基于表面溫度的電機(jī)紅外無(wú)損檢測(cè)研究＊

楊文杰 楊彥明

（91630部隊(duì) 廣州 510320）

1 引言

電機(jī)作為海軍裝備中的重要組成部分，在保證海軍行使新階段歷史使命任務(wù)的順利進(jìn)行中起著重要的作用，保障電機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)、故障診斷和及時(shí)維修是非常重要而又緊迫的任務(wù)，具有重要的意義，因此，需研究新的檢測(cè)技術(shù)，以提高電機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行水平。

隨著現(xiàn)代紅外技術(shù)的不斷成熟和完善，可在設(shè)備不停電、不取樣、不解體的情況下，利用紅外檢測(cè)技術(shù)在線監(jiān)測(cè)電機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息；能快速實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和診斷電機(jī)設(shè)備的大多數(shù)故障，且操作安全、方便。紅外檢測(cè)技術(shù)是及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備外部過(guò)熱故障和內(nèi)部絕緣故障的重要技術(shù)手段。

2 紅外診斷技術(shù)的基本原理、技術(shù)特點(diǎn)和分析判斷方法

2.1 紅外診斷技術(shù)的基本原理

眾所周知，人體病變往往引起體溫升高。在電機(jī)設(shè)備中，由于出現(xiàn)故障而導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行的溫度狀態(tài)發(fā)生異常，電機(jī)設(shè)備的絕緣部分出現(xiàn)性能劣化或絕緣故障，將會(huì)引起介質(zhì)損耗增大，在運(yùn)行電壓下發(fā)熱。由于磁回路漏磁、磁飽和或鐵芯片間絕緣局部短路造成鐵損增大，引起局部環(huán)流或渦流發(fā)熱?？傊?，電機(jī)設(shè)備故障往往都以設(shè)備相關(guān)部位的溫度或熱狀態(tài)變化為征兆表現(xiàn)出來(lái)，因此通過(guò)監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的這種狀態(tài)變化，可以對(duì)設(shè)備故障做出診斷。

世間萬(wàn)物都會(huì)發(fā)射人眼看不見(jiàn)的紅外輻射能量，而且物體的溫度越高，發(fā)射的紅外輻射能量越強(qiáng)。因此，既然電機(jī)設(shè)備故障絕大多數(shù)都以局部或整體過(guò)熱或溫度分布異常為征兆；那么，只要運(yùn)用適當(dāng)?shù)募t外儀器檢測(cè)電機(jī)設(shè)備運(yùn)行中發(fā)射的紅外輻射能量，就可以獲得電機(jī)設(shè)備表面的溫度分布狀態(tài)及其包含的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，分析處理紅外監(jiān)測(cè)到的上述設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，就能夠?qū)υO(shè)備中潛伏的故障或事故隱患屬性、具體位置和嚴(yán)重程度做出定量的判斷。

2.2 紅外診斷的技術(shù)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的預(yù)防性試驗(yàn)和離線診斷相比，紅外診斷方法具有以下的技術(shù)特點(diǎn)。

1）不接觸、不停運(yùn)、不取樣、不解體。

2）可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中設(shè)備的異常征兆，避免發(fā)生事故。

3）可實(shí)現(xiàn)大面積快速掃描成像，狀態(tài)顯示快捷、靈敏、形象、直觀，檢測(cè)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

4）既可定性反映設(shè)備的故障存在與否，又能定量地反映故障嚴(yán)重程度。

5）可以適當(dāng)延長(zhǎng)設(shè)備試周期，逐步達(dá)到代替預(yù)試、減少停電、減少誤操作等不安全因素，節(jié)省大量人力、物力和時(shí)間。

6）對(duì)老舊或存在隱患的設(shè)備，可以隨時(shí)跟蹤監(jiān)視其運(yùn)行狀況，最大限度地利用其剩余壽命。

2.3 紅外診斷技術(shù)的分析判斷方法

2.3.1 表面溫度判斷法

根據(jù)測(cè)得的設(shè)備表面溫度值，對(duì)照GB763的有關(guān)規(guī)定，凡是溫度（或溫升），超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)者可根據(jù)設(shè)備溫度超標(biāo)的程度、設(shè)備負(fù)荷率的大小、設(shè)備的重要性及設(shè)備承受機(jī)械應(yīng)力的大小來(lái)確定設(shè)備缺陷的性質(zhì)，對(duì)在負(fù)荷率下溫升超標(biāo)或承受機(jī)械壓力較大的設(shè)備要從嚴(yán)定性。

2.3.2 電氣設(shè)備的相對(duì)溫差判斷法

在環(huán)境溫度低、負(fù)荷電流小的情況下，設(shè)備溫升較小，此時(shí)的溫升值不能說(shuō)明沒(méi)有缺陷或故障隱患。大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際表明，往往在負(fù)荷增大、環(huán)境溫度上升后，會(huì)引發(fā)設(shè)備事故。因此，對(duì)于電流致熱型設(shè)備，為判斷設(shè)備低負(fù)荷或低環(huán)境溫度時(shí)設(shè)備存在的缺陷或故障，往往采用相對(duì)溫差法。

相對(duì)溫差的定義：兩個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)之間的溫差與其中較熱點(diǎn)的溫升之比的百分?jǐn)?shù)。相對(duì)溫升δt可用下式求出：

式中：τ1和T1為發(fā)熱點(diǎn)的溫升和溫度；τ2和T2為正常相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫升和溫度；T0為環(huán)境參照體的溫度。

·溫升：用同一檢測(cè)儀器相繼測(cè)得的被測(cè)物表面溫度和環(huán)境溫度參照體表面溫度差；

·溫差：用同一檢測(cè)儀器相繼測(cè)得的不同被測(cè)物或同一被測(cè)物不同部位之間的溫差；

·環(huán)境溫度參照體：用來(lái)采集環(huán)境溫度的物體叫環(huán)境參照體，它可能不具有當(dāng)時(shí)的真實(shí)環(huán)境溫度，但它具有被測(cè)物相似的物理屬性，并與被測(cè)物處在相似的環(huán)境之中。

2.3.3 同類比較法

在同一電氣回路中，當(dāng)三相電流對(duì)稱和三相（或兩相）設(shè)備相同時(shí)，比較三相（或兩相）電流致熱型設(shè)備對(duì)應(yīng)部位的溫升值，可判斷設(shè)備是否正常。若三相設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)異常，可與同回路的同類設(shè)備比較。當(dāng)三相負(fù)荷電流不對(duì)稱時(shí)，應(yīng)考慮負(fù)荷電流的影響。

·不同相之間橫向比較：在相同環(huán)境溫度、負(fù)荷及測(cè)試條件下，相間差別不應(yīng)太大，其溫度上升通常是均衡的，不能簡(jiǎn)單地對(duì)某一相的溫度變化作為設(shè)備異常的診斷，要同時(shí)檢測(cè)不同相相同部位的溫度分布，比較相同部位溫度分布異常之處，在設(shè)備溫度不是異常高的情況下，只要不同相溫度平衡，則判定設(shè)備可以正常運(yùn)行。如果某一相或兩相與其它相相比溫差較大，即使溫度值不是很高，也可以判定設(shè)備存在熱隱患。一旦條件惡化，電阻加大，溫度會(huì)更高，而溫度升高又導(dǎo)致電阻加大，形成惡性循環(huán)，造成設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重故障。如果電氣接點(diǎn)為電氣設(shè)備出現(xiàn)熱故障部分，則應(yīng)考慮內(nèi)部存在熱故障的可能性。

·相同部位的縱向比較法：在同一相中流過(guò)的電流是相同，其溫度與電流的平方近似成正比。正常時(shí)其接頭溫度差異不可能太大。如開(kāi)關(guān)、接觸器接線端等，其上下溫差應(yīng)該較小。

2.3.4 熱譜圖分析法

根據(jù)同類設(shè)備在正常狀態(tài)和異常狀態(tài)下的熱譜圖的差異來(lái)判斷設(shè)備是否正常。

2.3.5 檔案分析法

分析同一設(shè)備在不同時(shí)期的檢測(cè)數(shù)據(jù)（例如溫升、相對(duì)溫差和熱譜圖），找出設(shè)備致熱參數(shù)的變化趨勢(shì)和變化速率，以判斷設(shè)備是否正常。

運(yùn)行中的設(shè)備溫度和運(yùn)行負(fù)荷有著直接的關(guān)系。電流越大，設(shè)備的溫度會(huì)越高。若發(fā)現(xiàn)溫度異常，應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)運(yùn)行負(fù)荷的大小判定設(shè)備問(wèn)題的嚴(yán)重程度。如果溫度異常處的相對(duì)溫升不高，且其運(yùn)行負(fù)荷很小，更應(yīng)引起足夠的重視。一旦負(fù)荷增加，易導(dǎo)致事故的發(fā)生。在進(jìn)行測(cè)試工作時(shí)，要參照當(dāng)時(shí)的運(yùn)行負(fù)荷，并推算出最大負(fù)荷的運(yùn)行溫度。

3 電氣設(shè)備的發(fā)熱來(lái)源

設(shè)備在工作的時(shí)候，由于電流、電壓的作用，將產(chǎn)生以下三種主要來(lái)源的發(fā)熱。

1）電阻損耗發(fā)熱

按焦耳定律，當(dāng)電流通過(guò)電阻時(shí)將產(chǎn)生熱能，這是電流效應(yīng)引起的發(fā)熱，大量表現(xiàn)在載流電氣設(shè)備中。

2）介質(zhì)損耗發(fā)熱

絕緣介質(zhì)由于交變電場(chǎng)的作用，使介質(zhì)極化方向不斷改變而消耗電能并引起發(fā)熱。

3）鐵損致熱

當(dāng)在勵(lì)磁回路上施加工作電壓時(shí)，由于鐵芯的磁滯、渦流而產(chǎn)生電能損耗并引起發(fā)熱。

4 電機(jī)故障的紅外無(wú)損檢測(cè)方法

電機(jī)的部件較多，發(fā)生故障的部位及原因也較多，通過(guò)紅外熱像儀可發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題。

4.1 電機(jī)故障的判斷

1）電氣接線（電氣接線盒外殼）：

（1）問(wèn)題點(diǎn)為接線端子過(guò)熱，可能原因?yàn)檫B接松脫、接線端子氧化腐蝕、連接過(guò)緊，建議措施是重新連接或更換接線端子。

（2）問(wèn)題點(diǎn)為電纜過(guò)熱，可能原因?yàn)椴黄胶怆妷夯蜻^(guò)載，建議措施是使用萬(wàn)用表、鉗表或電能質(zhì)量分析儀予以確認(rèn)具體原因。

2）電機(jī)外殼溫度分布：

（1）問(wèn)題點(diǎn)為外殼部分區(qū)域溫度過(guò)高，可能原因?yàn)閮?nèi)部鐵心、繞組因絕緣層老化或損壞導(dǎo)致短路，建議措施是拆卸外殼進(jìn)行檢修。

（2）問(wèn)題點(diǎn)為外殼整體溫度過(guò)高，可能原因?yàn)榭諝饬鲃?dòng)不充分導(dǎo)致散熱故障，建議措施是如果停機(jī)時(shí)間短，則只對(duì)電機(jī)空氣進(jìn)口格柵進(jìn)行清洗，并在下一次有計(jì)劃的停機(jī)檢修中，安排一次徹底的電機(jī)清洗。

3）與電機(jī)連接的軸承、連軸器：?jiǎn)栴}點(diǎn)為軸承、連軸器溫度過(guò)高，可能原因?yàn)闈?rùn)滑不良或軸未對(duì)中，建議措施是檢查潤(rùn)滑情況或?qū)S進(jìn)行調(diào)整。

4.2 電機(jī)內(nèi)部溫度檢測(cè)

每臺(tái)電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其內(nèi)部溫度與電機(jī)外殼溫度是不一樣的。所有電機(jī)銘牌上都應(yīng)列出標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)轉(zhuǎn)溫度。雖然紅外成像儀無(wú)法看到電機(jī)內(nèi)部，但外部表面溫度足以指示出內(nèi)部溫度高低。隨著電機(jī)內(nèi)部溫度升高，其外表面的溫度也升高。

要檢測(cè)一個(gè)F級(jí)電機(jī)的溫度，其最高溫度限制為135℃（外殼上的銘牌中有標(biāo)示），可用一個(gè)接觸式溫度探頭（如K型熱電偶、Pt100鉑電阻等）安裝在電機(jī)內(nèi)部（注意絕緣），同時(shí)使用紅外熱像儀檢測(cè)對(duì)應(yīng)外殼的溫度，熱電偶得到的溫度與熱像儀得到的溫度差即為修正值，通過(guò)試驗(yàn)得知F級(jí)電機(jī)內(nèi)部與外殼的溫差約為30～40℃（內(nèi)部溫度高），故只要該級(jí)電機(jī)外殼溫度控制在90℃以下即可保證正常運(yùn)行。

需注意的是不同級(jí)別的電機(jī)內(nèi)部空間和溫度傳遞均不一樣，若檢測(cè)電機(jī)的級(jí)別改變，則要按上述測(cè)試方式得到新的修正值。

對(duì)于沒(méi)有明確溫度限定的電機(jī)部件來(lái)說(shuō)，NETA（國(guó)際電氣測(cè)試協(xié)會(huì)）提供的指南規(guī)定，當(dāng)相似負(fù)載下相似部件的溫度差超過(guò)15℃時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行維修。該組織還建議，當(dāng)部件與環(huán)境溫度的溫度差超過(guò)40℃時(shí)，也要立即進(jìn)行維修。

5 電機(jī)紅外無(wú)損應(yīng)用實(shí)例

對(duì)HH－Ⅲ型電羅經(jīng)的某型電機(jī)，利用紅外進(jìn)行電機(jī)的無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行測(cè)試。

一次例行巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣接線盒外殼發(fā)熱，溫度異常，經(jīng)檢修證實(shí)電氣接線部分的導(dǎo)線表面已經(jīng)發(fā)熱氧化，由于發(fā)現(xiàn)處理及時(shí)，未發(fā)生故障。又如在2011年6月維護(hù)時(shí)，外殼部分區(qū)域溫度過(guò)高，經(jīng)檢修證實(shí)內(nèi)部鐵心、繞組因絕緣層老化，并拆卸外殼進(jìn)行檢修，經(jīng)維修，投運(yùn)后溫度正常。

6 結(jié)語(yǔ)

紅外診斷技術(shù)是開(kāi)展設(shè)備狀態(tài)檢修行之有效的方法，不僅可以減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高缺陷診斷率，而且可以隨時(shí)隨地診斷設(shè)備運(yùn)行情況，保證設(shè)備安全運(yùn)行，提高電氣設(shè)備運(yùn)行的可靠性，增加裝備維護(hù)檢修效益。

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