Разделы: Электротехника
Размещена 05.06.2017. Последняя правка: 02.06.2017.
Просмотров - 2840

Влияние факторов измерения на результаты тепловизионного исследования электрооборудования

Коростин Александр Николаевич

Санкт-Петербургский Горный университет

студент

Бойко Евгений Михайлович, магистрант кафедры электроэнергетики и электромеханики. Санкт-Петербургский Горный Университет. Научный руководитель: Гульков Юрий Владимирович, доцент, кандидат технических наук. Санкт-Петербургский Горный Университет.

УДК 62-97

Введение. Тепловизионные устройства используются для диагностирования электрических систем и оборудования с целью оценки их технического состояния. В эту категорию относят электродвигатели, распределительные устройства и подстанции. Преимуществом применения тепловизоров является быстрое проведение исследования без непосредственного контакта с объектом. На показания тепловизионных приборов большое влияние оказывает множество факторов. Пренебрежение их учетом при анализе проведенного измерения приводит к искажению реального теплового состояния оборудования и принятию неверных решений по устранению неисправностей.

Кратко описать принцип работы тепловизора можно следующим образом: объектив тепловизора собирает приходящее инфракрасное излучение и фокусирует его на приемнике излучения. Исходя из этого излучения, на выходеприемника излучения генерируется измеряемый сигнал. Затем сгенерированный сигнал обрабатывается электронными схемами, расположенными внутри тепловизора, для отображения теплового изображения на дисплее прибора.

Осуществление термографического контроля имеет свои особенности, касающиеся организации. Перед выполнением каждого тепловизионного контроля должен быть проведен определенный объем подготовительных работ. Самым первым шагом является изучение документации по объекту исследования для получения общего представления о нем. Сюда можно отнести паспортные данные объекта, время эксплуатации и т.д. После этого составляется план исследования объекта с учетом токовых нагрузок и узлов контролируемого объекта, которые по предварительным данным имеют неисправности в работе. Также должно быть  условно намечено несколько точек на электрооборудовании для обязательной тепловизионной съемки с учетом конструктивных особенностей объекта. Завершающим моментом в подготовке контроля служит проверка приборов тепловизионной съемки и проведение инструктажа по технике безопасности для термографиста. Для проведения термографических исследований организации, осуществляющие его, должны иметь лицензию Госгортехнадзора России, дающей право на диагностирование энергетического оборудования.  Стоит также отметить, что разрешающая способность тепловизоров для диагностики электрооборудования должна быть не ниже 0,1°С, а наиболее оптимальный спектральный диапазон 8-12 мкм.

Большая часть работы по тепловизионному обследованию электрооборудования имеет качественный характер, то есть, производится простое сравнение тепловых изображений похожих компонентов [1]. Во время проведения тепловизионного контроля очень важно отмечать наименование исследуемого электрооборудования, токовую нагрузку, погодные условия, состояние поверхности. Это позволяет упорядочить результаты исследования и при их оценке учесть факторы, влияющие на эти результаты.

В общем виде принцип организации системы инфракрасной диагностики выглядит следующим образом:

Рис. 1 Система инфракрасной диагностики энергетического оборудования и технологических сооружений.

В регулирующем документе, касающегося тепловизионного контроля, вводятся специальные термины, по значениям которых осуществляется оценка теплового состояния электрооборудования и токоведущих частей. Ниже даны определения вводимых понятий.

Превышение температуры - разность между измеренной температурой нагрева и значением температуры окружающего воздуха [4]. Предельные значения температуры нормированы для конкретного оборудования или токоведущей части с учетом конструктивного выполнения токоведущих частей, класса нагревостойкости, вида покрытий контактных поверхностей и других факторов. Понятие «превышение температуры» используется, когда оценивают тепловое состояние контактов и болтовых соединений при токах нагрузки  (0,6-1,0)I_ном.
Избыточная температура - превышение измеренной температуры контролируемого узла одной фазы над температурой аналогичных узлов других фаз (с наименьшей температурой нагрева) или заведомо исправного узла [4]. Если же токовая нагрузка контактов и болтовых контактных соединений находится в пределах (0,3-0,6)I_ном, то для оценки их теплового состояния пользуются значениями избыточной температуры.
Коэффициент дефектности - отношение измеренного значения превышения температуры нагрева контактного соединения к значению превышения температуры, измеренной на целом участке шины (провода), отстоящем от контактного соединения на расстоянии не менее 1 м [4]. Коэффициент дефектности используется для оценки теплового состояния соединений, выполненных путем сварки или методом обжатия.

Чтобы дать качественную оценку полученному значению, в регулирующем документе для каждого из введенных понятий определены степени неисправности. Каждой степени неисправности соответствует интервал соответствующих значений температур и даются краткие рекомендации по устранению дефекта.

Тепловизионные приборы фиксируют тепловой поток в инфракрасной области. Далее программное обеспечение приборов производит определение поля температур и построение термограмм. При этом не учитываются такие эффекты, как поглощение или отражение теплового излучения и другие физические эффекты, что может значительно сказаться на результатах.

Одними из ключевых моментов при тепловизионных исследованиях электрооборудования являются факторы измерения, среди которых:

- погодные условия;

- расстояние до объекта;

- коэффициент излучения материала;

- угол визирования (наблюдения);

- форма объекта;

- тепловое отражение. 

Под погодными условиями понимаются солнечное излучение, ветер, дождь и снег. Тепловизионные исследования объектов, находящихся на открытом воздухе, следует осуществлять в облачную погоду или в ночное время. Обосновано это тем, что солнечная радиация нагревает контролируемый объект. К тому же, участки электрооборудования с высокой отражательной способностью способны создать иллюзию о наличии высоких температур в местах измерения. Если все же есть необходимость произвести съемку в солнечную погоду, то рекомендуется делать это из нескольких диаметрально противоположных точек. 
Воздушные потоки могут значительно исказить реальную температуру объекта. Поэтому во время проведения тепловизионного контроля на открытом воздухе следует учитывать охлаждающее действие ветра на объект.
Не следует проводить тепловизионный контроль во время дождя, тумана или выпадения мокрого снега, т.к. капли воды рассеивают тепловое излучение и охлаждают поверхность объекта. Контроль допускается проводить при небольшом снегопаде с сухим снегом или легком моросящем дожде. При подобных погодных условиях  также немаловажным фактором является расстояние до контролируемого объекта. Чем больше расстояние между оператором, выполняющим съемку, и объектом, тем больше рассеивается поток теплового излучения.
На коэффициент излучения большое влияние имеет угол визирования - это угол, под которым расположен прибор к поверхности исследуемого объекта. На рис. 2 показан пример, в котором один участок из трех находится под некоторым углом, вследствие чего искажается картина теплового изображения. Максимальное значение излучения наблюдается в перпендикулярном поверхности тела направлении. Увеличение угла визирования приводит к резкому уменьшению потока излучения, принимаемого тепловизионным прибором. Поэтому считается, что угол визирования не должен превышать 60º. В то же время при визировании объекта с «гладкой» поверхностью по нормали к ней можно увидеть отражение излучения самого оператора. На рис. 3 приведен график зависимости коэффициента излучения от угла наблюдения для различных материалов. Из графика видно, что до значения 60º зависимости имеют почти линейный  характер, в то время как после этого значения зависимости значительно изменяются. Коэффициент излучения также зависит от длины волны. Например, вода на длине волны излучения 10 мкм близка к АЧТ (абсолютно черное тело) при наблюдении по нормали к ее поверхности и становится зеркалом (ε = 0) при наблюдении по касательной [2].

Рис. 2 На участках А и С наблюдение осуществляется по нормали к плоскости шины, участок  В находится под некоторым углом к ИК – прибору.

Рис.3 Зависимость коэффициента излучения от угла наблюдения для различных материалов. (1-черное тело, 2-серое тело, 3-5-диэлектрики с показателями преломления 1,5 , 2 и 4 соответственно, 6-полированный металл).

Геометрия (форма) объекта также влияет на результаты тепловизионной съемки, т. к. излучательные свойства поверхности меняются с изменением ее формы. Различные полости, углы, отверстия приводят к множественным отражениям между поверхностями и увеличивают коэффициент поглощения (а значит, и излучение), тем самым имитируют модель АЧТ. Например, излучение от трехгранных углов всегда оказывается выше, чем от плоских поверхностей.

В небольших замкнутых пространствах, например в КРУ (комплектное распределительное устройство), возможно влияние теплового отражения от соседних фаз, нагревательных элементов и другого оборудования на результаты. В итоге на дисплее тепловизора отобразится наличие высокой температуры, хотя в действительности это следствие теплового отражения. Поэтому рекомендуется в подобных случаях производить исследование объекта под различными углами зрения и изменением местоположения оператора с прибором. При необходимости на время измерения отключается освещение объекта и т.п. В целом следует избегать термографирования неокрашенных металлических поверхностей, особенно если рядом расположены другие нагретые объекты, излучение которых может отражаться от визируемой поверхности и создавать блики на термограммах [3]. Измерять истинную температуру металлов целесообразно после нанесения на их поверхность хорошо излучающих покрытий: черной краски, сажи и т.д. [3].


Рис.4 Влияние теплового отражения.

Заключение. При диагностировании электрооборудования тепловизионным методом одной из основных задач при его проведении является сведение к минимуму влияние факторов, вносящих погрешности в показания тепловизора. Получение максимально  точного теплового состояния объектов способствует принятию наиболее подходящего решения для устранения дефекта. 

1. Fluke Corporation Введение в термографию, Fluke Corporation, American Technical Publishers, Inc., The Snell Group, Orland Park, Иллинойс, 2009, - 68 с.
2. Афонин А. В.Инфракрасная термография в энергетике Афонин А.В. и др. под ред. Ньюпорта Р.К., Таджибаева А.И., Т. 1 Основы инфракрасной термографии. – СПб.: Изд. ПЭИПК, 2004 г. – 240 с.: ил.
3. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. – М.: ИД Спектр, 2009, -544 с.: ил.
4. Российское акционерное общество энергетики и электрификации «ЕЭС РОССИИ» «Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ» РД 153-34.0-20.363-99, 1999 г., - 136 с.

Комментарии пользователей:

7.07.2017, 18:28 Лобанов Игорь Евгеньевич Отзыв: Тема статьи актуальна, поскольку важным аспектом является точность тепловизионных измерений. Из статьи непонятны количественные оценки погрешности измерений в зависимости от приведённых факторов. Автору следует их привести, а не довольствоваться качественными параметрами. Например, показать, каково влияние исследуемых факторов на измеренное тепловое состояние. После вышеуказанной конкретизации, статья может быть рекомендована к публикации.

Оставить комментарий