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Utilisation de caméras à imagerie thermique pour les inspections électriques

Thermographie

Les images thermiques permettent d’identifier les différences de température apparentes dans des circuits électriques triphasés industriels en les comparant aux données relevées en conditions normales de fonctionnement. En inspectant les gradients thermiques des trois phases côte à côte, les techniciens peuvent rapidement repérer les anomalies de performances de chaque colonne dues à un déséquilibre ou à une surcharge.

Les caméras thermiques Fluke incluent la technologie IR-Fusion qui fusionne une image en lumière visible avec une image infrarouge pour une meilleure identification, analyse et gestion des images. Les images doubles sont alignées avec précision à n’importe quelle distance, ce qui permet d’accentuer les détails pour que les problèmes soient plus faciles à repérer.

Le déséquilibre électrique peut être causé par plusieurs sources différentes : un problème d’alimentation, une basse tension sur une branche, ou une rupture de la résistance d’isolation à l’intérieur des enroulements du moteur.

Même un faible déséquilibre de tension peut entraîner la détérioration des raccordements, réduisant ainsi la quantité de tension fournie. Les moteurs et autres chargeurs consommeront alors un courant excessif, fourniront un couple plus faible (avec les contraintes mécaniques associées) et tomberont en panne plus tôt. Un déséquilibre important peut faire sauter un fusible, réduisant les opérations en monophase. Dans le même temps, le courant déséquilibré reviendra sur le neutre, ce qui conduira le service public à infliger une amende à l’installation pour consommation de pointe.

Dans la pratique, il est pratiquement impossible d’équilibrer parfaitement les tensions sur trois phases. La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) définit les déséquilibres sous forme de pourcentage : % de déséquilibre – [(100)(écart maximal par rapport à la tension moyenne)]/tension moyenne. Pour aider les opérateurs d’équipements à déterminer les niveaux acceptables de déséquilibre, la NEMA a rédigé des spécifications pour plusieurs dispositifs. Ces références sont un point de comparaison utile pendant la maintenance et la réparation.

Composants fréquemment inspectés

Capturez des images thermiques de tous les tableaux de distribution et autres points de raccordement à charge élevée, tels que les entraînements, les déconnexions et les commandes, etc. Lorsque vous identifiez une température anormalement élevée, suivez le circuit et examinez les branches et charges associées.

Vérifiez les tableaux et les autres raccordements, après avoir retiré leurs couvercles. Idéalement, vous devez contrôler les appareils électriques lorsqu’ils sont chauds et dans des conditions stables, avec une charge correspondant au minimum à 40 % de la charge habituelle. Cela permet d’évaluer correctement les mesures et de les comparer aux conditions de fonctionnement normales.

Un échauffement anormal associé à une résistance élevée ou à un flux de courant excessif est la principale cause de nombreux problèmes dans les systèmes électriques. La thermographie infrarouge nous permet de voir ces signatures thermiques invisibles de dommages imminents avant que ceux-ci ne se produisent. Lorsque le courant circule dans un circuit électrique, une partie de l’énergie électrique est convertie en énergie thermique. Ce phénomène est normal. Mais, en cas de résistance anormalement élevée dans le circuit ou de flux de courant anormalement élevé, une chaleur anormalement élevée est générée, ce qui constitue une perte, potentiellement dommageable et anormale.

La loi ohmique (P = I2R) décrit la relation entre le courant, la résistance électrique et l’énergie électrique ou thermique générée. Nous utilisons une résistance électrique élevée pour obtenir des résultats positifs, comme la chaleur dans un grille-pain ou la lumière dans une ampoule. Cependant, il arrive que de la chaleur indésirable soit générée, ce qui entraîne des dommages coûteux. Des conducteurs sous-dimensionnés, des raccordements lâches ou un flux de courant excessif peuvent provoquer un échauffement indésirable anormalement élevé qui se traduit par des circuits électriques dangereusement chauds. Les composants peuvent devenir assez chauds pour fondre.

Les caméras thermiques nous permettent de voir les signatures thermiques associées à une résistance électrique élevée bien avant que le circuit ne devienne suffisamment chaud pour provoquer une panne ou une explosion. Soyez conscient des deux schémas thermiques de base associés à une défaillance électrique : 1) une résistance élevée causée par un mauvais contact de surface et 2) un circuit surchargé ou un problème de déséquilibre multiphasé.

Inspection d’un panneau à l’aide de la caméra infrarouge Fluke TiS75+
Inspection d’un panneau à l’aide de la caméra infrarouge Fluke TiS75+

Que rechercher

Si les charges sont identiques, les températures doivent l’être également. Dans une situation de charge déséquilibrée, la ou les phases les plus chargées apparaîtront plus chaudes que les autres en raison de la chaleur générée par la résistance. Cependant, une charge déséquilibrée, une surcharge, un mauvais raccordement et un déséquilibre harmonique peuvent tous créer un schéma similaire. Il est nécessaire de mesurer la charge électrique pour diagnostiquer le problème.

Une procédure saine consiste à créer un itinéraire d’inspection régulier, qui inclut tous les raccordements électriques clés. À l’aide du logiciel fourni avec votre caméra thermique Fluke, enregistrez chaque image capturée sur un ordinateur et suivez vos mesures dans le temps. Cela vous permet de créer une référence en images à comparer avec des images capturées à des dates ultérieures. Cette procédure vous aidera également à déterminer si un point chaud ou froid est inhabituel. Après l’action corrective, de nouvelles images vous aideront à déterminer si les réparations ont réussi.

La chaleur est produite par le passage du courant dans un contact à haute résistance électrique. Ce type de problème est généralement associé aux contacts de commutation et aux connecteurs des interrupteurs. Le point de chauffe réel peut souvent être très petit, moins de 1/16 de pouce lorsqu’il commence. Vous trouverez ci-dessous plusieurs exemples réalisés avec le IR SnapShot lors de démonstrations clients.

Le thermogramme A) est un contrôleur de moteur pour un ascenseur dans un grand hôtel. L’un des raccordements triphasés était desserré, entraînant une résistance accrue au niveau du connecteur. L’excès de chauffage a produit une augmentation de température de 50 °C (90 °F). Le thermogramme B) est une installation de fusibles triphasés où une extrémité d’un fusible a un mauvais contact électrique avec le circuit. La résistance de contact accrue a provoqué une température de 45 °C (81 °F) plus élevée à ce raccordement qu’aux autres raccordements de fusibles. Le thermogramme C) est un clip fusible dont un contact est plus chaud de 55 °C (99 °F) que les autres. Et le thermogramme D) est une prise murale biphasée où les raccordements des fils étaient desserrés, ce qui a provoqué une surchauffe des bornes de 55 °C (100 °F) par rapport à la température ambiante.

Ces quatre exemples étaient graves et nécessitaient une attention immédiate. Le thermogramme B) montre un principe intéressant utilisé dans l’interprétation des schémas thermiques d’un circuit électrique. Le fusible est chaud à une seule extrémité. Si le fusible était chaud aux deux extrémités, le problème serait interprété différemment. Un circuit surchargé, un déséquilibre de phase ou un fusible sous-dimensionné provoquerait une surchauffe des deux extrémités du fusible. Le fait d’être chaud à une extrémité seulement suggère que le problème est une résistance de contact élevée à l’extrémité chauffée.

La prise murale dans le thermogramme D) a été sérieusement endommagée comme on peut le voir sur l’image visuelle ci-dessous, mais elle a continué à fonctionner jusqu’à ce qu’elle soit remplacée.

Prise murale endommagée

Que signifie une « alerte rouge » ?

La sécurité (c.-à-d. l’état de l’équipement pose un risque pour la sécurité) doit être la raison prioritaire d’une réparation, suivie de l’importance de l’équipement et de l’étendue des hausses de température. Les directives de la NETA (InterNational Electrical Testing Association) stipulent que des réparations immédiates doivent être effectuées lorsque la différence de température entre des composants électriques similaires dans des conditions de charge semblables excède 15 °C (27 °F), ou lorsqu’elle excède 40 °C (72 °F) entre un composant électrique et l’air ambiant.

Les normes NEMA mettent en garde contre le fonctionnement de tout moteur avec un déséquilibre de tension dépassant un pour cent. En fait, NEMA recommande que les moteurs soient déclassés s’ils fonctionnent avec un déséquilibre plus élevé. Le pourcentage de déséquilibre sécuritaire varie pour les autres équipements.

Les thermogrammes suivants montrent des circuits surchargés. Le thermogramme E) montre un panneau de circuit dans lequel le disjoncteur principal situé en haut est surchauffé à 75 °C (135 °F) au-dessus de la température ambiante. Ce panneau tout entier est surchargé et nécessite une attention immédiate. Les thermogrammes E) et F) montrent que tous les disjoncteurs standard sont surchauffés. Leurs températures étaient de 60 °C (108 °F) au-dessus de la température ambiante. Bien que dans le thermogramme les fils soient de couleur bleue, ils sont également chauds, 45 à 50 °C (81 à 90 °F). L’ensemble du système électrique est à refaire.

Le thermogramme G) montre une ligne d’un régulateur qui est environ 20 °C (36 °F) au-dessus des autres. Cela nécessite une enquête plus approfondie pour déterminer pourquoi un fil est beaucoup plus chaud que les autres et pour déterminer la réparation nécessaire. Le thermogramme H) montre un transformateur de courant qui est 14 °C (25 °F) plus chaud que les deux autres transformateurs dans une installation de service triphasé. Cela indique un grave déséquilibre du service ou un transformateur de courant défectueux qui pourrait avoir un impact sérieux sur la facture du client.

Exigences de charge

Lors de l’inspection, il est important que le système soit sous charge. Attendez l’inspection pour le « pire scénario » ou les charges de pointe, ou lorsque la charge est d’au moins 40 % (selon la norme NFPA 70B). La chaleur générée par un raccordement lâche augmente comme le carré de la charge ; plus la charge est élevée, plus il est facile de trouver des problèmes.

N’oubliez pas de tenir compte de l’effet rafraîchissant du vent ou de tout autre mouvement d’air.

Températures de surfaces seulement

Les caméras infrarouges ne peuvent pas voir à travers les armoires électriques ou les plateaux de bus métalliques solides. Dans la mesure du possible, ouvrez les boîtiers pour que la caméra puisse voir directement les circuits et les composants électriques. Si vous constatez une température anormalement élevée sur la surface extérieure d’un boîtier, vous pouvez être sûr que la température est encore plus élevée, et généralement beaucoup plus élevée, à l’intérieur du boîtier. Vous trouverez ci-dessous quelques thermogrammes pris sur un boîtier de bus, qui identifient un sérieux problème avec les bus électriques à l’intérieur du boîtier. Les points chauds étaient de l’ordre de 10 °C plus chauds que la température ambiante et de 6 °C plus chauds que les autres parties du boîtier de bus.

Boîtier de bus :

Distribution électrique

Des centaines de pièces d’équipement différentes peuvent se trouver dans un système électrique. Cela commence par la production d’électricité du service public, la distribution haute tension, les postes de commutation et les sous-stations, et se termine par les transformateurs de service, les installations de distribution électrique, les disjoncteurs, les compteurs, la distribution locale et les panneaux d’appareils électriques. De nombreux services publics ont acheté FlexCam® ou SnapShot® pour les aider dans leur maintenance. Et presque tous les types d’industrie ont acheté des caméras infrarouges pour faciliter la maintenance de leur section du système de distribution électrique.

Le thermogramme M) est un transformateur de service qui avait laissé échapper de l’huile de refroidissement, ce qui a entraîné une surchauffe dangereuse des bobines près de la partie supérieure. Un raccordement était à 160 °C (288 °F) au-dessus de la température ambiante. Ce transformateur devait être remplacé immédiatement, mais l’entreprise voulait retarder la réparation d’un mois pour qu’elle puisse être effectuée pendant un arrêt total programmé de l’usine. Ils ont utilisé la caméra IR SnapShot pour surveiller l’état du transformateur et ont réussi à retarder la réparation. Le thermogramme N) concerne un transformateur de service monté sur poteau dont le raccordement est 30 °C (54 °F) plus chaud que la température ambiante. Une telle condition exigeait une maintenance à la prochaine occasion. Le thermogramme O) montre un raccordement principal chaud sur un interrupteur dans une sous-station au

Mexique. Il s’est avéré que le raccordement était 14 °C (25 °F) plus chaud que les autres. On pensait qu’il s’agissait d’un problème auquel il fallait prêter attention. Le thermogramme P) montre un raccordement aérien dans une sous-station du Pérou. La température était moins de 10 °C ou (18 °F) au-dessus de la température ambiante et ne constituait pas une préoccupation immédiate.

Quel est le coût potentiel d’une panne ?

Les déséquilibres de tension engendrent souvent des pannes de moteur. Le coût total associé tient compte du coût du moteur, du coût de la main-d’œuvre nécessaire pour changer le moteur, de la perte de production, du coût de fonctionnement de la chaîne et des pertes de revenus liées au temps d’arrêt de la chaîne.

Supposons que le coût de remplacement annuel d’un moteur de 50 cv soit de 5 000 $, main-d’œuvre comprise. Supposez 4 heures de temps d’arrêt par an avec une perte de revenu de 6 000 $ par heure. Coût total : 5 000 $ + (4 x 6 000 $) = 29 000 $ chaque année.

Actions de suivi

Lorsqu’un conducteur entier apparaît plus chaud que les autres composants du circuit sur une image thermique, il est possible qu’il soit sous-dimensionné ou surchargé. Vérifiez la puissance nominale du conducteur et la charge réelle pour déterminer l’origine du problème.

Utilisez un multimètre avec une pince, une pince multimètre ou un analyseur de qualité d’alimentation pour vérifier l’équilibre du courant et la charge de chaque phase.

Vérifiez par ailleurs l’absence de chutes de tension au niveau des installations de distribution électrique. De manière générale, la tension de ligne ne doit pas dépasser de 10 % la valeur figurant sur la plaque signalétique. La tension neutre-terre indique le niveau de charge de votre système et vous aide à surveiller le courant harmonique. Une tension neutre-terre supérieure à 3 % doit faire l’objet d’un examen plus approfondi.

Les charges changent, et une phase peut être tout à coup inférieure de 5 % sur une colonne si une charge monophasée très importante est appliquée. Les chutes de tension au niveau des fusibles et des commutateurs peuvent aussi mettre en évidence un déséquilibre au niveau du moteur et une chaleur excessive à l’endroit du problème. Avant de supposer que la cause a été trouvée, faites une nouvelle vérification à l’aide de la caméra thermique et des mesures de courant du multimètre ou de la pince de mesure.

Ni les circuits de dérivation ni les chargeurs ne doivent être soumis à la charge maximale autorisée. Les équations de charge d’un circuit doivent également permettre les harmoniques. La solution la plus courante aux problèmes de surcharge consiste à redistribuer les charges entre les circuits ou à les gérer tout au long du processus.

À l’aide du logiciel fourni avec la caméra thermique, vous pouvez documenter chaque problème en intégrant un thermogramme et une image numérique de l’équipement dans un rapport. C’est la meilleure façon de transmettre les problèmes identifiés et de suggérer des réparations.