中壓開關柜溫度傳感器使用壽命分析

楊立璠，陳海亮，茅靜，於岳祥，霍凱龍，衛國平

（1.施耐德電氣（中國）有限公司，上海 201203；2.杭州市電力設計院有限公司，浙江 杭州 310006；3.國網浙江杭州市蕭山區供電有限公司，浙江 杭州 311225）

對關鍵電力設備進行多維度（如溫度、濕度、局放、弧光、運行參數、關鍵部件損耗率、報警信息、電能質量等）的實時狀態監測可以隨時掌握設備建康狀況，這有利于技術人員對設備的異常運行情況進行及時處理。同時，基于對狀態監測得到的動態趨勢分析，為預防性維護的規劃提供更科學的指導。

實時狀態監測的溫度測量與控制十分重要，溫度參數的準確測量對電能的輸出品質、生產效率和設備安全可靠地運行至關重要。目前，在電力生產和檢修過程中，在線溫度監測技術經過多年發展，形成多種技術方案［1］，例如：無源無線測溫（如聲表面波測溫）、無源有線測溫（如光纖測溫）、有源無線測溫（如感應取能無線測溫）、紅外測溫等。這些方式都不同程度地實現了重要設備的溫度監視。

在線測溫產品屬于二次設備，與電力一次設備相比，對運行環境要求更高。簡單地組合安裝就使用，往往會導致測溫產品故障率高、使用壽命低，難以取得監視的作用，甚至危及一次設備的正常運行。

不論哪種形式的測溫方案，用戶在使用時首先提出的是使用壽命的問題，所以是否能夠與被監測的一次電力設備保持相同或相近的使用壽命，一直是業內關注的主要問題之一。

1 中壓開關柜在線測溫

在線測溫方案具有不同的分類方法。按照測溫傳感器和開關設備的相對位置，可以分為非嵌入式和嵌入式兩類技術方案。

1.1 非嵌入式

非嵌入式測溫系統與開關柜本體具有明顯的距離，尤其是傳感器部分，一般不會直接附著在開關本體，如圖1所示。較常見的是熱成像方案，如卡片式測溫熱像儀，尺寸小巧，可以安裝在柜體內部，對導體關鍵部分（如銅排搭接處）進行監測。由于沒有直接接觸，對開關的電氣性能和絕緣性能通常不會產生影響，可以最大限度地實現不停電改造。

圖1 開關柜母排熱成像（左）及可見光成像（右）

紅外測溫精度受諸多因素影響，比如探測距離、外界熱源（環境溫度）、被測物表面狀況［2］。對于開關設備在線測溫應用，最明顯的因素是測溫對象的輻射系數。如圖2所示，以中壓開關柜常用的銅排為例，不同規格的銅材有不同的輻射系數，即使在出廠前把輻射系數調校到較高精準的水平，隨著使用時間推移，銅排的表層氧化程度、粗糙程度的變化都會影響測溫精度。因此，這種測量方法的精度通常不會很高。

圖2 輻射系數對紅外測溫精度的影響

另外一種常見的非嵌入式安裝是捆扎方式。對于目前廣泛使用的全絕緣環網柜，如圖3所示，導體關鍵部分（如電纜終端或擴展母線）采用硅橡膠或者環氧樹脂材料包裹，溫度傳感器只能捆扎在絕緣材料的外表。

圖3 全絕緣環網柜捆扎測溫方案

因為會受到絕緣材料的導熱率、比熱容，以及環境溫度等因素的影響，這種測溫方式通常誤差比較大。硅橡膠的導熱系數大概是0.27W/（m·K），遠低于純銅的401W/（m·K）。如圖4所示，表明導體和電纜T型頭外表的溫度差異，并且這個差異隨著溫度的升高還有擴大的趨勢。因此，對于全絕緣開關設備，非嵌入式測溫無法實時、有效地在關鍵部位實現在線測溫，其測溫結果也無法滿足相關標準要求［3］。

圖4 導體和絕緣體外表的溫度曲線

1.2 嵌入式

嵌入式測溫系統與開關柜本體融為一體，尤其是傳感器部分會貼附在開關本體或嵌入在關鍵測溫點導體內部，可以靈敏地、準確地反映設備的溫升情況。如下圖5展示的方案中，將溫度傳感器嵌入在斷路器的觸臂導體中，通過無線通訊的方式采集測溫結果。如下圖6所示，將微型溫度傳感器嵌入在T型電纜頭的固定螺母中，可以直接測量到電纜連接處的溫度。

圖5 斷路器觸臂嵌入式測溫方案

圖6 T型電纜頭嵌入式測溫方案

嵌入式測溫系統需要從量測技術、供電方式和通訊方式等三個方面的要素來考慮。這三個方面的技術不是完全獨立，而是相互影響。比如，不同的測溫技術的功耗特征是不一樣的，這就需要合適的供電方式與之匹配，無線通訊與供能方式有時可以合二為一進行設計。

溫度傳感器嵌入到開關設備中后，有可能對設備絕緣造成影響，復雜的電磁環境，尤其是在短路、開斷等工況時，可能會造成傳感器件損壞。因此，嵌入式在線測溫系統需要更高的設計品質，并且要求通過相應的絕緣實驗、局放試驗、短時耐受試驗和峰值耐受試驗進行驗證［4］。

對于嵌入式測溫方案一個重要的挑戰是能否與一次設備做同壽命周期，尤其是嵌入在開關本體內的傳感器部分。

2 使用壽命評估

在線測溫產品一般包括溫度傳感器，數據接收模塊及顯示模塊。其中溫度傳感器是核心部分，并且其運行環境較其他模塊更加惡劣，安裝、調試和更換更加困難，因此它是使用壽命分析的重點。

2.1 加速壽命試驗原理和模型

加速壽命試驗是可靠性評定常用方法。其基本思想是在不改變失效機理的前提下，提高應力，使元件加速失效，在較短的時間內取得失效率壽命數據，利用高應力下的壽命特征去外推正常應力水平下的壽命特征［5］?？梢愿鶕^短時間內的試驗結果驗證長時間實際使用環境下的耐用年數。實現這個基本思想的關鍵在于建立壽命特征與應力水平之間的關系，即加速模型。

對于溫度是產品壽命的主要加速應力的場合，可采用阿倫尼斯（Arrhenius）模型；如果還需要引入其他的應力，如濕度、電壓或機械應力等，也可采用愛玲模型（Eyring Model）。

阿倫尼斯（Arrhenius）模型是最典型、應用最廣的加速模型，其表達式為∶

式（1）中∶?M/?t表示溫度在T（熱力學溫度）時的退化速率；K為玻耳茲曼常數8.617×10-5eV/℃；T為環境絕對溫度；c為常數，由試驗確定；t為反應時間；Ea為失效機理激活能，單位eV，對同一類產品的同一種失效模式為常數。

在半導體器件中，常見的一些加速因素為溫度、濕度、電壓和電流。在大多數情況下，加速測試不改變故障的物理特性，但會改變觀察時間。從正常使用狀態T1到加速狀態T2的加速因子Af，表征在使用條件下的壽命和高壓測試應力條件下的壽命的比值。

目前，國內外比較成熟的加速壽命試驗數據處理方法都是基于失效數據的?？梢允菧y出加速狀態時的失效率λ加速，然后依據加速因子Af計算出各相應溫度條件下的失效率λ。

對于電子產品來講，當外部條件不變時偶發失效的失效率基本上是個常數，意味著隨時可能發生故障，并且某一時刻發生故障的概率是相似的。因此，一般的情況下，失效率被假定為常量，并認為早期失效率是可以忽略的，非內在殘余失效可以通過把各組件的失效率相加而得到。

在當今電子制造技術水平下，失效率λ已經很低了，基本在100 小時每次（FIT）的級別［6］。MTBF或MTTF作為衡量電子產品壽命的指標，稱為平均壽命。更準確的概念應該是“可靠壽命”，即在產品的可靠度下降至某個特定水平的時間。對于按指數分布的電子產品，MTBF或MTTF這個壽命值對應的可靠度大約只有36.7%。在設定的可靠度水平R下的使用壽命L應該為：

2.2 傳感器加速試驗分析

隨著芯片技術的發展，測溫芯片更加集成化，將溫度傳感、電源管理、射頻和數字處理等功能完全集成并封裝在一個芯片中。溫度傳感器的使用壽命即等效于高度集成化的測溫芯片的使用壽命。芯片廠家能夠提供相關的加速測試數據［7］，如表1所示。

表1 測溫芯片試驗數據

依據阿氏模型（失效機理激活能Ea=0.7eV），可以外推出各個溫度條件下的加速因子和FIT，從而依據公式（4）得出在不同可靠度水平下的使用壽命如圖7所示。

圖7 不同可靠度的溫度-壽命曲線

為了更好的評估傳感器的使用壽命，按照開關設備的實際運行經驗［8］，環境溫度按25℃考慮，依據不同的負荷水平分布及對應的溫度，建立溫度測試組合，如表2所示。

表2 兩種負荷-溫度組合用于使用壽命評估

表2模擬了開關設備的正常運行情況下不同負荷對應溫度的時間分布。組合1是負荷比較高的情況，組合2是中等負荷的情況。負荷水平基本符合正態分布，對應的溫度為開關設備在該負荷工況下測點的實測溫度。

采用表2的溫度組合對傳感器的壽命評估，更符合實際的工況?？梢酝ㄟ^圖7獲取各運行溫度的使用壽命值。以采用可靠度為99%為例，綜合壽命評估結果如下：

以上的數據結果只是根據測溫元件的原始數據，利用阿氏模型進行的推導計算結果，并不表示在實際工程上實際使用的年限。該數據可以有效地表征產品的可靠性。繼電保護產品MTBF通常在100年至150年之間，該測溫元件的可靠性與繼電保護產品處于相同的水平。

2.3 其他影響因素

需要注意的是該溫度組合沒有考慮短路故障引起的瞬時高溫。開關設備須要考核短時耐受電流，時間經常被要求為4s，這個過程溫度會突發升高，并且來不及散熱，經驗值會達到150～160℃左右。實際運行中，因為短路故障電流會在很短的時間內被繼電保護動作切除，后備過流保護的時限不大于0.5s～0.7s［9］，即使考慮開關動作時間等其他因素，短路故障電流持續時間通常會限制在2s以內。上述短路故障的情況，會對測溫元件使用壽命產生一定的影響。

除了溫度影響溫度傳感器的使用壽命外，還應該考慮其他的環境影響因素。有些無線無源溫度傳感器設計上避免了與開關柜之間的電氣聯系，但是強電磁環境對其使用壽命的影響，需要在后續研究中做更全面的評估。

3 結論

中壓開關設備在線溫度監測是實現設備高效可靠運行，提升智能化運維水平的技術手段。在線溫度監測方案有不同的技術路線，需要從溫度傳感器、供電方式及通訊方式等方面進行全面的評估?；诮浀鋲勖铀僭囼災Ｐ秃蜏y溫芯片的失效數據，結合開關運行工況組合，可以對產品壽命做出定量評估。

開關設備選用在線測溫傳感器時，應優先采用嵌入式無線無源測溫方案。同時，商業化的高集成測溫芯片作為無線無源測溫產品的核心，不再需要外圍的模擬回路和電容元件，完全封裝，具有較高的可靠性。嵌入式在線測溫方案可以和一次設備進行一體化設計、一體化測試檢驗，也為整體方案的可靠性和使用壽命提供了有力保障。