隔爆型電動機表面溫度測試分析
2018-10-17王維越
（佳木斯防爆電機研究所，黑龍江佳木斯，154005）
【摘 要】溫度是電動機防爆性能的重要指標之一，由此介紹了國內GB3836.1和美國UL674防爆電機表面溫度測試的要求和方法，以隔爆型電機表面溫度測量為例，介紹了不確定度的來源以及處理方法，對實驗結果不確定度進行分析與計算，得出的結論供實驗人員參考。
0 引言
國內防爆標準GB3836.1—2010《爆炸性環境第1部分：設備通用要求》和美國UL674標準對于電機溫度測試的要求存在一定差異，我國標準與IEC60079—0基本相同，而美國UL674對于隔爆電機進行了更加詳細規定，包括測試的狀態等。以隔爆型三相異步電動機為例，詳細論述了國內GB3836.1和美國UL674測試要求和測試方法的異同，并按照GB3836.1對測量結果的不確定度進行分析和計算。
國內防爆標準GB3836.1—2010《爆炸性環境第1部分：設備通用要求》和美國UL674標準對于電機溫度測試的要求存在一定差異，我國標準與IEC60079—0基本相同，而美國UL674對于隔爆電機進行了更加詳細規定，包括測試的狀態等。以隔爆型三相異步電動機為例，詳細論述了國內GB3836.1和美國UL674測試要求和測試方法的異同，并按照GB3836.1對測量結果的不確定度進行分析和計算。
1 測試要求
國內防爆標準GB3836.1—2010《爆炸性環境第1部分：設備通用要求》第26.5.1.3條規定，試驗電壓應在電氣設備的90%~110%之間、設備達到Z不利條件下進行。第26.5.1.1條規定當溫升的變化每小時不超過2K，則認為已到達Z終穩定溫度，溫度測定應在設備正常工作狀態下和周圍空氣處于靜止情況下進行，測定結果依據Z高環境溫度進行修正，得出Z高表面溫度[1]。美國UL674標準規定試驗電壓分為60Hz電源和其它頻率電源，對于60Hz電源，試驗電壓均為該電壓分段的Z高值，其中額定電壓高于600V的，其試驗電壓為額定值的100%~105%，其它工作頻率電源的試驗電壓即為其額定值。電機實驗環境也非常嚴格，不帶限溫裝置的電機在40℃環境溫度或高于40℃的規定環境溫度狀態下測試;當電機帶有限溫裝置時，僅是正常溫度實驗在40℃環境溫度或高于40℃的規定環境溫度狀態下測試；除了以上兩種情況外，電機溫度測試可在10℃~40℃范圍內進行，但Z終結果需按照40℃進行修正[2]。
國內防爆標準GB3836.1—2010規定溫度組別有T1、T2、T3、T4、T5、T6，判定是否符合相應的溫度組別依據如下：對于I類電氣設備，當電氣設備表面可能產生堆積煤塵時，溫度不超過150℃；當電氣設備表面沒有堆積煤塵時，溫度不應超過450℃。對于對于II類在T1~T2溫度組別時比標明的溫度或溫度組別的溫度低10℃，在T3~T6溫度組別時應比電氣設備標明的溫度或溫度組別的溫度低5℃。美國NEC500防爆標準關于溫度組別的劃分較細，溫度組別分為T1、T2、T2A、T2B、T2C、T2D、T3、T3A、T3B、T3C、T4、T4A、T5、T6。
國內防爆標準GB3836.1—2010《爆炸性環境第1部分：設備通用要求》第26.5.1.3條規定，試驗電壓應在電氣設備的90%~110%之間、設備達到Z不利條件下進行。第26.5.1.1條規定當溫升的變化每小時不超過2K，則認為已到達Z終穩定溫度，溫度測定應在設備正常工作狀態下和周圍空氣處于靜止情況下進行，測定結果依據Z高環境溫度進行修正，得出Z高表面溫度[1]。美國UL674標準規定試驗電壓分為60Hz電源和其它頻率電源，對于60Hz電源，試驗電壓均為該電壓分段的Z高值，其中額定電壓高于600V的，其試驗電壓為額定值的100%~105%，其它工作頻率電源的試驗電壓即為其額定值。電機實驗環境也非常嚴格，不帶限溫裝置的電機在40℃環境溫度或高于40℃的規定環境溫度狀態下測試;當電機帶有限溫裝置時，僅是正常溫度實驗在40℃環境溫度或高于40℃的規定環境溫度狀態下測試；除了以上兩種情況外，電機溫度測試可在10℃~40℃范圍內進行，但Z終結果需按照40℃進行修正[2]。
國內防爆標準GB3836.1—2010規定溫度組別有T1、T2、T3、T4、T5、T6，判定是否符合相應的溫度組別依據如下：對于I類電氣設備，當電氣設備表面可能產生堆積煤塵時，溫度不超過150℃；當電氣設備表面沒有堆積煤塵時，溫度不應超過450℃。對于對于II類在T1~T2溫度組別時比標明的溫度或溫度組別的溫度低10℃，在T3~T6溫度組別時應比電氣設備標明的溫度或溫度組別的溫度低5℃。美國NEC500防爆標準關于溫度組別的劃分較細，溫度組別分為T1、T2、T2A、T2B、T2C、T2D、T3、T3A、T3B、T3C、T4、T4A、T5、T6。
2 測試方法
國內隔爆型電機表面溫度的測試位置一般在電機機座外表面及軸承外圈處，包括轉子表面溫度。測試方法有溫度計法、埋置檢溫計法、電阻法、粘貼測溫紙法等[3]。美國UL674標準測試位置較多，所用測試傳感器均勻分布在電機外殼前中后整個外表面共12點，另外在電機軸伸方向前后兩端蓋地方分布4個測試點，加起來表面一共16個測溫點，并且在電機兩端定子繞組端部各布置3個測試點，以便于同時考核定子繞組的絕緣性能和檢測繞組的Z高溫度，總共測溫點22個，溫度試驗需要記錄全部工作電壓、電流和輸入功率，每一項溫度試驗都得按相應溫度組別分別進行判斷，是否符合標準規定，Z后綜合所有溫度試驗項目結論才能判斷該溫度試驗是否合格，試驗項目包括正常溫度試驗、過載試驗、過載至燒毀試驗、單相試驗、堵轉試驗、72h堵轉試驗和15天堵轉耐久試驗，由此可見美國UL674標準電機溫度測試更為嚴格、條件更為苛刻。
國內隔爆型電機表面溫度的測試位置一般在電機機座外表面及軸承外圈處，包括轉子表面溫度。測試方法有溫度計法、埋置檢溫計法、電阻法、粘貼測溫紙法等[3]。美國UL674標準測試位置較多，所用測試傳感器均勻分布在電機外殼前中后整個外表面共12點，另外在電機軸伸方向前后兩端蓋地方分布4個測試點，加起來表面一共16個測溫點，并且在電機兩端定子繞組端部各布置3個測試點，以便于同時考核定子繞組的絕緣性能和檢測繞組的Z高溫度，總共測溫點22個，溫度試驗需要記錄全部工作電壓、電流和輸入功率，每一項溫度試驗都得按相應溫度組別分別進行判斷，是否符合標準規定，Z后綜合所有溫度試驗項目結論才能判斷該溫度試驗是否合格，試驗項目包括正常溫度試驗、過載試驗、過載至燒毀試驗、單相試驗、堵轉試驗、72h堵轉試驗和15天堵轉耐久試驗，由此可見美國UL674標準電機溫度測試更為嚴格、條件更為苛刻。
3 表面溫度測試結果不確定度因素分析
不確定度，顧名思義即測量結果的不能肯定程度，反過來表示該結果的可信賴程度。它是測量結果質量的指標。不確定度愈小，所述結果與被測量真值越接近，質量越高，水平越高，其使用價值也越高。
采用的設備是“T”熱電偶（φ0.28×5000mm）和數據采集器LR8400-21（日本hioki）進行測量，“T”熱電偶材料為銅-康銅熱電偶，測試溫度范圍在-200~400℃之間，對于低電壓小型電機采用萬用表測量電壓，測量位置在電機機座外表面前中后選取3個位置，前后端蓋各選一個位置，軸承外圈處各選一個位置，一共7個點。電機機座前中后三點，用紅外線測溫儀進行溫度點定位高溫位置，同理，端蓋和軸承處較高溫度點也用紅外線測溫儀進行定位，然后粘貼“T”型熱電偶，數據采集器時間間隔設置可以長些，一般設為5min、10min，或者依據具體情況可以更長，熱電偶埋入時應注意與被測點表面緊密接觸，并用絕緣膠布或其他保護措施覆蓋住熱電偶前端的測溫部分，以免受周圍環境冷卻氣體的影響，機進行溫度試驗前的所有準備工作完成后，對其施加0.9倍的額定電壓，保持額定頻率不變，為了縮短試驗時間，可在試驗開始時適當過載，直至電機溫升達到熱穩定狀態為止，電機斷電后要繼續測試其表面溫度，直到電機表面溫度逐漸緩慢下降以后，就可以停止溫度試驗。
分析不確定度來源一般從設備、人員、環境、及被測對象等多方面考慮，對于此電機表面溫度測試主要用到的儀器有萬用表、熱電偶、數據采集器，因此不確定度主要是指B類不確定度，計算如下。
(1)B類標準不確定度分析及計算
數據采集器LR8400-21引起的不確定度，根據校準證書信息，LR8400-21的不確定度U=0.3℃，k=2，則其標準不確定度u1=U/k=0.15℃;“T”型熱電偶引起的不確定度，根據校準證書信息，“T”型熱電偶的不確定度U=0.2℃，k=2，則其標準不確定度u2=U/k=0.1℃。
(2)合成標準不確定度uc為對各個不確定度ui，所以合成不確定度。
(3)擴展不確定度的分析及其計算
U由合成標準不確定度uc乘包含因子k得到：U=k×uc，測量結果可表示成Y=y±U，y是被測量Y的Z佳估計值。一般情況下，k在2~3范圍內，當取k=2時，區間的置信水平約為95%;當取k=3時，區間的置信水平約為99%。
本試驗取擴展因子k=2，溫升測量的不確定度U=k×uc=0.36℃，所以密封圈溫升可能值95%概率落于區間[y-0.36，y+0.36]上。
不確定度，顧名思義即測量結果的不能肯定程度，反過來表示該結果的可信賴程度。它是測量結果質量的指標。不確定度愈小，所述結果與被測量真值越接近，質量越高，水平越高，其使用價值也越高。
采用的設備是“T”熱電偶（φ0.28×5000mm）和數據采集器LR8400-21（日本hioki）進行測量，“T”熱電偶材料為銅-康銅熱電偶，測試溫度范圍在-200~400℃之間，對于低電壓小型電機采用萬用表測量電壓，測量位置在電機機座外表面前中后選取3個位置，前后端蓋各選一個位置，軸承外圈處各選一個位置，一共7個點。電機機座前中后三點，用紅外線測溫儀進行溫度點定位高溫位置，同理，端蓋和軸承處較高溫度點也用紅外線測溫儀進行定位，然后粘貼“T”型熱電偶，數據采集器時間間隔設置可以長些，一般設為5min、10min，或者依據具體情況可以更長，熱電偶埋入時應注意與被測點表面緊密接觸，并用絕緣膠布或其他保護措施覆蓋住熱電偶前端的測溫部分，以免受周圍環境冷卻氣體的影響，機進行溫度試驗前的所有準備工作完成后，對其施加0.9倍的額定電壓，保持額定頻率不變，為了縮短試驗時間，可在試驗開始時適當過載，直至電機溫升達到熱穩定狀態為止，電機斷電后要繼續測試其表面溫度，直到電機表面溫度逐漸緩慢下降以后，就可以停止溫度試驗。
分析不確定度來源一般從設備、人員、環境、及被測對象等多方面考慮，對于此電機表面溫度測試主要用到的儀器有萬用表、熱電偶、數據采集器，因此不確定度主要是指B類不確定度，計算如下。
(1)B類標準不確定度分析及計算
數據采集器LR8400-21引起的不確定度，根據校準證書信息，LR8400-21的不確定度U=0.3℃，k=2，則其標準不確定度u1=U/k=0.15℃;“T”型熱電偶引起的不確定度，根據校準證書信息，“T”型熱電偶的不確定度U=0.2℃，k=2，則其標準不確定度u2=U/k=0.1℃。
(2)合成標準不確定度uc為對各個不確定度ui，所以合成不確定度。
(3)擴展不確定度的分析及其計算
U由合成標準不確定度uc乘包含因子k得到：U=k×uc，測量結果可表示成Y=y±U，y是被測量Y的Z佳估計值。一般情況下，k在2~3范圍內，當取k=2時，區間的置信水平約為95%;當取k=3時，區間的置信水平約為99%。
本試驗取擴展因子k=2，溫升測量的不確定度U=k×uc=0.36℃，所以密封圈溫升可能值95%概率落于區間[y-0.36，y+0.36]上。
4 結語
從國內GB3836.1和美國UL674防爆電機表面溫度的測試要求和方法比較來看，我國防爆電機溫度試驗方法適用更為方便，并且通過以上不確定度原因分析，就可以得出科學的不確定度評估結果，對電機表面溫度測量結果給出科學的依據，使得結果更加科學與可靠。
參考文獻
[1]GB3836.1—2010，爆炸性環境第1部分：設備通用要求[S].
[2]Electric Motor and Generators for Use in Division 1 Hazardous(Classified)Locations.UL 674.
[3]馬秋菊，李宇波.美國UL674標準對防爆電機溫度試驗的有關要求[J].電氣防爆，2002(03)：21-24.
[4]蘭曉東，趙煦.電機溫升高的分析處理.防爆電機，2014.6.
[5]惠儉新.三相異步電動機軸承溫升分析.防爆電機，2016.6.
從國內GB3836.1和美國UL674防爆電機表面溫度的測試要求和方法比較來看，我國防爆電機溫度試驗方法適用更為方便，并且通過以上不確定度原因分析，就可以得出科學的不確定度評估結果，對電機表面溫度測量結果給出科學的依據，使得結果更加科學與可靠。
參考文獻
[1]GB3836.1—2010，爆炸性環境第1部分：設備通用要求[S].
[2]Electric Motor and Generators for Use in Division 1 Hazardous(Classified)Locations.UL 674.
[3]馬秋菊，李宇波.美國UL674標準對防爆電機溫度試驗的有關要求[J].電氣防爆，2002(03)：21-24.
[4]蘭曉東，趙煦.電機溫升高的分析處理.防爆電機，2014.6.
[5]惠儉新.三相異步電動機軸承溫升分析.防爆電機，2016.6.
本文轉自《防爆電機》2018年04期
