低壓電器溫升試驗(yàn)的不確定度分析

柳 松

( 遵義市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)院，貴州 遵義 563000)

0 引言

低壓電器的溫升試驗(yàn)是對(duì)電器質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，判斷其在正常運(yùn)行中，是否會(huì)因?yàn)闇囟壬邿o(wú)法散熱，而導(dǎo)致零部件的損壞。根據(jù)國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，溫升試驗(yàn)在電器的額定電流不變的情況下進(jìn)行，對(duì)電器各部分進(jìn)行測(cè)量，并依據(jù)外部環(huán)境的溫度，判斷電器的溫升是否通過(guò)檢測(cè)。

1 不確定度的分析及其計(jì)算

1.1 測(cè)量方法

利用感溫元件的熱電特性，將感溫元件埋在被測(cè)物體表面，把隨溫度變化的電阻值(或熱電勢(shì))轉(zhuǎn)換為與溫度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)送入數(shù)字表顯示出被測(cè)點(diǎn)的溫度值。其中又分為熱電阻法和熱電偶法。數(shù)字測(cè)溫儀采用熱電阻法，圖表記錄儀采用熱電偶法。

按標(biāo)準(zhǔn)要求將被測(cè)物品固定好，用絕熱材料將測(cè)溫端頭覆蓋在被測(cè)器具部位溫升最高點(diǎn)處，使它們牢固地緊貼在被測(cè)點(diǎn)的表面。接通被測(cè)物電源使器具按規(guī)定工作，通過(guò)空調(diào)器減少冷卻介質(zhì)溫度的變化。試驗(yàn)結(jié)束，讀出溫度最高值(圖表記錄儀可從曲線上得到)。

1.2 計(jì)算

(1)數(shù)學(xué)模型

SW 型數(shù)字測(cè)溫儀和圖表記錄儀是直接讀數(shù)，模型為

dT=T2－T0

其中:T2——結(jié)束溫度;T0——結(jié)束時(shí)環(huán)境溫度。

(2)方差和傳播系數(shù)

測(cè)量結(jié)果為和的形式，傳播系數(shù)均為1，故

1.3 不確定度分量量化的分析

(1)測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)性

本文采用某次試驗(yàn)中重復(fù)測(cè)量5 次帶電導(dǎo)體(銅排)搭接面的溫升進(jìn)行不確定度的分析，見(jiàn)表1。

表A1－1 溫升重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)

這時(shí)不確定度為:

(2)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)

熱電偶連接圖表記錄儀一體校準(zhǔn)。校準(zhǔn)證書(shū)已給出置信水平95%時(shí)，包含因子k=2，擴(kuò)展不確定度Up=0.2K，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

(3)圖表記錄儀的A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間

溫度記錄儀的A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)置為20ms，A/D 轉(zhuǎn)換造成的響應(yīng)滯后，其不確定度為均勻分布，當(dāng)溫度進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)后，其顯示值等可能出現(xiàn)的區(qū)間寬為0.5K，則其不確定度為:

(4)測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性

測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性按月穩(wěn)定性計(jì)算。根據(jù)溫度記錄儀說(shuō)明書(shū)，90 天和1年期的準(zhǔn)確度分別為±0.49K 和±0.54K，算出月穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)差:

(5)電壓波動(dòng)

在電源波動(dòng)中，主要的影響量來(lái)自電壓波動(dòng)，一般要求電壓波動(dòng)在2%以內(nèi)。本試驗(yàn)電源通過(guò)穩(wěn)壓器給樣品供電。在運(yùn)行負(fù)載下，電壓波動(dòng)小于1%。電壓波動(dòng)呈正態(tài)分布。從大量的繞組發(fā)熱試驗(yàn)總結(jié)出，發(fā)熱繞組溫度的變化隨試驗(yàn)電壓的波動(dòng)呈線性相關(guān)，線性度約為1.0。故試驗(yàn)電源波動(dòng)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(6)環(huán)境溫度波動(dòng)

如果電器具有溫度調(diào)節(jié)功能，那么環(huán)境溫度會(huì)出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)，這種波動(dòng)在進(jìn)行空調(diào)電器試驗(yàn)時(shí)較為明顯。在測(cè)量中發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度的范圍在±1K 之間。通過(guò)對(duì)環(huán)境溫度波動(dòng)的數(shù)值畫(huà)出圖形表示，發(fā)現(xiàn)波動(dòng)特征為三角分布。而通過(guò)對(duì)發(fā)熱試驗(yàn)的總結(jié)得到，發(fā)熱物體的表面溫度的變化隨環(huán)境溫度波動(dòng)呈線性相關(guān)，線性度約為0.75。故環(huán)境溫度波動(dòng)產(chǎn)生的不確定為

(7)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

2 降低不確定度的措施

2.1 溫升試驗(yàn)

電器溫升指數(shù)是衡量電器質(zhì)量的重要指標(biāo)，溫升的測(cè)量方式很多，但對(duì)于繞組電阻的溫測(cè)主要通過(guò)電阻法進(jìn)行。根據(jù)電阻溫度升高后電阻值會(huì)隨之增加的原理，電阻值和溫度的關(guān)系如式(1)所示。只要活得溫升錢的電阻值R1 和溫升后的電阻值R2，即可得到最后的溫升值θ。

式中t1—試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的繞組溫度，℃

t2—試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的冷卻介質(zhì)的溫度，℃

K—銅繞組取235

上式中，熱態(tài)電阻R2需要用特殊的溫測(cè)裝置測(cè)量，但由于條件限制，在測(cè)量過(guò)程中，普通直流電橋用以測(cè)量繞組電阻時(shí)，規(guī)定應(yīng)在交流電源斷開(kāi)后再接贏流電橋，繞組熱態(tài)電阻就只能在電機(jī)切離電源并停車后測(cè)量。但是無(wú)論動(dòng)作多么迅速。也總需要一段時(shí)間才能測(cè)取電阻的數(shù)值，而在這一段時(shí)間內(nèi)，可能電機(jī)繞組的溫度已經(jīng)開(kāi)始下降了，因此新測(cè)出的電阻值不是運(yùn)行中的電阻值，不可能正確反應(yīng)運(yùn)行時(shí)的溫度，而是冷卻了一段時(shí)間后的繞組溫度。

2.2 繞組電阻的測(cè)量

電器剛剛斷電時(shí)，繞組電阻溫度的下降速度很快，超過(guò)15秒后測(cè)得的溫度都存在5℃以上的誤差，因此電器斷電后的繞組電阻值不能直接測(cè)量獲得，而是要依據(jù)溫度變化的時(shí)間公式，反向推導(dǎo)得出，這種方法適用于缺乏繞組電阻即時(shí)測(cè)溫裝置的時(shí)候，可以方便對(duì)電器發(fā)熱線路的測(cè)量。推導(dǎo)熱態(tài)電阻R0 的方法有以下兩種。

在電器斷電后立刻進(jìn)行溫度測(cè)量是提高溫測(cè)準(zhǔn)確率的關(guān)鍵。根據(jù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)看，應(yīng)該在電機(jī)斷電后的20 秒以內(nèi)完成測(cè)量，并且間隔相同的時(shí)間多次測(cè)量，測(cè)量次數(shù)超過(guò)5 次，然后根據(jù)測(cè)量值的變化量構(gòu)建函數(shù)式。

以每次測(cè)得電阻值的對(duì)數(shù)值lgR1、lgR2……lgRa 為縱座標(biāo)，切離斷電瞬間的時(shí)間間隔為橫座標(biāo)，繪出冷卻曲線lgR =f(t)，最短時(shí)間間隔的一點(diǎn)切線延長(zhǎng)哇瞽線直到與縱軸相交，即得溫升試驗(yàn)結(jié)束時(shí)電機(jī)切離電源瞬間的繞組熱態(tài)電阻的對(duì)數(shù)值IgR。電機(jī)斷電瞬間的繞組電阻，也可用R =f(t)曲線進(jìn)行修正。當(dāng)讀數(shù)點(diǎn)較多時(shí)，準(zhǔn)確度可與對(duì)數(shù)曲線法接近。

2.3 溫升計(jì)算分析

我國(guó)對(duì)電器質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定原本說(shuō)明，不考慮電器的實(shí)際功率值，僅測(cè)定電器在斷電后瞬間的溫度，并加以調(diào)整。瞬間的溫度通過(guò)一定時(shí)間冷卻后的溫度根據(jù)溫度降低函數(shù)式推導(dǎo)獲得。而現(xiàn)今的標(biāo)準(zhǔn)將電器的功率值考慮在內(nèi)，功率值的較小的電氣，斷電后的30 秒內(nèi)讀取的溫度值均有效。而功率值超過(guò)50 千瓦的電器，則需要根據(jù)溫度降低函數(shù)式推導(dǎo)計(jì)算得出。

一般情況下，由于感覺(jué)環(huán)境溫度變化對(duì)溫升影響不是很大，往往容易忽視其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，但是環(huán)境溫度對(duì)受試設(shè)備的最高溫升限值有較大影響，所以可以說(shuō)，環(huán)境溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的判定是有較大影響的。假如設(shè)備試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度較高，測(cè)出的溫升值又接近標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最高溫升限值時(shí)，就要考慮到是否要重新修正該環(huán)境溫度下的最高溫升限值了，所以我們?cè)谧鲭娮赢a(chǎn)品設(shè)備溫升試驗(yàn)時(shí)，要盡量在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，這樣才能得到相對(duì)真實(shí)的測(cè)量結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

溫升試驗(yàn)在電器性能檢測(cè)中是十分重要的一步，它能對(duì)電器使用質(zhì)量和使用時(shí)間進(jìn)行衡量。從嚴(yán)格要求電器的質(zhì)量指標(biāo)方面來(lái)說(shuō)，電器的溫升值應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)。電器的零部件和內(nèi)部構(gòu)造都會(huì)影響到電器的損耗，因此單純依靠質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算的準(zhǔn)確度較低，還是需要依據(jù)制定的溫升指標(biāo)，進(jìn)行多項(xiàng)試驗(yàn)考察，才能得到可靠的結(jié)果。

［1］秦燕.淺談電器溫升在線測(cè)試的幾種方法［J］.煤礦安全，2006，(12) :42－44.

［2］陳娟.對(duì)溫升試驗(yàn)分析的探討［J］.科技傳播，2012，(08) :66－67.