基于表面温度的电机红外无损检测研究＊

2012-03-27杨文杰杨彦明

舰船电子工程 2012年12期

杨文杰杨彦明

（91630部队广州 510320）

1 引言

电机作为海军装备中的重要组成部分，在保证海军行使新阶段历史使命任务的顺利进行中起着重要的作用，保障电机的安全经济运行，电机运行状态的在线监测、故障诊断和及时维修是非常重要而又紧迫的任务，具有重要的意义，因此，需研究新的检测技术，以提高电机设备安全运行水平。

随着现代红外技术的不断成熟和完善，可在设备不停电、不取样、不解体的情况下，利用红外检测技术在线监测电机设备的运行状态信息；能快速实时在线监测和诊断电机设备的大多数故障，且操作安全、方便。红外检测技术是及早发现设备外部过热故障和内部绝缘故障的重要技术手段。

2 红外诊断技术的基本原理、技术特点和分析判断方法

2.1 红外诊断技术的基本原理

众所周知，人体病变往往引起体温升高。在电机设备中，由于出现故障而导致设备运行的温度状态发生异常，电机设备的绝缘部分出现性能劣化或绝缘故障，将会引起介质损耗增大，在运行电压下发热。由于磁回路漏磁、磁饱和或铁芯片间绝缘局部短路造成铁损增大，引起局部环流或涡流发热。总之，电机设备故障往往都以设备相关部位的温度或热状态变化为征兆表现出来，因此通过监测电气设备的这种状态变化，可以对设备故障做出诊断。

世间万物都会发射人眼看不见的红外辐射能量，而且物体的温度越高，发射的红外辐射能量越强。因此，既然电机设备故障绝大多数都以局部或整体过热或温度分布异常为征兆；那么，只要运用适当的红外仪器检测电机设备运行中发射的红外辐射能量，就可以获得电机设备表面的温度分布状态及其包含的设备运行状态信息，分析处理红外监测到的上述设备运行状态信息，就能够对设备中潜伏的故障或事故隐患属性、具体位置和严重程度做出定量的判断。

2.2 红外诊断的技术特点

与传统的预防性试验和离线诊断相比，红外诊断方法具有以下的技术特点。

1）不接触、不停运、不取样、不解体。

2）可以及时发现运行中设备的异常征兆，避免发生事故。

3）可实现大面积快速扫描成像，状态显示快捷、灵敏、形象、直观，检测效率高，劳动强度低。

4）既可定性反映设备的故障存在与否，又能定量地反映故障严重程度。

5）可以适当延长设备试周期，逐步达到代替预试、减少停电、减少误操作等不安全因素，节省大量人力、物力和时间。

6）对老旧或存在隐患的设备，可以随时跟踪监视其运行状况，最大限度地利用其剩余寿命。

2.3 红外诊断技术的分析判断方法

2.3.1 表面温度判断法

根据测得的设备表面温度值，对照GB763的有关规定，凡是温度（或温升），超过标准者可根据设备温度超标的程度、设备负荷率的大小、设备的重要性及设备承受机械应力的大小来确定设备缺陷的性质，对在负荷率下温升超标或承受机械压力较大的设备要从严定性。

2.3.2 电气设备的相对温差判断法

在环境温度低、负荷电流小的情况下，设备温升较小，此时的温升值不能说明没有缺陷或故障隐患。大量现场实际表明，往往在负荷增大、环境温度上升后，会引发设备事故。因此，对于电流致热型设备，为判断设备低负荷或低环境温度时设备存在的缺陷或故障，往往采用相对温差法。

相对温差的定义：两个对应测点之间的温差与其中较热点的温升之比的百分数。相对温升δt可用下式求出：

式中：τ1和T1为发热点的温升和温度；τ2和T2为正常相对应点的温升和温度；T0为环境参照体的温度。

·温升：用同一检测仪器相继测得的被测物表面温度和环境温度参照体表面温度差；

·温差：用同一检测仪器相继测得的不同被测物或同一被测物不同部位之间的温差；

·环境温度参照体：用来采集环境温度的物体叫环境参照体，它可能不具有当时的真实环境温度，但它具有被测物相似的物理属性，并与被测物处在相似的环境之中。

2.3.3 同类比较法

在同一电气回路中，当三相电流对称和三相（或两相）设备相同时，比较三相（或两相）电流致热型设备对应部位的温升值，可判断设备是否正常。若三相设备同时出现异常，可与同回路的同类设备比较。当三相负荷电流不对称时，应考虑负荷电流的影响。

·不同相之间横向比较：在相同环境温度、负荷及测试条件下，相间差别不应太大，其温度上升通常是均衡的，不能简单地对某一相的温度变化作为设备异常的诊断，要同时检测不同相相同部位的温度分布，比较相同部位温度分布异常之处，在设备温度不是异常高的情况下，只要不同相温度平衡，则判定设备可以正常运行。如果某一相或两相与其它相相比温差较大，即使温度值不是很高，也可以判定设备存在热隐患。一旦条件恶化，电阻加大，温度会更高，而温度升高又导致电阻加大，形成恶性循环，造成设备出现严重故障。如果电气接点为电气设备出现热故障部分，则应考虑内部存在热故障的可能性。

·相同部位的纵向比较法：在同一相中流过的电流是相同，其温度与电流的平方近似成正比。正常时其接头温度差异不可能太大。如开关、接触器接线端等，其上下温差应该较小。

2.3.4 热谱图分析法

根据同类设备在正常状态和异常状态下的热谱图的差异来判断设备是否正常。

2.3.5 档案分析法

分析同一设备在不同时期的检测数据（例如温升、相对温差和热谱图），找出设备致热参数的变化趋势和变化速率，以判断设备是否正常。

运行中的设备温度和运行负荷有着直接的关系。电流越大，设备的温度会越高。若发现温度异常，应根据当时运行负荷的大小判定设备问题的严重程度。如果温度异常处的相对温升不高，且其运行负荷很小，更应引起足够的重视。一旦负荷增加，易导致事故的发生。在进行测试工作时，要参照当时的运行负荷，并推算出最大负荷的运行温度。

3 电气设备的发热来源

设备在工作的时候，由于电流、电压的作用，将产生以下三种主要来源的发热。

1）电阻损耗发热

按焦耳定律，当电流通过电阻时将产生热能，这是电流效应引起的发热，大量表现在载流电气设备中。

2）介质损耗发热

绝缘介质由于交变电场的作用，使介质极化方向不断改变而消耗电能并引起发热。

3）铁损致热

当在励磁回路上施加工作电压时，由于铁芯的磁滞、涡流而产生电能损耗并引起发热。

4 电机故障的红外无损检测方法

电机的部件较多，发生故障的部位及原因也较多，通过红外热像仪可发现以下问题。

4.1 电机故障的判断

1）电气接线（电气接线盒外壳）：

（1）问题点为接线端子过热，可能原因为连接松脱、接线端子氧化腐蚀、连接过紧，建议措施是重新连接或更换接线端子。

（2）问题点为电缆过热，可能原因为不平衡电压或过载，建议措施是使用万用表、钳表或电能质量分析仪予以确认具体原因。

2）电机外壳温度分布：

（1）问题点为外壳部分区域温度过高，可能原因为内部铁心、绕组因绝缘层老化或损坏导致短路，建议措施是拆卸外壳进行检修。

（2）问题点为外壳整体温度过高，可能原因为空气流动不充分导致散热故障，建议措施是如果停机时间短，则只对电机空气进口格栅进行清洗，并在下一次有计划的停机检修中，安排一次彻底的电机清洗。

3）与电机连接的轴承、连轴器：问题点为轴承、连轴器温度过高，可能原因为润滑不良或轴未对中，建议措施是检查润滑情况或对轴进行调整。

4.2 电机内部温度检测

每台电机在正常运转时，其内部温度与电机外壳温度是不一样的。所有电机铭牌上都应列出标准运转温度。虽然红外成像仪无法看到电机内部，但外部表面温度足以指示出内部温度高低。随着电机内部温度升高，其外表面的温度也升高。

要检测一个F级电机的温度，其最高温度限制为135℃（外壳上的铭牌中有标示），可用一个接触式温度探头（如K型热电偶、Pt100铂电阻等）安装在电机内部（注意绝缘），同时使用红外热像仪检测对应外壳的温度，热电偶得到的温度与热像仪得到的温度差即为修正值，通过试验得知F级电机内部与外壳的温差约为30～40℃（内部温度高），故只要该级电机外壳温度控制在90℃以下即可保证正常运行。

需注意的是不同级别的电机内部空间和温度传递均不一样，若检测电机的级别改变，则要按上述测试方式得到新的修正值。

对于没有明确温度限定的电机部件来说，NETA（国际电气测试协会）提供的指南规定，当相似负载下相似部件的温度差超过15℃时，应立即进行维修。该组织还建议，当部件与环境温度的温度差超过40℃时，也要立即进行维修。