基于表面溫度的電機紅外無損檢測研究＊

楊文杰 楊彥明

（91630部隊 廣州 510320）

1 引言

電機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的順利進行中起著重要的作用，保障電機的安全經濟運行，電機運行狀態的在線監測、故障診斷和及時維修是非常重要而又緊迫的任務，具有重要的意義，因此，需研究新的檢測技術，以提高電機設備安全運行水平。

隨著現代紅外技術的不斷成熟和完善，可在設備不停電、不取樣、不解體的情況下，利用紅外檢測技術在線監測電機設備的運行狀態信息；能快速實時在線監測和診斷電機設備的大多數故障，且操作安全、方便。紅外檢測技術是及早發現設備外部過熱故障和內部絕緣故障的重要技術手段。

2 紅外診斷技術的基本原理、技術特點和分析判斷方法

2.1 紅外診斷技術的基本原理

眾所周知，人體病變往往引起體溫升高。在電機設備中，由于出現故障而導致設備運行的溫度狀態發生異常，電機設備的絕緣部分出現性能劣化或絕緣故障，將會引起介質損耗增大，在運行電壓下發熱。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，引起局部環流或渦流發熱?？傊?，電機設備故障往往都以設備相關部位的溫度或熱狀態變化為征兆表現出來，因此通過監測電氣設備的這種狀態變化，可以對設備故障做出診斷。

世間萬物都會發射人眼看不見的紅外輻射能量，而且物體的溫度越高，發射的紅外輻射能量越強。因此，既然電機設備故障絕大多數都以局部或整體過熱或溫度分布異常為征兆；那么，只要運用適當的紅外儀器檢測電機設備運行中發射的紅外輻射能量，就可以獲得電機設備表面的溫度分布狀態及其包含的設備運行狀態信息，分析處理紅外監測到的上述設備運行狀態信息，就能夠對設備中潛伏的故障或事故隱患屬性、具體位置和嚴重程度做出定量的判斷。

2.2 紅外診斷的技術特點

與傳統的預防性試驗和離線診斷相比，紅外診斷方法具有以下的技術特點。

1）不接觸、不停運、不取樣、不解體。

2）可以及時發現運行中設備的異常征兆，避免發生事故。

3）可實現大面積快速掃描成像，狀態顯示快捷、靈敏、形象、直觀，檢測效率高，勞動強度低。

4）既可定性反映設備的故障存在與否，又能定量地反映故障嚴重程度。

5）可以適當延長設備試周期，逐步達到代替預試、減少停電、減少誤操作等不安全因素，節省大量人力、物力和時間。

6）對老舊或存在隱患的設備，可以隨時跟蹤監視其運行狀況，最大限度地利用其剩余壽命。

2.3 紅外診斷技術的分析判斷方法

2.3.1 表面溫度判斷法

根據測得的設備表面溫度值，對照GB763的有關規定，凡是溫度（或溫升），超過標準者可根據設備溫度超標的程度、設備負荷率的大小、設備的重要性及設備承受機械應力的大小來確定設備缺陷的性質，對在負荷率下溫升超標或承受機械壓力較大的設備要從嚴定性。

2.3.2 電氣設備的相對溫差判斷法

在環境溫度低、負荷電流小的情況下，設備溫升較小，此時的溫升值不能說明沒有缺陷或故障隱患。大量現場實際表明，往往在負荷增大、環境溫度上升后，會引發設備事故。因此，對于電流致熱型設備，為判斷設備低負荷或低環境溫度時設備存在的缺陷或故障，往往采用相對溫差法。

相對溫差的定義：兩個對應測點之間的溫差與其中較熱點的溫升之比的百分數。相對溫升δt可用下式求出：

式中：τ1和T1為發熱點的溫升和溫度；τ2和T2為正常相對應點的溫升和溫度；T0為環境參照體的溫度。

·溫升：用同一檢測儀器相繼測得的被測物表面溫度和環境溫度參照體表面溫度差；

·溫差：用同一檢測儀器相繼測得的不同被測物或同一被測物不同部位之間的溫差；

·環境溫度參照體：用來采集環境溫度的物體叫環境參照體，它可能不具有當時的真實環境溫度，但它具有被測物相似的物理屬性，并與被測物處在相似的環境之中。

2.3.3 同類比較法

在同一電氣回路中，當三相電流對稱和三相（或兩相）設備相同時，比較三相（或兩相）電流致熱型設備對應部位的溫升值，可判斷設備是否正常。若三相設備同時出現異常，可與同回路的同類設備比較。當三相負荷電流不對稱時，應考慮負荷電流的影響。

·不同相之間橫向比較：在相同環境溫度、負荷及測試條件下，相間差別不應太大，其溫度上升通常是均衡的，不能簡單地對某一相的溫度變化作為設備異常的診斷，要同時檢測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，則判定設備可以正常運行。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，也可以判定設備存在熱隱患。一旦條件惡化，電阻加大，溫度會更高，而溫度升高又導致電阻加大，形成惡性循環，造成設備出現嚴重故障。如果電氣接點為電氣設備出現熱故障部分，則應考慮內部存在熱故障的可能性。

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

2.3.4 熱譜圖分析法

根據同類設備在正常狀態和異常狀態下的熱譜圖的差異來判斷設備是否正常。

2.3.5 檔案分析法

分析同一設備在不同時期的檢測數據（例如溫升、相對溫差和熱譜圖），找出設備致熱參數的變化趨勢和變化速率，以判斷設備是否正常。

運行中的設備溫度和運行負荷有著直接的關系。電流越大，設備的溫度會越高。若發現溫度異常，應根據當時運行負荷的大小判定設備問題的嚴重程度。如果溫度異常處的相對溫升不高，且其運行負荷很小，更應引起足夠的重視。一旦負荷增加，易導致事故的發生。在進行測試工作時，要參照當時的運行負荷，并推算出最大負荷的運行溫度。

3 電氣設備的發熱來源

設備在工作的時候，由于電流、電壓的作用，將產生以下三種主要來源的發熱。

1）電阻損耗發熱

按焦耳定律，當電流通過電阻時將產生熱能，這是電流效應引起的發熱，大量表現在載流電氣設備中。

2）介質損耗發熱

絕緣介質由于交變電場的作用，使介質極化方向不斷改變而消耗電能并引起發熱。

3）鐵損致熱

當在勵磁回路上施加工作電壓時，由于鐵芯的磁滯、渦流而產生電能損耗并引起發熱。

4 電機故障的紅外無損檢測方法

電機的部件較多，發生故障的部位及原因也較多，通過紅外熱像儀可發現以下問題。

4.1 電機故障的判斷

1）電氣接線（電氣接線盒外殼）：

（1）問題點為接線端子過熱，可能原因為連接松脫、接線端子氧化腐蝕、連接過緊，建議措施是重新連接或更換接線端子。

（2）問題點為電纜過熱，可能原因為不平衡電壓或過載，建議措施是使用萬用表、鉗表或電能質量分析儀予以確認具體原因。

2）電機外殼溫度分布：

（1）問題點為外殼部分區域溫度過高，可能原因為內部鐵心、繞組因絕緣層老化或損壞導致短路，建議措施是拆卸外殼進行檢修。

（2）問題點為外殼整體溫度過高，可能原因為空氣流動不充分導致散熱故障，建議措施是如果停機時間短，則只對電機空氣進口格柵進行清洗，并在下一次有計劃的停機檢修中，安排一次徹底的電機清洗。

3）與電機連接的軸承、連軸器：問題點為軸承、連軸器溫度過高，可能原因為潤滑不良或軸未對中，建議措施是檢查潤滑情況或對軸進行調整。

4.2 電機內部溫度檢測

每臺電機在正常運轉時，其內部溫度與電機外殼溫度是不一樣的。所有電機銘牌上都應列出標準運轉溫度。雖然紅外成像儀無法看到電機內部，但外部表面溫度足以指示出內部溫度高低。隨著電機內部溫度升高，其外表面的溫度也升高。

要檢測一個F級電機的溫度，其最高溫度限制為135℃（外殼上的銘牌中有標示），可用一個接觸式溫度探頭（如K型熱電偶、Pt100鉑電阻等）安裝在電機內部（注意絕緣），同時使用紅外熱像儀檢測對應外殼的溫度，熱電偶得到的溫度與熱像儀得到的溫度差即為修正值，通過試驗得知F級電機內部與外殼的溫差約為30～40℃（內部溫度高），故只要該級電機外殼溫度控制在90℃以下即可保證正常運行。

需注意的是不同級別的電機內部空間和溫度傳遞均不一樣，若檢測電機的級別改變，則要按上述測試方式得到新的修正值。

對于沒有明確溫度限定的電機部件來說，NETA（國際電氣測試協會）提供的指南規定，當相似負載下相似部件的溫度差超過15℃時，應立即進行維修。該組織還建議，當部件與環境溫度的溫度差超過40℃時，也要立即進行維修。

5 電機紅外無損應用實例

對HH－Ⅲ型電羅經的某型電機，利用紅外進行電機的無損檢測進行測試。

一次例行巡檢時發現電氣接線盒外殼發熱，溫度異常，經檢修證實電氣接線部分的導線表面已經發熱氧化，由于發現處理及時，未發生故障。又如在2011年6月維護時，外殼部分區域溫度過高，經檢修證實內部鐵心、繞組因絕緣層老化，并拆卸外殼進行檢修，經維修，投運后溫度正常。

6 結語

紅外診斷技術是開展設備狀態檢修行之有效的方法，不僅可以減少勞動強度，提高缺陷診斷率，而且可以隨時隨地診斷設備運行情況，保證設備安全運行，提高電氣設備運行的可靠性，增加裝備維護檢修效益。

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