電梯電氣部件紅外信號的特征研究及評判

王尊祥, 沈功田, 苑一琳

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

近年來，隨著電梯數量的迅速增長，電梯事故問題也不容忽視。根據相關數據，截止到2020年底，全國電梯保有數量為786.55萬臺， 但同年也發生安全事故25起，死亡19人，其中部分事故原因為設備缺陷、電氣部件失效或保護裝置失靈。

電氣事故的種類較多，除了觸電，設備和線路故障、雷擊、靜電等也會造成電氣事故。電氣事故往往出現得很突然，而且難以發現，依靠傳統檢修人員檢查電壓、電流、電阻等參數確定故障的方法耗時長，效率低，無法提前發現問題，已難以滿足檢測需求。紅外檢測技術(IRT)作為一種新興的檢測方法，可對溫度高于絕對零度(-273 ℃)物體的熱輻射進行檢測分析，具有非接觸測量、單次測量范圍廣(可達0.1 m2)、測量距離遠(20 cm20 m)、成像直觀、快速等優勢，目前在航空航天、電力、特種設備等工業領域有著廣泛的應用[1-2]。

沈功田等[3-4]將紅外熱成像技術應用于壓力容器和高溫壓力管道的檢測中，獲得了良好的效果。葉超等[5-6]對紅外熱成像在大型游樂設施中的系統運用展開了相關研究，發現IRT技術在電氣系統故障檢測方面具有較大優勢；俞躍等[7]提出了一種半自動電氣元件紅外圖像比對分析方法，可有效提高檢測效率；鄭祥盤[8]采用紅外熱成像技術發現了三相不平衡以及電梯內部電阻器件高溫碳化等問題；楊森淋、司達等[9-14]在斷路器、電路板的紅外熱成像故障診斷方面也進行了大量的研究。文章主要對不同型號電梯電氣部件的紅外信號特征進行研究和分級，并提出針對性的維護方案，以指導現場維保工作。

1 試驗儀器及方案

1.1 電梯結構

電梯的運動形式可簡單理解為通過曳引繩連接轎廂和配重，曳引繩纏繞在曳引輪和導向輪上，電動機通過減速機變速后帶動曳引輪轉動，靠曳引繩與曳引輪摩擦產生的牽引力，實現轎廂和配重的升降運動，達到運輸的目地。

電梯主要由曳引系統、導向系統、轎廂、門系統、重量平衡系統、電力拖動系統、電氣控制系統、安全保護系統等8大系統組成。其中電氣控制系統的主要功能是實現電梯的操縱控制，如上升、下降、停止、開關門等。電氣控制系統主要由操縱裝置、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物如圖1所示，其內部安裝有電路板、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物

1.2 試驗原理及儀器

電梯電氣系統紅外檢測基本原理如圖2所示，檢測時，紅外熱像儀可捕捉被測物體的紅外輻射量，通過內部光電轉化和信號處理，最終獲得紅外熱像圖和溫度數據。試驗使用FLIR公司的T640型紅外熱像儀(見圖3)，其基本參數為：分辨率為640×480；視場角為25°×19°；1～8倍變焦；測溫范圍為-40 ℃～+150 ℃ ；數據采集時可同時采集10個測試點，可同時采集5個方框區域內的最高溫度、最低溫度和平均溫度，最高校準溫度可達2 000 ℃。T640系列鏡頭可120°旋轉，配有500萬像素的可見光數碼相機，可同時獲得目標的可見光圖像和紅外熱像圖，共有6種調色板可供選取，以獲得最直觀的溫度變化圖像。

圖2 電梯電氣系統紅外檢測基本原理

圖3 FLIR T640型紅外熱像儀實物

1.3 試驗方案

通過查閱使用單位提供的電梯運行記錄以及維護保養記錄等資料，結合電梯的自身電氣結構以及現場實際情況，確定了最終的試驗方案。

(1) 從A、B、C三個市場占有率較大的電梯型號中各選取10部結構、功率、額定載荷相同，使用時間和安裝結構接近的電梯，以這30部電梯的關鍵電氣部件作為試驗對象。

(2) 確定電氣部件的表面有無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。儀器相關參數設置如下：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部電梯空載狀態下，各自從1樓上升到6樓再下降到1樓，循環10次后，發現電路板、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類發熱較明顯的電氣部件作為溫度采集對象，再次循環運行10次后，記錄溫度采集框內的最高溫度。

(5) 數據采集存儲完后，將電氣柜外殼等復原，保證安全。最后進行試驗數據處理，分析其紅外特征并對溫升結果進行分級評價。

2 電氣部件故障紅外信號特征圖譜

其實許多電氣事故都是有規律可循的。通過紅外檢測技術研究關鍵電氣部件的溫度變化規律，建立各電氣部件相應的紅外圖譜對于判斷其運行狀態具有十分重要的意義。

2.1 電路板

隨著電路板層數的增加，其結構會越發復雜，即相鄰電子元件的間距越來越小，密度越來越大，電路板的故障率也就會有所增加。電路板可見光照片和紅外熱像圖如圖4所示，可見，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更明顯，溫度更高，電路板的電子元件分布設計會直接影響其發熱情況，故紅外熱成像技術可為優化電路設計和快速初步判斷電路故障提供新的解決方案，如短路、接觸不良等會造成溫度異常偏高，斷路則會造成溫度異常偏低。

圖4 電路板可見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呼叫板和外呼叫板顯示板的電力供給。開關電源的可見光照片和紅外熱像圖如圖5所示，開關電源中的整流模塊負責實現交流到直流的轉換，其溫升較明顯。由于電源多采用模塊化結構，模塊中的插接件溫度可采用紅外熱成像方法進行檢測，插接件發生松動時其溫度會相對偏低。

圖5 電源可見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，設備上多配有滅弧罩。接觸器的可見光照片和紅外熱像圖如圖6所示，接觸器內部發熱主要來自于內部觸頭的氧化層發熱，而內部電桿部分發熱現象較少見。觸頭氧化層相當于接觸電阻，若接觸電阻增大，導致接觸面溫度過高，會使面接觸變為點接觸，甚至出現不導通現象，表現為當接觸器內部發生熱故障時，兩端接線端子溫差迅速升高。

圖6 接觸器可見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，用于執行信號的傳遞和對主回路電氣部件的控制。繼電器可見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作程序有直接關系，其中，中間線圈溫度要高于其他部位的，通過監測各繼電器的溫度變化可發現溫升異常的繼電器。在實際應用中，多次吸合導致的觸點松動、氧化燒毀是最常見的故障，接頭觸點發生黏連、沾污、燒蝕時，觸點部位溫度會異常升高。

圖7 繼電器可見光照片和紅外熱像圖

2.5 接線端子

接線端子起連接導線的作用，其種類繁多，其中，部分母線型接線端子在安裝時對螺母的扭矩還有標準要求，過緊或過松都會影響接觸電阻，存在安全隱患。接線端子可見光照片和紅外熱像圖如圖8所示。若接線端子處導線由于振動等原因出現松動，造成接觸不良，則接觸面積會減小，導致接觸電阻增大，松動處的溫升會明顯高于其他正常連接端子處的溫升。

圖8 接線端子可見光照片和紅外熱像圖

3 檢測結果分析

3.1 各型號電梯相同電氣部件發熱對比

為研究不同型號電梯的同種電氣部件的溫升情況，筆者采集了30臺電梯運行10次溫升穩定后電路板、電源、接觸器、繼電器和接線端子的溫度數據。 A、B、C三個型號電梯不同電氣部件的溫度數據如圖9～11所示。

圖9 A型號電梯不同電氣部件溫度數據

A型號電梯各類電氣部件溫度都有較明顯的區間，電氣部件溫度為30～90 ℃，整體溫差為60 ℃，溫差相對較大。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。

圖10 B型號電梯不同電氣部件溫度數據

B型號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，且無明顯區分界限，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型號電梯不同電氣部件溫度數據

C型號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。

從高溫部件分布來看，不同型號電梯的高溫部件并不相同，A型號電梯的高溫部件為電路板和電源，B型號為繼電器和電路板，C型號為電源。從發熱情況分布來看，A、C型號電梯不同電氣部件的整體溫差最大。各型號不同電氣部件的溫度分布也各有特點，A、B型號不同電氣部件溫度分布相對比較均勻，不同電氣部件之間溫差為10～20 ℃，C型號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”，具有明顯的溫度區別。

3.2 分級和對應的維保策略

通過上述分析可知，不同型號電梯的電氣部件溫度變化復雜，個別部件溫度偏高，研究溫度異常程度需對溫升情況進行判斷和分級評價。常見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值與參考溫度進行比較，可簡單快捷地發現同類部件中溫度異常的設備，應用較為廣泛。

文章參考機電類設備游樂設施用標準GB/T 36668.3-2018 《游樂設施狀態監測與故障診斷 第3部分：紅外熱成像監測方法》中的溫差判斷方法進行嚴重程度分級。定義參考溫度為各電梯穩定運行后的平均溫度，采用各電梯溫度數據與參考溫度的差值ΔT作為評判依據，A、B、C 三個型號各10臺電梯不同電氣部件的溫差數據如表1～3所示。

表1 A型號電梯各電氣部件溫差數據 ℃

由表1可知，A型號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 ℃，個別電梯的繼電器溫度偏高。

表2 B型號電梯各電氣部件溫差數據 ℃

由表3可知，C型號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 ℃，個別電梯的繼電器和接觸器溫度都偏高。

表3 C型號電梯各電氣部件溫差數據 ℃

根據相關標準，結果等級的劃分需根據溫度分布、參考溫度和溫差進行綜合判斷。根據數據結果，試驗定義溫差10 ℃作為分級溫差，溫差在10 ℃以內為I級，說明狀態良好；超過10 ℃為II級，說明部件需要更換。各電梯電氣部件溫度分級評價結果如表4所示，B型號9#電梯的繼電器、C型號7#電梯的電源和接觸器溫升程度嚴重，評為II級，其余電梯的電氣部件均評為I級。

表4 各電梯電氣部件溫度分級評價結果

維保策略制定方面，評級為I級的電氣部件，不需要進行驗證。若連續幾次檢測結果均為Ⅰ級，可適當延長監測周期。含有II級電氣部件的電梯如B型號9#電梯和C型號7#電梯需盡快停止運行，進行相應部件的檢修。經拆解檢查發現B型號9#電梯繼電器存在燒蝕和黏連的問題，C型號電梯由于外殼部分破損，電源模塊積灰嚴重，散熱不良；接觸器也由于存在沾污問題，溫度偏高。

因此，可適當減少A型號電梯的檢測周期，提高B、C型號電梯的檢測頻次，重點檢查試驗中出現溫度異常的接觸器和繼電器。經詢問現場維保人員，實際現場維護保養中接觸器、繼電器相對更換頻率會更高一些，而電路板和接線端子較少出故障，這與試驗結果基本一致。

4 結語

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

(2) 不同類型電梯內部電氣元件的溫度分布各有特點，且較為復雜，不同電氣部件也有各自的溫度分布區間，B型號電梯不同電氣部件的溫度分布范圍比A、C型號的小。

(3) 通過采用溫差判斷法對電氣元件進行分級評價，最終判定共有2個型號電梯的3種電氣部件為II級，需進行維保處理，其余均為I級，運行狀態良好。

(4) 紅外檢測技術作為一種新興檢測技術，在工程應用中有很大潛力，但在實際工程應用中，由于現場工況復雜，紅外輻射對環境溫度和表面反射率較為敏感，測試結果會存在一定誤差。下一步可加強相關紅外圖像識別、圖像融合以及智能故障檢測方面的研究，紅外圖譜和紅外數據庫的建立是上述研究的重要基礎。同時，應進一步挖掘數學算法在綜合評判中的應用潛能。