laboratorium przemysłowe | temat numeru PALIWA I ENERGIA
Włodzimierz Adamczewski
Badania termograficzne
w elektroenergetyce
Streszczenie Summary
Artykuł przedstawia szeroką gamę problemów występujących The article presents a wide scope of problems which may be found
w diagnostyce termograficznej rozdzielni instalacji i aparatów in the thermo-graphic diagnosis of substation installations and
elektrycznych. Szczególną uwagę poświęcono uwarunkowaniom electrical apparatus. It concentrates on the conditions in which
pomiarów prowadzonych w terenie odkrytym, kwalifikacjom perso- open-air analyses are conducted, personnel qualifications, the
nelu, konieczności posiadania właściwych procedur badawczych necessity of implementing the appropriate research procedures
oraz właściwej aparatury. Poruszono też problematykę klasyfikacji and the correct equipment. The issue of classification of dis-
wad i najczęściej występujących błędów. advantages and the errors most commonly committed are also
part of the dissertation.
Słowa kluczowe Key words
termografia, termowizja, badania termograficzne, badania termo- thermography, thermo-vision, thermo-graphic analysis, thermo-vi-
wizyjne, diagnostyka cieplna w elektroenergetyce sion analysis, heat diagnostics in the electrical energy industry
Pewność zasilania w energię elektryczną jest dla współczesnej będzie dowodzić rangi zagrożenia, gdy obciążenie będzie zwięk-
cywilizacji podstawowym warunkiem istnienia. Stąd waga, jaką szone. W takich sytuacjach wykonywanie pomiarów uzasadnione
przykłada się do technik diagnostycznych w elektroenergetyce jest również faktem, że same  termiczne oględziny jednego toru
 począwszy od wytwarzania, poprzez dystrybucję, aż do  kon- prądowego nie są pracochłonne i trwają zwykle bardzo krótko.
sumpcji . Jedną z najlepszych technik, bo zdalnych, jest technika Jednoczesna obserwacja znacznego obszaru, a przy tym wysoka
termowizyjna. Wykrycie stanu przedawaryjnego możliwe jest na wyróżnialność małych różnic temperatury powodują, że pomi-
pracującym urządzeniu, bez konieczności jego wyłączania, jak to nięcie ewidentnej wady, nawet słabo skontrastowanej, jest bardzo
miało miejsce w klasycznych technikach diagnostycznych. Mało mało prawdopodobne. Kamery termowizyjne mają rozdzielczości
tego  obciążenie oraz praca urządzenia stanowią warunek ko- termiczne na poziomie poniżej 0,1 K, podczas gdy istotne wady
nieczny wykrycia wady. to przyrosty temperatury kilkunasto- czy kilkudziesięciostopniowe.
Jedyny mankament badań przy niskim obciążeniu to mniej precy-
Wykrywanie anomalii termicznych zyjna klasyfikacja wady niż przy większych obciążeniach.
Technika zdalnej termodetekcji w elektroenergetyce pozwala na Wpływ różnych czynników (środowisko, uwarunkowania
szybkie wykrywanie miejsc potencjalnych awarii czy wad w in- techniczne, konstrukcyjne, aparaturowe itd.) powoduje, że
stalacji i nie wymaga wyłączenia urządzeń. Z definicji bowiem o precyzji i kryteriach obiektywnych trudno mówić. W tym
wadą złącza jest jego zwiększona rezystancja, która tylko podczas świetle znaczenia nabiera doświadczenie ekipy termograficznej,
przepływu prądu prowadzi do podwyższenia temperatury złącza która na miejscu klasyfikuje wady, uwzględniając liczne czyn-
proporcjonalnie do lokalnej rezystywności oraz prądu obciąże- niki, związane zarówno z wiedzą o badanym elemencie, o wa-
nia. Stopień tego podgrzania jest podstawowym kryterium klasy- runkach i metodzie pomiaru, jak też o specyfice stosowanego
fikowania wad. urządzenia pomiarowego.
W różnych krajach są różne wymagania dotyczące stopnia ob- Termografia jest metodą porównawczą, dlatego dla właściwej
ciążenia instalacji podczas badania termograficznego. W Polsce, oceny wady i jej lokalizacji niezbędne jest uwzględnienie również
jeszcze w latach 70., jako minimum przyjęto 40-procentowe obcią- wpływu i stanu sąsiednich, takich samych elementów geometrii
żenie toru prądowego, obecnie  ze względu na ogólnie mniejsze obiektu, symetrii budowy itp.
obciążenia  dopuszcza się 30%. W torach prądowych trójfazowych oczywiste jest, że obrazy
W praktyce jednak często bywa tak, że obciążenia obwodów czy cieplne elementów porównuje się z tymi samymi w innych fazach,
linii są mniejsze od wymaganych przy diagnozie termograficznej. zwłaszcza gdy można przyjąć, że obciążenie prądowe we wszystkich
Pomiary powinno się wykonać nawet w takich warunkach, gdyż ich fazach tego samego toru jest takie samo. Pozwala to na uproszcze-
zaniechanie nie zmieni wiedzy o instalacji, natomiast wykrycie wady nie metodyki badań i ułatwienie procesu interpretacji.
Laboratorium | 6/2008
28
laboratorium przemysłowe | temat numeru PALIWA I ENERGIA
Przyrost temperatury, przegrzanie.  możliwość przełączenia na czas naprawy,
Klasyfikacja wad  skutki ewentualnej awarii (groz
ne przy zasilaniu istotnej maszyny
W wyniku  oględzin przy pomocy urządzenia termograficznego i rejestra- w ruchu ciągłym, a nieistotne np. dla jednego z wentylatorów
cji obrazów otrzymuje się termogramy elementów poddanych badaniom. hali).
Interpretacja termogramu pod względem termicznym, uwzględniająca Ostateczna decyzja o naprawie należy zawsze do użytkownika
wpływ czynników zewnętrznych, obciążenia i zastosowanych materiałów, instalacji.
powinna doprowadzić do zakwalifikowania anomalii do określonego W diagnostyce termograficznej, obok przyrostów tempera-
stopnia zagrożenia i związanej z nim pilności interwencji. tury, coraz częściej definiuje się nadwyżkę temperatury, czyli
W różnych krajach stosowane są różne kryteria klasyfikacji przegrzanie, jako różnicę między temperaturą wadliwego elementu
wad elementów urządzeń elektrycznych w zależności od przyrostu a temperaturą tych samych elementów w dwóch pozostałych fa-
temperatury. Pewien wpływ mają tu odmienne konstrukcje i nor- zach (o ile można uznać, że pracują prawidłowo i mają podobne
my dopuszczalnej gęstości prądu w zestykach, jednak decyduje tu obciążenie). Wtedy kryterium jest ostrzejsze:
niewiedza:  kiedy jest za gorąco .  ponad 30 K  naprawić natychmiast,
W światowej literaturze specjalistycznej spotyka się różne priory-  do 30 K  naprawić jak najszybciej,
tety interwencji związane z przyrostem temperatury (z klasyfikacją  do 5 K  monitorować. (Zawsze po unormowaniu do pełnego
wady). Dostawca przytłaczającej większości sprzętu termowizyjne- obciążenia).
go użytkowanego w Polsce (AGA, póz
niej AGEMA, obecnie FLIR) Podczas badań termograficznych rozdzielnic i aparatów elektrycz-
opracował szacunkowe zalecenia postępowania dla zaobserwowanych nych obydwa te kryteria (przyrost temperatury i asymetria międzyfa-
przyrostów temperatury w warunkach nominalnego obciążenia. zowa) muszą być jednocześnie brane pod uwagę przy podejmowaniu
Przyrost temperatury definiuje się tutaj jako różnicę między tem- decyzji o rejestracji i zakwalifikowaniu jej do anomalii.
peraturą maksymalną, zarejestrowaną przez kamerę na elemencie,
a temperaturą powietrza panującą w najbliższym otoczeniu. Tempe- Warunki pomiarów
ratura ta odczytywana jest przez kamerę jako temperatura elementów Generalnie zasadnicze różnice warunków pomiarowych występują
najbliższych, nieczynnych elektrycznie. W zamkniętych szafkach pomiędzy badaniami w pomieszczeniach i na otwartej przestrzeni.
elektroenergetycznych lub sterowania i automatyki temperatura ta Analizując problem warunków pomiarowych, należy mieć na uwa-
może się znacznie różnić od temperatury w pomieszczeniu. dze przede wszystkim możliwość wykonania badań. Do warunków
W przypadku urządzeń na wolnym powietrzu jest to temperatura wykluczających badania metodami termograficznymi zaliczyć należy
powietrza, ale tylko w sytuacji nienagrzewania przez słońce. Dla urzą- niedostępność optyczną (złącze zakryte, niewidoczne) oraz intensywne
dzeń tych rolę nagrzewającą pełni słońce, a rolę chłodzącą  wiatr. opady deszczu i śniegu. Do utrudniających badania  bardzo wysokie
Wiatr już o prędkości 5 m/s obniża ponad dwukrotnie przyrosty lub bardzo niskie temperatury, obecność pól magnetycznych itp.
temperatury obiektów o średnio rozwiniętej powierzchni! W pomieszczeniach zamkniętych panują na ogół odpowied-
W przypadku obciążeń mniejszych od nominalnych niezbędne jest nie warunki pomiarowe. Wyjątkiem są pomieszczenia przegrzane,
przeliczenie otrzymanego przyrostu temperatury do 100% maksymalnego miejsca w pobliżu pieców, na stropach kotłów, w pobliżu wanien
obciążenia możliwego w tym obwodzie, zgodnie z zasadą, że przyrost szklarskich itp. Chodzi tu zarówno o warunki pracy aparatury
temperatury proporcjonalny jest do kwadratu prądu obciążenia.  typowo do 50�C, jak i obsługi. Poczucie dyskomfortu powoduje
chęć szybszego zakończenia pracy, może też spowodować błędne
Przyrost temperatury zachowania. Nieodpowiednie warunki panują też w pomieszcze-
W przypadku przyrostu temperatury obowiązują następujące za- niach z silnymi polami elektromagnetycznymi.
lecenia: Badania w otwartej przestrzeni, gdy zależy nam na precyzji
 ponad 50 K  natychmiastowa interwencja, pomiarów, powinny odbywać się w nocy przy pełnym zachmurze-
 30 K do 50 K  niezbędna naprawa tak szybko, jak to tylko niu oraz przy znacznym obciążeniu. Badania urządzeń elektroener-
możliwe, getycznych mogą odbywać się również w dzień, jednak nie przy
 10 K do 29 K  poprawić w pierwszym dogodnym terminie, bezpośrednim nasłonecznieniu obiektów, najlepiej przy niskiej,
mniej niż 10 K  monitorować. pełnej pokrywie chmur. Latem, w dzień nawet promieniowanie
Są to zalecenia  miękkie , których stosowanie zależy od wielu rozproszone chmur zauważalnie zniekształca pole temperatury
czynników, takich jak: obiektów. Obiekty wysokotemperaturowe (powyżej 150-200�C),
 możliwość wystąpienia obciążeń większych od zarejestrowanych zwłaszcza przy wysokiej emisyjności powierzchni, mogą być ba-
w czasie badań termograficznych (niekoniecznie muszą to być dane o każdej porze dnia i roku  wyjątkiem jest wymóg bardzo
obciążenia nominalne dla danego aparatu elektrycznego), wysokiej dokładności pomiaru.
Prędkość wiatru (m/s) Mnożnik
1 1,00
2 1,36
3 1,64
4 1,86
5 2,06
6 2,23
7 2,40
8 i więcej nie wykonuje się pomiarów
Tabela 1. Współczynniki mnożenia wartości przyrostu temperatury ze wzglę-
Rozdzielnia nn. Wysoka temperatura przewodów łączących aparaty elektryczne
du na prędkość wiatru
Laboratorium | 6/2008
30
temat numeru PALIWA I ENERGIA l laboratorium przemysłowe
Niekorzystne efekty (silne schłodzenie i spłaszczenie rozkładu gnałów odbijanych z powierzchni badanych obiektów mogą więc
pola temperatury) daje padający deszcz i śnieg. Wiatr porywisty być zarówno sygnały z bardzo zimnej przestrzeni kosmicznej, jak
również silnie schładza obiekty o małej bezwładności cieplnej lub i ze z
ródeł ciepłych. Największy problem z odblaskami powoduje
niskim przewodnictwie cieplnym. Duża wilgotność powietrza i mgła oczywiście słońce jako z
ródło punktowe i wysokotemperaturowe
powodują zmianę własności transmisyjnych powietrza i osłabienie (6000 K). Efekty te stosunkowo łatwo zauważyć i wyeliminować.
sygnału docierającego do kamery termowizyjnej. Sporej uwagi wymaga uwzględnienie możliwości wystąpienia innych
odbić. W przypadku badania obiektów o niskim współczynniku
Wpływ wiatru emisyjności, czyli wysokiej odbijalności i niewysokiej temperaturze
W przypadku badań zewnętrznych istotną rolę odgrywają warun- powierzchni, odblaski mogą powodować np. ludzie, lampy oświetle-
ki środowiskowe. Temperatura powietrza jest nieistotna (interesują niowe, kominy, napowietrzne rurociągi ciepłownicze, samochody.
nas przyrosty temperatury ponad otoczenie), natomiast ważną rolę Analizując problem odbić, należy brać pod uwagę krzywiznę bada-
odgrywa wiatr, który schładza podgrzane złącza. Jeżeli ten fakt nie nego obiektu i możliwość reemisji sygnałów z różnych kierunków,
zostanie uwzględniony, może to zmniejszyć sygnalizowany stopień tym wyższą, im dana powierzchnia jest bardziej odchylona od kie-
zagrożenia. runku prowadzonej obserwacji. Pamiętać o tym powinni zwłaszcza
Wytwórca aparatury termowizyjnej opracował orientacyjne użytkownicy pirometrów.
współczynniki obniżenia przyrostu temperatury w zależności od Uwzględniając oddziaływanie nieba, od badanego obiektu do
prędkości wiatru. Podlegają one jednak wielu ograniczeniom. Są urządzenia termograficznego docierają dwa (a nawet więcej) rodza-
to parametry fizykochemiczne obiektu i powietrza: je promieniowania cieplnego nałożone na siebie: promieniowanie
 podatność obiektu na schładzanie przez wiatr (masa, kształt własne i promieniowanie odbite. Przy badaniach termograficznych
i przewodnictwo cieplne), na otwartej przestrzeni na obraz własny nakładają się odbicia od
 stałość prędkości wiatru (w przypadku zmienności długi czas otoczenia mającego temperaturę bliską temperaturze powietrza
uśredniania dla obiektów o dużej bezwładności cieplnej, krótki (ściany domów, drzewa, ziemia), odbicia ciepłe omówione wyżej
 tuż przed pomiarem  dla obiektów małych). oraz zimne odblaski, zwykle od nieboskłonu. Urządzenie termo-
W tabeli 1 przedstawiono współczynniki, przez które mnożone graficzne nie rozróżnia tych rodzajów promieniowania, traktuje
są otrzymane wartości przyrostów temperatury, aby uzyskać odnie- je jako sumę  odbicia od scenerii mającej temperaturę otoczenia
sienie do pogody bezwietrznej. uwzględnia w obliczeniach (po to ustawiamy temperaturę otoczenia
Błąd względny otrzymanych wartości przyrostów temperatury w kamerze). Efekt odbicia  zimnego nieba jako brak pewnej skła-
oraz błąd klasyfikacji wady zwiększają się wraz z prędkością wiatru, dowej pojawi się jako temperatura obiektu niższa od temperatury
co powoduje, że już przy wietrze ponad 4 m/s nie zaleca się wyko- otoczenia (co oczywiście jest interpretacją błędną). Stwierdzono, że
nywania badań, gdy wymagania co do precyzji są wysokie. chmury o niskim pułapie dają efekt mało różniący się od wpływu
drzew, domów, trawy, ziemi itp., gdyż mają temperaturę radiacyjną
Wpływ słońca bliską temperaturze otoczenia.
Słońce oddziałuje dwojako: poprzez nagrzanie elementu poddanego Temperatura radiacyjna czystego nieba bez chmur, przy ma-
badaniom oraz przez odblaski. Pierwszy rodzaj oddziaływania zazwy- łej wilgotności powietrza w dzień czy w nocy, jest bardzo niska,
czaj uniemożliwia badanie termograficzne. Elementy duże, o dużej np. -60�C czy -80�C (odczyt zależny od przejrzystości powietrza
bezwładności cieplnej, powinny być badane dopiero kilka godzin i kąta nad horyzontem). Wpływ nieba będzie więc m.in. funkcją
po zaniku oddziaływania słońca. Odblaski przy chwilowych prze- chwilowego zachmurzenia, co jest stwierdzeniem ważnym dla ba-
jaśnieniach oraz zimą nie są zbyt groz
ne dla doświadczonych ekip. dań w ogólności obiektów pod gołym niebem, a w szczególności
Na zarejestrowanych termogramach, zwłaszcza po upływie pewnego wyższych pięter budynków. Powierzchnie o dobrej odbijalności
czasu od rejestracji i przy skomplikowanej geometrii powierzchni (blacha aluminiowa, ocynkowana, a nawet szyby w budynkach)
obiektu, istnieje niebezpieczeństwo niewłaściwej interpretacji gorą-  badane przy braku zachmurzenia, pod kątami umożliwiającymi
cych punktów. Z tego względu podczas silnego oddziaływania słońca nałożenie zimnego promieniowania bezchmurnego nieba  mogą
unika się pomiarów termograficznych elementów o temperaturze wykazać dużo niższą temperaturę niż rzeczywista, mimo prawidło-
poniżej 100-200�C (zależnie od współczynnika emisyjności). wo dobranego współczynnika emisyjności. Te same powierzchnie
badane w dzień pochmurny, pod tymi samymi kątami, wykażą
Odblaski temperaturę bardziej zbliżoną do rzeczywistej  oczywiście w ba-
Odblaski nakładają się na obraz cieplny badanego obiektu. Problem daniach nocnych również.
odblasków wynika z odbijalności powierzchni. Tylko ciała dosko-
nale czarne lub przezroczyste nie wykazują odbijalności. Wśród sy- Drugą część artykułu opublikujemy w następnym numerze.
Szacht kablowy. Duże obciążenie prądowe kabla Rozdzielnia SN. Wada złącza roboczego odłącznika
Laboratorium | 6/2008
31
31