Методы и средства диагностики оборудования ВН - Радиометрические методы теплового контроля

Глава шестая
РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И КОНТРОЛИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Выделение тепла в электрооборудовании связано с потерями энергии. Потери в токоведущих частях определяются их сопротивлением и рабочим током. В металлических элементах конструкций потери энергии связаны с протеканием вихревых токов. В изоляции имеются диэлектрические потери.
Возникновение дефектов в указанных элементах приводит к увеличению потерь энергии. Выделившееся тепло частично отводится, а оставшаяся часть вызывает изменение теплового состояния объекта, его нагрев. Одним из проявлений этого является изменение распределения температур на поверхности соответствующего узла объекта. Это и используется для диагностирования.

Известны и другие методы выявления рассматриваемых дефектов. В токоведущих частях наиболее часты дефекты контактных соединений; при этом увеличивается сопротивление контактного перехода. Дефект может быть выявлен при измерении этого сопротивления или падения напряжения на контакта от рабочего тока. Дефекты изоляционных конструкций и устройств для ограничения перенапряжений, при которых увеличивается мощность потерь, могут быть обнаружены прямыми измерениями соответствующих параметров — tgδ изоляции и тока проводимости.
Однако относительная простота контроля, наглядность полученных данных и (при бесконтактном контроле) высокая производительность и отсутствие необходимости вмешательства в рабочие режимы оборудования определили достаточно широкую область применения методов диагностики по тепловым проявлениям дефектов.

Методы непосредственного измерения температуры в данной точке поверхности объекта при помощи контактных термометров, термощупов и других приборов известны давно. Применение их ограничивается достаточно высокой трудоемкостью и необходимостью использования изолирующих приспособлений, так как контролируемые элементы оборудования обычно находятся под рабочим напряжением.
Различные термоиндикаторные пленки и покрытия, наносимые на контролируемый узел, широкого применения не получили из-за недостаточной долговечности и надежности.

В этой главе будут рассмотрены дистанционные методы, основанные на индикации тепловых излучений - радиометрические методы контроля.
Для построения системы диагностирования, основанной на тепловых проявлениях дефектов, необходимо:
выявить и классифицировать возможные дефекты оборудования, наличие которых изменяет тепловое состояние объекта;
определить диагностические параметры, характеризующие тепловое поле объекта или его изменения, значения которых могут быть измерены в условиях эксплуатации;
установить браковочные критерии и предельные значения диагностических параметров для каждого вида или группы дефектов.
Параметром, значения которого определяются тепловым состоянием объекта, является его температура. В качестве диагностического признака дефекта используется температура контролируемого узла или же распределение ее по поверхности объекта.
Следует учитывать, что приборы, основанные на измерении теплового излучения, определяют температуру только очень тонкого слоя поверхности. Внутренние дефекты и явления могут быть обнаружены лишь тогда, когда они создают изменения температуры поверхности объекта, достаточные для измерения. Поэтому для решения задач диагностики необходимо выявить связь между процессами, возникающими при развитии дефектов внутри объекта, и процессами на его поверхности, т.е. определить тепловой образ дефекта на поверхности объекта.
Достаточно развитой и проверенной в эксплуатации системы диагностики, полностью отвечающей сформулированным условиям, еще нет. Однако уже давно проводится разработка разных аспектов этой проблемы и накоплен значительный опыт. Исходя из имеющихся данных [32-34] укажем на возможности и опишем методы диагностики оборудования путем контроля его теплового состояния.
Наиболее отработана методика дистанционного контроля открытых соединений токоведущих частей электрооборудования, контактных соединений шин, кабелей, а также разъемных контактов коммутационной аппаратуры. Выявляются дефекты, приводящие к увеличению переходного сопротивления контакта. Имеется однозначная связь между степенью развития дефекта и его тепловым проявлением: мощность, выделяемая в контактном соединении при известном значении тока, пропорциональна его переходному сопротивлению.
Способы контроля другого оборудования пока еще находятся в стадии разработки. Проводятся опыты по выявлению повышенного тепловыделения в изоляции вводов, измерительных трансформаторов, конденсаторов. Обнаруживаются локальные нагревы баков трансформаторов вихревыми токами. Определяется наличие дефектов разрядников (неравномерное распределение напряжения, увлажнение).
Оценка полученных данных производится лишь путем сравнения между собой результатов измерений на однотипных объектах. Это дает возможность выявлении объектов с повышенным нагревом. Определение вида дефекта и оценка его опасности пока невозможны. Поэтому для таких объектов рассматриваемый метод контроля следует отнести к числу экспресс-методов выявления отклонения от нормального состояния.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Радиометрические методы в последние годы получили широкое распространение при решении большого количества прикладных задач. Приведем лишь данные, необходимые для изложения проблем диагностики электрооборудования по тепловому излучению; более подробные сведения имеются в [35, 36] и других специальных изданиях.
Тепловое излучение. Все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, являются источниками электромагнитного излучения, возникающего за счет тепловой энергии (теплового излучения).
Практический интерес для рассматриваемых задач контроля имеет излучение в инфракрасной области (ИК-излучение)1. ИК-излучение занимает протяженную область спектра - от видимого (красного) света до диапазона радиоволн, т.е. с длинами волн от 0,76 мкм до 1 мм.
ИК-излучение, распространяясь в атмосфере, селективно поглощается парами воды, углекислым газом, метаном, озоном. Участки спектра с высоким пропусканием ИК-излучений называются ’’атмосферными окнами”.
Для контроля изоляции линий электропередач используются и другие виды излучений (видимый свет, ультрафиолетовое излучение и т.п.). Соответствующие методы контроля описаны в [18].
Наибольшее значение для контроля теплового состояния объектов имеют окна в диапазонах длин волн 3-5 и 8-14 мкм. При температуре объекта 300 К (27°С) в диапазоне 3-5 мкм излучается лишь 1,3% теплового потока; на диапазон 8-14 мкм приходится 26,4% излучения, что делает его предпочтительным.
Методы радиометрии - дистанционного измерения температуры объекта - основаны на регистрации его теплового излучения.
Идеальным тепловым излучателем является так называемое абсолютно черное тело; его излучение является только функцией температуры. Реальные твердые тела, излучение которых имеет тот же спектр, что и излучение черного тела при данной температуре, называются серыми. Их излучение отличается только интенсивностью. Для оценки излучательной способности таких тел используется коэффициент излучения ε.
Интегральная плотность излучения для серых тел R =εο Т4, где ε - коэффициент излучения; о - постоянная (коэффициент Стефана- Больцмана), а Т - температура тела (влиянием температуры внешней среды пренебрегаем). Измерив тепловое излучение объекта и зная значение ε, можно определить его температуру.
Точность измерения температуры радиометрическими методами определяется достоверностью значения коэффициента излучения, который существенно зависит от материала и температуры излучателя, а также от состояния его поверхности. Состояние поверхности даже однотипных объектов может быть разным; меняется оно и во времени (от атмосферных воздействий). Поэтому возможны значительные погрешности определения температуры контролируемого объекта. Обычно при измерениях используются усредненные значения коэффициента излучения (табл. 6.1).
Плотность излучения в любом направлении, составляющем угол Θ с нормалью к излучающей поверхности re = rH cos0, где ги - плотность излучения единичной поверхности в направлении нормали к ней. Реально измеряется суммарное излучение в некотором телесном угле <р; тогда. Следовательно, результат измерения будет
зависеть также от взаимного расположения объекта и измерительного устройства.
Нагретое тело находится в динамическом равновесии с окружающей средой. На него падает излучение других тел (фоновое излучение), часть которого поглощается, а другая - излучается. Коэффициенты поглощения и излучения равны, поэтому в потоке излучения контролируемого объекта будет составляющаягде Гф - средневзвешенная температура окружающих предметов (температура фона). Влияние этой составляющей потока излучения должно быть исключено из результатов измерения.

Таблица 6.1. Значения коэффициента излучения