Villanyszerelők lapja 2011.6. Villamos berendezések termográfiai vizsgálata I.

Eric Rahne, okl. villamosmérnök, 3-as szintű akkreditált termográfiai szakértő (PIM Kft.)

Néhány évvel ezelőtt már részletesen tárgyaltuk e lap oldalain a villamos berendezések termográfiai vizsgálatával kapcsolatos kérdéseket: nem tagadható azonban, hogy e vizsgálati módszer egyre jobban elterjedt hatékonysága és megbízhatósága révén az elektromos jellegű  meghibásodások felderítése során. Így a korábbi cikksorozat egyes elemeit felelevenítve ismét kísérletet teszünk e tárgykör vázlatos áttekintésére.

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, frekvenciaváltók...

Termográfiai úton megtalálható villamos hibák

A feltérképezhető problémák körét az alábbi listával lehet érzékeltetni:

• alul méretezett (túlterhelt) kábelek,  kapcsolószerelvények, kötések, transzformátorok;
• hibás (meglazult, korrodált) érintkezések bármilyen villamos berendezésen vagy eszközön;
• sérült kábelfejek, gyűrűk, túlfeszültség-levezetők;
• gyenge érintkezés a biztosítók rugós kapcsain, 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 pl. a kondenzátorok és teljesítmény-félvezetők.

 

Fontos tanácsok és gyakorlati példák

A mérésekhez természetesen érdemes és fontos bizonyos szabályokat betartani. Ezek közül az alábbiak emelhetők ki.

• Nagyfeszültségű berendezések esetén a biztonsági távolság feltétlenül betartandó! Életveszély állhat fenn!
• Kültéri mérések (pl. transzformátorok és távvezetékek) a hőreflexiók és a zavaró háttérsugárzás kiküszöbölése érdekében késő estétől kora hajnalig (napsütés nélküli napszakban) végzendők el.
• Főleg új berendezések esetén (mivel a tükörfényes, illetve szépen megmunkált fémes felületek nagyon kis emissziós tényezővel rendelkeznek) hőreflexió lép(het) fel. 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 részleges vagy teljes bevonása segíthet, jellegzetesen matt festék vagy ismert emissziós tulajdonsággal rendelkező, vékony szigetelőszalag alkalmazásával. 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 (pl. 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 hőmérsékleti adat. Szükség esetén megfelelő optika (speciális teleobjektív) alkalmazásával kell a geometriai felbontóképességet a tárgy méretéhez/távolságához hozzáigazítani.

 

 

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 30%-os terhelés mellett.

 

Elfogadott határértékek, illetve 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.

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:, de mivel az ehhez szükséges egyenlet a gyakorlati alkalmazáshoz - a nehezen hozzáférhető anyagjellemzők miatt - eléggé bonyolult, javasoljuk helyette a következő becslést alkalmazni:

Egyszerűsített melegedés-becslés névleges terhelés esetére (a cikk szerzője által alkalmazott 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 azt az összefüggést kapunk, hogy a tárgy abszolút hőmérséklete emelkedik a környezeti hőmérséklet fölé a névleges és a méréskori feszültségértékek hányadosával, továbbá a névleges és a méréskori áramok négyzetének hányadosával arányosan, a tárgy méréskori és környezeti hőmérséklet különbsége függvényében. Az így becsült hőmérsékletek ezután az előző oldalon felsorolt határértékekkel összehasonlíthatók.

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
okl. villamosmérnök (BME)
rezgésdiagnosztikai szakértő
termográfiai szakértő
(Thermograph Level3)
pim-kft.hu
termokamera.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.