电梯电气部件红外检测信号的特征研究及评判

电气事故的种类较多，除了触电，设备和线路故障、雷击、静电等也会造成电气事故。电气事故往往出现得很突然，而且难以发现，依靠传统检修人员检查电压、电流、电阻等参数确定故障的方法耗时长，效率低，无法提前发现问题，已难以满足检测需求。红外检测技术（IRT）作为一种新兴的检测方法，可对温度高于绝对零度（-273℃）物体的热辐射进行检测分析，具有非接触测量、单次测量范围广（可达0.1m2）、测量距离远（20cm~20m）、成像直观、快速等优势，目前在航空航天、电力、特种设备等工业领域有着广泛的应用。中国特种设备检测研究院的研究人员针对不同型号电梯电气部件的红外信号特征进行了研究和分级，并提出了针对性的维护方案，以指导现场维保工作。

1电梯结构

电梯的运动形式可简单理解为通过曳引绳连接轿厢和配重，曳引绳缠绕在曳引轮和导向轮上，电动机通过减速机变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和配重的升降运动，达到运输的目地。电梯主要由曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统等8大系统组成。其中电气控制系统的主要功能是实现电梯的操纵控制，如上升、下降、停止、开关门等。电气控制系统主要由操纵装置、位置显示装置、控制屏(柜)、平层装置电气部件等组成，某电梯的电气控制柜实物如图1所示，其内部安装有电路板、电源、接触器、继电器等各类电气部件。图1某电梯电气控制柜实物2试验原理及仪器

电梯电气系统红外检测基本原理如图2所示，检测时，红外热像仪可捕捉被测物体的红外辐射量，通过内部光电转化和信号处理，最终获得红外热像图和温度数据。图2电梯电气系统红外检测基本原理试验使用FLIR公司的T640型红外热像仪，如图3所示，其基本参数如下：分辨率为640×480；视场角为25°×19°；1~8倍变焦；测温范围为-40～+150

℃；数据采集时可同时采集10个测试点，可同时采集5个方框区域内的最高温度、最低温度和平均温度，最高校准温度可达2000

℃。T640系列镜头可120°旋转，配有500万像素的可见光数码相机，可同时获得目标的可见光图像和红外热像图，共有6种调色板可供选取，以获得最直观的温度变化图像。图3

FLIRT640型红外热像仪实物3试验方案通过查阅使用单位提供的电梯运行记录以及维护保养记录等资料，结合电梯的自身电气结构以及现场实际情况，确定了最终的试验方案：(1)从A、B、C三个市场占有率较大的电梯型号中各选取10部结构、功率、额定载荷相同，使用时间和安装结构接近的电梯，以这30部电梯的关键电气部件作为试验对象。(2)确定电气部件的表面有无大面积锈蚀和油污层，若有则需将其清除掉，以免影响电气部件的红外反射率。仪器相关参数设置如下：镜头焦距为24.6mm；辐射率为0.95；反射温度为25℃。选择合适的镜头与被测电气部件间的距离，以获得清晰的红外热像图。(3)上述30部电梯空载状态下，各自从1楼上升到6楼再下降到1楼，循环10次后，发现电路板、电源、接触器、继电器以及接线端子温升变化较明显。(4)选取上述5类发热较明显的电气部件作为温度采集对象，再次循环运行10次后，记录温度采集框内的最高温度。(5)数据采集存储完后，将电气柜外壳等复原，保证安全。最后进行试验数据处理，分析其红外特征并对温升结果进行分级评价。4电气部件故障红外信号特征图谱

其实许多电气事故都是有规律可循的。通过红外检测技术研究关键电气部件的温度变化规律，建立各电气部件相应的红外图谱对于判断其运行状态具有十分重要的意义。1电路板随着电路板层数的增加，其结构会越发复杂，即相邻电子元件的间距越来越小，密度越来越大，电路板的故障率也就会有所增加。电路板可见光照片和红外热像图如图4所示，可见正常条件下集成度高，阻值大、通电工作的电子元件的温升会更明显，温度更高，电路板的电子元件分布设计会直接影响其发热情况，故红外热成像技术可为优化电路设计和快速初步判断电路故障提供新的解决方案，如短路、接触不良等会造成温度异常偏高，断路则会造成温度异常偏低。图4电路板可见光照片和红外热像图2电源电源主要提供电路板及电梯内呼叫板和外呼叫板显示板的电力供给。开关电源的可见光照片和红外热像图如图5所示，开关电源中的整流模块负责实现交流到直流的转换，其温升较明显。由于电源多采用模块化结构，模块中的插接件温度可采用红外热成像方法进行检测，插接件发生松动时其温度会相对偏低。图5电源可见光照片和红外热像图3接触器接触器属于主回路元件，用于控制主回路的通断，其种类繁多，为降低电弧温度，尽快熄灭电弧，设备上多配有灭弧罩。接触器的可见光照片和红外热像图如图6所示，接触器内部发热主要来自于内部触头的氧化层发热，而内部电杆部分发热现象较少见。触头氧化层相当于接触电阻，若接触电阻增大，导致接触面温度过高，会使面接触变为点接触，甚至出现不导通现象，表现为当接触器内部发生热故障时，两端接线端子温差迅速升高。图6接触器可见光照片和红外热像图4继电器继电器属于辅助回路元件，用于执行信号的传递和对主回路电气部件的控制。继电器可见光照片和红外热像图如图7所示，可以看出，继电器的温度变化与动作程序有直接关系，其中，中间线圈温度要高于其他部位，通过监测各继电器的温度变化可发现温升异常的继电器。在实际应用中，多次吸合导致的触点松动、氧化烧毁是最常见的故障，接头触点发生黏连、沾污、烧蚀时，触点部位温度会异常升高。图7继电器可见光照片和红外热像图5接线端子接线端子起连接导线的作用，其种类繁多，其中，部分母线型接线端子在安装时对螺母的扭矩还有标准要求，过紧或过松都会影响接触电阻，存在安全隐患。接线端子可见光照片和红外热像图如图8所示。若接线端子处导线由于振动等原因出现松动，造成接触不良，则接触面积会减小，导致接触电阻增大，松动处的温升会明显高于其他正常连接端子处的温升。图8接线端子可见光照片和红外热像图

5检测结果分析各型号电梯相同电气部件发热对比为研究不同型号电梯的同种电气部件的温升情况，采集了30台电梯运行10次温升稳定后电路板、电源、接触器、继电器和接线端子的温度数据。A、B、C三个型号电梯不同电气部件的温度数据如图9～11所示。图9A型号电梯不同电气部件温度数据图10B型号电梯不同电气部件温度数据图11C型号电梯不同电气部件温度数据A型号电梯各类电气部件温度都有较明显的区间，电气部件温度为30～90℃，整体温差为60℃，温差相对较大。其中电路板温度最高，其次是电源，接触器和继电器，接线端子温度最低，不同电梯电气部件中电路板和电源温度差别较大，约为10

℃，接触器、继电器和接线端子的温差在5℃以内。B型号电梯各类电气部件温度多集中在40～70

℃，整体温差为30

℃，不同电梯的不同电气部件之间温差不大，比A型号电梯要小很多。各电梯的继电器温度最高，其余依次为电路板、接触器。部分电梯的电源和继电器温度相差不大，且无明显区分界限，不同电梯继电器的最大温差为20℃，电路板的最大温差为11℃，电源、接触器和接线端子的温差约为7℃。C型号电梯各电气部件特征最明显，电源温度最高，均处于100℃以上，其余的电路板、接触器、继电器和接线端子温度区间要低很多，大部分集中在40～60℃，温差为20℃，与电源相比温差大于40℃。此外，不同电梯之间的电源和接触器温差较大，约为20℃，其余电路板、继电器、接线端子温差较小，均在10℃以内。从高温部件分布来看，不同型号电梯的高温部件并不相同，A型号电梯的高温部件为电路板和电源，B型号为继电器和电路板，C型号为电源。从发热情况分布来看，A、C型号电梯不同电气部件的整体温差最大。各型号不同电气部件的温度分布也各有特点，A、B型号不同电气部件温度分布相对比较均匀，不同电气部件之间温差为10～20℃，C型号电气部件温度分布明显分为2档，电源为“高温档”，其余4类电气部件为“中低温档”，具有明显的温度区别。分级和对应的维保策略通过上述分析可知，不同型号电梯的电气部件温度变化复杂，个别部件温度偏高，研究温度异常程度需对温升情况进行判断和分级评价。常见的红外热成像判断方法有历史档案法、表面温度判断法、温差判断法等。其中温差判断法是将各部件温度数值与参考温度进行比较，可简单快捷地发现同类部件中温度异常的设备，应用较为广泛。参考机电类设备游乐设施用标准GB/T36668.3-2018《游乐设施状态监测与故障诊断第3部分：红外热成像监测方法》中的温差判断方法进行严重程度分级。定义参考温度为各电梯稳定运行后的平均温度，采用各电梯温度数据与参考温度的差值ΔT作为评判依据。由A、B、C三个型号各10台电梯不同电气部件的温差数据可知：A型号不同电梯各电气部件的温差都很小，最大约为6℃，最小为0.07℃，所有部件的平均温差仅为1.8℃，各部件温度基本一致。B型号不同电梯各电气部件的温差略大，最大约为16℃，最小为0.19℃，所有部件的平均温差为2.4℃，个别电梯的继电器温度偏高。C型号不同电梯各电气部件的温差也略大，最大约为17℃，所有部件平均温差仅为3℃，个别电梯的继电器和接触器温度都偏高。根据相关标准，结果等级的划分需根据温度分布、参考温度和温差进行综合判断。根据数据结果，试验定义温差10℃作为分级温差，温差在10℃以内为I级，说明状态良好；超过10℃为II级，说明部件需要更换。各电梯电气部件温度分级评价结果如下表所示，B型号9#电梯的继电器、C型号7#电梯的电源和接触器温升程度严重，评为II级，其余电梯的电气部件均评为I级。各电梯电气部件温度分级评价结果维保策略制定方面，评级为I级的电气部件，不需要进行验证。若连续几次检测结果均为Ⅰ级，可适当延长监测周期。含有II级电气部件的电梯如B型号9#电梯和C型号7#电梯需尽快停止运行，进行相应部件的检修。经拆解检查发现B型号9#电梯继电器存在烧蚀和黏连的问题，C型号电梯由于外壳部分破损，电源模块积灰严重，散热不良；接触器也由于存在沾污问题，温度偏高。因此，可适当减少A型号电梯的检测周期，提高B、C型号电梯的检测频次，重点检查试验中出现温度异常的接触器和继电器。经询问现场维保人员，实际现场维护保养中接触器、继电器相对更换频率会更高一些，而电路板和接线端子较少出故障，这与试验结果基本一致。6结语1开展电梯电路板、电源、接触器、继电器和接线端子的红外检测特征研究，得到了相应的红外检测图谱。2不同类型电梯内部电气元件的温度分布各有特点，且较为复杂，不同电气部件也有各自的温度分布区间，B型号电梯不同电气部件的温度分布范围比A、C型号的