浅谈电器温升测试的几种方法

摘 要:温升试验是电器产品型式试验中的常规试验项目,随着电器产品日新月异的发展,温升试验的测试技术也在不断进步,文章叙述了几种常规的温升试验在线测试技术。

电器设备在正常运行时,长期通过工作电流,产生的能量转变为热能,使电器材料温度升高,如超过一定范围就会使电器材料的机械强度、物理性能下降,尤其是处于爆炸性气体环境中的电器设备,异常的温度升高会导致气体、煤尘燃烧甚至爆炸,因此国家标准中规定了不同电器材料的允许长期工作的最高温度或温升。电器温升试验的目的是测量被试电器各部件的温度或温升,以确定试品是否符合标准要求,其采用的是快速模拟试验方法,即试品控制电路通以额定电压,主电路通以额定电流。由于温升试验对周围空气温度、试验用仪器、仪表、连接用导线、测试部位有很严格的要求,为保证试验的科学性、可再现性及可操作性,应对试验方法进行统一的界定。

试品在发热过程中,温度分布是很不均匀的(即使试品温升稳定后也是如此),如在接触连接部件上真正的接触点的温升是最高的,周围点的温度随距离增大而降低,而测量真正接触点上的温升是很难做到的,而又如绝缘线圈内部的温升,总是比线圈表面的温升高,线圈内部各层的温升也不相同,其中必有一层温升最高,按理应该测量此层为最高线圈温升,但实际上也是很难做到的。所以对于绝缘线圈来说是测其平均温升,而对接触点或其它零部件也是尽可能测量其最高温度点温升,称为“ 可测得的温升”。因此对于开关电器零部件的温升测量分为表面温升和线圈温升。

1.表面温升的在线测试按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。

1.1接触式测温法

接触测温法中有热电偶法、热电阻法、温度计法以及光纤测温法等,其中最常用的是热电偶法。

1.1.1热电偶法

热电偶法是利用热电偶存在热电效应这一原理来进行测温的。两种不同金属的导体两端相接触。

由于两种金属的电子密度不同,在联接点将发生自由电子转移,自由电子由自由电子多的导体向自由电子少的导体方向渗透,形成接触电动势。该电动势的大小与温度有关,温度高则电动势高。热电偶可以用来测高温也可以用来测低温。对于不同温度范围的温度采用不同金属组成的热电偶进行测量。在1600℃以内,采用铂-铂铑热电偶;在800℃以内,采用铁-康铜热电偶测量;在300℃以内,采用铜-康铜热电偶。

热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系,允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶。非标准化热电偶在使用范围或数量上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。

热电偶做为最常用的温度检测元件之一,其优点是:①测量精度高,因其可直接与被测对象接触,不受中间介质的影响;②可在线连续测量,实时监测被测对象温度变化的情况;③测温范围广,常用的热电偶从-50~1600℃均可连续测量;④构造简单,使用方便。

热电偶在应用中也存在一些问题:

(1)热电偶在测量被试点时,通常采用锡焊法、钻孔埋入法、胶粘法。对于小容量的电器可用锡焊法,但对于大容量的电器则不易焊上,可采用钻孔埋入法和胶粘法。钻孔埋入法要在被试电器上钻孔,损坏了被试电器。胶粘法是把热电偶的热端先用锡焊焊在一块尺寸为4mm*4mm、厚度为0.25mm左右的紫铜片上,然后用胶粘剂粘在被测点上,这种方法的优点是,敷设方法简便,不损坏电器,缺点是胶粘剂的胶膜是不良导热体,测出的温升偏低。

(2)测量电路与测量装置 测量温升电动势时。由于热电动势很小,测量仪表要灵敏,仪表的内阻要高,一般采用数字电压表或直流电位差计等测量。对一个电器产品做温升试验时,一般要用多支路热电偶同时测量多个被测点的温度,所以往往可用一只开关转换箱将测量仪器接到热电偶测量线路中,以便迅速测量各热电偶的热电动势。

(3)热电偶测温时因其与被测试品要进行充分的热交换,这就需要一定的时间才能达到热平衡,所以存在测温的延迟现象。同时用热电偶寻找热点也比较繁琐,不易操作,可以采用与红外线测温仪联合使用的方法,用红外线测温仪在被试品上扫描确定热点位置,定位后胶粘热电偶。

1.1.2 热电阻法

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器,它的主要特点是测量精度高,性能稳定。其中铂电阻的测量精确度是最高的,它不仅广泛应用于工业测温,而且被制成标准的基准仪。

热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大多由纯金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,此外现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

热电阻从结构上分为:普通热电阻、铠装热电阻、端面热电阻、隔爆热电阻。

普通热电阻,从热电阻的测温原理可知,被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的,因此热电阻引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响,为消除引线电阻的影响一般采用三线制或四线制。

铠装热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体,优点是:体积小,内部无空气隙,热惯性、测量滞后量小;机械性能好,耐振、抗冲击;便于安装,使用寿命长。

端面热电阻感温元件是由特殊处理的电阻丝绕制而成,紧贴在温度计端面,它与一般普通热电阻相比,能更正确和快速反映被测端面的实际温度,适用于轴瓦和其它机件的端面温度。

隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒,把其外壳内部爆炸性混合气体受火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内,使用现场不会引起爆炸,适用于具有爆炸危险场所的温度测量。

热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。使用中须注意:

(1)热电阻与和显示仪表的分度号必须一致。

(2)为消除连接导线电阻变化的影响,必须采用三线制或四线制。

(3)热电阻损坏后,应更新新的电阻体,如采用焊接修理,焊后需校验合格后才可使用。

1.1.3温度计法

温度计法是把玻璃温度计放置在试品上直接测量温度的方法,常用的温度计有水银温度计和酒精温度计两种,都是根据物体的体积膨胀与温度有关的原理制成的。玻璃温度计可以用来测量试品的某些较大零部件(例如底座、外壳、母线)的表面温度,由于测温时玻璃温度计的球部与被测零部件的表面是点或线接触,所以整个球部表面的温度实际上是不均匀的,其测量值误差较大。

1.1.4光纤温度监测系统

系统硬件由高精度的光纤式温度传感器、数据采集变换器、RS-485总线、隔离网段驱动器以及微型计算机组成。

该系统以微型计算机作为控制核心,结合高精度的光纤式温度传感器、数据采集变换器以及可靠的通讯技术,能够对测温点温度连续实时测量,测温精度可达1℃,适合于大型变压器、高压电力电缆、大型发电机定子绕组的温度测试。

其工作原理是:光纤式温度传感器将高压母线触点的温度值转换为模拟量,通过数据采集变换器转化为数字信号,通过通讯总线接口,上传到控制计算机,实现了高压母线在线检测。该系统采用完全的现场总线测量方式,使系统的扩展和与其它网络互连变得很方便,多只数字式温度传感器可直接连接到一条总线电缆上,在扩展测点时不受布线的限制。系统提供的标准的通讯协议接口,使得现场总线网络可与局域网络相联,实现信息的共享。

光纤式温度传感器采用光纤进行高压隔离和信号传输,利用光纤固有的绝缘性和抗电磁场干扰性能,从根本上解决了高压开关柜内母线触点运行温度不易监测的难题。

1.2非接触式测温法

非接触测温法即采用红外线测温仪通过接收目标物体发射、反射和传导的能量来测量其表面温度。红外线测温仪是由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量,视场的大小由测温仪的光学零件及其 位置确定,红外能量聚集在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路,并按照仪器内置的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

红外测温法的优点是快速、便捷、测温范围宽如 Raytek(雷泰)为-50~+3000℃,尤其是对高热、带电危险或难以接触的物体能迅速测温。但这种测温方式也有它局限性:

(1)只能测量表面温度不能测量内部温度。

(2)不能透过玻璃进行测温,因为玻璃有很特殊的反射和透过特性影响红外线精确测温,同时对于光亮的或抛光的金属表面(如不锈钢、铝等)也存在这样的问题。

(3)测温距离有限,距离系数由光学分辨率决定即D:S( 测温仪到物体的距离与被测光斑尺寸)之比确定,增加测温距离就是增大光学分辨率同时测温仪的成本也增高。

(4)测量误差大、对环境条件要求高,测温仪所处的环境条件( 灰尘、烟雾、蒸汽)对测量结果有很大影响,不仅会影响测温精度甚至造成仪器损坏。

结 语

目前温升试验多采用的是半自动化测温方式,这种方式虽简单易行,但在测试的过程中由于人员手工操作及设备精度所造成的误差是不可忽视的,因此大力开发能在电器设备运行时采集周围环境信息(如温度、湿度等),进行组织分析,判别设备是否处于“正常”状态,保证设备正常可靠运行的智能电器温升测量及在线监测研究是当务之急。

但由于目前适用于高电位,具有电位隔离、抗电磁干扰的传感器品种较少,且多为国外进口价格高昂,故在线监测系统的开发与推广还有待时日,但随着科学技术的的发展,用电质量需求的不断提高,在线监测系统将是今后温升测试的主流。