Диагностика

Внедрение приборов инфракрасной (ИК) техники в энергетику является одним из направлений развития высокоэффективной системы технической диагностики, которая обеспечивает возможность контроля теплового состояния электрооборудования и электроустановок без вывода их из работы, выявления дефектов на ранней стадии их развития, сокращения затрат на техническое обслуживание за счет прогнозирования сроков и объемов ремонтных работ.
О некоторых особенностях, которые следует учитывать при проведении ИК-диагностики на трансформаторных подстанциях, рассказывают кубанские ученые.

КОНТАКТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В РАСПРЕДУСТРОЙСТВАХ ТП
Определение потерь при помощи инфракрасной диагностики

Александр Богдан, д.т.н., профессор
Константин Гарькавый, к.т.н., доцент
Даниил Нетребко, магистр
Кубанский государственный аграрный университет,
г. Краснодар

Опыт проведения ИК-диагностики контактных соединений показывает, что причинами возникновения в них дефектов могут являться:

• в контактных соединениях, выполненных сваркой: отклонения от заданных параметров, подрезы, пузыри, каверны, непровары, наплывы, трещины, шлаковые и газовые включения (раковины), незаделанные кратеры, пережог проволок жилы, несоосность соединенных проводников, неправильный выбор наконечников, отсутствие защитных покрытий на соединениях и т.п.;
• в контактных соединениях, выполненных опрессовкой: неправильный подбор наконечников или гильз, неполный ввод жилы в наконечник, недостаточная степень опрессовки, смещение стального сердечника в соединителе провода и т.п.

При проведении ИК-обследования электрооборудования существенное значение имеет выявление и устранение систематических и случайных погрешностей, оказывающих влияние на результаты измерения.

Для проведения ИК-диагностики отдельных узлов электрооборудования или термографического обследования могут быть использованы:

• инфракрасные пирометры;
  высокочувствительные многофункциональные тепловизоры.

В паспортных материалах на тепловизоры указывается очень высокая точность измерения температур. Это привлекает потребителей, несмотря на высокую стоимость приборов. Однако погрешность в определении температуры конкретной точки поверхности с помошью тепловизора может быть весьма существенной. Поэтому в практической работе эксплуатационного персонала возможно использование недорогих пирометров.

Набор оборудования

Выбор типа и параметра прибора ИК-диагностики во многом определяется теми техническими задачами, которые предполагается решать с его помощью.

В набор приборов оператора, осуществляющего ИК-диагностику, должны входить:

• пирометр (тепловизор);
• анемометр ручной с диапазоном измерения до 10 м/с;
• электронный контактный термометр с ценой деления 0,1 °С.

Радиационный пирометр является недорогим прибором по сравнению с тепловизором, но для целей ИК-диагностики его возможностей вполне достаточно.

Выбор типа пирометра зависит прежде всего от возможной области его применения и связанных с этим факторов. При измерениях температуры контактов с помощью пирометра необходимо выбирать аппарат с малым углом визирования и возможностью переключения коэффициента излучательной способности. Величина ступени для переключения должна быть не менее 0,05–0,1.

При углах визирования 1:30 – 1:100 пирометры могут применяться в электроустановках 0,4–10 кВ и обеспечивать работоспособность в условиях влияния электромагнитных полей. Иначе, когда контролируемый объект находится на удаленном расстоянии или размеры его малы, может возникнуть ситуация, при которой в зону измерения наряду с контролируемым объектом попадет участок окружающей его внешней среды (воздух и т.д.) с иной температурой. Температура внешней среды в этом случае может внести существенную погрешность в результаты показания пирометра, особенно если измерение температуры контролируемого объекта осуществляется на фоне неба, что в зависимости от его состояния (облачность, ясное небо) может резко исказить замер температуры объекта.

Скорость воздушного потока в районе измеряемых контактов не должна превышать 2–3 м/с.

Излучательная способность

Большое влияние на показания пирометров и тепловизоров оказывает излучательная способность объекта измерения. Коэффициент излучения материала в общем виде зависит от длины волны и температуры. В пирометрах есть возможность установки излучательной способности материала измеряемой поверхности. Тепловизор имеет общую установку этого коэффициента. На показания приборов влияет также угол, под которым наблюдается поверхность контролируемого объекта. Таким образом, ориентировка на значения температуры, полученной с помощью дорогостоящего тепловизора, может давать существенную ошибку.

Поскольку токоведущий узел электрического аппарата или установки может включать в себя несколько компонентов из разнородных металлов, поверхности которых имеют различные коэффициенты излучения, то при ИК-контроле могут возникнуть предположения о перегревах на участках с повышенными коэффициентами излучения.

Для металлов, в отличие от газообразных и жидких веществ, спектральный коэффициент излучения изменяется значительно (табл. 1).

Табл. 1. Коэффициенты излучения материалов

Рассмотрим термограмму присоединения токоведущей шины к держателю предохранителя (рис. 1). Термограмма контактного соединения в фазе В показывает, что температура соединительного болта более чем на 20 °С превышает температуру шины. В действительности эти температуры равны. Этот эффект объясняется разницей в коэффициентах излучения болта (ε = 0,69) и блестящей шины (ε = 0,25).

Рис. 1. Измерение температуры присоединения предохранителя:
а) фаза А – 110 А, фаза В – 113 А, фаза С – 83 А;
б) фаза В: болт (ε = 0,69), шина алюминиевая (ε = 0,25).

Для подтверждения существенности влияния отражательной способности на показания тепловизора был проведен опыт. Предохранитель находился длительное время на земле и, естественно, приобрел значение ее температуры. Затем температура предохранителя была измерена контактным термометром и тепловизором (рис. 2). Из термограммы видно, что температуры поверхностей, измеренные термометром и тепловизором, практически совпадают. Однако по термограмме температура алюминиевых выводов предохранителя на несколько градусов ниже, хотя реально она равна температуре поверхности.

Рис. 2. Измерение температуры предохранителя

Еще одним подтверждением возможной ошибки в определении температуры тепловизором служит термограмма рис. 3. На приведенной рядом фотографии видно, что шины окрашены. На термограмме разница температур на границе «окрашенная – неокрашенная» составляет 4–5 °С, хотя очевидно, что температура шин одинакова.

Рис. 3. Измерение температуры присоединения рубильника с окрашенными шинами

Тепловая инерция

При переменной токовой нагрузке приходится считаться с тепловой инерцией контролируемого объекта.

Так, тепловая постоянная времени для контактных узлов аппаратов составляет порядка 20–30 мин, поэтому при определении тока нагрузки по амперметру контролируемого присоединения не следует учитывать кратковременные броски тока, связанные с коммутационными процессами или режимом работы потребителя. Температура контактных соединений устанавливается после 1–1,5 часа его работы под нагрузкой (рис. 4).

Рис. 4. Изменение температуры болтового контактного соединения при неизменном токе, обусловленное его тепловой инерцией

Потери мощности

Согласно приказу Минэнерго РФ № 326 от 30.12.2008 «Об организации в Министерстве энергетики Российской Федерации работы по утверждению нормативов технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям» потери электроэнергии за год в соединительных проводах и сборных шинах распределительных устройств подстанций регламентируются данными табл. 2.

Табл. 2. Годовые потери электроэнергии в соединительных проводах и сборных шинах РУ подстанций

Для ТП 6–10 кВ основные потери сосредоточены в схеме РУ 0,4 кВ. Это значит, что средняя величина мощности, рассеиваемая в РУ 0,4 кВ таких ТП, согласно табл. 2 составляет порядка 150 Вт. Действительный же нагрев элементов РУ дает возможность предположить, что полная величина потерь значительно превышает указанную.

Часть этой величины составляют потери в контактных соединениях РУ ТП. При отсутствии достоверных данных о контактах и их переходных сопротивлениях при расчете токов КЗ в сетях, питаемых трансформаторами мощностью до 1600 кВА, рекомендуется для РУ подстанций учитывать их суммарное сопротивление активным сопротивлением величиной 15 мОм [1]. Расчеты, проведенные для схем конкретных РУ, показывают, что если пользоваться такими значениями сопротивлений, то потери в контактах РУ могут превышать потери в обмотках силового трансформатора.

В [2] рекомендуетcя принимать значения сопротивлений контактов коммутационных аппаратов согласно табл. 3, а для приближенного учета: 0,1 мОм – для контактных сопротивлений кабелей; 0,01 мОм – для шинопроводов; 1,0 мОм – для коммутационных аппаратов.

Табл. 3. Приближенные значения сопротивлений разъемных контактов коммутационных аппаратов напряжением до 1 кВ

Определенную часть потерь в РУ 0,4 кВ составляет мощность на нагрев предохранителей или автоматических выключателей (табл. 4). Применение автоматических выключателей с тепловыми и электромагнитными расцепителями за счет сопротивления катушек [2] увеличивает величину потерь на их нагрев в 1,5–2 раза по сравнению с предохранителями равного номинального тока.

Табл. 4. Потери на нагрев предохранителей

Если в расчетах потерь использовать значения контактных соединений, рекомендуемых в [2], и учитывать потери в предохранителях, то сумма потерь мощности в этих элементах может значительно превышать потери, регламентируемые табл. 2 для РУ 6–10 кВ и становится сравнимой с потерями в обмотках трансформатора ТП 6–10 кВ.

При разработке мероприятий по снижению потерь становится актуальной задача оценки величины потерь мощности и энергии в контактных соединениях РУ 0,4 кВ. Реальные значения величин контактных сопротивлений можно определить с помощью ИК-измерений.

Авторами проведен цикл измерений распределения температуры и потерь активной мощности в рубильнике с установленным предохранителем. Расчетные участки конструкции показаны на рис. 5. На рис. 6 показано распределение температур и потерь активной мощности при прохождении тока 100 А по рубильнику РПС-2 с предохранителем ПН2-250 при повышенном значении сопротивления контакта в месте крепления шины к рубильнику на участке 1.

Рис. 5. Расчетные участки рубильника с предохранителем

1, 8 – болтовые крепления шины и рубильника;
2, 4 – контакты ножа рубильника;
3 – нож рубильника;
5, 7 – контакты предохранителя;
6 – корпус предохранителя.

Рис. 6. Распределение температуры и потерь активной мощности в рубильнике с предохранителем при повышенном сопротивлении на участке 1 контакта с шиной

Зная температуры шин, контактных соединений, рубильника, предохранителя, можно определить узлы, в которых потери мощности больше допустимых значений. Так, на примере болтового контактного соединения рубильника необходимо измерить избыточную температуру и с помощью диаграммы (рис. 7) определить активную мощность, теряемую в данном контактном соединении.

Рис. 7. Диаграмма определения потери мощности в болтовом контактном соединении рубильника для разных температур перегрева

Данная диаграмма показывает, что, например, превышение измеренной температуры контролируемого узла над температурой аналогичного исправного узла в 40 °С дает потери мощности 22 Вт. Диаграмму можно использовать для оценки потерь мощности в болтовых соединениях шин с рубильниками на номинальные токи 250–400 А.

Выводы

1. Инфракрасная техника (пирометр, тепловизор) дает достаточно информативный материал для определения перегрева контактов в электроустановках, что позволяет своевременно произвести его устранение.
2. В электроустановках 0,4–10 кВ экономически целесообразно применять пирометры с углами визирования 1:30 – 1:100. При возможности переключения коэффициента излучательной способности точность измерения температуры контактного соединения с помощью пирометра может быть не меньше, чем с помощью тепловизора.
3. Самое значительное влияние на точность измерения оказывает величина отражательной способности места нагрева. Пирометр измеряет среднюю температуру пятна диаметром 15–30 мм, поэтому требуется анализ свойств дополнительного покрытия контактов (краски, пленки и др.) и места его расположения для обеспечения необходимой точности измерения.

Литература

1. Справочник по проектированию электроснабжения / Под ред. Ю.Г. Барыбина и др. М.: Энергоатомиздат, 1990. 576 с.
2. ГОСТ 28249-93. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ. Введ. в действие с 01.01.1995. Минск: Изд-во стандартов, 1994. 63 с.