Контроль теплового режима электротехнических устройств (силовых трансформаторов, электродвигателей, разъединителей, высоковольтных линий электропередач и др.) имеет важное значение для их эксплуатации. Применение тепловизионных устройств позволило значительно сократить время, необходимое для контроля, сделать его достоверным, дешевым и безопасным.
Впервые тепловизионный метод контроля теплового режима электротехнических устройств применен шведской фирмой AGEMA. Разработанный для этой цели тепловизор обеспечивает измерение абсолютной температуры высоковольтных трансформаторов, переключающих и распределительных устройств высокого напряжения, высоковольтных изоляторов. Как показали многократные проверки, повышение температуры объекта на 10 °С должно регистрироваться и учитываться при последующем осмотре; при повышении на 20 °С объект подлежит замене при ближайшем ремонте; при превышении более чем на 30 °С напряжение должно быть отключено, а объект заменен.
Была проведена серия экспериментов с целью определения эффективности применения тепловизионного метода для контроля состояния и профилактического осмотра высоковольтного оборудования. Контролю подвергались контакты и губки разъединителей (110 кВ), элементы конденсаторных батарей (110 кВ), трансформаторы тока (220 кВ), вводы масляных выключателей (110 кВ), подвесная изоляция (110...330 кВ), контакты предохранителей (6 кВ). Эффективность тепловизионного метода контроля видна из примера проверки конденсаторной батареи подстанции «Южная» (мощность батареи 55 МВА, число конденсаторов 2874). При пробое элементов конденсатора перегорают предохранители и ток, проходящий через конденсатор, падает до нуля (рабочий ток 5 А). Поэтому пробитые конденсаторы имеют такую же температуру, как и окружающие его металлические конструкции, а исправные — более высокую, так как через них проходит ток. По заводской инструкции контроль конденсаторов должен проводиться 2 раза в год, что требует примерно 2 чел./мес трудозатрат; тепловизионный контроль позволяет выполнить эту работу в течение одного дня. По подсчетам экономический эффект от внедрения тепловизионного метода для контроля высоковольтного оборудования крупной подстанции составляет около 100 тыс. рублей в год.
Большое значение для повышения надежности электроснабжения имеет заблаговременное обнаружение прогрессирующих перегревов в линиях электропередачи. Контрольные методы, которые применяются в настоящее время для этой цели, трудоемки, связаны с большими материальными затратами и необходимостью частичного отключения оборудования. Этих недостатков лишен тепловизионный метод, который позволяет оценить проводимость контактного соединения по градиенту температуры в области болтового соединения.
0,5 Х,М
Рис. 5.3. График изменения температуры вдоль оси шины в зависимости от расстояния до точки с максимальной температурой Ттах
График зависимости Ттах — Туст= / (х) изображен на рис. 5.3 (штрих- пунктирная линия); там же показан аналогичный график, построенный на основании контрольных замеров температуры вдоль оси шины с плохим качеством болтового соединения с помощью тепловизора «Рубин-МТ», имеющего выход строчного видеосигнала [25] осциллограф (сплошная линия)
Успешно осуществляется контроль линий электропередачи с вертолета.
Контроль состояния облицовки плавильных печей.
Сталеплавильные печи облицованы изнутри керамическими огнеупорными материалами. По мере эксплуатации печей часть облицовки изнашивается и разъедается
расплавленным металлом, что связано с опасностью для обслуживающего персонала; поэтому облицовку через определенный срок приходится заменять. Полная замена облицовки больших сталеплавильных печей очень дорога, так как связана с остановкой производства на 3...4 нед. Наиболее приемлем здесь термографический контроль. Внешняя проверка действующих печей тепловизором может указать на локальные перегревы стальной оболочки, трещины и области обмуровки, где она тоньше нормы. Измерения температуры внешней оболочки, выполненные с помощью тепловизора, могут указать области разрушения обмуровки на рассматриваемом участке. Термограмма позволяет задержать замену обмуровки до тех пор, пока она не станет абсолютно необходимой, т. е. использовать обмуровку в течение максимального возможного времени. Снятая во время работы печи термограмма будет способствовать быстрому обнаружению опасных трещин во время периодического осмотра в охлажденной печи, так как сделать это визуально очень трудно.
Диагностика устройств тягового электроснабжения железных дорог.
С помощью тепловизоров возможна диагностика устройств тягового электроснабжения железных дорог. При этом для массового контроля и выявления неисправностей контактных соединений температурная чувствительность тепловизора должна быть не ниже 5 °С, диапазон измеряемых температур — 20...+150 °С; поле зрении 20 X 10°, мгновенный угол зрения 10 мрад, время кадра 1/12,5 с.
Критерием состояния тарельчатых изоляторов типа ПФ-6А может быть разность температур между их шапкой и тарелкой. У исправного изолятора значения температуры тарелки и шапки не отличаются друг от друга на термограмме, а общая температура изолятора отличается от температуры окружающей среды на 0,2—0,4 °С. Для выявления дефектных изоляторов с помощью тепловизора его температурная чувствительность должна быть не ниже и, I С, диапазон измеряемых температур — 20...+50°С; поле зрения 3 X о , мгновенный угол зрения 5'.
Наличие хотя бы одного исправного изолятора в гирлянде (в тяговой сети постоянного тока) не позволяет выявить дефектные изоляторы тепловизионным способом, так как через гирлянду не проходит ток утечки.
Тепловизоры применяют также для определения состояния изоляции высоковольтных выводов на тяговых подстанциях энергоучастков. Чувствительность тепловизора при этом должна быть не ниже 0,1 °С.
Испытание автопокрышек.
Тепловые процессы, протекающие в автопокрышках, имеют важное значение для их эксплуатации. При заводских испытаниях автомобильных и авиационных покрышек на специальных стендах стремятся выявить влияние на распределение температуры по структуре покрышки таких факторов, как скорость ее вращения, изменение этой скорости, давление воздуха в камере и нагрузка на колесо. Необходимо знать влияние каждого из этих факторов в отдельности и их совместное воздействие. Эти воздействия не одинаковы для разных точек покрышки и зависят от ее конструкции. Однако обычная термограмма показывает только среднюю температуру в каждом концентрическом слое покрышки, в результате чего положение области перегрева не может быть локализовано.
Эта задача успешно решается с помощью специального тепловизора, снабженного дополнительным устройством, получившим название «термостроб». Оно позволяет видеть стробированное (неподвижное) тепловое изображение вращающегося объекта. Применяя тепловизор с термостробом, можно наблюдать тепловое изображение вращающейся покрышки во время динамических испытаний и фиксировать участки ее перегрева.
К областям применения тепловизоров в промышленности и науке при исследовании температурных полей относят также следующие:
измерение температурных режимов при изготовлении бумаги, листового проката металла, производстве стекла, резины и пластика, бетонных и железобетонных изделий:
испытание стекол с электрическим подогревом для автомобилей и самолетов;
измерение температуры вращающихся деталей машин, а также металлических деталей и инструментов при обработке на станках;
изучение процессов теплопередачи в моделях, испытываемых в аэродинамических трубах;
исследование распределения температуры в газовой струе авиационных двигателей;
определение температуры поверхности ИСЗ в камерах, моделирующих космические условия полета;
контроль качества защиты атомных реакторов электростанций; определение положений подземных и скрытых коммуникаций; контроль уровня и положения теплых или холодных жидкостей в резервуаре;
непрерывный контроль обмуровки вращающихся обжиговых печей в процессе их работы;
определение потерь в зубчатых зацеплениях;
дефектоскопия материалов и отдельных конструкций при проведении статических и динамических испытаний;
определение областей перехода ламинарного режима течения в турбулентный при аэрофизических исследованиях;
дефектоскопия болтовых и заклепочных соединений; неразрушающий контроль неметаллических материалов; исследование внутренней коррозии баков и цистерн; контроль качества сварки тонкостенных конструкций по термограммам сварного шва, на который подается импульс тока;
изучение теплоизоляции труб искусственных катков; исследование тепловых эффектов в клинических и биологических процессах и др.
С развитием тепловизионной техники область применения тепловизоров для анализа тепловых полей непрерывно расширяется. В России и за рубежом для этого созданы специальные типы приборов.
В модели АТП-44 (рис. 5.4) используется зеркальный объектив со сканирующим плоским зеркалом. Поле зрения 10 X 10е, порог температурной чувствительности 0,2 °С, время сканирования кадра 2,5'с при 250 строках в кадре. В тепловизоре цифровой преобразователь теплового сигнала в телевизионный стандарт выполнен на основе оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Запись и считывание информации производится независимо. На экране ЭЛТ цветного ВКУ возможно получение неизменного сигнала любого выбранного кадра. Предусмотрены изотермы, шкалы температур, соответствующих уровню черного, указатель диапазона температур и строка цифр на 15 знаков 127.
Рис. 5.4. Структурная схема анализатора тепловых полей АТП-44:
1 — приемная камера; 2—блок синхронизации; 3 —блок предварительной аналоговой обработки; 4 — блок управления сканером, 5 — АЦП; 6 — контроллер ввода; 7 — ОЗУ; 8 — контроллер вывода; 9 — блок формирования вспомогательной информации; 10 — блок формирования ТВ сигнала: 11 — черно-белое ВКУ; 12 — цветное ВКУ
В тепловизоре фирмы «Джеол» (Япония) сканирование также осуществляется плоским зеркалом с частотой от 0,80 до 0,25 Гн, при этом число строк может изменяться от 67 до 200. Порог температурной чувствительности 0,2 °С. В приборе введена линеаризация зависимости коэффициента усиления от температуры, что облегчает анализ термограмм. На экране ЭЛТ, кроме теплового изображения наблюдаемого объекта, слева и снизу индицируется распределение амплитуды сигнала в вертикальном или горизонтальном направлении.
В тепловизоре фирмы «Бофорс» (Швеция) вместо колеблющегося зеркала используется шестигранная зеркальная призма, вращающаяся со скоростью 4500 мин-1 и обеспечивающая 110 строк/кадр. Кадровое сканирование осуществляется плоским зеркалом (рис. 5.5) с частотой 4 Гц. Порог температурной чувствительности тепловизора 0,1 °С.
Рис. 5.5. Оптическая схема тепловизора фирмы «Бофорс» (Швеция): 1 — приемник излучения; 2 — усилитель: 3 — плоское зеркало для кадрового сканирования: 4 — зеркальный объектив; Б — зеркальная вращающаяся, призма; 6 — двигатель
Применение зеркальной призмы привело к устранению паразитных вибраций сканирующего зеркала, возникающих обычно при его колебательном движении. Амплитуда тем больше, чем выше скорость сканирования, что не позволяет увеличивать частоту кадров или строк.
В тепловизоре фирмы «Тексас Инструмент» (США) также используется для сканирования зеркальная вращающаяся призма. Малая скорость сканирования (0,25 Гц) позволяет достигнуть низкого порога температурной чувствительности (0,07 °С); угловое разрешение прибора 0,75 мрад при поле зрения 33 X 33°.
Недостатком тепловизоров с одноэлементным ПИ и вращающейся зеркальной призмой является необходимость их установки перед объективом пол» зрения. Это ведет к увеличению размеров тепловизора и уменьшению числа его граней. При этом частоту кадров не удается сделать больше» 5 Гц, что вызывает мелькание изображения на экране ВКУ даже при использовании ЭЛТ с послесвечением.
