數據傳輸方式逐一進行說明，各家的產品架構均由以下三大部份排列組合而成。

1.傳感器的供電方式：

銅線供電：傳統的供能方式，除在低壓傳輸時壓降所造成的線損將消耗電能外，容易受到噪聲、電暈、瞬間高壓、短路、故障電流等狀況的干擾，輕則供能不足，重則發生燒損或產生電弧。

電池供電：產品成本低，但需承受定期更換電池時候的箱門開啟風險；且在箱內的高溫環境下，電池壽命將大幅減短，造成更換周期頻繁，更換的材料與人工成本亦將增加。如果使用的是鋰電池，在高溫下有爆炸的危險，將降低業主采用的意愿。

自取電供能：利用電磁感應原理，直接由待測線路上的感應產生所需電力，但若待側線路上電流較低時，則可能造成感應電流不足而監測系統無法運作。

聲波供電：以聲波方式傳遞能量，提供傳感器運作所需電力，此技術最大的問題在于易受干擾，任何的聲波都將影響數據的準確性；此外，也有易受障礙物阻隔與傳輸距離受限的問題。

電波供電：以電磁波方式傳遞能量，提供傳感器運作所需電力，只需選擇特定波段，才能減少其他電波干擾。另外，傳輸距離受限，易受障礙物、磁屏蔽等阻隔，易受熱、電暈、閃電等干擾、供能效率偏低等都是常見問題。

光纖傳感器：光纖傳感器無須供電，僅靠光纖內反射光的變化來感測環境的變化，只需克服光纖外表因水氣、油氣及塵埃沾附而可能發生的短路問題。

2.傳感器的工作方式∶

溫濕度感測IC、熱電偶測溫、電阻式測溫、表面聲波測溫、紅外線測溫、紅外影像測溫、光纖溫度感測。

3.訊號傳送方式：

銅線傳輸：需使用隔離線避免干擾，且絕緣披覆需能耐高壓。

無線電波傳輸：無線傳輸，但傳輸距離受限，且訊號易受干擾與障礙物屏蔽阻隔。

光纖傳輸：訊號準確性高，需克服光纖外表因水氣、油氣及塵埃沾附而可能發生的短路問題。

五、激光供能的解決方案

1.激光供能智能溫濕度監測系統（圖2）使用硅基垂直多結面光伏電池(Vertical Multi-Junction PV Cell)激光供能(PoF, Power over Fiber)技術，提供溫濕度傳感器運作所需能量，運作方式如下∶

供能方式：主機內的9xx nm半導體激光器將市電轉換為激光光能，該能量以激光的形式，直接經光纖傳輸至銅排上感測機盒內的光電轉換器(PPC, Photovoltaic Power Converter)，光電轉換器內的硅基垂直多結面光伏電池可將激光光能轉換為電能，提供溫濕度傳感器運作所需的電力，避免了銅線、電池、自取電、聲波及電波供電所面臨的問題，充分做到在高壓環境中的電隔離，確保供電安全。

溫濕度感測方式：溫度傳感器及濕度傳感器，可直接安裝固定在中高壓銅排上，直接、準確地實時測量銅排本體上的溫度以及其附近周邊區域的濕度，因為溫度或濕度導致的潛在危機，都可由此二參數的累計變化趨勢評估推測而得出。

數據傳輸方式：傳感器測得的溫濕度數據以光纖實時傳送至數據中心分析處理，由于光纖傳輸不受外界因素干擾，可確保資料搜集匯整的準確性與可靠性，并為開關柜溫濕度的長期監測提供連續且穩定的數據來源。

2.其他特點∶

由于溫濕度傳感器及激光訊號發射器用電量微小，一個激光供能主機可供給多個傳感器使用，可做到配電箱內的多點監測，甚至可供給多個配電箱同時進行監測；因光纖傳輸的損耗小，所以供電距離與訊號傳輸距離都可以大范圍的拉開，增加硬件布建的彈性與方便性；因供電與訊號傳輸都使用光纖，即使在無法直接目視的多障礙環境下，亦可輕松的布建，沒有屏障或阻隔的困擾；激光供能智能溫濕度傳感器可以安裝在屋外或屋內的開關柜或銅排上。

圖2 ：激光供能智能溫濕度監測系統

六、結語

開關柜一旦出事，輕則造成維修成本、設備成本、人工成本損失；重則造成大規模的設備毀損、建物燒損、人身傷害、大區域或長時間的停電等損失。所以，長期、實時監測開關柜的供電狀況，采取預防及安全措施是非常必要的；監測系統應該列為開關柜的標準配備，而非選擇配備，這樣才能維持發電廠、變電站及電力分配點的安全且穩定的運行，以確保人員、設備的安全并維護高質量的供電。隨著物聯網的技術日漸成熟，若搭配此監測系統自動化所收集的大數據，將可利用云端運算針對長期運行數據進行分析，可以有效預防電氣設備損壞，并達到全自動自我防護的目標。