Villamos berendezések termográfiája (határérték-becslési módszer)

Villamos berendezések termográfiai vizsgálata

Gyakorlati tanácsok, határértékek, határérték-becslési módszerek

A villamos berendezések termográfiai állapotfelmérése azon alapszik, hogy az alul méretezett vagy sérült vezetékek, a rossz kötések (a megnövekedett átmeneti ellenállásuk miatt), valamint a legtöbb esetben az elektromos szempontból meghibásodott készülékek a szokásosnál (megengedettnél) magasabb hőfokra melegszenek fel.

A termográfiának az a legnagyobb előnye, hogy a mérések biztonságos távolságból – akár több kV-on üzemelő berendezésekről is – elvégezhetők anélkül, hogy ez a vizsgált eszköz üzemeltetését befolyásolná.

Szokásos alkalmazási területek

Villamos berendezések állapotfelmérése az energiaiparban

  • generátorok, transzformátorok, szigetelők, kapcsolók, levezetők, kábelek, kötések, elosztók…
  • (magas-, közép- és kisfeszültségű hálózatokban egyaránt)
  • Villamos berendezések ellenőrzése a termelési üzemekben
  • betáp transzformátorok, fő- és alelosztók, kapcsolószekrények, egyéni bekötések …
  • Villamos gépek, berendezések az iparban
  • villanymotorok, fázisjavítók, frekvenciváltók…

Termográfiai úton megtalálható villamos hibák

  • alulméretezett (túlterhelt) kábelek, kapcsolószerelvények, kötések, transzformátorok
  • hibás (meglazult, korrodált) érintkezések bármilyen villamos berendezésen vagy eszközön
  • sérült kábelfejek, gyűrűk, túlfeszültséglevezetők
  • gyenge érintkezés a biztosítók rugóskapcsain, késes megszakítókon, áramvezető betoldásoknál, kábelkötéseken, motorindítókon
  • sérült árammegszakítók és kapcsoló szerelvények
  • fázis kiegyenlítetlenségek a háromfázisú betáplálásokon
  • túlterhelés vagy felharmonikusok miatti túlmelegedés
  • túlmelegedett (sérült vagy rossz beállítású) motor és generátor kefeszerelvények
  • eltömődött transzformátor és generátor hűtőrendszerek
  • hibás alkatrészek, mint például a kondenzátorok és teljesítményfélvezetők

Fontos tanácsok

  • Nagyfeszültségű berendezések esetén a biztonsági távolság feltétlenül betartandó – életveszély !
  • Kültéri mérések (pl. transzformátorok és távvezetékek) a hőreflexiók és a zavaró háttérsugárzás kiküszöbölése érdekében kora hajnalban vagy késő este (napsütés nélküli napszakban) végezhetők.
  • Főleg új berendezések esetén (mivel a tükörfényes, illetve szépen megmunkált fémes felületek nagyon kis emissziós tényezővel rendelkeznek) hőreflexió lép(het) föl. Ilyen jellegű mérési hibák kiküszöbölése érdekében többféle mérési pozícióból is ajánlatos elvégezni a méréseket.
  • Amennyiben a tükröződések miatt lehetetlen kiértékelhető méréseket végezni, a mérendő felületek mattítása (matt festékkel) vagy ismert emissziós tulajdonsággal rendelkező – vékony – szigetelőszalag felragasztása segíthet. Természetesen mindez csak feszültségmentes állapotban végezhető el.
  • Ahhoz, hogy névleges (illetve üzemi vagy „teljes“) terhelés mellett veszélyessé váló hibahelyek a mérés alkalmával felderítésére kerüljenek, a mérés az üzemi terhelés mellett végzendő. Az áramerősség négyzetével nő a villamos alkatrészek teljesítményterhelése és ezáltal a hőmérséklete is.
  • A kapcsoló és elosztó szerelvények tokozott részei nem mérhetők közvetlenül. Plexi vagy más műanyag ablakokon keresztül nem lehet termográfiai méréseket végezni. Ezeket – ha lehetséges – a mérés előtt (Feszültségmentes állapotban!) le kell szerelni.
  • Kis mérési tárgyak vagy nagy távolságból (például távvezetékeken) történő mérések esetén figyelembe veendő az alkalmazott termográfiai eszköz (hőkamera) által nyújtott geometriai felbontás. Egy-egy mérési felületre legalább három képpont essen, hogy helyesen értékelhető legyen a mért hőmérsékletadat. Szükség esetén megfelelő optika (speciális teleobjektív) alkalmazásával kell a geometriai felbontóképességet a tárgy méretéhez/távolságához hozzáigazítani.
Burkolat alatti hiba (forrás: PIM)
Ábra: Burkolat alatti hiba [forrás: PIM]
Kontaktushiba (forrás: PIM)
Ábra: Kontaktushiba [forrás: PIM]
Hibás kábelsaru (forrás: PIM)
Ábra: Hibás kábelsaru [forrás: PIM]
Laza kontaktus (forrás: PIM)
Ábra: Laza kontaktus [forrás: PIM]

Gyakorlati határértékek

Gyakran felmerül a kérdés, hol kell azt a határt meghúzni, hogy az észlelt melegedés számítson hibásnak, vagy akár már veszélyesnek is. Elsősorban akkor nehéz eme kérdés eldöntése, ha a maximális terhelésnél jóval kisebb áramerősség mellett történt a termográfiai felmérés.

Alapvetően (e probléma elkerülése végett is) érdemes elfogadni, hogy villamos berendezések termográfiai állapotfelméréseket csak a névleges terhelés legalább 50%-ának megléte esetén szabad elvégezni. Kizárólag igen durva hibák fedezhetők föl még 30%-os terhelés mellett is.

Elfogadott határértékek ill. döntési szabályok (min. 75%-os terhelés mellett)

Határértékek a környezeti hőmérséklethez képest
Melegedés* <20°C: rendben
Melegedés* <40°C: ellenőrizendő
Melegedés* >40°C: sürgősen ellenőrizendő
Melegedés* >60°C: kritikus
(* a környezeti hőmérséklet fölött)

Határértékek fázisok közötti különbségre
Eltérés** <5°C: rendben
Eltérés** <20°C: ellenőrizendő
Eltérés** >20°C: sürgősen ellenőrizendő
Eltérés** >40°C: kritikus
(** a fázisok között)

Határértékek szigetelő anyagtól függően
Gumi-szigetelésű kábelek: max. 60°C ***
PVC-szigetelésű kábelek: max. 70°C ***
Szilikon szigetelésű kábelek: max. 180°C ***
(*** abszolút hőmérsékletértékek)

Egyéb határértékek
Villanymotorok (hűtőbordain mérve): típustól függően max. 60 … 80°C ***
Műanyagburkolatok: anyagtól függően: max. 50 … 75°C ***
Mágneskapcsolók: tipikusan max. 85°C ***
Transzformátorok: tipikusan max. 85°C ***
(*** abszolút hőmérsékletértékek)

Megjegyzés: Kisebb terhelés mellett az összes fenti értéknél alacsonyabb határok érvényesek.

Egyenlőtlen terhelésű áramsínek (forrás: PIM)
Ábra: Egyenletlen terhelésű áramsínek (reflexió a nem poros felületeken!) [forrás: PIM]

Névleges terhelés mellett várható melegedés becslése

A melegedés a bevizsgált villamos eszköz (kábel, sín stb.) vagy érintkező átmeneti ellenállása miatt fellépő, hő formájában keletkező energiavesztesség miatt alakul ki. Az eszköz pedig leadja ezt a teljesítményt hősugárzással, konvekcióval (a levegő felé), valamint hővezetéssel a hozzá csatlakozó elemek felé. Mivel a mérési időpontnál nagyobb terhelés (akár áram, akár feszültség) esetén várható melegedést a szóban forgó eszköz vagy kontaktus terhelés- és hőmérsékletfüggő ellenállás változása, de a várhatóan erősebb hővezetés, hősugárzás és konvekciós hőleadás is befolyásolja, a bekövetkező melegedést csak nagyon komplex matematikai összefüggésekkel lehetne pontosan meghatározni.

Állandósult állapotban egy (végtelen hosszúnak feltételezett) sínben vagy vezetékben a várható hőmérséklet a következő egyenlet alapján kiszámolható:

egyenlet1

Mivel ez az egyenlet a gyakorlati alkalmazáshoz – a nehezen hozzáférhető anyagjellemzők miatt – eléggé bonyolult, javasoljuk helyette a következő becslést alkalmazni:

Egyszerűsített melegedés-becslés névleges terhelés esetére (Eric Rahne-féle becslés)

Ha feltételezzük, hogy a méréskori terhelés és a névleges terhelés állapot között olyan kicsi hőmérséklet növekedés lép föl, hogy az anyagspecifikus ellenállás hőmérsékleti változása (növekvése) elhanyagolható, továbbá sem az áramkiszorítási tényező, sem a hőátadási tényezők nem változnak számottevően a megfigyelt eszköz hőmérséklet növekedése révén, akkor az előbbi egyenletben mindezek a tényezők állandónak tekinthetők. (Ez néhány tíz °C-os hőmérséklet emelkedések esetén alkalmazható. Nagyobb hőmérséklet-változásoknál viszont ezek az egyszerűsítések akár nagy hibákhoz is vezethetnek, tehát lenti egyenletek NEM alkalmazhatók.)

A fenti egyszerűsítések alkalmazásával a következő egyenletet kapunk:

egyenlet2

A várható abszolút hőmérsékletek becslésére pedig használhatjuk:

egyenlet3

Az így becsült hőmérsékletek ezután az előző oldalon felsorolt határértékekkel összehasonlíthatók.

Transzformátor (forrás: Infratec)
Ábra: Transzformátor [forrás: InfraTec]
Alállomás vizsgálata (forrás: Infratec)
Ábra: Alállomás vizsgálata [forrás: InfraTec]
Távvezeték hibával (forrás: Infratec)
Ábra: Távvezeték hibával [forrás: InfraTec]

Fontos: alállomások és távvezetékek vizsgálatánál feltétlenül az összes szabadtéri mérésre vonatkozó feltétel szigorúan betartandó. A mérések éjjel (lehetőleg felhős ég mellett) vagy igen vastag, teljesen zárt – de csapadékmentes – felhőzet esetén nappal is elvégezhetők. (Tapasztalatból az éjjeli mérések elvégzését preferáljuk.) Ne feledkezzünk meg arról sem, hogy többnyire fémes – tehát számottevő hősugárzás-reflexiós képességgel bíró – tárgyak hőmérsékletét kívánunk érintés mentesen meghatározni. A zavaró sugárzások hatásának minimalizálásához legjobb, ha akkor mérünk, amikor nincsenek. (Így például a tiszta nappali látás – tehát napsütéses időjárás – feltételéhez kötött repülési engedély mellett végzett helikopteres távvezeték-berepüléseknek nincs értelme, ha nem a sétarepülés volt a cél.)

Méréstechnikai szempontból kritikus a geometriai felbontás is: a 30 m magasságban lévő, akár csak 18 mm átmérőjű sodronyok túlterhelésének és kötéseik átmeneti ellenállásának növekedésének beméréséhez 0,2 mrad (vagy még jobb) geometriai felbontás, tehát nagy teleobjektív szükséges. A szigetelők egyes hibái talán ennél gyengébb geometriai felbontás mellett is még megtalálhatók.

 

Rahne Eric  (PIM Kft.)
pim-kft.hu
gepszakerto.hu

 

Kapcsolatfelvétel

A publikáció tartalmát szerzői jogok védik, ennek (akár csak részben történő) felhasználása, elektronikus vagy nyomtatott tovább-publikálása csak a forrás és a szerző nevének feltüntetése mellett, valamint a szerző előzetes írásos engedélyének megléte esetén megengedett. A szerzői jogok (Copyright) megsértése jogi következményekkel jár.