Dziś jest poniedziałek, 21 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8503 -0.35% 1EUR 4.2844 -0.01% 1GBP 4.9671 +0.43%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
więcej
Cykl szkoleń z zakresu programowania sterowników SIMATIC S7-300, S7-1200
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
14 grudzień 2015.

Kamery termowizyjne do badania instalacji elektroenergetycznych

Kamery termowizyjne do badania instalacji elektroenergetycznych

Ciągłość zasilania w energię elektryczną jest dla współczesnej cywilizacji podstawowym warunkiem funkcjonowania. Od bezawaryjnej pracy instalacji elektroenergetycznych zależy efektywność działania wszystkich podmiotów życia gospodarczego a więc przedsiębiorstw przemysłowych, zakładów produkcyjnych, magazynów i centrów dystrybucyjnych, farm hodowlanych, zakładów przetwórstwa spożywczego i wszelkiego rodzaju obiektów użyteczności publicznej. Duża niezawodność funkcjonowania instalacji elektroenergetycznej to mniej przestojów i kosztownych napraw a tym samym szybsza amortyzacja inwestycji. Aby zapewnić wysoką niezawodność działania instalacji elektroenergetycznych, niezbędna jest prosta i niezawodna metoda kontroli ich funkcjonowania i możliwość szybkiego wykrycia wszelkiego rodzaju usterek, które mogą prowadzić do poważniejszych awarii.

Termowizja jest metodą badawczą, która polega na zdalnej i bezdotykowej analizie rozkładu temperatury na powierzchni badanego obiektu. Niewidoczne dla ludzkiego oka promieniowanie podczerwone, które jest emitowane przez każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego jest przekształcane na światło widzialne i prezentowane z wykorzystaniem jednej z dostępnych palet barwnych a następnie rejestrowane w postaci termogramów.

Wykorzystanie kamer termowizyjnych do badania instalacji elektroenergetycznych posiada szereg zalet. Technika zdalnej termodetekcji w elektroenergetyce umożliwia szybkie lokalizowanie miejsc potencjalnych awarii czy usterek, gdyż na zdjęciach w podczerwieni można łatwo zauważyć wszelkiego typu anomalie cieplne a w przeciwieństwie do innych metod nie wymaga to dokonywania uciążliwych i kosztownych wyłączeń. Z założenia bowiem większość wad charakteryzuje się podwyższoną rezystancją, która tylko podczas przepływu prądu prowadzi do wzrostu temperatury elementów instalacji, proporcjonalnie do lokalnej rezystywności oraz prądu obciążenia. To właśnie ten wzrost temperatury jest zasadniczym kryterium klasyfikowania usterek w instalacjach elektroenergetycznych.
Wymagania dotyczące stopnia obciążenia instalacji podczas badania termograficznego są różne w różnych krajach. W Polsce jeszcze w latach 70-tych ub. wieku jako minimum przyjmowano 40% obciążenie torów prądowych, jednak obecnie dopuszcza się mniejsze obciążenia sięgające ok. 30%.

W przypadku obciążeń mniejszych od nominalnych jest konieczne przeliczenie zmierzonego przyrostu temperatury dla 100% maksymalnego obciążenia badanego obwodu, zgodnie z zasadą, że przyrost temperatury jest wprost proporcjonalny do kwadratu prądu obciążenia.

W praktyce często bywa tak, że obciążenia torów prądowych są niższe od wymaganych. Jednak nawet w takich warunkach badanie termowizyjne powinno być przeprowadzone, gdyż odstąpienie od wykonania pomiarów nie zmieni wiedzy o instalacji, natomiast zlokalizowanie usterki pozwoli ocenić stopień zagrożenia w sytuacji, gdy obciążenie ulegnie zwiększeniu.
Prowadzenie badań w takich warunkach jest uzasadnione również tym, że same "oględziny termiczne" jednego toru prądowego nie są zbyt pracochłonne i trwają zwykle bardzo krótko. Jednoczesna obserwacja większego obszaru, a przy tym wysoka rozróżnialność niewielkich różnic temperatury powoduje, że pominięcie ewidentnej usterki, nawet słabo skontrastowanej jest bardzo mało prawdopodobne.

Ponieważ kamery z niechłodzonymi detektorami są dość lekkie i łatwe w obsłudze można je wykorzystywać na różne sposoby. Za pomocą kamery termowizyjnej można wykryć i usunąć potencjalne problemy zanim dojdzie do ewentualnego uszkodzenia elementu instalacji a czasem nawet jeszcze zanim pojawi się usterka.
Jednakże nie każda kamera termowizyjna nadaje się do badania instalacji elektroenergetycznych. Ponadto podczas badania trzeba przestrzegać określonych zasad, aby było ono skuteczne i nie prowadziło do sformułowania błędnych wniosków.

Parametry kamer do badania instalacji elektroenergetycznych

Czułość termiczna
Ręczne kamery termowizyjne służące do inspekcji w ramach utrzymana ruchu są zwykle wyposażone w niechłodzony detektor bolometryczny pracujący w zakresie promieniowania o długości fali 8   14 μm. Ich czułość termiczna jest znacznie wyższa od przyrostów temperatury spowodowanych znaczącymi usterkami, które sięgają kilkunastu a nawet kilkudziesięciu stopni. Jednakże przy niewielkich obciążeniach dokładna klasyfikacja usterek jest dużo mniej precyzyjna niż w przypadku dużych obciążeń. Ponadto wiele materiałów występujących w rozdzielnicach jak m.in. szkło organiczne czy tworzywa sztuczne jest dla tego zakresu widma "nieprzezroczystych". Ponieważ kamera termowizyjna rejestruje rozkład ciepła bezpośrednio na obserwowanej powierzchni, w wielu przypadkach pomiar temperatury złącz elektrycznych znajdujących się wewnątrz obudowy lub za osłoną z materiału "nieprzezroczystego" ma niejako charakter pośredni a zmierzone przyrosty temperatur mogą być niewielkie. Aby te niewielkie różnice temperatury dało się zauważyć, do takiej inspekcji konieczne jest użycie kamery o wysokiej czułości cieplnej (≤ 50 mK) a ponadto kamera powinna posiadać możliwość ręcznej regulacji poziomu i zakresu mierzonej temperatury.

Przyrządy elektryczne w rozdzielnicach są montowane najczęściej na silnie odbijających promieniowanie cieplne szynach z cynkowanej blachy, która zwykle pełni także rolę tylnej ścianki szaf rozdzielczych. Elementy te są widoczne na zdjęciach termowizyjnych jako obszary dużo zimniejsze lub cieplejsze, gdyż w nich odbija się promieniowanie pochodzące z innych źródeł znajdujących się w bezpośrednim otoczeniu rozdzielnicy. Ponieważ układ automatycznej regulacji zakresu temperatury w kamerze dopasowuje ten zakres do najniższej i najwyższej temperatury na obrazie, może być tak, że niewielkie anomalie cieplne pozostaną w takich przypadkach niewidoczne. To właśnie jest powodem, że poziom i zakres temperatur na obrazie w kamerze powinien być regulowany ręcznie w sposób ciągły.


Fot. 1: Przykład termogramu przy nastawie poziomu i zakresu temperatury w trybie automatycznym (po lewej) i ręcznym (po prawej).

Nieliniowa skala temperaturowa (DDE)
Bardzo przydatna w omawianych zastosowaniach jest tzw. funkcja DDE (Digital Detail Enhancement), która w przypadku obrazów o dużej dynamice, w sposób nieliniowy za pomocą specjalnego algorytmu automatycznie dopasowuje kontrast obrazu do parametrów temperaturowych. Dzięki temu zbędna staje się ręczna regulacja zakresu temperatury na obrazie kamery. Kamera termowizyjna z funkcją DDE jest idealnym narzędziem do szybkiego i precyzyjnego badania instalacji elektroenergetycznych.


Fot. 2: Termogram wykonany kamerą bez funkcji DDE (po lewej) i z funkcją DDE (po prawej)

Rozdzielczość obrazu
Dość często zdarza się, że podczas badania konieczne jest zachowanie większej odległości od badanego urządzenia (np. transformatora SN/nn) bądź też warunki terenowe uniemożliwiają zbliżenie się operatora na odpowiednią odległość. Czasem też dzięki większej odległości obserwatora od badanego obiektu możliwe jest prowadzenie oględzin instalacji o większej powierzchni. Aby w tych warunkach uzyskać odpowiednio wysoką jakość termogramów konieczne jest zastosowanie kamery termowizyjnej o wysokiej rozdzielczości obrazu. Dobre efekty można uzyskać już przy rozdzielczości 640 x 480 pikseli, choć rozdzielczość 1024 x 768 a nawet 1280 x 960 jaką oferują np. kamery FLIR serii T600 wyposażone w tzw. funkcję UltraMax® też nie będzie przesadnie wysoka.


Fot. 3: Kamera termowizyjna FLIR T640 z dodatkowym zestawem obiektywów

Kamera termowizyjna używana do badania instalacji elektroenergetycznych powinna posiadać także wymienną optykę, dzięki której operator może w razie potrzeby użyć np. teleobiektywu o odpowiednio długiej ogniskowej. Trzeba przy tym zdawać sobie sprawę, że używając teleobiektywów w tego typu badaniach należy stosować wyłącznie kamery o wysokiej rozdzielczości obrazu. Kamery o niskiej rozdzielczości nie są w stanie z dużej odległości rejestrować niewielkich zmian temperatury a tym samym często nie ma możliwości rozpoznania usterek elementów o niewielkich rozmiarach.

Dość często, zwłaszcza w ciaśniejszych pomieszczeniach zdarza się, że operator nie jest w stanie odsunąć się na taką odległość, która umożliwi dokonanie rejestracji badanego urządzenia w całości. W takich przypadkach z kolei bardzo przydatny może się okazać obiektyw szerokokątny o krótkiej ogniskowej, co pozwoli uniknąć żmudnego łączenia wykonanych zdjęć ułatwiając tym samym późniejsza analizę termogramu.

Funkcje dodatkowe
Kamera termowizyjna do badania rozdzielnic elektrycznych powinna posiadać zintegrowaną kamerę cyfrową, która pozwala rejestrować termogramy wraz z odpowiadającymi im zdjęciami w świetle widzialnym. O ile jednak w budownictwie mamy najczęściej do czynienia z elementami dużych rozmiarów, to w rozdzielnicach elektrycznych występują na ogół dość ciasno "upakowane" elementy o bardzo niewielkich wymiarach. Ich późniejsza identyfikacja jest na ogół możliwa tylko na zdjęciach cyfrowych o odpowiednio wysokiej rozdzielczości. Z przykrością trzeba stwierdzić, że wśród producentów kamer termowizyjnych, nawet tych należących do wyższej klasy, świadomość tego faktu nie jest dostatecznie rozpowszechniona.

Istnieje natomiast szereg dodatkowych funkcji ułatwiających zlokalizowanie i rozpoznanie poszczególnych elementów rozdzielnic. Należy do nich m.in. funkcja "picture-in-picture". Niektóre kamery dysponują też funkcją tzw. fuzji termicznej ("thermofusion"), pozwalającą nałożyć na zdjęcie cyfrowe tylko te obszary obrazu w podczerwieni, których temperatura jest wyższa od wartości zadanej przez operatora.


Fot. 4: Obraz termowizyjny rozdzielnicy wykorzystujący funkcję "picture-in-picture" (po lewej) oraz funkcję "thermofusion" (dla określonego zakresu temperatur), która pozwala na pokazanie na zwykłym zdjęciu tylko "gorących obszarów" o zadanej temperaturze.

 Niekiedy warto użyć funkcji "MSX®" (Multi Spectral Dynamic Imaging), która pozwala nałożyć na obraz w podczerwieni kontury ze zdjęcia cyfrowego, o ile oczywiście kamera umożliwia skorzystanie z takiej funkcji. Szczególnie przydatna może być natomiast funkcja tzw. "blending", która pozwala nałożyć na siebie oba obrazy. Dzięki wzajemnemu przenikaniu obrazu w podczerwieni i obrazu światła widzialnego identyfikacja poszczególnych elementów, także napisów i oznaczeń poszczególnych elementów staje się dużo łatwiejsza.


Fot. 5: Termogram rozdzielnicy wykorzystujący funkcję MSX® (po lewej)  oraz funkcję "blending" polegającą na nałożeniu na siebie obrazu termowizyjnego i zwykłego.

Dużym ułatwieniem przy późniejszym sporządzaniu raportów bywa również możliwość jednoczesnej rejestracji komentarzy głosowych i tekstowych.

Położenie kamery podczas obserwacji
Współczynnik emisyjności
Określenie temperatury badanych powierzchni (tzw. rozkładu temperatury) na termogramie następuje samoczynnie dla każdego piksela obrazu po przeliczeniu energii z uwzględnieniem założonego przez operatora współczynnika emisyjności - oraz pozostałych parametrów. W instalacjach elektroenergetycznych występuje ogromna różnorodność materiałów, których współczynnik emisyjności dla promieniowania o długości fali 8 - 14 μm może być bardzo zróżnicowany. W większości przypadków wyznacza się temperaturę na izolacji, na przewodach PVC, w pobliżu końcówek i złącz elektrycznych oraz na innych elementach z tworzywa sztucznego lub lakierowanej blachy. Współczynniki emisyjności tych materiałów leżą w dość szerokim przedziale np. od  0,55 do 0,94.

Jednak w przypadku elementów wykonanych z ocynkowanej blachy stalowej, stali nierdzewnej, polerowanej miedzi lub aluminium, których powierzchnia jest czysta i nieutleniona, współczynnik ten może osiągać wartość zaledwie 0,05 - 0,3. Lustrzane właściwości tych materiałów powodują, że na obrazie termowizyjnym są doskonale widoczne odbicia obiektów znajdujących się w otoczeniu. Pomiary temperatury na tych powierzchniach nie są więc łatwym zadaniem, gdyż ich temperatury rzeczywiste znacznie odbiegają od temperatur rejestrowanych przez kamerę termowizyjną, co może prowadzić do błędnych interpretacji "gorących obszarów", jakie pojawiają się na obrazie termowizyjnym na skutek odbić.


Fot. 6: Wyraźne odbicia elementów wewnątrz szafy kompensacji mocy biernej

Na fot. 6 przedstawiającej szafę kompensacji mocy biernej widać wyraźnie odbicia gorących oporników rozładowczych na tylnej ściance z cynkowanej blachy oraz na szklanych półkach w rozdzielnicy. Natomiast temperatury na aluminiowej obudowie kondensatorów są tylko pozornie niższe od temperatury panującej w rozdzielnicy, gdyż odbija się w nich znacznie chłodniejsza podłoga rozdzielni kontenerowej.


Fot. 7: Odbicia na metalicznych powierzchniach pochodzące od cieplejszych urządzeń znajdujących się w otoczeniu badanej rozdzielnicy.

Analiza powyższego termogramu (fot. 7) i odróżnienie rzeczywistych anomalii cieplnych od gorących obszarów pochodzących z odbić nie nastręcza doświadczonemu operatorowi szczególnych trudności. Niekiedy jednak bez dokładniejszych oględzin i zmian kąta obserwacji a nawet wykonania w razie potrzeby dodatkowych termogramów nie wiadomo, czy chodzi o anomalie termiczne wskazujące na występowanie usterki czy też o odbicie od cieplejszych obiektów znajdujących się w pobliżu.

Aby zminimalizować wpływ odbić i ograniczyć możliwość wyciągnięcia błędnych wniosków na ich podstawie, kamera podczas badania powinna być musi być ustawiona pod odpowiednim kątem względem obserwowanej powierzchni. Współczynnik emisyjności jest wprawdzie najwyższy, gdy kamera jest ustawiona prostopadle do powierzchni badanego modułu ale w takim przypadku na badanej powierzchni może odbijać się obraz operatora i samej kamery. Dlatego dobrym kompromisem jest kąt obserwacji leżący w przedziale od 5o do 60o (przyjmując kierunek prostopadły jako kąt 0o), mimo że emisyjność maleje wraz ze wzrostem kąta obserwacji. Poniższy wykres pokazuje zależność intensywności promieniowania od zastosowanego kąta obserwacji.


Rys. 1: Zalecany kąt obserwacji podczas badań termowizyjnych.

Wraz ze spadkiem wartości współczynnika emisyjności ϵ rośnie odwrotnie proporcjonalnie współczynnik odbicia ρ, gdyż zgodnie z Prawem Kirchoffa (zakładając, że współczynnik transmisji τ nie ulega w tych warunkach zmianie) obowiązuje zasada, że:
ϵ + ρ + τ = 1


Rys. 2: Zależność współczynnika emisyjności i współczynnika odbicia od kąta obserwacji

Dość często zdarza się, że uzyskanie odpowiedniego kąta obserwacji podczas pomiarów termograficznych dla uniknięcia odbić jest trudne a czasem wręcz niemożliwe. Dobrym rozwiązaniem w takich przypadkach może być użycie odpowiednich ekranów, za pomocą których można wyeliminować odbicia gorących lub zimnych obiektów leżących w pobliżu badanej instalacji.

Warunki środowiskowe podczas pomiarów

W zasadzie podczas prowadzenia badań termowizyjnych na zewnątrz niebo powinno być całkowicie zachmurzone, gdyż słońce bardzo intensywnie nagrzewa te elementy, które są poddane jego bezpośredniemu promieniowaniu. Jest też wskazane, aby podczas badania panowała pogoda bezwietrzna, gdyż ruch powietrza powoduje w wyniku konwekcji schłodzenie badanych powierzchni, zmniejszając jednocześnie gradient temperaturowy. Warto wiedzieć, że wiatr o prędkości 5 m/s zmniejsza przyrost temperatury obiektów o średnio rozwiniętej powierzchni ponad dwukrotnie!

Natomiast im niższa panuje temperatura powietrza zewnętrznego, tym możliwy do uzyskania kontrast termiczny jest większy. Dobrym rozwiązaniem bywa zatem prowadzenie badań termograficznych np. wczesnym rankiem.

Fot. 10: Termogram zarejestrowany podczas pełnego zachmurzenia pokazuje rzeczywiste wartości temperatury głowic odłączników w poszczególnych torach prądowych.
W pomieszczeniach, w których przeprowadza się badanie, powinno natomiast być zapewnione dostateczne oświetlenie, które pozwoli na jednoczesne wykonywanie zdjęć w świetle widzialnym. Zdjęcia te są niezbędne do późniejszej lokalizacji wadliwych elementów.

Błędy pomiaru

Wpływ rozmaitych czynników (środowisko, uwarunkowania techniczne, konstrukcyjne, aparaturowe itd.) powoduje, że trudno jest mówić o dokładności pomiarów termowizyjnych i kryteriach obiektywnych. Dlatego ogromnego znaczenia nabiera doświadczenie ekipy termograficznej, która na bieżąco klasyfikuje wady, uwzględniając liczne czynniki, zarówno związane z wiedzą o badanym elemencie, o warunkach i technice pomiaru jak też o właściwościach zastosowanego urządzenia pomiarowego.

Termografia jest metodą porównawczą, dlatego dla prawidłowej oceny usterki i jej lokalizacji jest konieczne wzięcie pod uwagę również oddziaływania oraz stanu sąsiednich, identycznych elementów, geometrii obiektu, symetrii budowy itp. W obwodach trójfazowych jest oczywiste, że rozkład temperatur elementu z jednej fazy porównuje się z takimi samymi elementami pracującymi w pozostałych torach prądowych, zwłaszcza gdy można przyjąć, że obciążenie prądowe wszystkich faz jest takie samo. Daje to możliwość uproszczenia metodyki badań i ułatwia proces analizy.

Błędy pomiarowe powstają w pierwszym rzędzie na skutek odbić oraz niekorzystnego ustawienia kamery a w przypadku instalacji zewnętrznych duże znaczenie mogą mieć niewłaściwe warunki atmosferyczne panujące podczas pomiarów. Błędy pomiarowe mogą być spowodowane m.in.:
. odbiciami od innych źródeł ciepła lub chłodu w otoczeniu,
. niewłaściwym kątem obserwacji,
. oddziaływaniem promieniowania słonecznego, odbiciami od słońca itp.,
. silnym wiatrem i intensywnymi ruchami powietrza,
. brakiem lub zbyt małym obciążeniem torów prądowych.

Podsumowanie
Dzięki badaniom termograficznym można sprawnie i szybko zlokalizować potencjalne usterki w instalacjach elektroenergetycznych a także problemy związane z wadliwymi złączami elektrycznymi. Kontrole takie przeprowadza się w standardowych warunkach pracy i nie wymagają one wyłączania instalacji.

Aby uzyskać prawidłowe i wiarygodne wyniki podczas badania muszą być spełnione określone warunki i przestrzegana właściwa metodologia pomiarów.
. należy stosować wyłącznie kamery termowizyjne o właściwych parametrach i dysponującymi niezbędnym wyposażeniem,
. kąt obserwacji powinien leżeć w odpowiednim przedziale,
. należy unikać wszelkiego rodzaju odbić,
. obciążenie badanej instalacji powinno wynosić 30-40%,
. badania na zewnątrz winny być wykonywane podczas pełnego zachmurzenia i bezwietrznej pogody.
Kamery termowizyjne w pierwszym rzędzie stosuje się do lokalizowania usterek. Klasyfikacja i ocena wykrytych anomalii na podstawie obowiązujących kryteriów wymaga określonej wiedzy z dziedziny elektroenergetyki, znajomości badanych urządzeń oraz doświadczenia przy wykonywaniu pomiarów elektrycznych.

Obowiązkowe jest prowadzenie szczegółowej dokumentacji, która powinna zawierać:
. dane dotyczące warunków panujących podczas badania,
. informacje dotyczące stopnia obciążenia poszczególnych elementów instalacji,
. informacje o innych pomiarach, przeprowadzonych dodatkowo w trakcie badania.
. inne informacje istotne dla przeprowadzonego badania.

Badania instalacji elektroenergetycznych za pomocą kamery termowizyjnej - poczynając od kontroli podczas montażu instalacji a następnie regularnych kontroli okresowych - ułatwiają prowadzenie bieżącego nadzoru nad niezawodnością instalacji. Pozwala to utrzymać dobry stan instalacji i przedłużyć czas jej eksploatacji, unikając poważnych strat związanych z przestojami oraz kosztów niezbędnych napraw. Profilaktyka i zapobieganie jest zawsze lepszym rozwiązaniem niż leczenie, podobnie zresztą jak w wielu innych dziedzinach, w tym zwłaszcza ludzkiego zdrowia.

Kryteria określające stopień zagrożenia dla poszczególnych usterek należy stosować elastycznie, gdyż nie uwzględniają one spodziewanych dalszych obciążeń ani ewentualnych skutków awarii, odporności różnych złącz na temperaturę, możliwości przełączeń, zastąpienia obwodów itp. Tak więc ostatecznie o przyjęciu obowiązujących kryteriów wewnątrzzakładowych i ocenie pilności interwencji decyduje użytkownik instalacji z uwzględnieniem wszystkich, także "poza temperaturowych" czynników.
Źródło: TERMOCERT Wojciech Derwiński
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl