王艷武，關(guān) 濤，馬守軍，徐定海

紅外熱像技術(shù)在船用電氣控制箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

王艷武1,2，關(guān) 濤1，馬守軍1，徐定海1

（1. 海軍裝備研究院，北京 100073；2. 92601 部隊(duì)，廣東 湛江 524005）

在對(duì)船用電氣控制箱進(jìn)行紅外跟蹤監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，選取2個(gè)典型實(shí)例進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷研究。為進(jìn)一步對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)以后監(jiān)測(cè)工作提供理論指導(dǎo)，根據(jù)接觸器具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)簡(jiǎn)化建立了一個(gè)三維導(dǎo)熱模型進(jìn)行理論仿真。綜合分析實(shí)際監(jiān)測(cè)和理論仿真數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，控制箱最高溫度受環(huán)境溫度、接觸電阻及電流的影響，而溫升和溫差與接觸電阻和電流大小有關(guān)，與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)；對(duì)船用電氣設(shè)備控制箱進(jìn)行紅外監(jiān)測(cè)時(shí)，利用同類(lèi)比較法結(jié)合絕對(duì)溫度法綜合判斷，則能避免單純依靠溫升診斷而造成的漏診。

電氣控制箱；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；紅外熱像；三維導(dǎo)熱模型

0 前言

船舶上的通斷類(lèi)電氣設(shè)備，如接觸器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等一般集中安裝在電氣控制箱中，用于對(duì)船舶電氣設(shè)備的保護(hù)及運(yùn)行狀態(tài)的控制，是船舶電力系統(tǒng)中重要的控制、保護(hù)設(shè)備之一，在船舶上應(yīng)用極為廣泛。由于船舶設(shè)備啟動(dòng)頻繁，控制箱又處于高溫、高濕、高鹽等惡劣環(huán)境下，各通斷類(lèi)器件極易發(fā)生接觸熱故障，直接影響船舶電氣設(shè)備的運(yùn)行。因此，對(duì)船舶電氣控制箱進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握控制箱內(nèi)部各器件性能狀態(tài)，直接關(guān)系到船舶電氣回路中各電氣設(shè)備運(yùn)行安全性和可靠性，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前對(duì)船舶電氣控制箱、開(kāi)關(guān)柜等設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，主要依靠檢測(cè)其局部放電[1-3]和溫度變化[4-7]來(lái)進(jìn)行診斷。相對(duì)于檢測(cè)局部放電，利用紅外技術(shù)監(jiān)測(cè)控制箱溫度變化，具有快速、靈活、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，并可在不停電、不取樣、不解體的情況下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶電力設(shè)備的大多數(shù)過(guò)熱故障，非常適合船舶出海遠(yuǎn)航過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)[8-10]。但是從目前研究來(lái)看，對(duì)控制箱開(kāi)展紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究主要集中在對(duì)中高壓開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，對(duì)于目前船舶上應(yīng)用廣泛的控制箱開(kāi)展的紅外監(jiān)測(cè)及診斷技術(shù)研究則相對(duì)較少。本文在對(duì)某船電氣控制箱進(jìn)行紅外跟蹤監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，選取典型監(jiān)測(cè)案例及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)接觸器具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)簡(jiǎn)化建立了三維仿真模型進(jìn)行理論仿真，對(duì)船舶電氣控制箱紅外監(jiān)測(cè)及診斷技術(shù)進(jìn)行研究，為進(jìn)一步提高船舶電氣控制箱紅外監(jiān)測(cè)的可靠性提供理論依據(jù)。

1 船用電氣設(shè)備控制箱紅外檢測(cè)技術(shù)

1.1 船用電氣設(shè)備紅外檢測(cè)與診斷方法

目前紅外檢測(cè)根據(jù)是否對(duì)檢測(cè)對(duì)象加熱分為主動(dòng)式和被動(dòng)式2大類(lèi)型，對(duì)船舶電氣設(shè)備的紅外檢測(cè)，一般采用被動(dòng)檢測(cè)。利用檢測(cè)結(jié)果，對(duì)設(shè)備狀態(tài)的判斷主要有表面絕對(duì)溫度判斷法、相對(duì)溫差法、同類(lèi)(同相)比較法、熱譜圖分析法和檔案分析法[11]。從工程實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，表面絕對(duì)溫度法、同類(lèi)比較法和檔案分析法應(yīng)用相對(duì)較多。表面絕對(duì)溫度法根據(jù)測(cè)得的表面溫度，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)判斷。同類(lèi)比較法是將同類(lèi)被檢設(shè)備進(jìn)行比較得出結(jié)論。具體做法是將同類(lèi)設(shè)備的對(duì)應(yīng)部位溫度值進(jìn)行比較，這樣更容易判斷出設(shè)備是否正常。檔案分析法是將測(cè)量結(jié)果與設(shè)備的紅外診斷技術(shù)檔案相比較進(jìn)行分析的診斷方法，也稱(chēng)為歷史數(shù)據(jù)對(duì)比法。相對(duì)溫差法和熱譜圖法應(yīng)用相對(duì)較少。但是隨著熱像儀的普及應(yīng)用，熱譜圖法隨著紅外圖像增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展[12]，在工程中應(yīng)用也逐步增多。

1.2 船用電氣設(shè)備紅外檢測(cè)影響因素

紅外檢測(cè)實(shí)質(zhì)是通過(guò)紅外熱像儀接收物體表面發(fā)出的紅外輻射后經(jīng)電子系統(tǒng)處理，得到與物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖，從而準(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況。因此在利用紅外測(cè)溫設(shè)備對(duì)船舶電氣設(shè)備進(jìn)行紅外檢測(cè)時(shí)，會(huì)受到一些外部環(huán)境因素和儀器設(shè)備自身性能的影響導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，在實(shí)際進(jìn)行船舶電氣設(shè)備紅外檢測(cè)時(shí)，可以從如下幾個(gè)主要方面減少和降低測(cè)量誤差：

1）空氣吸收紅外線的程度隨空氣濕度而變化，被測(cè)物體的距離越遠(yuǎn)，大氣透射對(duì)溫度測(cè)量的影響就越大。由于船舶電氣設(shè)備工作在高濕環(huán)境下，因此在測(cè)量過(guò)程中要注意在儀器標(biāo)定測(cè)量距離內(nèi)并盡量靠近被測(cè)設(shè)備，如儀器帶有空氣衰減補(bǔ)償功能，則可以進(jìn)行衰減補(bǔ)償，減少測(cè)量誤差。

2）被測(cè)物體表面的光潔程度直接關(guān)系到物體表面的紅外發(fā)射率。如果測(cè)量設(shè)備發(fā)射率設(shè)置不正確，則直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此在測(cè)量過(guò)程中一定要根據(jù)物體表面實(shí)際情況設(shè)定準(zhǔn)確的發(fā)射率。

3）由于船舶空間狹小，設(shè)備安裝緊湊，因此在進(jìn)行紅外檢測(cè)時(shí)，被測(cè)設(shè)備很容易受附近高溫物體的影響，特別是表面光滑、發(fā)生率較低的被測(cè)設(shè)備，測(cè)量誤差就更大。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，可以采取遮蔽或變換角度的方法，降低周?chē)邷卦O(shè)備造成的測(cè)量誤差。

2 船用電氣控制箱監(jiān)測(cè)實(shí)例分析

在某船遠(yuǎn)海航行過(guò)程中，對(duì)該船電氣設(shè)備控制箱進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。在離開(kāi)碼頭不久，即發(fā)現(xiàn)有一風(fēng)機(jī)控制箱溫度異常，如圖1所示，8月22日測(cè)量發(fā)現(xiàn)接觸器中間相觸點(diǎn)溫度明顯高于左右兩相觸點(diǎn)溫度，最高溫達(dá)95.2℃，當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度38℃左右，建議就跟蹤監(jiān)測(cè)。圖2所示為8月27日環(huán)境溫度接近41℃時(shí)發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)溫度接近100℃，上升到98.3℃，立即停機(jī)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)接觸器外部底部材料變黃老化；測(cè)量三相電阻，兩邊相為0.4W，中間相達(dá)1.2W，中間相已經(jīng)老化，接觸電阻增加。比較前后兩次溫度和溫升，發(fā)現(xiàn)絕對(duì)溫度升高了3.1℃，但是環(huán)境溫度也升高3℃，所以對(duì)于控制箱來(lái)說(shuō)，相對(duì)溫升變化不大，在57.3℃左右。考慮到該船下一步航行海區(qū)環(huán)境溫度可能進(jìn)一步升高，控制箱接觸器局部溫度會(huì)更高，可能引發(fā)設(shè)備更大故障，決定直接更換接觸器。更換接觸器后，該控制箱溫度直到任務(wù)完成都沒(méi)有超過(guò)92℃，保證了設(shè)備正?？煽窟\(yùn)行。

圖1 8月22日風(fēng)機(jī)控制箱紅外熱圖

圖2 8月27日風(fēng)機(jī)控制箱紅外熱圖

從上述實(shí)例的處理過(guò)程來(lái)看，在對(duì)船舶電氣設(shè)備控制箱進(jìn)行紅外監(jiān)測(cè)時(shí)，單純利用溫升進(jìn)行狀態(tài)判斷，可能造成漏診。利用同類(lèi)比較法結(jié)合絕對(duì)溫度法綜合判斷，則能避免因溫升造成的漏診。

圖3為監(jiān)測(cè)所得的海水冷卻水泵控制箱溫度變化趨勢(shì)圖。8月10日測(cè)量溫度正常。到8月20日環(huán)境溫度上升到38.1℃時(shí)，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)控制箱局部最高溫度達(dá)89.7℃，比之前上升26℃，溫升也達(dá)51.6℃。隨后跟蹤監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)控制箱局部最高溫緩慢上升，到9月10日最高溫度達(dá)100.8℃，但溫升變化不大。由于任務(wù)需要，沒(méi)有進(jìn)行檢修。到9月20日環(huán)境溫度降低后，最高溫度也降低到91.8℃，溫升仍然緩慢上升。到10月27日最高溫到105.9℃，溫升67.6℃，建議停機(jī)，檢修。10月29日檢查發(fā)現(xiàn)繼電器接觸點(diǎn)明顯劣化，存?zhèn)}油污，立即進(jìn)行更換。隨后在11月15日檢測(cè)發(fā)現(xiàn)局部溫度最高仍然有103.9℃，馬上停機(jī)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)安裝時(shí)接頭沒(méi)有擰緊，緊固后溫度降低。在11月20日環(huán)境溫度有所降低的情況下，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)溫升、最高溫度均大幅降低。但是隨后最高溫度又上升，并在100℃左右波動(dòng)。在日常工作中加強(qiáng)了跟蹤監(jiān)測(cè)密度。到2014年1月17日，溫升達(dá)到最高74℃，最高溫109.1℃，如圖4所示，停機(jī)檢修。由于是重復(fù)性故障，此次對(duì)各相電流進(jìn)行測(cè)量，分別是33.1A、34.9A和33.1A，對(duì)于是否是因?yàn)殡娏鞑痪鶆蛟斐傻臏囟瘸瑯?biāo)還是其他原因引發(fā)的，還需要進(jìn)一步分析。后來(lái)利用電機(jī)繞組檢測(cè)儀對(duì)該水泵電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，電機(jī)性能良好，說(shuō)明還是接觸器本身出現(xiàn)問(wèn)題。由于任務(wù)即將結(jié)束，環(huán)境溫度又有所降低，單泵運(yùn)行能滿足要求，采取停止使用該水泵措施，待靠碼頭進(jìn)行檢修。

圖3 水泵控制箱溫度變化曲線

圖4 冷卻水泵控制箱紅外熱圖

通過(guò)對(duì)冷卻水泵控制箱的跟蹤監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在對(duì)船舶電氣控制箱開(kāi)展紅外監(jiān)測(cè)時(shí)，控制箱絕對(duì)溫度會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而發(fā)生變化，但是溫升變化趨勢(shì)則與環(huán)境溫度變化沒(méi)有聯(lián)系。因此對(duì)船舶電氣控制箱進(jìn)行紅外監(jiān)測(cè)及診斷時(shí)，利用絕對(duì)溫度進(jìn)行診斷，要考慮環(huán)境溫度變化；而溫升的變化，則與設(shè)備狀態(tài)直接相關(guān)。

3 接觸熱故障理論仿真分析

為了進(jìn)一步了解設(shè)備狀態(tài)與溫度之間關(guān)系以及環(huán)境溫度對(duì)設(shè)備溫度的影響，指導(dǎo)電氣設(shè)備控制箱的紅外監(jiān)測(cè)及診斷，針對(duì)電氣設(shè)備控制箱接觸熱故障產(chǎn)生的機(jī)理，建立簡(jiǎn)化三維有限元模型進(jìn)行理論仿真分析。

3.1 接觸熱故障三維導(dǎo)熱模型建立

理想情況下通斷類(lèi)設(shè)備接板之間應(yīng)無(wú)電阻或電阻極小，但是由于船舶高溫、高濕、高鹽以及振動(dòng)的影響，接觸面會(huì)出現(xiàn)氧化層或腐蝕，產(chǎn)生接觸電阻，如圖5所示。當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)工作時(shí)，在電流作用下接觸電阻引發(fā)局部溫度升高并通過(guò)觸條向外散熱。紅外監(jiān)測(cè)的是設(shè)備外表面溫度，因此以外動(dòng)觸條為對(duì)象建立三維導(dǎo)熱模型，在建立模型前，根據(jù)其工作原理，作如下假設(shè)：

1）監(jiān)測(cè)過(guò)程中，設(shè)備、環(huán)境處于溫度穩(wěn)態(tài)；

圖5 模擬對(duì)象示意圖

2）觸條各向同性，在研究溫度變化范圍內(nèi)，物理化學(xué)性能隨溫度的變化忽略；

3）觸條側(cè)面厚度較小，按絕熱面考慮，其他的只考慮導(dǎo)熱和自然對(duì)流情況。

根據(jù)上述假設(shè)，建立三維傳熱數(shù)學(xué)模型[12]：

式中：、、、分別為觸條各個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)，這里各向同性，3個(gè)值相同；v為觸條自身電阻的發(fā)熱率；為表面對(duì)流換熱系數(shù)；?為計(jì)算區(qū)域邊界；w為觸條表面溫度；0為周?chē)諝鉁囟取?/p>

表面對(duì)流換熱系數(shù)利用垂直平板自然對(duì)流計(jì)算：

＝(rr)1/4(2)

式中：為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；r為普朗特?cái)?shù)；r為格拉曉夫數(shù)；均為無(wú)量綱數(shù)。

觸條單位體積發(fā)熱率：

v＝2/(3)

式中：為觸條體積，m3；為電流，A；為觸條電阻，W。

對(duì)于接觸電阻產(chǎn)生的熱量以熱流形式加載到接觸面。

3.2 接觸熱故障三維溫度場(chǎng)仿真研究

根據(jù)建立的三維導(dǎo)熱模型，利用有限元法進(jìn)行計(jì)算，采用Solid70（即8節(jié)點(diǎn)6面體）單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖6所示。觸條為銅材料，密度＝8840kg/m3，比熱容＝377J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)＝109W/(m·K)，電阻率20＝1.7×10－8W×m。分別取環(huán)境溫度為25℃、30℃、35℃、40℃和45℃，接觸電阻為0.001W，電流為34A進(jìn)行仿真研究。圖7是環(huán)境溫度為35℃時(shí)仿真溫度云圖。其他環(huán)境溫度下的計(jì)算結(jié)果顯示溫度場(chǎng)分布規(guī)律基本一致，即環(huán)境溫度發(fā)生變化，對(duì)溫度場(chǎng)的分布規(guī)律沒(méi)有影響，所帶來(lái)的影響僅僅在于溫度數(shù)值上的變化。

圖6 三維有限元模型

圖7 T0＝35℃仿真熱圖

圖8為不同環(huán)境溫度下仿真計(jì)算的最高溫度、最大溫升和最大溫差變化曲線。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，當(dāng)接觸電阻和工作電流不發(fā)生變化時(shí)，觸條最高溫度隨環(huán)境變化而變化，而觸條溫升和溫差則不變，與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)。

圖8 觸條溫度隨環(huán)境溫度變化曲線

圖9為環(huán)境溫度35℃，電流34A，接觸電阻分別為10－5Ω、10－4Ω、10－3Ω、2×10－3Ω、5×10－3Ω、10－2Ω時(shí)模擬對(duì)象溫度變化曲線。計(jì)算結(jié)果顯示最高溫度與接觸電阻稱(chēng)線性關(guān)系，隨著接觸電阻的增加，最高溫度成線性上升。溫升變化規(guī)律與最高溫度變化規(guī)律一致，但是觸條溫差變化得要緩慢一些，即隨著接觸電阻的增加，溫差增加速度要小于最高溫度和溫升，原因是銅導(dǎo)體具有良好的導(dǎo)熱性能，而計(jì)算選擇導(dǎo)條長(zhǎng)度比較短，所以整體溫差變化較緩慢。仿真計(jì)算結(jié)果說(shuō)明在環(huán)境溫度和電流不變，測(cè)量溫度越高，接觸熱故障越嚴(yán)重。

圖10為環(huán)境溫度35℃，接觸電阻為0.001W時(shí)，工作電流分別為28A、31A、34A、37A、40A時(shí)模擬對(duì)象溫度變化曲線。計(jì)算結(jié)果顯示，最高溫度和溫升隨著電流增加而增加，變化規(guī)律基本一致；觸條整體溫差則變化緩慢，但總體趨勢(shì)上仍然是隨電流的增加而增加。從仿真結(jié)果可以如果三相電流不平衡，則直觀表現(xiàn)溫三相溫度分布上的不均勻，因此在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，如果三相接線溫度不均勻，首先應(yīng)該檢查電流是否平衡，然后在進(jìn)一步判斷是否是接觸熱故障。

圖9 觸條溫度隨接觸電阻變化曲線

圖10 觸條溫度隨電流變化曲線

對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于船舶通斷類(lèi)電氣設(shè)備，隨著環(huán)境溫度的升高，設(shè)備溫度是升高的，但是溫升和溫差不受環(huán)境溫度影響，只與觸點(diǎn)接觸電阻和流通電流大小有關(guān)；接觸電阻越大，接觸熱故障越嚴(yán)重，局部溫度越高，溫升越大；由于同一金屬觸條導(dǎo)熱性能良好，溫差變化相對(duì)緩慢，但是對(duì)于三相設(shè)備來(lái)說(shuō)，可以利用相間比較法進(jìn)行判斷，如果監(jiān)測(cè)三相溫度分布不均勻，應(yīng)首先檢查各相電流是否均勻，電流是否超過(guò)額定值，然后進(jìn)行接觸熱故障的判斷。

4 結(jié)論

本文在對(duì)某船電氣設(shè)備控制箱開(kāi)展跟蹤監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，選取了2組典型的電氣控制箱監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。從實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，控制箱絕對(duì)溫度會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而發(fā)生變化，但是溫升變化趨勢(shì)則與環(huán)境溫度變化沒(méi)有聯(lián)系，理論仿真結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)論一致。由于最高溫度受環(huán)境溫度、接觸電阻及電流的影響，而溫升和溫差與接觸電阻和電流大小有關(guān)，因此在對(duì)船舶電氣設(shè)備控制箱進(jìn)行紅外監(jiān)測(cè)時(shí)，利用同類(lèi)比較法結(jié)合絕對(duì)溫度法綜合判斷，則能避免單純依靠溫升診斷而造成的漏診。為了準(zhǔn)確判斷熱故障，在溫度分布不均勻時(shí)，首先應(yīng)對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)，排除電流因素后才能進(jìn)行接觸熱故障的判斷。

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Study on the Application of Infrared Thermography to Conditions Monitor of Marine Electric Control Cabinet

WANG Yan-wu1,2，GUAN Tao1，MA Shou-jun1，XU Ding-hai1

(1.Naval Academy of Armament, Beijing 100073, China；2.The 92601 Unit, Zhanjiang 524005, China)

A study on the application of infrared thermography to conditions monitor of marine electric control cabinet has been done based on two cases of infrared monitoring. And a three-dimensional mathematical heat transfer model has been built according to the structure of contactor in order to provide some guidance for the infrared diagnosis and verify the results of monitoring. The results of simulation and monitoring show that the highest temperature of electric control cabinet is affected obviously by the condition temperature, contact resistance and load current; And the condition temperature has little influence on the temperature rise and temperature difference, which are affected by contact resistance and load current only. It’s easier to estimate the working condition of marine electric control cabinet by combining comparative method and absolute temperature method at the same time, and the missed diagnosis which caused by the temperature rise method can be avoided when the electric control cabinet is monitored .

electric control cabinet，conditions monitor，infrared thermography，3D heat transfer model

TN219

A

1001-8891(2015)09-0783-05

2015-03-22；

2015-04-29.

王艷武（1977-），男，湖北漢川人，博士，工程師，主要從事傳熱傳質(zhì)及紅外無(wú)損檢測(cè)方面的研究。E-mail：790817041@qq.com。