電梯電氣部件紅外信號(hào)的特征研究及評(píng)判

王尊祥, 沈功田, 苑一琳

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

近年來(lái)，隨著電梯數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，電梯事故問(wèn)題也不容忽視。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，截止到2020年底，全國(guó)電梯保有數(shù)量為786.55萬(wàn)臺(tái)， 但同年也發(fā)生安全事故25起，死亡19人，其中部分事故原因?yàn)樵O(shè)備缺陷、電氣部件失效或保護(hù)裝置失靈。

電氣事故的種類較多，除了觸電，設(shè)備和線路故障、雷擊、靜電等也會(huì)造成電氣事故。電氣事故往往出現(xiàn)得很突然，而且難以發(fā)現(xiàn)，依靠傳統(tǒng)檢修人員檢查電壓、電流、電阻等參數(shù)確定故障的方法耗時(shí)長(zhǎng)，效率低，無(wú)法提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，已難以滿足檢測(cè)需求。紅外檢測(cè)技術(shù)(IRT)作為一種新興的檢測(cè)方法，可對(duì)溫度高于絕對(duì)零度(-273 ℃)物體的熱輻射進(jìn)行檢測(cè)分析，具有非接觸測(cè)量、單次測(cè)量范圍廣(可達(dá)0.1 m2)、測(cè)量距離遠(yuǎn)(20 cm20 m)、成像直觀、快速等優(yōu)勢(shì)，目前在航空航天、電力、特種設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。

沈功田等[3-4]將紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于壓力容器和高溫壓力管道的檢測(cè)中，獲得了良好的效果。葉超等[5-6]對(duì)紅外熱成像在大型游樂(lè)設(shè)施中的系統(tǒng)運(yùn)用展開(kāi)了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)IRT技術(shù)在電氣系統(tǒng)故障檢測(cè)方面具有較大優(yōu)勢(shì)；俞躍等[7]提出了一種半自動(dòng)電氣元件紅外圖像比對(duì)分析方法，可有效提高檢測(cè)效率；鄭祥盤[8]采用紅外熱成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)了三相不平衡以及電梯內(nèi)部電阻器件高溫碳化等問(wèn)題；楊森淋、司達(dá)等[9-14]在斷路器、電路板的紅外熱成像故障診斷方面也進(jìn)行了大量的研究。文章主要對(duì)不同型號(hào)電梯電氣部件的紅外信號(hào)特征進(jìn)行研究和分級(jí)，并提出針對(duì)性的維護(hù)方案，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)維保工作。

1 試驗(yàn)儀器及方案

1.1 電梯結(jié)構(gòu)

電梯的運(yùn)動(dòng)形式可簡(jiǎn)單理解為通過(guò)曳引繩連接轎廂和配重，曳引繩纏繞在曳引輪和導(dǎo)向輪上，電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)變速后帶動(dòng)曳引輪轉(zhuǎn)動(dòng)，靠曳引繩與曳引輪摩擦產(chǎn)生的牽引力，實(shí)現(xiàn)轎廂和配重的升降運(yùn)動(dòng)，達(dá)到運(yùn)輸?shù)哪康亍?/p>

電梯主要由曳引系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、轎廂、門系統(tǒng)、重量平衡系統(tǒng)、電力拖動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)等8大系統(tǒng)組成。其中電氣控制系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)電梯的操縱控制，如上升、下降、停止、開(kāi)關(guān)門等。電氣控制系統(tǒng)主要由操縱裝置、位置顯示裝置、控制屏(柜)、平層裝置電氣部件等組成，某電梯的電氣控制柜實(shí)物如圖1所示，其內(nèi)部安裝有電路板、電源、接觸器、繼電器等各類電氣部件。

圖1 某電梯電氣控制柜實(shí)物

1.2 試驗(yàn)原理及儀器

電梯電氣系統(tǒng)紅外檢測(cè)基本原理如圖2所示，檢測(cè)時(shí)，紅外熱像儀可捕捉被測(cè)物體的紅外輻射量，通過(guò)內(nèi)部光電轉(zhuǎn)化和信號(hào)處理，最終獲得紅外熱像圖和溫度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)使用FLIR公司的T640型紅外熱像儀(見(jiàn)圖3)，其基本參數(shù)為：分辨率為640×480；視場(chǎng)角為25°×19°；1～8倍變焦；測(cè)溫范圍為-40 ℃～+150 ℃ ；數(shù)據(jù)采集時(shí)可同時(shí)采集10個(gè)測(cè)試點(diǎn)，可同時(shí)采集5個(gè)方框區(qū)域內(nèi)的最高溫度、最低溫度和平均溫度，最高校準(zhǔn)溫度可達(dá)2 000 ℃。T640系列鏡頭可120°旋轉(zhuǎn)，配有500萬(wàn)像素的可見(jiàn)光數(shù)碼相機(jī)，可同時(shí)獲得目標(biāo)的可見(jiàn)光圖像和紅外熱像圖，共有6種調(diào)色板可供選取，以獲得最直觀的溫度變化圖像。

圖2 電梯電氣系統(tǒng)紅外檢測(cè)基本原理

圖3 FLIR T640型紅外熱像儀實(shí)物

1.3 試驗(yàn)方案

通過(guò)查閱使用單位提供的電梯運(yùn)行記錄以及維護(hù)保養(yǎng)記錄等資料，結(jié)合電梯的自身電氣結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定了最終的試驗(yàn)方案。

(1) 從A、B、C三個(gè)市場(chǎng)占有率較大的電梯型號(hào)中各選取10部結(jié)構(gòu)、功率、額定載荷相同，使用時(shí)間和安裝結(jié)構(gòu)接近的電梯，以這30部電梯的關(guān)鍵電氣部件作為試驗(yàn)對(duì)象。

(2) 確定電氣部件的表面有無(wú)大面積銹蝕和油污層，若有則需將其清除掉，以免影響電氣部件的紅外反射率。儀器相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：鏡頭焦距為24.6 mm；輻射率為0.95；反射溫度為25 ℃。選擇合適的鏡頭與被測(cè)電氣部件間的距離，以獲得清晰的紅外熱像圖。

(3) 上述30部電梯空載狀態(tài)下，各自從1樓上升到6樓再下降到1樓，循環(huán)10次后，發(fā)現(xiàn)電路板、電源、接觸器、繼電器以及接線端子溫升變化較明顯。

(4) 選取上述5類發(fā)熱較明顯的電氣部件作為溫度采集對(duì)象，再次循環(huán)運(yùn)行10次后，記錄溫度采集框內(nèi)的最高溫度。

(5) 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)完后，將電氣柜外殼等復(fù)原，保證安全。最后進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，分析其紅外特征并對(duì)溫升結(jié)果進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。

2 電氣部件故障紅外信號(hào)特征圖譜

其實(shí)許多電氣事故都是有規(guī)律可循的。通過(guò)紅外檢測(cè)技術(shù)研究關(guān)鍵電氣部件的溫度變化規(guī)律，建立各電氣部件相應(yīng)的紅外圖譜對(duì)于判斷其運(yùn)行狀態(tài)具有十分重要的意義。

2.1 電路板

隨著電路板層數(shù)的增加，其結(jié)構(gòu)會(huì)越發(fā)復(fù)雜，即相鄰電子元件的間距越來(lái)越小，密度越來(lái)越大，電路板的故障率也就會(huì)有所增加。電路板可見(jiàn)光照片和紅外熱像圖如圖4所示，可見(jiàn)，正常條件下集成度高，阻值大、通電工作的電子元件的溫升會(huì)更明顯，溫度更高，電路板的電子元件分布設(shè)計(jì)會(huì)直接影響其發(fā)熱情況，故紅外熱成像技術(shù)可為優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和快速初步判斷電路故障提供新的解決方案，如短路、接觸不良等會(huì)造成溫度異常偏高，斷路則會(huì)造成溫度異常偏低。

圖4 電路板可見(jiàn)光照片和紅外熱像圖

2.2 電源

電源主要提供電路板及電梯內(nèi)呼叫板和外呼叫板顯示板的電力供給。開(kāi)關(guān)電源的可見(jiàn)光照片和紅外熱像圖如圖5所示，開(kāi)關(guān)電源中的整流模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換，其溫升較明顯。由于電源多采用模塊化結(jié)構(gòu)，模塊中的插接件溫度可采用紅外熱成像方法進(jìn)行檢測(cè)，插接件發(fā)生松動(dòng)時(shí)其溫度會(huì)相對(duì)偏低。

圖5 電源可見(jiàn)光照片和紅外熱像圖

2.3 接觸器

接觸器屬于主回路元件，用于控制主回路的通斷，其種類繁多，為降低電弧溫度，盡快熄滅電弧，設(shè)備上多配有滅弧罩。接觸器的可見(jiàn)光照片和紅外熱像圖如圖6所示，接觸器內(nèi)部發(fā)熱主要來(lái)自于內(nèi)部觸頭的氧化層發(fā)熱，而內(nèi)部電桿部分發(fā)熱現(xiàn)象較少見(jiàn)。觸頭氧化層相當(dāng)于接觸電阻，若接觸電阻增大，導(dǎo)致接觸面溫度過(guò)高，會(huì)使面接觸變?yōu)辄c(diǎn)接觸，甚至出現(xiàn)不導(dǎo)通現(xiàn)象，表現(xiàn)為當(dāng)接觸器內(nèi)部發(fā)生熱故障時(shí)，兩端接線端子溫差迅速升高。

圖6 接觸器可見(jiàn)光照片和紅外熱像圖

2.4 繼電器

繼電器屬于輔助回路元件，用于執(zhí)行信號(hào)的傳遞和對(duì)主回路電氣部件的控制。繼電器可見(jiàn)光照片和紅外熱像圖如圖7所示，可以看出，繼電器的溫度變化與動(dòng)作程序有直接關(guān)系，其中，中間線圈溫度要高于其他部位的，通過(guò)監(jiān)測(cè)各繼電器的溫度變化可發(fā)現(xiàn)溫升異常的繼電器。在實(shí)際應(yīng)用中，多次吸合導(dǎo)致的觸點(diǎn)松動(dòng)、氧化燒毀是最常見(jiàn)的故障，接頭觸點(diǎn)發(fā)生黏連、沾污、燒蝕時(shí)，觸點(diǎn)部位溫度會(huì)異常升高。

圖7 繼電器可見(jiàn)光照片和紅外熱像圖

2.5 接線端子

接線端子起連接導(dǎo)線的作用，其種類繁多，其中，部分母線型接線端子在安裝時(shí)對(duì)螺母的扭矩還有標(biāo)準(zhǔn)要求，過(guò)緊或過(guò)松都會(huì)影響接觸電阻，存在安全隱患。接線端子可見(jiàn)光照片和紅外熱像圖如圖8所示。若接線端子處導(dǎo)線由于振動(dòng)等原因出現(xiàn)松動(dòng)，造成接觸不良，則接觸面積會(huì)減小，導(dǎo)致接觸電阻增大，松動(dòng)處的溫升會(huì)明顯高于其他正常連接端子處的溫升。

圖8 接線端子可見(jiàn)光照片和紅外熱像圖

3 檢測(cè)結(jié)果分析

3.1 各型號(hào)電梯相同電氣部件發(fā)熱對(duì)比

為研究不同型號(hào)電梯的同種電氣部件的溫升情況，筆者采集了30臺(tái)電梯運(yùn)行10次溫升穩(wěn)定后電路板、電源、接觸器、繼電器和接線端子的溫度數(shù)據(jù)。 A、B、C三個(gè)型號(hào)電梯不同電氣部件的溫度數(shù)據(jù)如圖9～11所示。

圖9 A型號(hào)電梯不同電氣部件溫度數(shù)據(jù)

A型號(hào)電梯各類電氣部件溫度都有較明顯的區(qū)間，電氣部件溫度為30～90 ℃，整體溫差為60 ℃，溫差相對(duì)較大。其中電路板溫度最高，其次是電源，接觸器和繼電器，接線端子溫度最低，不同電梯電氣部件中電路板和電源溫度差別較大，約為10 ℃，接觸器、繼電器和接線端子的溫差在5 ℃以內(nèi)。

圖10 B型號(hào)電梯不同電氣部件溫度數(shù)據(jù)

B型號(hào)電梯各類電氣部件溫度多集中在40～70 ℃，整體溫差為30 ℃，不同電梯的不同電氣部件之間溫差不大，比A型號(hào)電梯要小很多。各電梯的繼電器溫度最高，其余依次為電路板、接觸器。部分電梯的電源和繼電器溫度相差不大，且無(wú)明顯區(qū)分界限，不同電梯繼電器的最大溫差為20 ℃，電路板的最大溫差為11 ℃，電源、接觸器和接線端子的溫差約為7 ℃。

圖11 C型號(hào)電梯不同電氣部件溫度數(shù)據(jù)

C型號(hào)電梯各電氣部件特征最明顯，電源溫度最高，均處于100 ℃以上，其余的電路板、接觸器、繼電器和接線端子溫度區(qū)間要低很多，大部分集中在40～60 ℃，溫差為20 ℃，與電源相比溫差大于40 ℃。此外，不同電梯之間的電源和接觸器溫差較大，約為20 ℃，其余電路板、繼電器、接線端子溫差較小，均在10 ℃以內(nèi)。

從高溫部件分布來(lái)看，不同型號(hào)電梯的高溫部件并不相同，A型號(hào)電梯的高溫部件為電路板和電源，B型號(hào)為繼電器和電路板，C型號(hào)為電源。從發(fā)熱情況分布來(lái)看，A、C型號(hào)電梯不同電氣部件的整體溫差最大。各型號(hào)不同電氣部件的溫度分布也各有特點(diǎn)，A、B型號(hào)不同電氣部件溫度分布相對(duì)比較均勻，不同電氣部件之間溫差為10～20 ℃，C型號(hào)電氣部件溫度分布明顯分為2檔，電源為“高溫檔”，其余4類電氣部件為“中低溫檔”，具有明顯的溫度區(qū)別。

3.2 分級(jí)和對(duì)應(yīng)的維保策略

通過(guò)上述分析可知，不同型號(hào)電梯的電氣部件溫度變化復(fù)雜，個(gè)別部件溫度偏高，研究溫度異常程度需對(duì)溫升情況進(jìn)行判斷和分級(jí)評(píng)價(jià)。常見(jiàn)的紅外熱成像判斷方法有歷史檔案法、表面溫度判斷法、溫差判斷法等。其中溫差判斷法是將各部件溫度數(shù)值與參考溫度進(jìn)行比較，可簡(jiǎn)單快捷地發(fā)現(xiàn)同類部件中溫度異常的設(shè)備，應(yīng)用較為廣泛。

文章參考機(jī)電類設(shè)備游樂(lè)設(shè)施用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36668.3-2018 《游樂(lè)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷 第3部分：紅外熱成像監(jiān)測(cè)方法》中的溫差判斷方法進(jìn)行嚴(yán)重程度分級(jí)。定義參考溫度為各電梯穩(wěn)定運(yùn)行后的平均溫度，采用各電梯溫度數(shù)據(jù)與參考溫度的差值ΔT作為評(píng)判依據(jù)，A、B、C 三個(gè)型號(hào)各10臺(tái)電梯不同電氣部件的溫差數(shù)據(jù)如表1～3所示。

表1 A型號(hào)電梯各電氣部件溫差數(shù)據(jù) ℃

由表1可知，A型號(hào)不同電梯各電氣部件的溫差都很小，最大約為6 ℃，最小為0.07 ℃，所有部件的平均溫差僅為1.8 ℃，各部件溫度基本一致。

由表2可知，B型號(hào)不同電梯各電氣部件的溫差略大，最大約為16 ℃，最小為0.19 ℃，所有部件的平均溫差為2.4 ℃，個(gè)別電梯的繼電器溫度偏高。

表2 B型號(hào)電梯各電氣部件溫差數(shù)據(jù) ℃

由表3可知，C型號(hào)不同電梯各電氣部件的溫差也略大，最大約為17 ℃，所有部件平均溫差僅為3 ℃，個(gè)別電梯的繼電器和接觸器溫度都偏高。

表3 C型號(hào)電梯各電氣部件溫差數(shù)據(jù) ℃

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果等級(jí)的劃分需根據(jù)溫度分布、參考溫度和溫差進(jìn)行綜合判斷。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果，試驗(yàn)定義溫差10 ℃作為分級(jí)溫差，溫差在10 ℃以內(nèi)為I級(jí)，說(shuō)明狀態(tài)良好；超過(guò)10 ℃為II級(jí)，說(shuō)明部件需要更換。各電梯電氣部件溫度分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示，B型號(hào)9#電梯的繼電器、C型號(hào)7#電梯的電源和接觸器溫升程度嚴(yán)重，評(píng)為II級(jí)，其余電梯的電氣部件均評(píng)為I級(jí)。

表4 各電梯電氣部件溫度分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

維保策略制定方面，評(píng)級(jí)為I級(jí)的電氣部件，不需要進(jìn)行驗(yàn)證。若連續(xù)幾次檢測(cè)結(jié)果均為Ⅰ級(jí)，可適當(dāng)延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)周期。含有II級(jí)電氣部件的電梯如B型號(hào)9#電梯和C型號(hào)7#電梯需盡快停止運(yùn)行，進(jìn)行相應(yīng)部件的檢修。經(jīng)拆解檢查發(fā)現(xiàn)B型號(hào)9#電梯繼電器存在燒蝕和黏連的問(wèn)題，C型號(hào)電梯由于外殼部分破損，電源模塊積灰嚴(yán)重，散熱不良；接觸器也由于存在沾污問(wèn)題，溫度偏高。

因此，可適當(dāng)減少A型號(hào)電梯的檢測(cè)周期，提高B、C型號(hào)電梯的檢測(cè)頻次，重點(diǎn)檢查試驗(yàn)中出現(xiàn)溫度異常的接觸器和繼電器。經(jīng)詢問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)維保人員，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)保養(yǎng)中接觸器、繼電器相對(duì)更換頻率會(huì)更高一些，而電路板和接線端子較少出故障，這與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 開(kāi)展電梯電路板、電源、接觸器、繼電器和接線端子的紅外檢測(cè)特征研究，得到了相應(yīng)的紅外檢測(cè)圖譜。

(2) 不同類型電梯內(nèi)部電氣元件的溫度分布各有特點(diǎn)，且較為復(fù)雜，不同電氣部件也有各自的溫度分布區(qū)間，B型號(hào)電梯不同電氣部件的溫度分布范圍比A、C型號(hào)的小。

(3) 通過(guò)采用溫差判斷法對(duì)電氣元件進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，最終判定共有2個(gè)型號(hào)電梯的3種電氣部件為II級(jí)，需進(jìn)行維保處理，其余均為I級(jí)，運(yùn)行狀態(tài)良好。

(4) 紅外檢測(cè)技術(shù)作為一種新興檢測(cè)技術(shù)，在工程應(yīng)用中有很大潛力，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，紅外輻射對(duì)環(huán)境溫度和表面反射率較為敏感，測(cè)試結(jié)果會(huì)存在一定誤差。下一步可加強(qiáng)相關(guān)紅外圖像識(shí)別、圖像融合以及智能故障檢測(cè)方面的研究，紅外圖譜和紅外數(shù)據(jù)庫(kù)的建立是上述研究的重要基礎(chǔ)。同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步挖掘數(shù)學(xué)算法在綜合評(píng)判中的應(yīng)用潛能。