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过限定值的重要检测项目。对于船舶与海上设施而言，设备运行环境恶劣，空间封闭，散热条件苛刻，温升控制直接关系到设备的可靠性、寿命及航行安全。过高的温升会导致绝缘材料老化、元器件性能衰退甚至引发火灾。因此，温升试验是此类设备型式试验和认证的关键环节。

一、 检测项目与方法原理

温升试验的核心是测量设备在稳定工作状态下的各关键部位温度与环境温度的差值。主要检测项目包括：线圈（绕组）温升、开关触点温升、半导体器件结温（或壳温）、外壳表面温升、绝缘材料接触点温升以及电缆接头温升等。

检测方法主要基于以下几种原理：

1. 电阻法

   • 原理：利用金属导体的电阻值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（试验后，迅速测量）的直流电阻，根据公式计算出绕组的平均温升。

   • 公式：Δθ = (R_h / R_c - 1) * (235 + θ_c) （对于铜绕组）

     • Δθ：绕组温升 (K)

     • R_h：热态电阻 (Ω)

     • R_c：冷态电阻 (Ω)

     • θ_c：冷态环境温度 (℃)

   • 适用对象：电机、变压器、电抗器等设备的绕组。此法测得的是整个绕组的平均温升。

2. 热电偶法

   • 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，当两个接点存在温差时，回路中会产生热电动势。通过测量热电动势即可确定测量点（热端）相对于参考点（冷端）的温度。

   • 实施：将热电偶的测量端牢固粘贴（如焊接、粘接）于待测点表面（如半导体器件外壳、开关触点附近、绝缘表面、母线连接处等），数据采集仪记录整个试验过程的温度变化。

   • 适用对象：几乎所有固体表面的温度测量，特别是局部热点和无法用电阻法测量的部位。响应速度快，可实现实时监测。

3. 红外热成像法

   • 原理：所有高于绝对零度的物体都会向外辐射红外线。红外热像仪接收物体表面的红外辐射，并将其转换为代表温度分布的彩色或灰度图像。

   • 实施：在设备达到热稳定后，使用红外热像仪对设备整体或特定区域进行非接触式扫描，可直观、快速地发现温度异常点。

   • 适用对象：快速筛查大面积区域的温度分布，检查接触不良、散热异常等故障。通常作为辅助和定性分析手段，对于精确测量，仍需用热电偶等进行标定和确认。

4. 光纤测温法

   • 原理：利用某些荧光材料或半导体材料的光学特性随温度变化的原理，或基于光纤本身的光时域反射技术进行测温。

   • 实施：将光纤传感器布设在强电磁干扰、高电压或空间狭小的测量点。

   • 适用对象：高压开关柜、大型发电机绕组、变压器油温等存在强电磁干扰或需要分布式测量的特殊场合。

二、 检测范围与应用领域

船舶与海上设施用电工电子设备温升试验覆盖广泛，主要应用领域包括：

1. 电力推进系统：推进电机、变频驱动器、推进变压器等。这些设备功率巨大，温升是核心考核指标。

2. 配电系统：主配电板、应急配电板、区域配电箱、断路器、接触器、熔断器等。确保在满负荷运行时，导电部件和开关元件的温升不超出标准限值。

3. 控制系统与自动化：驾驶台控制设备、机舱自动化控制柜、PLC、伺服驱动器等。高温可能引发逻辑错误或控制失灵。

4. 航行与通信设备：雷达、GPS、无线电设备、陀螺罗经等。温升影响其信号稳定性和精度。

5. 船用电缆：检验电缆及其终端接头在额定电流下的长期工作温升，防止绝缘层过热老化。

6. 海上平台设施：钻井设备的电控系统、油气处理单元的防爆电气设备、生活模块的配电设备等，需考虑高温、高湿及防爆要求下的温升限制。

三、 检测标准与规范

温升试验需严格遵循国内外相关标准，确保检测结果的权威性和可比性。

• 国际标准：

  • IEC 60092系列：《船舶电气装置》是船舶电气设备的权威标准。其中IEC 60092-301规定了电气设备的一般要求，包括温升限值；后续分标准针对电机、电缆、配电板等具体设备给出了详细的试验方法。

  • IEC 60533：《船舶电气和电子设备的电磁兼容性》中，也涉及设备在正常工作发热状态下的性能评估。

  • 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，其温升试验方法被广泛采纳。

• 国内标准：

  • GB/T 船用标准：绝大部分等效或修改采用IEC标准，如GB/T 7061系列（船用低压成套开关设备和控制设备）等。

  • 中国船级社（CCS）规范：《钢质海船入级规范》及其相关指南中，对各类电气设备的温升试验和限值有明确的规定，是产品入级检验的直接依据。

  • 国家标准：如GB 7251.1（低压成套开关设备）等基础性标准，其原理和方法也常被参考。

标准中通常详细规定了试验条件（如环境温度、安装方式、试验电压/电流）、试验持续时间（直至达到热稳定）、测量方法以及针对不同绝缘等级（如A、E、B、F、H级）和材料类型的温升限值。

四、 检测仪器与设备

进行温升试验需要一套完整的检测系统，主要包括：

1. 负载装置：

   • 功能：为被试设备提供可调的、稳定的额定负载（电流或功率），模拟其实际工作状态。可以是电阻负载柜、电抗负载柜或回馈式电子负载。

2. 温度测量仪器：

   • 直流电阻测量仪（微欧计）：用于电阻法测量绕组电阻，要求精度高、稳定性好。

   • 多通道温度数据采集仪：连接多支热电偶或热电阻，实时采集、记录和存储各测点的温度数据，通常具备冷端补偿功能。

   • 红外热像仪：用于非接触式温度分布测量，应具备足够的温度分辨率和空间分辨率。

   • 光纤测温系统：包括光纤传感器和信号解调仪，用于特殊环境下的温度测量。

3. 环境监测设备：

   • 温湿度传感器/记录仪：用于监测试验期间的环境温度和湿度，以便对测量结果进行必要的修正。

4. 电参数测量设备：

   • 功率分析仪或高精度数字万用表：用于监测试验电压、电流、功率等电参数，确保负载条件的准确性。

5. 试验控制与数据处理软件：

   • 功能：集成控制负载设备、采集温度与电参数数据、自动绘制温升曲线、判断热稳定状态、并生成符合标准格式的试验报告。

结论

船舶与海上设施用电工电子设备的温升试验是一项系统而严谨的检测工作。试验人员需根据设备类型和应用场景，选择合适的检测方法，依据严格的国内外标准，利用精密的检测仪器，在模拟的额定工况下进行测量与评估。准确可靠的温升数据是保障船舶与海上设施电力系统安全、稳定、长效运行的科学基石。随着设备功率密度和集成度的不断提高，对温升试验的精确性和全面性提出了更高的要求，新型测温技术和更严苛的标准也将持续推动该领域的技术进步。