Η θερμογραφική ανάλυση είναι μια μέθοδος ελέγχου του ηλεκτρικού και μηχανολογικού εξοπλισμού μέσω απεικόνισης της κατανομής θερμότητας.
Βασίζεται στην αρχή ότι τα περισσότερα εξαρτήματα ενός συστήματος παρουσιάζουν αύξηση της θερμοκρασίας τους σε περίπτωση δυσλειτουργίας. Τυχόν τοπικά προβλήματα που οφείλονται σε μεταβολή της ωμικής αντίστασης, καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια και παράγουν θερμότητα. Έτσι, η τοπική θερμοκρασία ενός θερμού σημείου θα είναι υψηλότερη σε σχέση με τον περιβάλλοντα χώρο ή ένα προκαθορισμένο σημείο αναφοράς.
Παρατηρώντας τα θερμογραφήματα του εξοπλισμού, εντοπίζονται χαλαρές συνδέσεις, ασύμμετρη φόρτιση, συνθήκες υπερφόρτισης, φθορά και άλλα προβλήματα υλικού.
Η θερμογραφία καλείται επίσης υπέρυθρη ραδιομετρία ή υπέρυθρη σάρωση ή σάρωση θερμοκρασιών. Το όργανο που χρησιμοποιείται είναι η θερμογραφική κάμερα ή αλλιώς θερμοκάμερα.
Πρόκειται για μια συσκευή υψηλής τεχνολογίας η οποία καταγράφει την φυσική υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπει ένα θερμό σώμα, και στη συνέχεια παράγει μια θερμική απεικόνιση. Οι σύγχρονες κάμερες είναι εύκολες στον χειρισμό και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ενώ ο εξεταζόμενος εξοπλισμός βρίσκεται σε πλήρη λειτουργία. Αυτό είναι σημαντικό διότι αποφεύγεται η διακοπή της ηλεκτρικής τροφοδότησής του, με το αντίστοιχο οικονομικό όφελος.
Όταν διεξάγεται ένας θερμογραφικός έλεγχος, τα σφάλματα εντοπίζονται μέσω της σύγκρισης θερμικών δειγμάτων σε παρόμοια εξαρτήματα, αλλά υπό διαφορετικό φορτίο.
Συνήθως οι κάμερες συνοδεύονται από το αντίστοιχο λογισμικό, με το οποίο πραγματοποιείται ανάλυση της θερμικής ταυτότητας του εξοπλισμού. Αρχικά ορίζεται ένα σημείο αναφοράς στο οποίο αντιστοιχίζεται η «φυσιολογική θερμοκρασία». Η θερμοκρασία κάθε άλλου σημείου συγκρίνεται και εκτιμάται βάσει της διαφοράς με τη θερμοκρασία αναφοράς. Η διαφορά αυτή, καλείται ανύψωση θερμοκρασίας.
Υπάρχουν οδηγίες σχετικά με τον χαρακτηρισμό των ανυψώσεων θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, κατά την διεξαγωγή δοκιμής θερμοκρασίας ανύψωσης σε μετασχηματιστές, η συνιστώμενη διαφορά θερμοκρασίας της επιφάνειας της δεξαμενής σε σχέση με το άνω στρώμα λαδιού δεν πρέπει να υπερβαίνει τους 20ºC (IEEE C57.119-2001 “Recommended Practice for performing temperature rise tests”).
Η έκθεση του EPRI “Guidelines for the Life Extension Of Substations” περιλαμβάνει οδηγίες σχετικά με τη θερμογραφική ανάλυση.
Η θερμογραφία θεωρείται από πολλούς ως η ευκολότερη και πιο παραγωγική μέθοδος ανίχνευσης προβλημάτων τάσης προτού αυτά προκαλέσουν σφάλματα.
Παραδείγματα χρήσης θερμογραφικής εκτίμησης σε μετασχηματιστές ισχύος
1. Εφαρμογή σε δεξαμενές
Αν ένας μετασχηματιστής έχει χαμηλή στάθμη ελαίου, ένα θερμογράφημα θα δείξει σκοτεινή εικόνα για το τμήμα χωρίς λάδι και μια πολύ φωτεινότερη για το τμήμα που περιέχει λάδι
2. Εφαρμογή σε μονωτήρες διέλευσης
Αν ένας ακροδέκτης μονωτήρα διέλευσης έχει χαλαρή σύνδεση με αγωγό (ή τις μπάρες), υπό συνθήκες φόρτισης θα προκληθεί υπερθέρμανση.. Το θερμογράφημα θα εμφανίζει τον ακροδέκτη θερμότερο από το κυρίως σώμα της πορσελάνης.
Οι θερμογραφικές σαρώσεις μπορούν να εμφανίσουν χαμηλές στάθμες λαδιού, πράγμα που σημαίνει αναγκαιότητα άμεσης απενεργοποίησης και αντικατάστασής τους. Αυτό ενδέχεται να οφείλεται στο ότι η στεγανοποίηση στο κάτω τμήμα του μονωτήρα έχει πρόβλημα, με διαρροή προς το εσωτερικό του μετασχηματιστή. Η στεγανοποίηση στο άνω τμήμα μπορεί να έχει και αυτή πρόβλημα, επιτρέποντας στον αέρα και την υγρασία να εισχωρήσει στο εσωτερικό του (μονωτήρα). Γενικά η υψηλή στάθμη λαδιού, υποδηλώνει ότι η στεγανοποίηση στο κάτω τμήμα του μονωτήρα έχει πρόβλημα
Η πλειοψηφία των σφαλμάτων σε μονωτήρες διέλευσης οφείλεται στην εισχώρηση υγρασίας από το άνω τμήμα. Είναι σημαντικό να συγκρίνουμε με προηγούμενα θερμογραφήματα που έχουν πραγματοποιηθεί πάνω στον ίδιο μονωτήρα. Σε περιπτώσεις σφάλματος τα αποτελέσματα μπορεί να είναι καταστροφικά για τον μετασχηματιστή, τον κεντρικό διακόπτη ή ακόμη και τους εργαζόμενους.
Η δοκιμή θερμού κολάρου μπορεί να εντοπίσει την εισχώρηση υγρασίας. Ωστόσο έχει τα μειονεκτήματα ότι δεν πραγματοποιείται συχνά, ότι ο μετασχηματιστής πρέπει να τεθεί εκτός λειτουργίας και ότι οι αγωγοί σύνδεσης στο πρωτεύον και δευτερεύον πρέπει να απομακρυνθούν.
3. Εφαρμογή σε αλεξικέραυνα
Όταν τα εσωτερικά εξαρτήματα ενός αλεξικέραυνου μολύνονται με υγρασία εξαιτίας κακής στεγανοποίησης ή ελαττωμάτων της πορσελάνης, η εσωτερική αντίσταση αυξάνεται. Ανάλογα με το βαθμό της μόλυνσης, ορισμένα τμήματα μπορεί να εμφανίσουν τοπικές υπερθερμάνσεις. Έτσι, οι περιοχές με υγρασία θα εμφανίζονται πιο σκοτεινές.
Παρατηρείται ότι στο θερμογράφημα του σχήματος, το αλεξικέραυνο εμφανίζει ένα ασυνήθιστο φωτεινό κίτρινο σημείο (περίπου στο 1/3 του μήκους από το πάνω άκρο). Μια τέτοια ένδειξη θα σήμαινε αναγκαιότητα άμεσης απενεργοποίησης και αντικατάστασής του. Σε περιπτώσεις σφάλματος τα αποτελέσματα μπορεί να είναι καταστροφικά για τον γειτονικό εξοπλισμό ή ακόμη και το ίδιο το προσωπικό.
Είναι σημαντικό τα αποτελέσματα να συγκρίνονται με προηγούμενα θερμογραφήματα που έχουν πραγματοποιηθεί πάνω στο ίδιο αλεξικέραυνο. Έτσι προκύπτουν πιο αξιόπιστα συμπεράσματα και δημιουργείται ιστορικό για μεταγενέστερες συγκρίσεις.
4 Εφαρμογή σε ψυγεία
Σε περίπτωση που υπάρχει μια βλάβη η οποία παρεμποδίζει ή σταματά τη ροή του λαδιού μέσα από ένα ψυγείο θα απεικονισθεί ως εξής. Οι σκοτεινές περιοχές θα υποδηλώνουν περιορισμένη ροή λαδιού ενώ οι φωτεινότερες μια φυσιολογική ροή.
Το θερμογράφημα στο σύστημα ψύξης, δίνει στοιχεία για κλειστές βάνες ή φραγμένες σωληνώσεις. Ένας μετασχηματιστής δεν πρέπει να λειτουργεί με μειωμένη ψύξη, αφού κάτι τέτοιο μειώνει τη διάρκεια ζωής του. Μια αύξηση θερμοκρασίας της τάξεως των 6-8ºC επιφέρει μείωση της διάρκειας ζωής του κατά 50%.
Γίνεται λοιπόν κατανοητό, ότι πρέπει να λαμβάνονται θερμογραφήματα από όλο τον εξοπλισμό του συστήματος ψύξης, όπως εναλλάκτες θερμότητας, ανεμιστήρες, αντλίες και κινητήρες.
Επίσης, έλεγχος πρέπει να πραγματοποιείται και στους αντίστοιχους ηλεκτρικούς πίνακες, ώστε να εντοπίζονται υπερφορτίσεις αγωγών, χαλαρές συνδέσεις και υπερθερμαμένα ρελέ.
5 Εφαρμογή σε μεταγωγέα λήψεων
Υπό φυσιολογικές συνθήκες λειτουργίας, οι απώλειες χαλκού και τα δινορεύματα προκαλούν στην κυρίως δεξαμενή έκλυση θερμότητας, μεγαλύτερη από αυτή που αναπτύσσεται στο διαμέρισμα του μεταγωγέα. Πιο συγκεκριμένα όταν δεν υπάρχει μεταβολή λήψεων, η θερμότητα στον μεταγωγέα πρέπει να είναι αμελητέα. Εάν δημιουργηθούν θερμά σημεία στον τελευταίο, αυτά θα αυξήσουν τη θερμοκρασία σε τέτοιο βαθμό, που πιθανότατα θα υπερβεί την θερμοκρασία της κυρίως δεξαμενής. Μια τέτοια κατάσταση απεικονίζεται στο επόμενο θερμογράφημα, όπου ο μηχανισμός εμφανίζει φωτεινότερο χρώμα.
Βασίζεται στην αρχή ότι τα περισσότερα εξαρτήματα ενός συστήματος παρουσιάζουν αύξηση της θερμοκρασίας τους σε περίπτωση δυσλειτουργίας. Τυχόν τοπικά προβλήματα που οφείλονται σε μεταβολή της ωμικής αντίστασης, καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια και παράγουν θερμότητα. Έτσι, η τοπική θερμοκρασία ενός θερμού σημείου θα είναι υψηλότερη σε σχέση με τον περιβάλλοντα χώρο ή ένα προκαθορισμένο σημείο αναφοράς.
Παρατηρώντας τα θερμογραφήματα του εξοπλισμού, εντοπίζονται χαλαρές συνδέσεις, ασύμμετρη φόρτιση, συνθήκες υπερφόρτισης, φθορά και άλλα προβλήματα υλικού.
Η θερμογραφία καλείται επίσης υπέρυθρη ραδιομετρία ή υπέρυθρη σάρωση ή σάρωση θερμοκρασιών. Το όργανο που χρησιμοποιείται είναι η θερμογραφική κάμερα ή αλλιώς θερμοκάμερα.
Πρόκειται για μια συσκευή υψηλής τεχνολογίας η οποία καταγράφει την φυσική υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπει ένα θερμό σώμα, και στη συνέχεια παράγει μια θερμική απεικόνιση. Οι σύγχρονες κάμερες είναι εύκολες στον χειρισμό και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ενώ ο εξεταζόμενος εξοπλισμός βρίσκεται σε πλήρη λειτουργία. Αυτό είναι σημαντικό διότι αποφεύγεται η διακοπή της ηλεκτρικής τροφοδότησής του, με το αντίστοιχο οικονομικό όφελος.
Όταν διεξάγεται ένας θερμογραφικός έλεγχος, τα σφάλματα εντοπίζονται μέσω της σύγκρισης θερμικών δειγμάτων σε παρόμοια εξαρτήματα, αλλά υπό διαφορετικό φορτίο.
Συνήθως οι κάμερες συνοδεύονται από το αντίστοιχο λογισμικό, με το οποίο πραγματοποιείται ανάλυση της θερμικής ταυτότητας του εξοπλισμού. Αρχικά ορίζεται ένα σημείο αναφοράς στο οποίο αντιστοιχίζεται η «φυσιολογική θερμοκρασία». Η θερμοκρασία κάθε άλλου σημείου συγκρίνεται και εκτιμάται βάσει της διαφοράς με τη θερμοκρασία αναφοράς. Η διαφορά αυτή, καλείται ανύψωση θερμοκρασίας.
Υπάρχουν οδηγίες σχετικά με τον χαρακτηρισμό των ανυψώσεων θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, κατά την διεξαγωγή δοκιμής θερμοκρασίας ανύψωσης σε μετασχηματιστές, η συνιστώμενη διαφορά θερμοκρασίας της επιφάνειας της δεξαμενής σε σχέση με το άνω στρώμα λαδιού δεν πρέπει να υπερβαίνει τους 20ºC (IEEE C57.119-2001 “Recommended Practice for performing temperature rise tests”).
Η έκθεση του EPRI “Guidelines for the Life Extension Of Substations” περιλαμβάνει οδηγίες σχετικά με τη θερμογραφική ανάλυση.
Η θερμογραφία θεωρείται από πολλούς ως η ευκολότερη και πιο παραγωγική μέθοδος ανίχνευσης προβλημάτων τάσης προτού αυτά προκαλέσουν σφάλματα.
Παραδείγματα χρήσης θερμογραφικής εκτίμησης σε μετασχηματιστές ισχύος
1. Εφαρμογή σε δεξαμενές
Αν ένας μετασχηματιστής έχει χαμηλή στάθμη ελαίου, ένα θερμογράφημα θα δείξει σκοτεινή εικόνα για το τμήμα χωρίς λάδι και μια πολύ φωτεινότερη για το τμήμα που περιέχει λάδι
Διαφορά θερμοκρασίας σε σημείο με ροή λαδιού (31,6ºC) έναντι σημείου χωρίς ροή λαδιού (18,9ºC)
2. Εφαρμογή σε μονωτήρες διέλευσης
Αν ένας ακροδέκτης μονωτήρα διέλευσης έχει χαλαρή σύνδεση με αγωγό (ή τις μπάρες), υπό συνθήκες φόρτισης θα προκληθεί υπερθέρμανση.. Το θερμογράφημα θα εμφανίζει τον ακροδέκτη θερμότερο από το κυρίως σώμα της πορσελάνης.
Υπερθέρμανση ακροδέκτη μονωτήρα διέλευσης
Οι θερμογραφικές σαρώσεις μπορούν να εμφανίσουν χαμηλές στάθμες λαδιού, πράγμα που σημαίνει αναγκαιότητα άμεσης απενεργοποίησης και αντικατάστασής τους. Αυτό ενδέχεται να οφείλεται στο ότι η στεγανοποίηση στο κάτω τμήμα του μονωτήρα έχει πρόβλημα, με διαρροή προς το εσωτερικό του μετασχηματιστή. Η στεγανοποίηση στο άνω τμήμα μπορεί να έχει και αυτή πρόβλημα, επιτρέποντας στον αέρα και την υγρασία να εισχωρήσει στο εσωτερικό του (μονωτήρα). Γενικά η υψηλή στάθμη λαδιού, υποδηλώνει ότι η στεγανοποίηση στο κάτω τμήμα του μονωτήρα έχει πρόβλημα
Η πλειοψηφία των σφαλμάτων σε μονωτήρες διέλευσης οφείλεται στην εισχώρηση υγρασίας από το άνω τμήμα. Είναι σημαντικό να συγκρίνουμε με προηγούμενα θερμογραφήματα που έχουν πραγματοποιηθεί πάνω στον ίδιο μονωτήρα. Σε περιπτώσεις σφάλματος τα αποτελέσματα μπορεί να είναι καταστροφικά για τον μετασχηματιστή, τον κεντρικό διακόπτη ή ακόμη και τους εργαζόμενους.
Η δοκιμή θερμού κολάρου μπορεί να εντοπίσει την εισχώρηση υγρασίας. Ωστόσο έχει τα μειονεκτήματα ότι δεν πραγματοποιείται συχνά, ότι ο μετασχηματιστής πρέπει να τεθεί εκτός λειτουργίας και ότι οι αγωγοί σύνδεσης στο πρωτεύον και δευτερεύον πρέπει να απομακρυνθούν.
Στάθμη λαδιού σε μονωτήρα διέλευσης
3. Εφαρμογή σε αλεξικέραυνα
Όταν τα εσωτερικά εξαρτήματα ενός αλεξικέραυνου μολύνονται με υγρασία εξαιτίας κακής στεγανοποίησης ή ελαττωμάτων της πορσελάνης, η εσωτερική αντίσταση αυξάνεται. Ανάλογα με το βαθμό της μόλυνσης, ορισμένα τμήματα μπορεί να εμφανίσουν τοπικές υπερθερμάνσεις. Έτσι, οι περιοχές με υγρασία θα εμφανίζονται πιο σκοτεινές.
Ελαττωματικό αλεξικέραυνο
Παρατηρείται ότι στο θερμογράφημα του σχήματος, το αλεξικέραυνο εμφανίζει ένα ασυνήθιστο φωτεινό κίτρινο σημείο (περίπου στο 1/3 του μήκους από το πάνω άκρο). Μια τέτοια ένδειξη θα σήμαινε αναγκαιότητα άμεσης απενεργοποίησης και αντικατάστασής του. Σε περιπτώσεις σφάλματος τα αποτελέσματα μπορεί να είναι καταστροφικά για τον γειτονικό εξοπλισμό ή ακόμη και το ίδιο το προσωπικό.
Είναι σημαντικό τα αποτελέσματα να συγκρίνονται με προηγούμενα θερμογραφήματα που έχουν πραγματοποιηθεί πάνω στο ίδιο αλεξικέραυνο. Έτσι προκύπτουν πιο αξιόπιστα συμπεράσματα και δημιουργείται ιστορικό για μεταγενέστερες συγκρίσεις.
4 Εφαρμογή σε ψυγεία
Σε περίπτωση που υπάρχει μια βλάβη η οποία παρεμποδίζει ή σταματά τη ροή του λαδιού μέσα από ένα ψυγείο θα απεικονισθεί ως εξής. Οι σκοτεινές περιοχές θα υποδηλώνουν περιορισμένη ροή λαδιού ενώ οι φωτεινότερες μια φυσιολογική ροή.
Το θερμογράφημα στο σύστημα ψύξης, δίνει στοιχεία για κλειστές βάνες ή φραγμένες σωληνώσεις. Ένας μετασχηματιστής δεν πρέπει να λειτουργεί με μειωμένη ψύξη, αφού κάτι τέτοιο μειώνει τη διάρκεια ζωής του. Μια αύξηση θερμοκρασίας της τάξεως των 6-8ºC επιφέρει μείωση της διάρκειας ζωής του κατά 50%.
Γίνεται λοιπόν κατανοητό, ότι πρέπει να λαμβάνονται θερμογραφήματα από όλο τον εξοπλισμό του συστήματος ψύξης, όπως εναλλάκτες θερμότητας, ανεμιστήρες, αντλίες και κινητήρες.
Επίσης, έλεγχος πρέπει να πραγματοποιείται και στους αντίστοιχους ηλεκτρικούς πίνακες, ώστε να εντοπίζονται υπερφορτίσεις αγωγών, χαλαρές συνδέσεις και υπερθερμαμένα ρελέ.
5 Εφαρμογή σε μεταγωγέα λήψεων
Υπό φυσιολογικές συνθήκες λειτουργίας, οι απώλειες χαλκού και τα δινορεύματα προκαλούν στην κυρίως δεξαμενή έκλυση θερμότητας, μεγαλύτερη από αυτή που αναπτύσσεται στο διαμέρισμα του μεταγωγέα. Πιο συγκεκριμένα όταν δεν υπάρχει μεταβολή λήψεων, η θερμότητα στον μεταγωγέα πρέπει να είναι αμελητέα. Εάν δημιουργηθούν θερμά σημεία στον τελευταίο, αυτά θα αυξήσουν τη θερμοκρασία σε τέτοιο βαθμό, που πιθανότατα θα υπερβεί την θερμοκρασία της κυρίως δεξαμενής. Μια τέτοια κατάσταση απεικονίζεται στο επόμενο θερμογράφημα, όπου ο μηχανισμός εμφανίζει φωτεινότερο χρώμα.
