Villanyszerelők lapja 2018.10. Villamos berendezések termográfiai állapotfelmérése III.

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

A cikksorozatunk előző részében megtudhattuk, hogy mi a szerepe a különböző hőkamera-paramétereknek. Ennek kapcsán tárgyaltuk a fókuszálás jelentőségét is, melynek gyakorlati fortélyait a jelen cikkben tárjuk fel. Továbbá említésre kerülnek a villamos berendezések gyakorlati hőmérséklet-határértékei, valamint a névleges terhelésen várható hőmérsékletek becslésére alkalmas számítás. A cikket különböző villamos hibák termográfiai felfedezhetőségét bemutató hőképek illusztrálják, a „Thermográfia – elmélet és gyakorlati méréstechnika” című szakkönyvből merítve. Hőkamera kezelése vagy hőképek szemléltetése során vélhetően majdnem mindenki feltette már magának azt a kérdést, hogy valóban éles-e, amit éppen lát? A hőképek – nem csak a fényképezéshez képest kisebb pixelszám miatt – valahogy mind életlenebbek, ugyanis a mindennapos életünk a reflektált fény észlelésen és annak képi (agyunk által végzett) kiértékelésén alapul, a termográfia pedig emittált sugárzások érzékelésén. Ebből kifolyólag egészen mások a tárgyélekkel kapcsolatos megjelenítési kontrasztok. További tudományos fejtegetés helyett nézzük meg az 1. képet, amely azonnal „rávilágít” a problémára. Vegyünk egy kis fényáramú hagyományos izzólámpát, aminek teljesítménye 15 W-nál ne legyen nagyobb (hogy ne rontsa a szemünket). Nézzünk bele bekapcsolt állapotban! Furcsamód nem látjuk élesen a spirált, nem tudunk pontosan ráfókuszálni, pedig nem is vakít ez a gyenge izzó. A kikapcsolása után azonban megtapasztaljuk, hogy ugyanabból a távolságból, ugyanabból a látószögből most élesen látjuk a volfrámspirált! Mitől van ez a különbség? Bekapcsolt állapotban a volfrámspirál által emittált sugárzás (fény) dominál, amihez képest elhanyagolható a környezeti fény visszaverődése a felületén. Kikapcsolt állapotban viszont csak a környezet visszaverődő fénye észlelhető, ahogy a bekapcsolt állapotban az élesen látható, „hideg” függőleges tartóról is.

A visszavert fény esetében egy tárgyfelület szélén - mindenféle átmenet nélkül - azonnal változik a megfigyelő felé irányuló fény sűrűsége és összetétele. (A tükröződés szögfüggősége miatt.) Ennek a hirtelen és jelentős eltérésnek köszönhetően a tárgy éles kontraszttal válik el a környezetétől. Az emittált sugárzás esetében viszont minden irányba történik a sugárzáskibocsájtás, így a tárgy szélének geometriája függvényében a megfigyelési irány felé nem egy hirtelen nagyságrendi sugárzás-eltérés, hanem egy fokozatos változás (csökkenés) lép fől, amiért nem lesz éles a kontraszt a tárgy szélén.  (A cikk szerzőjének szövege. A lapban megjelent hibás bekezdés nem a szerző műve.) Ami a látható fény tartományában igaz, az természetesen a hősugárzás  esetében is érvényes. A tárgyak szélén – a geometriai összefüggés miatt – fokozatosan csökkenő emissziós tényező egyre kisebb sugárzásintenzitást eredményez a megfigyelési irányunkba – a hőkameránk felé. Emiatt pedig a vizuális világban megszokott  kontrasztos képélesség nem létezhet a hőképek készítése során. Ennek megfelelően nehezebb fókuszálni is. A fókuszálási nehézség enyhítésére sok hőkamera autofókusszal rendelkezik. Az automatikus fókuszálás itt azt jelenti, hogy (a bejelölt fókuszterületen belül) a szoftver megkeresi a  legmeredekebb hőmérséklet-gradienseket – tehát azokat a pixelcsoportokat, ahol a legkisebb pixeltávolságban a legnagyobb mértékű a hőmérséklet-változás. Ez vélhetően egy érzékelt tárgy széle. Következő lépésben történik a fókusz optikai korrigálása addig, amíg az előbb megtalált gradiens el nem éri a maximális meredekségét. Azonban érdemes tudni azt is, hogy a hőkamerák autofókuszának vannak műszaki határai – akár a digitális fényképezésben használt fókuszeljárásoknak. Nem működik azokban az esetekben, amikor a tárgyon vagy a tárgy körül nincsenek kellőképpen meredek  hőmérséklet-gradiensek, ha a fókuszálás ideje alatt mozog a tárgy (vagy nem tartjuk megfelelően nyugodtan a hőkamerát), vagy a fókuszmezőben a tárgy síkjától eltérő távolságú, de erősebb hőmérséklet-gradiensekkel rendelkező tárgyak vannak. Ezekből kiindulva érdemes, sőt elengedhetetlen a kézi fókuszálás lehetőségeivel is foglalkoznunk. Ehhez mindenekelőtt célszerű a hőkamera szürke árnyalatos hőmérséklet-színskálájára váltani, mivel ezzel a színskálával tudjuk felismerni a legtöbb részletet. A fókuszbeállítás helyességéről pedig úgy győződhetünk meg, hogy a helyi minimum- és maximum-hőmérséklet között pont a korrekt fókuszbeállításban mutatkozik a legnagyobb értékkülönbség. Ha pedig a tárgy nem rendelkezik kellően meredek hőmérséklet-gradiensekkel, hogy fókuszálni tudjunk rá, akkor hozzuk létre a szükséges hőmérséklet-különbségeket – például segítőnk széttárt ujjú keze vagy egy forrasztópáka sok esetben ideális erre. Fontos viszont e közben, hogy ne érintsük meg a mérendő tárgyat, nehogy a mérés szempontjából zavaróan felmelegítsük.

Kis tárgyakon való nagyon pontos fókuszálást pedig a cikk elején leírtak alapján ne is bízzuk az emittált hősugárzásra. Ha a látható sugárzás világában a reflektált fény esetében sok az éles kontraszt és így könnyebb fókuszálni, akkor ugyanannak érvényesnek kell lennie a hősugárzásra is. Tehát használjuk is ki ezt a lehetőséget! A 2. képen látható példa pont egy olyan méréshez való fókuszálást  mutat be, amely során a kifejezetten nagy optikai nagyítás miatt  minimális a mélységélesség, ebből következően igen kritikus a korrekt fókuszbeállítás. A forrasztópákával történő „megvilágítás” és az így előidézett reflektált hősugárzásra való fókuszálás ezt a problémát könnyen és gyorsan megoldja.

Villamos berendezések gyakorlati hőmérsékleti határértékei

Gyakran felmerül a kérdés, hol kell azt a határt meghúzni, hogy az észlelt melegedés hibásnak számítson, vagy akár már veszélyesnek is. Elsősorban akkor nehéz a kérdés eldöntése, ha a maximális terhelésnél jóval kisebb áramerősség mellett történt a termográfiai felmérés. Alapvetően e probléma elkerülése végett is érdemes elfogadni, hogy villamos berendezéseken termográfiai állapotfelméréseket csak a névleges terhelés legalább 50%-ának megléte esetén szabad elvégezni. Kizárólag igen durva hibák  fedezhetők föl a csak 30%-os terhelés mellett.

Elfogadott határértékek ill. döntési szabályok (min. 75%-os terhelés mellett): Általános határértékek a környezeti hőmérséklethez képest Melegedés 20 K ... 40 K: ellenőrizendő Melegedés 40 K ... 60 K: sürgősen ellenőrizendő Melegedés >60 K: kritikus Határértékek fázisok közötti különbségre Eltérés 5 K ... 20 K: ellenőrizendő Eltérés 20 K ... 40 K: sürgősen ellenőrizendő Eltérés >40 K: 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 Egyéb határértékek: Villanymotorok (hűtőbordain mérve): típustól és hűtési körülményektől függően „A” hőállóságú szigetelési osztály max. 60 ... 80°C „B” hőállóságú szigetelési osztály max. 95 ... 105°C „F” hőállóságú szigetelési osztály max. 115 ... 125°C „H” hőállóságú szigetelési osztály max. 140 ... 150°C Műanyagburkolatok: anyagtól függően: max. 50 ... 75°C Mágneskapcsolók: tipikusan max. 85°C Transzformátorok: tipikusan max. 85°C Villamos szekrények belseje (IEC/EN 60947-3): max. 35°C Áramsínek (DIN 43671): max. 65°C Külső fémes érintkező (IEC/EN 60947-3): 80 K (környezethez képest) Szigetelt érintkező (IEC/EN 60947-3): 70 K (környezethez képest) 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. A mérési időpontnál nagyobb terhelés (akár áram, akár feszültség) esetén várható melegedést első sorban a szóban forgó eszköz (vagy kontaktus) terhelés- és hőmérsékletfüggő ellenállás-változása befolyásolja. Viszont az ugyanakkor fellépő - várhatóan erősödő - hővezetés, hősugárzás és konvekciós hőleadás is hatással van a folyamatra. A bekövetkező melegedést ennek megfelelően csak nagyon komplex matematikai összefüggésekkel lehetne pontosan meghatározni. Állandósult állapotban egy (végtelen hosszúnak feltételezett) sínben vagy vezetékben a várható hőmérséklet a tárgy és a környezeti hőmérsékletétől, a feszültségtől és az áramtól, de sok anyagjellemzőtől is függ. Az utóbbiak az áramkiszorítási tényező (hőmérsékletfüggő), az anyagspecifikus ellenállása   (hőmérsékletfüggő), a sugárzásalapú hőátadási tényező, a  konvekciós hőátadási tényező, valamint a vezeték vagy sín keresztmetszete. A mindezt magában foglaló egyenlet a gyakorlati alkalmazáshoz – a nehezen hozzáférhető anyagjellemzők miatt különösön – eléggé bonyolult, javasoljuk helyette a következő becslést alkalmazni. Egyszerűsített melegedés-becslés névleges terhelés esetére 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-emelkedés esetén alkalmazható. Nagyobb változásnál viszont ezek az egyszerűsítések nem érvényesek, tehát lenti egyenletek nem alkalmazhatók.) A fenti egyszerűsítések alkalmazásával a következő egyenletet kapunk:

Ahol: θtn ... tárgy becsült hőmérséklete névleges terhelés mellett θtm ... tárgy hőmérséklete a termográfiai mérés időpontjában θl ... környezeti levegő-hőmérséklet (állandónak feltételezett) Um ... feszültség a termográfiai mérés időpontjában Im ... áram a termográfiai mérés időpontjában Un ... névleges feszültség In ... névleges áram Hálózati berendezések esetén (állandó feszültségszint mellett) pedig a várható abszolút hőmérsékletek becslésére használhatjuk:

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

Példafelvételek termográfiával felfedezhető villamos berendezések hibáira

A cikkben látható hőképekkel igyekszünk bemutatni a  termográfiával felfedezhetõ néhány tipikus hibát. A hőképek között szereplõ laza csavarkötés laborkísérlete olyan szempontból is nagyon tanulságos, hogy egyértelműen látszik az alátétek erős felmelegedése. Ennek oka, hogy a legnagyobb – megnövekedett – átmeneti ellenállása az alátétek mindkét oldalán van (itt van tehát a legnagyobb feszültségesés és ebből következő melegedés), valamint pont az alátétek hiányos kapcsolódása az anyákhoz eredményezi, hogy az alátéteken keletkezett hő elvezetése a szerkezet többi része felé is csak kismértékű. A cikksorozat eddigi részeivel igyekeztünk a kis- és középfeszültségû villamos berendezéseken dolgozó szakembereknek szakmai segítséget nyújtani a termográfia sikeres gyakorlati alkalmazásához. A folytatásban ezt még kiegészítjük két további témakörrel, a napcellás rendszerek (akár szolárerõmûvek) felmérését célzó vizsgálati eljárások, és a nagyon divatos drónos termográfiai alkalmazások bemutatásával. Rahne Eric (PIM Kft.) 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.