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.

Ábra: Burkolat alatti hiba [forrás: PIM]

Ábra: Kontaktushiba [forrás: PIM]

Ábra: Hibás kábelsaru [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.

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:

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:

A várható abszolút hőmérsékletek becslésére pedig használhatjuk:

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

Ábra: Transzformátor [forrás: InfraTec]

Ábra: Alállomás vizsgálata [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.