船舶与海上设施用电工电子设备温升试验

船舶与海上设施用电工电子设备温升试验技术研究

温升试验是评估电工电子设备在特定工作条件下，其各部件的温度升高是否超出允许限值的关键测试。对于船舶与海上设施而言，设备运行环境恶劣（如高温、高湿、盐雾腐蚀），且空间封闭、散热条件苛刻，因此温升性能直接关系到设备的可靠性、寿命及航行安全。本试验旨在验证设备在额定工作制下的热稳定性，防止因绝缘材料老化、元器件性能劣化甚至热击穿而引发故障。

一、 检测项目与方法原理

温升试验的核心是通过测量设备在稳定工作状态下的关键部件温度，并与标准规定的限值进行比较。主要检测项目与方法如下：

1. 绕组温升测定（电阻法）

   • 原理： 利用金属导体的电阻随温度升高而增大的特性。通过测量绕组在冷态（试验前）和热态（试验结束后快速测量）的直流电阻，根据公式计算出绕组的平均温升。

   • 公式： Δt = (R_h / R_c - 1) / (1/α + t_c - t_r) + t_h - t_c

     • Δt: 绕组温升 (K)

     • R_h: 热态电阻 (Ω)

     • R_c: 冷态电阻 (Ω)

     • α: 导体材料在0℃时的电阻温度系数（铜为1/234.5，铝为1/245）

     • t_c: 测量冷态电阻时的环境温度 (℃)

     • t_h: 测量热态电阻时的环境温度 (℃)

     • t_r: 基准环境温度，通常为40℃或按标准规定。

   • 应用： 适用于电机、变压器、电抗器等带有绕组的设备。该方法测得的是整个绕组的平均温度。

2. 表面及触点温升测定（热电偶法/热电阻法）

   • 原理： 基于塞贝克效应。将两种不同材质的导体连接成闭合回路，当两个连接点存在温差时，回路中会产生热电势。通过测量热电势即可确定测点温度。

   • 实施： 将热电偶的测量端牢固附着于待测点（如外壳表面、开关触点、半导体器件散热器、母线连接处），参考端置于冰点或已知温度的恒温环境中。通过数据采集仪记录各点温度。

   • 应用： 适用于测量非绕组类部件，如外壳、接线端子、半导体元件、熔断器等。该方法可实现多点、实时温度监测。

3. 环境温度监测

   • 原理： 在试验期间，需在设备周围布置多个温度传感器，以监测并记录环境温度的变化。通常取几个测量点的平均值作为试验环境温度。

   • 方法： 使用经校准的温度传感器（如铂电阻、热电偶），置于不受设备热辐射影响的位置，距离设备约1~2米，高度为设备高度的一半。

   • 应用： 为绕组电阻法等计算提供准确的环境温度参数。

4. 红外热成像辅助分析

   • 原理： 利用红外探测器接收物体表面发射的红外辐射，并将其转换为温度分布图像。

   • 应用： 作为一种非接触式的辅助手段，用于快速扫描设备整体温度分布，发现局部过热点，为热电偶的精确布点提供指导。但其测量精度受表面发射率、距离、环境辐射等因素影响，通常不作为仲裁依据。

试验过程简述： 设备在规定的试验条件（如额定电压、额定频率、最大负载电流）下连续运行，直至其各部位温度达到稳定（通常为每小时温升变化不超过1℃）。在切断电源的瞬间，迅速测量热态电阻，并记录整个过程中的环境温度和各点表面温度。

二、 检测范围

船舶与海上设施用电工电子设备温升试验覆盖广泛，主要涉及：

• 电力推进系统： 推进电机、变频驱动器、主推进变压器。

• 配电系统： 主配电板、应急配电板、区域配电箱、交流/直流断路器、接触器、熔断器、母线槽。

• 控制系统与自动化： 电机起动器、控制继电器、PLC柜、驾驶台控制设备、机舱监控系统。

• 照明与信号设备： 舱室照明灯具、探照灯、信号灯、航行灯。

• 通信与导航设备： 雷达、GPS、VHF无线电、卫星通信设备。

• 船用变压器与电抗器： 配电变压器、照明变压器、滤波电抗器。

• 船用电缆： 关键路径电缆接头和终端的温升评估。

三、 检测标准

温升试验需严格遵循国内外相关标准规范，确保测试的权威性和可比性。

• 国际标准：

  • IEC 60092系列： 《船舶电气装置》是船用电工设备的权威标准。如IEC 60092-301 规定了设备的一般要求和试验方法，其中详细说明了温升限值和试验程序。

  • IEC 60533： 《船舶电气和电子设备的电磁兼容性》中也可能涉及与热性能相关的测试条件。

  • IEC 60947系列： 《低压开关设备和控制设备》，适用于船用断路器、接触器等。

• 国内标准：

  • GB/T 7060系列： 等同或修改采用IEC 60092系列的国家标准，如GB/T 7060-2016《船用旋转电机 基本技术要求》。

  • GB/T 14048系列： 《低压开关设备和控制设备》，等同采用IEC 60947系列。

  • CB/T 系列船舶行业标准： 如CB/T 4392《船用控制继电器》等，对特定设备提出了温升要求。

  • CCS《钢质海船入级规范》： 中国船级社的规范中对电气设备的温升有明确的规定，是船舶入级检验的重要依据。

这些标准通常规定了不同绝缘等级（如A、E、B、F、H级）材料的温升限值、试验条件、环境温度基准（通常为45℃或50℃）以及测量方法。

四、 检测仪器

进行温升试验需要一套精密的测量和数据采集系统。

1. 直流电阻测试仪：

   • 功能： 用于精确测量绕组的冷态和热态直流电阻。要求具有高精度（如0.2级）、高分辨率，并能快速输出稳定读数，以捕捉断电瞬间的电阻值。通常采用四线制测量法以消除引线电阻影响。

2. 温度数据采集系统：

   • 功能： 用于同步采集多路热电偶或热电阻信号。系统应具备通道扩展能力、高精度（如±0.1% rdg + 0.5℃）、高采样速率，并配备相应的信号调理模块和数据分析软件，实现温度的实时显示、记录和后期处理。

3. 热电偶与热电阻：

   • 功能： 作为温度传感器。热电偶（如T型、K型）适用于大多数表面测温；铂热电阻（Pt100）则用于需要更高精度和稳定性的环境温度测量。所有传感器均需定期校准。

4. 负载柜/可调负载：

   • 功能： 为被测设备提供可调节的模拟负载，使其能够工作在额定或指定的功率下。可以是电阻负载、电感负载或回馈式电子负载。

5. 电源供应系统：

   • 功能： 提供稳定、纯净的额定电压和频率的电源，确保试验条件的一致性。通常使用稳压稳频电源。

6. 红外热像仪：

   • 功能： 用于快速扫描和定位设备整体的温度分布，发现异常过热点。应具备适当的温度测量范围和精度，以及良好的空间分辨率。

7. 环境温湿度监测仪：

   • 功能： 独立监测并记录试验舱内的环境温度和相对湿度。

结论

船舶与海上设施用电工电子设备的温升试验是一项基础且至关重要的型式试验和例行检验项目。通过采用电阻法、热电偶法等科学的测量手段，依据严格的国际、国内及船级社标准，并借助高精度的检测仪器，可以全面、准确地评估设备的热性能，为设备的设计改进、质量控制和安全运行提供坚实的数据支撑，最终保障船舶与海上设施的生命财产安全。