Визначення втрат у контактних з’єднаннях із застосуванням засобів інфрачервоної техніки

Впровадження засобів інфрачервоної (ІЧ) техніки в енергетику є одним з напрямів розвитку високоефективної системи технічного діагностування, яка забезпечує можливість контролю теплового стану електроустаткування і електроустановок без виведення їх з роботи, виявлення дефектів на ранній стадії їх розвитку, скорочення витрат на технічне обслуговування за рахунок прогнозування термінів і об'ємів ремонтних робіт.

Досвід проведення ІЧ-діагностування одного із найбільш уразливих елементів електрообладнання - контактних з'єднань свідчить, що причинами виникнення в них дефектів можуть бути:

- у контактних з'єднаннях, виконаних зварюванням: відхилення від заданих параметрів, підрізи, міхури, каверни, непровари, напливи, тріщини, шлакові і газові включення (раковини), незакладені кратери, перепал дротин струмоведучих жил, неспіввісність сполучених провідників, неправильний вибір наконечників, відсутність захисних покриттів на з'єднаннях та ін.;

- у контактних з'єднаннях, виконаних опресовуванням: неправильний підбір наконечників або гільз, неповне введення жили в наконечник, недостатня міра опресовування, зсув сталевого сердечника в з'єднувачі проводу і т. п.

При проведенні ІЧ-обстеження електроустаткування істотне значення має виявлення і усунення систематичних і випадкових похибок, що чинять вплив на результати вимірювань.

Для проведення ІЧ-діагностування окремих вузлів електроустаткування або термографічного обстеження можуть бути використані:

- інфрачервоні пірометри;

- високочутливі багатофункціональні тепловізори.

Вибір засобів ІЧ-діагностування багато в чому визначається тими технічними завданнями, які передбачається вирішувати з їх допомогою.

До комплекту приладів оператора, що здійснює ІЧ-діагностування, повинні входити:

- пірометр (тепловізор);

- анемометр ручний з діапазоном виміру до 10 м/с;

- електронний контактний термометр з ціною ділення 0,1 °С.

Радіаційний пірометр є недорогим приладом в порівнянні з тепловізором, але для цілей ІЧ-діагностування його можливостей цілком достатньо.

Вибір типу пірометра залежить перш за все від можливої сфери його застосування і пов'язаних з цим чинників. При вимірюванні температури контактів за допомогою пірометра необхідно вибирати прилад з малим кутом візування і можливістю перемикання коефіцієнта випромінювальної здатності.

При кутах візування 1:30 – 1:100 пірометри можуть застосовуватися в електроустановках напругою 0,4–10 кВ і забезпечувати роботоздатність в умовах впливу електромагнітних полів. Інакше, коли контрольований об'єкт знаходиться на значній відстані або розміри його малі, може виникнути ситуація, при якій в зону вимірювань разом з контрольованим об'єктом попаде ділянка оточуючого його зовнішнього середовища з іншою температурою. Температура зовнішнього середовища в цьому випадку може внести істотну похибку до показів пірометра, особливо якщо вимірювання температури контрольованого об'єкту здійснюється на фоні неба, що залежно від його стану (хмарність, ясне небо) може різко спотворити вимірювання температури об'єкту.

Швидкість повітряного потоку в районі вимірюванню температури контактних зєднань не повинна перевищувати 2–3 м/с.

Великий вплив на покази пірометрів і тепловізорів чинить випромінювальна здатність об'єкту вимірювання. Коефіцієнт випромінювання матеріалу в загальному вигляді залежить від довжини хвилі і температури. У пірометрах є можливість встановлення випромінювальної здатності матеріалу вимірюваної поверхні. Тепловізор має загальну установку цього коефіцієнта. На покази приладів впливає також кут, під яким спостерігається поверхня контрольованого об'єкту. Таким чином, орієнтування на значення температури, отриманої за допомогою дорогого тепловізора, може давати істотну помилку.

Оскільки струмоведучий вузол електричного апарату або установки може включати декілька компонентів з різнорідних металів, поверхні яких мають різні коефіцієнти випромінювання, то при ІЧ-контролі можуть виникнути припущення про перегріви на ділянках з підвищеними коефіцієнтами випромінювання.

Для металів, на відміну від газоподібних і рідких речовин, спектральний коефіцієнт випромінювання змінюється значно (таблиця.6.1).

Таблиця 6.1 - Коефіцієнти випромінювання матеріалів

Вигляд матеріалу	Стан поверхні	Температура °С	Коефіцієнт випромінювання, ε
Алюміній	Необроблена поверхня	20–50	0,06–0,07
Окислений	50–500	0,2–0,3
Мідь	На струмозйомниках, матова	20–100	0,5
З тонкою окисною плівкою		0,037
На струмозйомниках, блискуча	20–100	0,3
Сталь	Поржавіла		0,69
Оксидована	200–600	0,8
Оцинкована		0,28

Розглянемо термограму приєднання струмоведучої шини до тримача запобіжника (рис.6.3). Термограма контактного з'єднання у фазі В показує, що температура сполучного болта більш ніж на 20 °С перевищує температуру шини. Насправді ці температури рівні. Цей ефект пояснюється різницею в коефіцієнтах випромінювання болта (ε = 0,69) і блискучої шини (ε = 0,25).

Рисунок 6.3 - Вимірювання температури приєднання запобіжника:

а) фаза А – 110 А, фаза В – 113 А, фаза З – 83 А;

б) фаза В: болт (? = 0,69), шина алюмінієва (? = 0,25).

Для підтвердження істотності впливу відбивної здатності на покази тепловізора був проведений дослід. Запобіжник знаходився тривалий час на землі і, природно, отримав значення її температури. Потім температура запобіжника була виміряна контактним термометром і тепловізором (рис.6.4). З термограми видно, що температури поверхонь, виміряні термометром і тепловізором, практично збігаються. Проте за термограмою температура алюмінієвих виводів запобіжника на декілька градусів нижча, хоча реально вона дорівнює температурі поверхні.

Рисунок 6.4 - Вимірювання температури запобіжника

Ще одним підтвердженням можливої помилки у визначенні температури тепловізором служить термограма на рис. 6.5. На наведеній поряд фотографії видно, що шини забарвлені. На термограмі різниця температур на межі «забарвлена – незабарвлена» складає 4–5 °С, хоча вочевидь температура шин однакова.

Рисунок 6.6 - Вимірюванн температури приєднання рубильника із забарвленими шинами

При змінному струмовому навантаженні доводиться зважати на теплову інерцію контрольованого об'єкту.

Так, теплова постійна часу для контактних вузлів апаратів складає порядка 20–30 хв, тому при визначенні струму навантаження за амперметром контрольованого приєднання не слід враховувати короткочасні кидки струму, пов'язані з комутаційними процесами або режимом роботи споживача. Температура контактних з'єднань встановлюється після 1–1,5 години його роботи під навантаженням (рис. 6.6).

Рисунок 6.6 - Зміна температури болтового контактного з'єднання при незмінному струмі, обумовлена його тепловою інерцією

Втрати електроенергії за рік в проводах і збірних шинах розподільних пристроїв підстанцій, наведені в таблиці 6.2, отримані в Російській Федерації.

Слід зазначити, що для ТП 6–10 кВ основні втрати зосереджені у розподільчому пристрої(РП) 0,4 кВ. Це означає, що середня величина потужності, що розсіюється в РП 0,4 кВ споживчих трансформаторних підстанцій, згідно таблиці 6.2 складає близько 150 Вт. Реальний же нагрів елементів РП дає можливість передбачити, що повна величина втрат значно перевищує вказану.

Частину цієї величини складають втрати в контактних з'єднаннях РП трансформаторної підстації. За відсутності достовірних даних про контакти і їх перехідні опори при розрахунку струмів КЗ в мережах, що живляться трансформаторами потужністю до 1600 кВА, рекомендується для РП підстанцій враховувати їх сумарний опір активним опором величиною 15 мОм [21]. Розрахунки, проведені для схем конкретних РП, показують, що якщо користуватися такими значеннями опорів, то втрати в контактах РП можуть перевищувати втрати в обмотках силового трансформатора.

Таблиця 6.2 - Річні втрати електроенергії в сполучних провідниках і збірних шинах розподільчих пристроїв підстанцій

Напруга, кВ
Втрати, тис. кВт·год	1,3	1,3

У [22] рекомендується приймати значення опорів контактів комутаційних апаратів згідно з таблицею 6.3, а для наближеного врахування: 0,1 мОм – для контактних опорів кабелів; 0,01 мОм – для шинопроводів; 1,0 мОм – для комутаційних апаратів.

Таблиця 6.3 - Наближені значення опорів роз'ємних контактів комутаційних апаратів напругою до 1 кВ

Номінальний струм апарату, А	Активний опір роз'ємних з'єднань, мОм
Автоматичний вимикач	Рубильник	Розєднувач
	0,6	0,4	—
	0,4	0,2	0,2
	0,25	0,15	0,15
	0,12	0,08	0,08

Певну частину втрат в РП 0,4 кВ складає потужність на нагрів запобіжників або автоматичних вимикачів (таблиця 6.4). Застосування автоматичних вимикачів з тепловими і електромагнітними розчіплювачами за рахунок опору котушок збільшує величину втрат на їх нагрів в 1,5–2 рази в порівнянні із запобіжниками такого ж номінального струму.

Таблиця 6.4 - Втрати на нагрів запобіжників

Тип запобіжника	Номінальний струм плавкої вставки, А	Втрати потужності, Вт, не більше
ПН2-250		12,5
ПН2-400

Якщо при розрахунку втрат використовувати значення контактних з'єднань, що рекомендуються в [22], і враховувати втрати в запобіжниках, то сума втрат потужності в цих елементах може значно перевищувати втрати, що регламентуються для РП 6–10 кВ(таблиця 2) і стає порівнянною з втратами в обмотках трансформатора ТП 6–10 кВ.

При розробці заходів щодо зниження втрат стає актуальним завдання оцінювання величини втрат потужності і енергії в контактних з'єднаннях РП 0,4 кВ. Реальні значення величин контактних опорів можна визначити за допомогою ІЧ-вимірювань.

Прикладом може бути цикл вимірювань розподілу температури і втрат активної потужності в рубильнику зі встановленим запобіжником. Розрахункові ділянки конструкції показані на рис. 6.8. На рис. 6.9 показаний розподіл температур і втрат активної потужності при проходженні струму 100 А по рубильнику РПС-2 із запобіжником ПН2-250 при підвищеному значенні опору контакту в місці кріплення шини до рубильника на ділянці 1.

Рисунок 6.8 - Розрахункові ділянки рубильника із запобіжником:

1, 8 – болтові кріплення шини і рубильника; 2, 4 – контакти ножа рубильника; 3 – ніж рубильника; 5, 7 – контакти запобіжника; 6 – корпус запобіжника.

Рисунок 6.9 - Розподіл температури і втрат активної потужності в рубильнику із запобіжником при підвищеному опорі на ділянці 1 контакту з шиною

Знаючи температури шин, контактних з'єднань, рубильника, запобіжника, можна визначити вузли, в яких втрати потужності більші допустимих значень. Так, на прикладі болтового контактного з'єднання рубильника необхідно виміряти надлишкову температуру і за допомогою графіка (рис.6.10) визначити активну потужність, що втрачається в даному контактному з'єднанні.

Рисунок 6.10 – Графік для визначення втрат потужності в болтовому контактному з'єднанні рубильника для різних температур перегріву

Дана діаграма показує, що, наприклад, перевищення виміряної температури контрольованого вузла над температурою аналогічного справного вузла в 40 °С дає втрати потужності 22 Вт. Графік можна використовувати для оцінки втрат потужності в болтових з'єднаннях шин з рубильниками на номінальні струми 250–400 А.

Висновки

1 Інфрачервона техніка (пірометр, тепловізор) дає досить інформативний матеріал для визначення перегріву контактів в електроустановках, що дозволяє своєчасно усунути його причини.

2 В електроустановках напругою 0,4–10 кВ економічно доцільно застосовувати пірометри з кутами візування 1:30 – 1:100. За можливості перемикання коефіцієнта випромінювальної здатності точність вимірювань температури контактного з'єднання за допомогою пірометра може бути не нижча, ніж за допомогою тепловізора.

3 Найзначніший вплив на точність вимірювань чинить величина випромінювальної здатності місця нагріву. Пірометр вимірює середню температуру плями діаметром 15–30 мм, тому потрібен аналіз властивостей додаткового покриття контактів (фарби, плівки та ін.) і місця його розташування для забезпечення необхідної точності.

Дата добавления: 2015-09-04