Obrazy termowizyjne to łatwy sposób na zidentyfikowanie widocznych różnic temperatur w przemysłowych trójfazowych obwodach elektrycznych w porównaniu z ich normalnymi warunkami pracy. Kontrolując gradienty termiczne wszystkich trzech faz obok siebie, technicy mogą szybko wykryć nieprawidłowości w zakresie wydajności na poszczególnych fazach z powodu niezrównoważenia lub przeciążenia.
Asymetria faz może być wywołana przez wiele różnych czynników, w tym: problemy z zasilaniem elektrycznym, niskie napięcie na jednej z faz lub przebicie rezystancji izolacji uzwojeń silnika.
Nawet niewielka asymetria napięć może spowodować pogorszenie stanu połączeń, zmniejszając wartość dostarczanego napięcia, a także powodując, że silniki i inne obciążenia pobierają nadmierny prąd, dostarczają niższy moment obrotowy (co wiąże się z przeciążeniami mechanicznymi) i szybciej ulegają awarii. Poważna asymetria może spowodować przepalenie bezpiecznika, ograniczając działanie układu do jednej fazy. W międzyczasie asymetria prądu spowoduje jego powrót do elektrowni po przewodzie neutralnym, co sprawi, że zakład energetyczny nałoży karę za szczytowe zużycie energii.
W praktyce nie jest możliwe idealne zrównoważenie napięć w trzech fazach. National Electrical Manufacturers Association (NEMA) definiuje asymetrię jako wartość procentową: % asymetrii – [(100)(maksymalne odchylenie od średniego napięcia)]/średnie napięcie. Aby pomóc operatorom sprzętu w określeniu akceptowalnych poziomów asymetrii, stowarzyszenie NEMA opracowało specyfikacje dla wielu urządzeń. Te wartości bazowe są użytecznym punktem odniesienia do porównań podczas konserwacji i rozwiązywania problemów.
Często sprawdzane elementy
Rejestruj obrazy termiczne wszystkich paneli elektrycznych i innych punktów przyłączeń dużych obciążeń, takich jak napędy, rozłączniki i elementy sterujące. W przypadku wykrycia wyższych temperatur należy obserwować obwód i zbadać powiązane z nim odgałęzienia i obciążenia.
Sprawdzaj panele i inne połączenia przy zdjętych pokrywach. Najlepiej jest sprawdzać urządzenia elektryczne, gdy są w pełni rozgrzane i w stanie ustalonym, przy co najmniej 40% typowego obciążenia. Pozwala to na prawidłową ocenę wyników pomiarów i porównanie ich z normalnymi warunkami pracy.
Główną przyczyną wielu problemów w układach elektrycznych jest nieprawidłowe nagrzewanie się związane z dużą rezystancją lub nadmiernym przepływem prądu. Termografia w podczerwieni pozwala nam zobaczyć te niewidoczne sygnatury termiczne zbliżających się uszkodzeń przed ich wystąpieniem. Gdy prąd przepływa przez obwód elektryczny, część energii elektrycznej jest przekształcana w energię cieplną. Jest to normalne zjawisko. Jeśli jednak w obwodzie występuje nieprawidłowo duża rezystancja lub nietypowo duży prąd, generowane jest nienormalnie dużo ciepła, co jest niewłaściwe, potencjalnie szkodliwe i stanowi marnotrawstwo.
Prawo Ohma (P=I2R) opisuje zależność między prądem, rezystancją elektryczną i wytwarzaną mocą elektryczną lub cieplną. Aby uzyskać pozytywne rezultaty, takie jak ciepło w tosterze lub światło w żarówce, stosujemy dużą rezystancję elektryczną. Czasami jednak powstaje niechciane ciepło, które powoduje kosztowne uszkodzenia. Przewody o zbyt małym przekroju, luźne połączenia lub nadmierny przepływ prądu mogą powodować nietypowo duże, niechciane rozgrzewanie, które prowadzi do niebezpiecznie gorących obwodów elektrycznych. Elementy mogą stać się na tyle gorące, że mogą ulec stopieniu.
Kamery termowizyjne pozwalają nam zobaczyć sygnatury cieplne związane z dużą rezystancją elektryczną na długo przed tak silnym nagrzaniem się obwodu, że mogłoby to spowodować awarię lub wybuch. Należy pamiętać o dwóch podstawowych wzorcach termicznych związanych z awarią elektryczną: 1) dużej rezystancji spowodowanej słabym stykiem powierzchni i 2) problemie z przeciążeniem obwodu lub asymetrią faz.
Na co zwracać uwagę
Równomierne obciążenie powinno dawać równomierne temperatury. W sytuacji niezrównoważonego obciążenia, z powodu ciepła generowanego przez rezystancję, fazy o większym obciążeniu stają się cieplejsze niż inne. Jednak niesymetryczne obciążenie, przeciążenie, złe połączenie i nierównowaga w zakresie harmonicznych mogą dawać podobny wzorzec termiczny. Do zdiagnozowania problemu jest wymagany pomiar obciążenia elektrycznego.
Zalecana procedura polega na stworzeniu regularnej trasy inspekcji, która obejmuje wszystkie kluczowe połączenia elektryczne. Korzystając z oprogramowania dostarczonego z kamerą termowizyjną Fluke, zapisz każdy zarejestrowany obraz na komputerze i analizuj wyniki pomiarów na przestrzeni czasu. Możesz zarejestrować obrazy, które będą stanowiły punkt odniesienia i z którymi będzie można porównywać obrazy zarejestrowane w późniejszym czasie. Ta procedura pomoże również określić, czy dane gorące lub chłodne miejsce jest nietypowe. Po wykonaniu działań naprawczych nowe obrazy pomogą określić, czy naprawa zakończyła się powodzeniem.
Ciepło jest wytwarzane przez przepływ prądu przez styk o dużej rezystancji elektrycznej. Tego rodzaju problemy dotyczą zwykle złączy i styków w przełącznikach. Na początku przegrzewający się punkt może być bardzo mały i mieć poniżej 1,5 mm średnicy. Poniżej znajduje się kilka przykładów zarejestrowanych podczas demonstracji kamery IR SnapShot u klientów.
Termogram A) — sterownik silnika windy w dużym hotelu. Jedno z trzech połączeń fazowych było poluzowane, powodując zwiększoną rezystancję złącza. Przegrzewanie spowodowało wzrost temperatury o 50°C (90°F). Termogram B) — 3-fazowa instalacja bezpiecznikowa, w której jeden kraniec jednego bezpiecznika ma słaby kontakt elektryczny z obwodem. Zwiększona rezystancja styków powodowała temperaturę wyższą o 45°C (81°F) na tym połączeniu w porównaniu z pozostałymi. Termogram C) — zacisk bezpiecznikowy, w którym jeden styk ma o 55°C (99°F) wyższą temperaturę niż pozostałe. Termogram D) — dwufazowa wtyczka do gniazdka, w której połączenia przewodów były poluzowane, co powodowało przegrzewanie się zacisków o 55°C (100°F) powyżej temperatury otoczenia.
Wszystkie cztery przykłady obrazują poważne sytuacje, które wymagały natychmiastowej interwencji. Termogram B) ilustruje ciekawą zasadę stosowaną do interpretacji wzorców termicznych obwodu elektrycznego. Bezpiecznik jest gorący tylko na jednym końcu. Gdyby był gorący na obu końcach, problem byłby interpretowany inaczej. Przeciążony obwód, asymetria faz lub zbyt mały bezpiecznik spowodowałyby przegrzanie obu końców bezpiecznika. Ciepło na jednym końcu sugeruje, że problemem jest duża rezystancja styku na przegrzanym końcu.
Wtyczka sieciowa na termogramie D) została poważnie uszkodzona, jak pokazano na poniższym zdjęciu, jednak nadal działała do czasu wymiany.
Jakimi sytuacjami należy się przejąć?
Naprawy należy wykonywać począwszy od tych, które stanowią największe zagrożenie dla bezpieczeństwa. Innymi słowy, w pierwszej kolejności należy zająć się sytuacjami, które stanowią zagrożenie pożarowe, następnie tymi, które są zagrożeniem dla istotnych urządzeń, a kończąc na zwykłych przypadkach wzrostu temperatury ponad normę. Wytyczne NETA (InterNational Electrical Testing Association) wymagają natychmiastowego działania, gdy różnica temperatur między podobnymi elementami elektrycznymi przy podobnych obciążeniach przekracza 15°C (27°F) lub gdy różnica temperatur między elementem elektrycznym, a temperaturą otoczenia przekracza 40°C (72°F).
Normy NEMA ostrzegają przed uruchomieniem silnika przy asymetrii napięć przekraczającej jeden procent. W przypadku pracy przy większej asymetrii NEMA zaleca obniżenie wartości znamionowych silników. Bezpieczna wartość procentowa asymetrii różni się w zależności od sprzętu.
Poniższe termogramy pokazują przeciążone obwody. Termogram E) przedstawia panel obwodu, w którym główny wyłącznik w górnej części jest przegrzany o 75°C (135°F) względem temperatury otoczenia. Ten cały panel jest przeciążony i wymaga natychmiastowej interwencji. Termogramy E) i F) pokazują, że wszystkie standardowe wyłączniki obwodów są przegrzane. Ich temperatura wynosiła 60°C (108°F) powyżej temperatury otoczenia. Chociaż na termogramie przewody są niebieskie, one również są gorące i mają od 45°C do 50°C (od 81°F do 90°F). Wymagane jest wykonanie całej instalacji elektrycznej od nowa.
Termogram G) przedstawia jedną linię sterownika, której temperatura jest o około 20°C (36°F) wyższa od pozostałych. Wymaga to dokładnego zbadania w celu ustalenia, dlaczego jeden przewód jest o wiele cieplejszy niż pozostałe i określenia wymaganej naprawy. Termogram H) przedstawia przekładnik prądowy, który jest o 14°C (25°F) cieplejszy od pozostałych dwóch przekładników w instalacji trójfazowej. Wskazuje to na poważną asymetrię lub wadliwy przekładnik prądowy, co może poważnie wpłynąć na wysokość rachunku klienta za energię.
Wymagania dotyczące obciążenia
Podczas przeprowadzania kontroli ważne jest, aby układ był pod obciążeniem. Należy poczekać z inspekcją do wystąpienia „najgorszego przypadku” lub obciążenia szczytowego, lub do chwili, gdy obciążenie wynosi co najmniej 40% (zgodnie z normą NFPA 70B). Ciepło generowane przez luźne połączenie rośnie wraz ze wzrostem kwadratu obciążenia — im większe obciążenie, tym łatwiej jest znaleźć problemy.
Nie zapomnij wziąć pod uwagę efektu chłodzenia przez wiatr lub inne ruchy powietrza.
Tylko temperatura powierzchni
Kamery termowizyjne nie są w stanie prześwietlić szafy elektrycznej ani litych metalowych koryt kablowych. Jeśli jest to możliwe, należy otworzyć obudowy, aby kamera mogła bezpośrednio „widzieć” obwody elektryczne i podzespoły. Jeśli na zewnętrznej powierzchni obudowy występuje nieprawidłowo wysoka temperatura, należy mieć na uwadze, że temperatura wewnątrz obudowy jest jeszcze wyższa, często znacznie. Poniżej przedstawiono kilka termogramów wykonanych na obudowie magistrali, które identyfikują poważny problem z magistralami elektrycznymi wewnątrz obudowy. Gorące punkty były o 10°C cieplejsze od temperatury otoczenia i o 6°C od innych części obudowy magistrali.
Obudowy magistrali:
Rozdział energii elektrycznej
W instalacji elektrycznej można znaleźć dosłownie setki różnych urządzeń. Instalacje zaczynają się od elektrowni, potem jest sieć dystrybucji wysokiego napięcia, rozdzielnie i podstacje, a na koniec transformatory dystrybucyjne, rozdzielnice, wyłączniki, liczniki, lokalna dystrybucja i panele urządzeń. Wiele zakładów energetycznych zakupiło kamery FlexCam® lub SnapShot®, aby ułatwić sobie konserwację urządzeń. Firmy niemal ze wszystkich branż też kupiły kamery termowizyjne, aby pomóc sobie w konserwacji podległych sobie końcowych odcinków sieci dystrybucji energii elektrycznej.
Termogram M) — transformator dystrybucyjny, z którego wyciekł olej chłodniczy, powodując niebezpieczne przegrzanie uzwojeń w górnej części urządzenia. Jedno połączenie miało temperaturę 160°C (288°F) powyżej temperatury otoczenia. Transformator wymagał natychmiastowej wymiany, ale firma chciała opóźnić naprawę o miesiąc, aby można było ją przeprowadzić podczas planowego całkowitego wyłączenia zakładu. Firma wykorzystała kamerę termowizyjną SnapShot do monitorowania stanu transformatora, dzięki czemu udało się opóźnić naprawę. Termogram N) — transformator dystrybucyjny zamontowany na słupie, który ma połączenie o temperaturze 30°C (54°F) powyżej temperatury otoczenia. Taki stan wymagał przeprowadzenia konserwacji przy najbliższej sposobności. Termogram O) — gorące główne połączenie na przerywaczu w podstacji w
Meksyku. Stwierdzono, że temperatura połączenia jest wyższa o 14°C (25°F) od pozostałych. Uznano to za problem, który wymagał interwencji. Termogram P) — połączenie napowietrzne w podstacji w Peru. Wzrost temperatury nie przekraczał 10°C (18°F) powyżej temperatury otoczenia, co nie wymagało natychmiastowej uwagi.
Jaki jest potencjalny koszt awarii?
Częstym skutkiem asymetrii napięć jest awaria silnika. Całkowity koszt obejmuje koszt silnika, robociznę wymaganą do jego wymiany, koszt produkowanych dóbr, które trzeba wyrzucić z powodu nietrzymania przez nie parametrów, koszt ponownego uruchomienia linii produkcyjnej oraz koszt utraconych przychodów w czasie, gdy linia jest wyłączona z eksploatacji.
Załóżmy, że koszt corocznej wymiany silnika o mocy 50 KM wynosi 5000 USD i obejmuje robociznę. Załóżmy 4 godziny przestoju rocznie z utratą przychodu w wysokości 6000 USD na godzinę. Całkowity koszt: 5000 USD + (4 x 6000 USD) = 29 000 USD rocznie.
Działania następcze
Gdy obraz termiczny pokazuje, że cały przewodnik jest cieplejszy niż inne elementy w danej części obwodu, przewodnik może być zbyt cienki lub przeciążony. Należy sprawdzić parametry znamionowe przewodnika i rzeczywiste obciążenie, aby określić przyczynę.
Należy użyć multimetru z cęgami, miernika cęgowego lub analizatora jakości zasilania, aby sprawdzić równowagę prądów i obciążenie każdej fazy.
Po stronie napięcia należy sprawdzić, czy nie występuje spadek napięcia na zabezpieczeniach i w rozdzielnicy. Ogólnie rzecz biorąc, napięcie linii elektrycznej powinno mieścić się w granicach tolerancji wynoszących 10% wartości znamionowej. Napięcie między przewodem neutralnym a ziemią informuje o tym, jak duże jest obciążenie układu i pomaga śledzić prąd harmoniczny. Jeśli napięcie to przekracza 3% napięcia znamionowego, powinno to skutkować dalszymi czynnościami kontrolnymi.
Obciążenia się zmieniają, a dana faza może nagle mieć o 5% niższe napięcie, jeśli zostanie włączone znaczne obciążenie jednofazowe. Spadki napięcia na bezpiecznikach i przełącznikach również mogą objawiać się jako asymetria napięć w silniku i nadmierne ciepło w problematycznym miejscu. Przed założeniem, że przyczyna została znaleziona, należy się co do tego upewnić, dokonując inspekcji kamerą termowizyjną i mierząc prąd przy użyciu multimetru lub miernika cęgowego.
Nie należy obciążać obwodów zasilających ani odgałęzionych do maksymalnego dopuszczalnego limitu. Równania obciążenia obwodu powinny również uwzględniać harmoniczne. Najczęstszym rozwiązaniem w przypadku przeciążenia jest redystrybucja obciążeń między obwodami lub zarządzanie kolejnością ich włączania.
Korzystając z odpowiedniego oprogramowania, każdy podejrzany problem odkryty za pomocą kamery termowizyjnej może zostać udokumentowany w raporcie zawierającym obraz danego sprzętu w świetle widzialnym i w podczerwieni. Jest to najlepszy sposób komunikowania problemów i sugerowania napraw.