TEHNIČKO VELEUČILIŠTE U ZAGREBU POLITEHNIČKI SPECIJALISTIČKI DIPLOMSKI STRUČNI STUDIJ Specijalizacija elektrotehnika
IVAN JOSIPOVIĆ
PRIMJENA TERMOVIZIJE U ELEKTROENERGETICI DIPLOMSKI RAD br. E 192
Zagreb, 2012.
TEHNIČKO VELEUČILIŠTE U ZAGREBU POLITEHNIČKI SPECIJALISTIČKI DIPLOMSKI STRUČNI STUDIJ Specijalizacija elektrotehnika
IVAN JOSIPOVIĆ JMBAG: 2443000744
PRIMJENA TERMOVIZIJE U ELEKTROENERGETICI DIPLOMSKI RAD br. E 192
Povjerenstvo: prof.dr.sc. Slavica Ćosović Bajić
_______________
dr.sc. Sonja Zentner Pilinsky, prof.v.šk.
_______________
dr.sc. Predrag Valožić, prof.v.šk.
_______________
Zagreb, lipanj 2012.
TEHNIČKO VELEUČILIŠTE U ZAGREBU POLITEHNIČKI SPECIJALISTIČKI DIPLOMSKI STRUČNI STUDIJ Specijalizacija elektrotehnika
IVAN JOSIPOVIĆ JMBAG: 2443000744
PRIMJENA TERMOVIZIJE U ELEKTROENERGETICI DIPLOMSKI RAD br. E 192
Povjerenstvo: prof.dr.sc. Slavica Ćosović Bajić
_______________
dr.sc. Sonja Zentner Pilinsky, prof.v.šk.
_______________
dr.sc. Predrag Valožić, prof.v.šk.
_______________
Zagreb, lipanj 2012.
Sažetak U ovom radu na temu Primjena termovizije u elektroenergetici opisao sam karakteristike termovizijskih slika i mogućnosti primjene za detekciju kvarova na
energetskim sustavima. Cilj mi je bio istražiti i mogućnost realizacije monitoring sustava sa termovizijskom kamerom za on- line praćenje rada u elektroenergetskim prostorima. Termovizija je prisutna u Hrvatskoj petnaestak godina, a pretežno se koristila
za potrebe održavanja industrijskih pogona. Jedan od većih problema u energetici su skriveni kvarovi koji u najnepovoljnijem trenutku mogu izazvati prekid energetskog procesa. Stoga se infracrvena tehnologija koristi za preventivno održavanje postrojenja, jer se mogu otkriti slaba mjesta. Tom metodom mogu se promatrati visokonaponska oprema, razvodni ormari, motori, crpke ili pak gubici u izolaciji i dok
su električni sustavi pod opterećenjem. Termovizijska snimanja sprječavaju opsežnu i skupu sanaciju, mogu biti dio programa preventivnog održavanja te naknadne kontrole izvedenih radova. S ciljem smanjenja troškova, rada bez zastoja i skupih kvarova te nepredviđeno izgubljenog vremena , termovizija svakako predstavlja kvalitetan alat za brzo i točno dijagnosticiranje problema koji se ne mogu detektirati vizualnim pregledima.
Sadržaj str. POPIS OZNAKA I KRATICA POPIS TABLICA POPIS SLIKA 1. Uvod u infracrvenu termografiju…………………………………………........ 1 2. Elektromagnetski valovi i elektromagnetski spektar………………….……. 2 2.1.
Vidljivi i infracrveni dio spektra………………………………………… 3
2.2.
Mogućnosti mjerenja temperature, prednosti i mane termovizije….. 4
2.3.
Kvalitativna i kvantitativna termografija………………………………. 6
2.4.
Pasivna i aktivna ter mografija…………………………………………. 6
3. Termovizijski sustavi…………………………………………………………….8 3.1.
Vrste termovizijskih kamera…………………………………………… 8
3.2.
Parametri koji utječu na termogram…………………………………… 11 3.2.1. Područje mjerenja temperature………………......................... 11 3.2.2. Prostorna razlučivost…………………………………………… 11 3.2.3. Razlučivost temperaturnih razlika…………………………….. . 12 3.2.4. Brzina obnove slike…………………………………………….. 12 3.2.5. Točnost kamere…………………………………………………. 12 3.2.6. Svojstva promatranog objekta………………………………… 12 3.2.7. Utjecaj okoline…………………………………………………... 13
3.3.
Termovizijske kamere na tržištu i njihove karakteristike…………… 13 3.3.1. Fluke Ti serija……………………………………………………. 13 3.3.2. JENOPTIK VarioCam HR Inspect 780……………………….. 15 3.3.3. GUIDE WUHAN EasIR-4-Termografska kamera……………. 16 3.3.4. GUIDE WUHAN THERMOPRO TP8S……………………….. 18 3.3.5. FLIR sustavi……………………………………………………… 19
4. Primjene termovizije……………………………………………………………. 22 4.1. Elektroenergetski sustavi - proizvodnja i distribucija el. energije….. 22
4.2. Primjer praktične uporabe……………………………………………… 25 4.3. Primjeri dijagnostičkih kvarova u elektroenergetici snimljeni kamerom Guide Wuhan ThermoProTp8……………………………………………… 27 4.3.1. TS 10/0,4kV Gornje Cjepidlake………………………………...29 4.3.2. TS 10/0,4kV Velika Maslenjača……………………………….. 30 4.3.3. TS 10/0,4kV Ivanovo Selo 1 …………………………………… 31 4.3.4. TS 10/0,4kV Virovitičanka……………………………………… 32 4.3.5. TS 10/0,4kV TEI………………………………………………….33 4.3.6. TS 10/0,4kV I.N.Jemeršića…………………………………….. 34 4.3.7. TS 10/0,4kV Nikole Šubića Zrinskog………………………….. 35 4.3.8. TS 10/0,4kV Dijakovac…………………………………………. 36 4.3.9. TS 10/0,4kV Treglava 2………………………………………… 37 4.3.10. TS 10/0,4kV Zdenka 1………………………………………… 38 4.3.11. TS 10/0,4kV Koreničani 2…………………………………….. 39 5. Realizacija monitoring sustava sa termovizijskom kamerom za on-line praćenje rada u elektroenergetskim prostorima.……………………............ 40 5.1. Daljinsko upravljanje termovizijskom kamerom sa serijskim RS232 kabelom………………………………………………….................................. 41 5.2. Monitoring mrežnom termovizijskom kamerom NEC S30 i SS320….. 42 5.3. FLIR sustav monitoringa transformatorske stanice……………………. 45 5.4. Prijenos termovizijske slike na udal jenost preko video servera……… 46 6. Zaključak………………………………………………………………………… 48 7. Literatur a………………………………………………………………………… 49 Summary………………………………………………………………………………...50 PRILOZI…………………………………………………………………………………. 51
POPIS OZNAKA I KRATICA
IR
Infrared
IC
Infracrveno
SW
shortwave
LW
longwave
FPA
Focal Plane Array
QWIP
Quantum Well Infrared Photodetector
FOV
Field Of View
IFOV
Instantaneous Field of View
NETD
Noise Equivalent Temperature Difference
FT
Fusion Technology
SD
Secure Digital
SDHC
Secure Digital High Capacity
JPEG
Joint Photographic Experts Group
BMP
Bitmap
TS
Transformatorska stanica
SK
Strujni krug
GPRS
General Packet Radio Service
EDGE
Enhanced Dana Rates for GSM Evolution
UMTS
Universal Mobile Telecommunications System
HSDPA
High Speed Downlink Packet Access
LAN
Local Area Network
WLAN
Wireless Local Area Network
USB
Universal Serial Bus
POPIS TABLICA str. Tablica 1
Preporučene aktivnosti ovisno o porastu temperature strujnih krugov a
23
Tablica 2
Preporučene aktivnosti kod kontrole trofaznih sustava
24
Tablica 3 Skriveni elementi
24
Tablica 4
Primjena termovizije u održavanju elektroenergetskih sustava i opreme
24
Tablica 5
Dopuštene temperature i zagrijavanje za VN sklopne uređaje i postrojenja 26-27
POPIS SLIKA str . Slika 1 Elektromagnetski spektar
3
Slika 2 Vidljivi dio spektra
3
Slika 3 Propusnost atmosfere za IC zračenje i u odabranom dijelu spektra
4
Slika 4 Konfiguracija za pasivnu termografiju
6
Slika 5 Konfiguracija za aktivnu termografiju
7
Slika 6
Sustav s mehaničkim skeniranjem AGA
8
Slika 7
Detektor s rotirajućim prizmama AGA
9
Slika 8 FPA detektor
9
Slika 9 FPA detektor
10
Slika 10 Fluke Ti serija
14
Slika 11 JENOPTIK VarioCam HR Inspect 780
15
Slika 12 GUIDE WUHAN EasIR-4-Termografska kamera
16
Slika 13 Mjerena udaljenost i vidno polje
16
str. Slika 14 GUIDE WUHAN THERMOPRO TP8S
18
Slika 15 FLIR InfraCam
20
Slika 16 Termogram zagrijavanja transformatora u pokusnom radu
22
Slika 17
Redukcija grešaka primjenom IC termovizije
25
Slika 18 Snimka triju faza prikl jučka trošila
25
Slika 19 Osigurač-TS SK Đulovac
29
Slika 20 Transformator-TS Velika Maslenjača
30
Slika 21 Spoj stopice sa podnožjem -TS SK Zagrebačka
31
Slika 22 Kabelske glave-TS Virovitičanka
32
Slika 23 Transformator-TS TEI
33
Slika 24 Transformator-TS I.N.Jemeršića
34
Slika 25 Visoko naponsko podnožje -TS N.S.Zrinski
35
Slika 26 Osigurač-TS SK Turčević polje
36
str. Slika 27 Osigurač-TS SK Ivanovo Selo
37
Slika 28 Transformator-TS Zdenka 1
38
Slika 29 Odlaz iz sklopke-TS Koreničani 2
39
Slika 30
Računalom upravlj ana termovizijska kamera
41
Slika 31
Mrežna termovizijska kamera NEC S30
42
Slika 32
Ethernet režim rada
43
Slika 33
Samostalni režim rada
43
Slika 34
Režim više jedinica sa mrežnom vezom
44
Slika 35 Konfiguracija sustava SS320
44
Slika 36 FLIR sustav monitoringa transformatorske stanice sa FLIR A320 kamerom
45
Slika 37
Komunikacijska industrijska mreža sa mogućnošću prijenosa putem optičkog voda
46
Slika 38 Prijenos putem video servera
47
Slika 39 Pri jenos putem WLAN mreže
47
1. Uvod u infracrvenu termografiju Infracrvena termografija
je beskontaktna metoda mjerenja i bilježenja
temperature i njezine raspodjele na površinama objekta. Nakon mjerenja ostaje
trajan zapis o izmjerenim veličinama kojega nazivamo termogram. Infracrvena termografija je mjerna metoda kojom se bilježi zračenje površina objekata u određenom području infracrvenog spektra . Svako tijelo odašilje u svoju okolinu elektromagnetsko zračenje, čiji intenzitet prvenstveno ovisi o temperaturi površine tijela. Ako je ta temperatura viša od nekih 600°C tada je zračenje tog tijela vidljivo ljudskom oku. Pri nižim temperaturama zračenj e je nevidljivo ljudskom oku i zove se infracrveno zračenje. Danas se ova metoda koristi za nadzor sustava za proizvodnju i distribuciju električne energije zbog nastalih nepravilnosti, koje mogu dovesti do većih kvarova, kako bi se osigurala sigurna i trajna opskrba. Diplomski rad je usmjeren na teoretsku analizu osnovnih pojmova o infracrvenoj termografiji, prednostima i nedostacima ove metode, opisani su termovizijski sustavi, te parametri koji utječu na termogram mjerenja. Opisane su metode analize term ograma te primjeri praktične uporabe. U praktičnom dijelu rada prezentirana je primjena termovizije u dijagnostici kvarova u elektroenergetici. Termovizijskom kamerom snimljeno je jedanaest transformatorskih stanica pogona Daruvar, Grubišnog Polja i Garešn ice. Sve
termovizijske slike su analizirane u programskoj podršci IrAnalyser -u nakon čega su izrađena termovizijska izvješća. Cilj snimanja je preventivno i rano otkrivanje kvarova na navedenim elektro-energetskim objektima. Osim godišnjih pregleda ili in tervencija
kod već nastalih kvarova, kod područja koja su izložena čestim vremenskim nepogodama i niskim temperaturama, što može dovesti do čestih kvarova bilo bi pogodno „češće“ uzimanje uzoraka odnosno „on -line“ nadzor postrojenja ili transformatorske stanice čime bi se moglo brže djelovati i time spriječiti prekide u
opskrbi električnom energijom. Danas uz razvoj informacijskih, računalnih i mobilnih tehnologija bilo bi lako rješivo. Veliki broj termovizijskih kamera svojim karakteristikama već podržava i te mogućnosti. Nekoliko realizacija takvih sustava opisano je u petom poglavlju ovog rada.
1
2. Elektromagnetski valovi i elektromagnetski spektar Elektromagnetski valovi nastaju kao posljedica titranja elektrona oko jezgre atoma, odašilje (emitira) svako tijelo čija je temperatura i znad apsolutne nule. Izmjena energije se zr ačenjem između tijela i njegova okoliša odvija u izuzetno malim, nedjeljivim iznosima energije, koji se nazivaju fotoni ili kvanti. Zbog toga što se energija prenosi u tako malim iznosima, prenesenu se energiju zračenjem može
promatrati kao kontinuirani spektar elektromagnetskih valova koje odašilje , odnosno emitira svako tijelo. Za širenje elektromagnetskih valova pri tome nije potreban nikakav materijalni posrednik. Priroda je elektromagnetskih valova
dualna: valna
prema Maxvellovoj teoriji i čestična prema Planckovoj teoriji. [1]
Svaki se val može opisati frekvencijom, amplitudom, valnom duljinom, brzinom itd. Brzina širenja vala ovisi o njegovoj valnoj duljini i frekvenciji i računa se prema jednadžbi: c=λ·v , m/s
(1)
pri čemu je : c
brzina vala, m/s
λ
valna duljina, m
v
frekvencija, 1/s
Brzina širenja vala ovisna je o mediju kroz koji se val širi te je time i promjenjiva veličina. Frekvencija vala neovisna je o vrsti medija i ona je konstantna. Brzina širenja vala u vakuumu jednaka je brzini širenja svjetlosti i iznosi 2,998·10 8 m/s. Energija se zračenjem prenosi na svim valnim duljinama, tj. na cijelom spektru valnih duljina.[1]
2
Slika 1. Elektromagnetski spektar [1] Na slici 1 prikazan je elektromagnetski spektar. Toplinski efekti su vezani za područje
valnih duljina od 0,1µm do 100µm tj. onaj dio spektra koji je vezan za izmjenu topline obuhvaća djelomično ultraljubičasto i u potpunosti vidljivo i inf racrveno zračenje. 2.1.
Vidljivi i infracrveni dio spektra
Vidljiva svjetlost je elektromagnetski val. Dio spektra koje naše oko može
detektirati nazivamo vidljiva svjetlost. Svjetlost različitih frekvencija, tj. valnih duljina, raspoznajemo kao različite boje. Vidljivi dio spektra zauzima područje od 0,4 do 0,7 μm. Oko zapaža svjetlost jer ona donosi energiju koja u dnu oka izaziva fizičko kemijske reakcije.[1]
Slika 2. Vidljivi dio spektra [1]
3
Područje infracrvenog spektra nalazi se odmah iza vidljivog dijela spektra. To područje se može podijeliti na nekoliko dijelova, a u termografskim se uređajima najčešće koriste dva područja IC -dijela spektra: - SW, područje kratkih valova (blisko infracrveno zračenje) , - LW, područje dugih valova (daleko infracrveno zračenje).
Kao što se vidi na slici 3, propusnost atmosfere je relativno dobra u području ovih valnih duljina, dok je u području između 5 i 8 μm propu snost jako slaba pa kamera u tom području ne bi zabilježila ciljani objekt već ono što se nalazi između objekta i kamere.[1]
Slika 3. Propusnost atmosfere za IC zračenje i u odabranom dijelu spektra [1] 2.2. Mogućnosti mjerenja temperature, prednosti i mane termovizije
Temperatura je odraz energijskog stanja materije i predstavlja veličinu koju u svakodnevnoj praksi najčešće mj erimo. Temperatura je parametar o kojem ovise praktično sve situacije i događaji koji nas okružuju počevši od temperature tijela, temeljem koje znamo jesmo li zdravi ili bolesni, preko temperature okoline koja nam
određuje osjećaj ugode ili neugode, pa do neizmjernog područja tehnoloških procesa u kojima je temperatura presudan faktor. Temperaturu možemo mjeriti na mnogo
različitih načina, a osnovna podjela je na kontaktno i beskontaktno mjerenje. 4
Tri svojstva termografije i glavne prednosti su: 1. beskontaktnost 2. dvodimenzionalnost 3. brzina Termovizija je beskontaktno mjerenje
i ima znatne prednosti pred kontaktnim
mjerenjem. Beskontaktnim mjerenjem na daljinu temperaturu
imamo mogućnost mjeriti
na nedostupnim objektima i u situacijama kada je opasno dodirivati
mjerni objekat, primjerice pri mjerenju temperature visokonaponskih instalacija. Kada je potrebno saznati temperaturu objekta u gibanju, to je jednostavno učiniti ovom metodom. Beskontaktnim mjerenjem ne remeti se toplinska slika mjernog objekta. Rezultat termovizijskog snimanja je termogram, dvodimenzionalna slika raspodjele
intenziteta zračenja s površine objekta u vidnom polju kamere. Iz njega se mogu dobiti temperature proizvoljnih točaka te površine. [1] Izvanredno svojstvo svakog suvremenog termovizijskog sustava je rad i dobivanje rezultata u realnom vremenu. Termovizijskim snimanjem rezultati se dobivaju odmah
te se mogu pratiti dinamičke pojave promjene temperature pri čemu rezultat više nije pojedinačni termogram , već niz termograma snimljenih u vremenu koje možemo promatrati i analizirati poput filma.[1]
Termovizija daje uvid samo u temperaturu površine promatranih objekata. Temperatura u unutrašnjosti se može odrediti jedino računskim metodama na temelju dinamičkog ponašanja površinske tempe rature i poznavanja svojstva materijala objekta. Zračenje tijela se može sastojati od vlastitog zračenja koje je ovisno o
temperaturi tijela, ali i od reflektiranog i propuštenog zračenja drugih objekata u okolini promatranog objekta. Također na rezultat m jerenja ima i utjecaj atmosfera i/ili prozirni objekti između termografske kamere i promatranog objekta. Takvi mediji u većoj ili manjoj mjeri zadržavaju jedan dio infracrvenog zračenja te na taj način mijenjaju
dobivenu toplinsku sliku.
Uvažavanjem svi h navedenih prednosti i
ograničenja moguće je dobivanje kvalitetnog rezultata. [1]
5
2.3. Kvalitativna i kvantitativna termografija
S obzirom na način primjene termografije potrebno je razlikovati dva bitno različita pristupa korištenja termografske opreme. Rezultat termografskog snimanja se može koristiti kvalitativno i kvantitativno. Kvalitativno korištenje termografije daje samo okvirne informacije o promatranom objektu u pogledu raspodjele temperature po
njegovoj površini te se na ter mogramu lako uočavaju područja promatranog objek ta s neuobičajenom temperaturom pa se na temelju toga podatka mogu donositi zaključci o potrebnim intervencijama. Točni poda tci o temperaturama na termogramu dobivaju se kvantitativnom termografijom gdje je potrebno poznavati emisijska svojstva
promatranog objekta, stanje atmosfere između objekta i kamere i stanja okoline, pa podatke s termograma pomoću tih podataka preračunati u ispravne vrijednosti. Termografske kamere više kategorije dopuštaju podešavanje najvažnijih utj ecajnih parametara prilikom snimanja.[1]
2.4. Pasivna i aktivna termografija
Snimamo li neki objekt u stacionarnom temperaturnom stanju kakvo je postignuto duljim boravljenjem objekta u okolini čija se temperatura ne mijenja , govorimo o pasivnoj termografiji. Ako je zračenje odašiljano s površine objekta različito od
zračenja koje odašilje njegova okolina, on će na termogramu biti vidljiv. Kaže se da objekt daje toplinski kontrast. [1]
Slika 4. Konfiguracija za pasivnu termografiju [1]
6
Želimo li dobiti termogram objekta koji je na istoj temperaturi kao i okolina ili određivati neka svojstva objekta ispod njegove površine, primijeniti ćemo neku od metoda aktivne termografije. Te se metode temelje na različitim načinima toplinske pobude objekta dovođenjem ili odvođenjem topline. Objekt će mijenjati temperaturu, a snimanjem termograma u određenim vremenskim razmacima nakon pobude dobiti ćemo podatke iz kojih je moguće računski određivati neka svojstva materijala objekta.[1]
Slika 5. Konfiguracija za aktivnu termografiju [1]
7
3. Termovizijski sustavi
Termovizijski sustav se sastoji od uređaja koji služe za snimanje, zapisivanje (pamćenje) i obradu, odnosno ispis termograma. Sustav može biti objedinjen u jednom komadu opreme, ali i složen u komponentama.
Suvremeni sustavi osim termovizijske kamere podrazumijevaju računalo (osobno računalo, prijenosno računalo) s aplikacijama za obradu i analizu slike i štampač. [1] 3.1.
Vrste termovizijskih kamera
Termovizijska kamera je osnovna komponenta termovizijskog sustava. Razvoj
suvremenih termovizijskih kamera započeo je krajem šezdesetih godina dvadesetog stoljeća. Prvi termovizijski uređaji su bili tzv. linijski skeneri koji su pretraživali objekt samo po liniji. Kod njih se dvodimenzionalna slika dob ivala pomicanjem uzduž promatranog objekta, npr. snimanjem iz zrakoplova, što je za civilne svrhe bilo neprimjenjivo.
Švedska tvrtka AGA razvila je skener s rotacijskim prizmama za snimanje termograma u realnom vremenu ( slika 6).[1]
Slika 6. Sustav s mehaničkim skeniranjem AGA [2]
AGA sustav imao je skromnu prostornu i vremensku razlučivost , ali je bilo moguće pratiti brze promjene temperature na promatranoj površini pa su takvi sustavi prvi koji rade u realnom vremenu.
8
Slika 7. Detektor s rotirajućim prizmama AGA [2]
Razvojem mikroelektronike koja je omogućila izradu tzv. FPA ( Focal Plane Array ) detektora postignuti su veliki rezultati. FPA je mikročip (slika 8. i 9.) pravokutnog oblika na koji je nanesena matrica zasebnih IC-detektora (karakteristično 320 X 240
osjetnika) na koju dospijeva zračenje iz vidnog polja kamere te se pretvara u električne signale koji se dalje transformiraju u prikaz termograma. FPA detektori se danas ugrađuju u razne optičke instrumente, uključujući i digitalne fotoa parate i kinokamere. Za snimanje je dovoljan optički sustav za usmjeravanje upadnog zračenja na fokusnu ravninu kamere. Ovdje FPA detektor „vidi“ cijelo vidno polje objektiva kamere odjednom pa nije potreban poseban sustav za skeniranje.[1]
Slika 8. FPA detektor [2] 9
Slika 9. FPA detektor [3] FPA detektori imaju znatne prednosti: -povećana brzina obnove slike -oko 30 HZ -povećana razlučivost -320 x 240=76 800 piksela, kod skupljih i do 4 puta više -minijaturizacija kamere-lako prenosiva i uporabljiva za terensku primjenu
Održavanje temperature FPA detektora je Peltierovim hladnjakom. Peltierov članak je termoelektrični modul koji radi na principu Peltierovog efekta otkrivenog 1834. godine od strane istoimenog znanstvenika. Koristi se za hlađenje elektroničkih sklopova. Peltierov efekt je kad kroz spojeve međusobno spojenih različitih vodiča poteče električna struja, oni će iz okoline preuzimati ili odavati toplinu. Unutar članka nalazi se niz poluvodiča n i p tipa okruženih dvjema keramičkim ploči cama. U trenutku kada člankom proteče struja nedostatak (p -tip), odnosno višak (n -tip) elektrona, rezultirati će u razdvajanju topline. Dakle, članak kojim teče struja ima toplu i hladnu stranu. Osim spomenutih detektora u termografiji, koriste se i tzv. toplinski detektori: bolometri i piroelektrični osjetnici . Bolometri
su vrsta IC termometra, obično na bazi
otporničkog osjetnika temperature (promjena otpora uslijed toplinskog zračenja) i jedan od najstarijih detektora toplinskog zračenja. P irometri su ur eđaji za beskontaktno mjerenje temperature visokih vrijednosti. Kod pirometra toplinsko
zračenje pada na temperaturni senzor pirometra, a to je najčešće serijski spoj termoparova, koji se zovu još i termoćelije. Pirometri mogu biti optički ili radijacijski (infracrveni). Razvoj osjetnika IC-zračenja rezultirao je i vrstama koje imaju vrlo uski
„prozor“ osjetljivosti, tzv. QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector) osjetnici. Oni su posebna vrsta detektora čiju je osjetljivost u proizvodnji moguće prilagodit i za poželjni dio spektra. Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje, a to su; germanij, cink sulfid, cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon, safir, kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja. [1] 10
3.2. Parametri koji utječu na termogram
Kao što je već rečeno , termogramom je moguće odrediti temperaturu na pojedinim odabranim mjestima na površini objekta. Točnost i razlučivost očitanja je uvjetovana mnogim parametrima. Parametri su vezani uz: termografski sustav (kamera,
osjetnik,
zaslon
itd.),
svojstva
promatranog
objekta
(geometrijske
karakteristike, emisijska i transmisijska svojstva materijala), utjecaj okoline (zračenje
trećeg tijela, zagađenost atmosfere, udaljenost objekta). Termovizijska
kamera
svojim karakteristikama znatno utječe na mogućnost očitanja termograma.
Osnovni parametri kamere su sljedeći: 1. Područje mjerenja temperature 2. Prostorna razlučivost 3. Razlučivost temperaturnih razlika 4. Brzina obnove slike 5. Točnost 3.2.1. Područje mjerenja temperatur e Ono ovisi o vrsti IC-osjetnika kamere, području osjetljivosti. Kamere za mjerenje u
području niskih temperatura koriste osjetnike s osjetljivošću u području većih valnih duljina zračenja (λ>5µm), a za mjerenja u višim temperaturama detektor s osjetljivošću u području kraćih valnih duljina. Područje mjerenja je karakteristično od -
50°C do 500°C, a uz posebne dodatke može se proširiti i do 1500°C. Moguće je birati između nekoliko užih područja mjerenja temperature izborom odgovarajućeg otvora zaslona objektiva. Smanjenjem otvora zaslona smanjuje se količina dozračene
energije pa se na taj način područje mjerenja pomiče p r ema višim temperaturama. 3.2.2. Prostorna razlučivost
Prostorna razlučivost nam govori o veličini najmanjeg objekta koji je moguće identificirati na termogramu. Ona ovisi o finoći skeniranja vidnog polja , o broju osjetnika u matrici FPA detektora i o udaljenosti objekta. Iskazuje se vidnim kutom u 11
miliradijanima, a to je podatak o najmanjem razlučivom element u vidnog polja u milimetrima na udaljenosti od jednog metra. Označava se s FOV (Field Of View ). 3.2.3. Razlučivost temperaturnih razlika
Ona nam kazuje koja je najmanja temperaturna razlika koju će registrirati kamera. Ona ovisi o sposobnosti sustava da izdvoji signal od šuma. Označava se s NETD (Noise Equivalent Temperature Difference). Suvremen kamere imaju razlučivost 0,1
°C, a kamere namijenjene istraživanju i razvoju omogućuju detekciju temperaturnih razlika i do 0,01°C. 3.2.4. Brzina obnove slike
Termovizijska kamera treba pratiti i brzinu promjene temperature. Stariji sustavi s
mehaničkim skeniranjem su bili relativno ograničeni, dok moderne kamere obnavljaju sliku najmanje s frekvencijom od 30 Hz, a posebne izvedbe i puno brže. 3.2.5. Točnost kamere
Točnost kamere nam gov ori o pouzdanosti kvantifikacije temperature iz termograma uz uvjet da su sva podešavanja sustava optimalna i u skladu sa stvarnim stanjem objekta i okoline. Uobičajena vrijednost točnosti je ispod ±1°C , a kod skupljih kamera točnost je bolja od 0,2°C. 3.2.6. Svojstva promatranog objekta
Najvažnije svojstvo je emisijski faktor ɛ promatrane površine. Suvremene termovizijske kamere pružaju mogućnost podešava emisijskog faktora pa je moguća kvantifikacija temperature površine s onim stupnjem točnosti s kojim je poznat emisijski faktor. Vezan je uz poteškoće kada emisijski faktor varira po površini.
12
3.2.7. Utjecaj okoline
Suvremene kamere omogućuju automatsku kompenzaciju nekih od utjecaja, dok se druge treba kompenzirati ručnim podešavanjem. Pri termovi zijskom snimanju treba uzeti u obzir udaljenost snimanog objekta. Jedan dio zračenja će na putu od objekta do kamere apsorbirati medij koji se nalazi između objekta i kamere (zrak okoline). Na stranici 4 (slika 3) ovog rada prikazana je propusnost atmosfere. Kamere
opremljene optikom s podešavanjem udaljenosti pri obradi termograma , automatski uračunavaju podatke o umanjenom intenzitetu zračenja zbog apsorpcije atmosfere na temelju podešene udaljenosti objekta. 3.3. Termovizijske kamere na tržištu i njihove karakteristike
Danas na tržištu postoji široka paleta termovizijskih uređaja brojnih proizvođača. U ovom radu opisat ću, dati pregled i bitne karakteristike nekoliko kamera.
3.3.1. Fluke Ti serija
Fluke Ti je nova generacija profesionalnih termografskih kamera Fluke Ti32, Ti 25, Ti10, Ti9. Detektor koji kamere koriste je FPA detektor rezolucije 320 x 240 i 160
x 120. Termalna osjetljivost im se kreće od 50 mK do 200 mK. Temperaturni opseg je od 250°C pa do 600°C. Jednostavno rukovanje sa širokim zaslonom 3.6“ . IR FT Fusion tehnologija koja kombinira termalnu i vidljivu sliku. Memorija za 3000
termograma te snimanje glasovnih komentara. Obrada i analiza slika na računalu pomoću „SmartView“ software -a. Kamere Ti serije spadaju u srednju klasu. [4]
13
Slika 10. Fluke Ti serija [4]
mjerni opseg: Ti 32: -20°…+600°C, točnost ±2% ili ±2°C TiR32: -20°…+150°C,
točnost ±2% ili ±2°C
temperaturna razlučivost: Ω 0.05 °C pri 30 °C
frekvencija osvježavanja slike 9 Hz
FOV(vidno polje): 23°hor. x 17°ver.
prostorna rezolucija (IFOV): 1.25 mRad
LCD TFT 3,6" zaslon, mogućnost selektiranja pozadinskog svjetla
r ezolucija optičke kamere 2 mega pixela.
podešavanje najmanjeg temperaturnog područja prikaza slike u opsegu: Ti 32:
5°C/2,5°C (automatsko/ručno) TiR 32: 3°C/2°C (automatsko/ručno)
IR-Fusion™ tehnologija kombinira termalnu i vidljivu sliku
2GB SD memorijska kartica za pohranu i do 3000 slika u .bmp formatu (IR),
odnosno i do 1200 potpuno radiometričnih snimaka u .IS 2 formatu (IR -Fusion)
glasovni memo-recorder 60 sec. po slici
obrada i analiza slika na računala pomoću 'SmartVi ew' software-a
dimenzije kamere: 27,7 cm x 12,2 cm x 17 cm težina kamere s baterijom: 1,05 kg [4]
14
3.3.2. JENOPTIK VarioCam HR Inspect 780 Termografska kamera - Real Time 60Hz sa povećanom razlučivosti . Nehlađeni mikrobolometarski FPA detektor. [4]
Slika 11. JENOPTIK VarioCam HR Inspect 780 [4]
spektralno područje (7.5 ... 14) µm
razlučivost: 640 x 480 IC piksela, hardversko povećanje na 1280 x 960
termalna rezolucija: > 0.08 K, 0.05 K (premium mode)
mjerno područje: -40°C ... 1200°C; opcija: >2000 °C
pogreška mjerenja: ±1.5 K (0 - 100°), ± 2% (<0 između >100°)
softver za prijenos, obradu i analizu mjerenja/snimanja na računalu
analogno sučelje: PAL/NTSC -FBAS, S-Video, headset
digitalno sučelje: RS232, SD -card 2Gb; Opcija: FireWire (IEEE 1394)
integrirani 3.5'' TFT aktive zaslon (prilagođen za danje svjetlo)
integrirana kolor video kamera sa LED osvjetljenjem
glasovne i tekstualne zabilješke prilikom snimanja
funkcija 'spajanja' infracrvene i video slike
laserski marker za lakše snimanje/traženje mjerenog objekta
zaštita IP 54, IEC 529
automatske funkcije: auto focus, auto image, auto level
dimenzije: 133 x 106 x 110 mm; 1.5 kg [4]
15
3.3.3. GUIDE WUHAN EasIR-4 - Termografska kamera
Slika 12. GUIDE WUHAN EasIR-4 - Termografska kamera [4]
Ova kamera posjeduje jednostavno sučelje te je idealan alat za rutinsku i svakodnevnu termalnu kontrolu. Opremljena je najnovijim PIP i Infra Fusion
tehnologijom koja pomaže točno i efikasno detektirati problem. Detektiranje problema kod električnih instalacija, elektro - mehaničke opreme i uređaja, manjih površina u građevinarstvu. Primjena je za prediktivno i preventivno održavanje, kontrola razvodnih
ormara,
detekcija
u
proizvodnim
pogonima,
postrojenjima. Odlike su joj niska cijena, visoke performanse.
Slika 13. Mjerena udaljenost i vidno polje [4]
16
elektroenergetskim
detektor: Microbolometer UFPA 160×120 pixela, 25μm
spektralno područje:8~14μm
vidno polje: 20.6°×15.5°, Fokus: 11mm, AUTOFOKUS
prikaz termograma: 256 razina,8 paleta boja
ugrađena digitalna video kamera CMOS Senzor,1600×1200 pixela
zaslon: 3.6” TFT s tekućim kristalima, u boji, visoke rezolucije
IR Fusion – kombinacija termalne i digitalne slike
pohrana termograma: Memorijska kartica - 2GB SD card
format pohrane: Standard JPEG
snimanje zvučnog zapisa: 60 sekundi uz svaki termogram - prikaz statusa sistema: LCD Zaslon – prikaz stanja baterije, prikaz snage - automatski alarm kratkog spoja napajanja
vrijeme autonomije: više od 2 sata neprekidnog rada -mrežni AC adapter ili
externi punjač baterije
relativna vlaga: 10% to 95% pri radu i skladištenju, bez kondenzacije -klasa
zaštite: IP54
otpornost na udarce: 25g,IEC 68-2-29
otpornost na vibracije: 2g,IEC 68-2-29
otpornost na pad sa visine od 2 metra
komunikacija: Interface USB 2.0 – prijenos slike (termalne&digitalne), mjernih rezultata i zvučnih zapisa na PC - dimenzije:111mm x 124mm x 240mm [4]
17
3.3.4. GUIDE WUHAN THERMOPRO TP8S
Slika 14. GUIDE WUHAN THERMOPRO TP8S [4]
Infracrvena termovizijska kamera ThermoPro TP8 čiji se rad zasniva na termovizijskom FPA senzorskom sustavu je kineskog proizvođača Wuhan Guide Infrared Technology Co., Ltd. Programsku podršku koju kamera sadrži za analizu ter malnih slika i generiranje izvještaja je Guide IrAnalyser. Kamera proizvođača zadovoljava ISO9001:2000 standard kao i uvjete o elektromagnetskoj kompatibilnosti EMC 89/336/EEC. Snimke se mogu snimiti na memorijskoj PC kartici i kasnije analizirati. Preko RS 232 sučelja se može njome upravljati . Minimalna rezolucija termovizijskog senzora je 384 x 288 pixela. - tip senzora FPA, osvježavanje slike sa 50 Hz - spektralno područje je od 8 -14 μm - termalna osjetljivost min 0.1°C - vidno polje (širokokutno) 35mm – (FOV 22x16°) - automatsko fokusiranje objektiva, sa opcijom ručnog izoštravanja - hibridni način snimanja u toplinskom i normalnom spektru (istovremeno snimanje IC fotografije i normalne fotografije) - prikaz na zaslonu – mogućnost samostalne termalne slike, mogućnost slika u slici rada i samostalne digitalne slike u vidljivom spektru. 18
- minimalna rezolucija digitalne kamere u vidljivom spektru 1280 x 1024px - OLED zaslon za prikaz u VGA rezoluciji (640x480px) ili bolji - standardni video izlaz (PAL, 25fps, 720x576px) - temperaturno područje -20 do +600 °C - minimalna točnost očitanja ±1°C - načini rada: automatsko markiranje toplih i hladnih točaka, automatsko alarmiranje pri prelasku maksimalno ili minimalno postavljenih temperatura od strane operatera, prikaz histograma fotografije, prikaz maksimalnih, minimalnih i srednjih vrijednosti temperature u realnom vremenu, prikaz vertikalnih i horizontalnih linijskih profila. - faktor emisije promjenjiv u koracima 0.01, vrijednosti od 0.01 do 1.00 - automatska korekcija slike ovisno o atmosferskim prilikama, vlazi, odabranom objektivu i udaljenosti snimanog objekta - pohrana snimljenih fotografija na vanjsku memorijsku karticu tipa SD, SDHC ili CF u standardnom JPEG ili Windows BMP formatu. - snimanje glasovnih bilješki uz fotografije - mogućnost zapisa tekstualne poruke uz sliku - laserski pokazivač - baterijsko napajanje uređaja za rad na terenu (Li -Ion baterija) - autonomija rada na bateriji 2 sata - temperatura rada uređaja -20 do +60 °C, vlažnost 10% do 95% - kućište mora imati IP54, IEC 529 zaštitu, otporno na udarce do 30G (IEC 68 2-29) ili više, vibracije do 3G (IEC 68 -2-6) - USB 2.0 sučelje za prijenos slike i mjernih podataka - upravljanje kamere putem računala – spajanje RS232 ili USB konekcijom - upravljanje kamerom (operater) pomoću touch -screen komandi na samom
uređaju [5] 3.3.5. FLIR sustavi
Termokamere su postale jedno od najučinkovitijih di jagnostičkih oružja na području preventivnog održavanja. FLIR Systems AB, švedsko -američko poduzeće već više od 40 godina je u svijetu vodeće na području razvoja i proizvodnje svih vrsta termokamera za različite korisnike. InfraCAM je namijenjena širokoj masi korisnika, 19
od održavanja u industriji, preko građevinara i građevinarskih inspektora do inženjera u elektroenergetskom području i razvojnim laboratorijima. Na tržištu postoji nekoliko modela ovih sustava, ovisno o primjeni.
Slika 15. FLIR InfraCam [6] Termokamera InfraCAM odlikuje se sa:
visokotehnološkim ne hlađenim IR detektorom u obliku matrice sa 120×120 bolometarskim detektorskim elementima iz vanadijevoga oksida .(14.400 IR
točaka)
m jerno područje od − 10 °C do + 350 °C
optika izrađena iz monokristalnog germanija s vidnim poljem 25°×25° i na jmanjom fokusiranom udaljenošću 30cm
velika točnost mjerenja temperature, ± 2 °C, ili 2% od očitanog jednostavna upotreba
male dimenzije, 243 mm ×81 mm × 103 mm
mala masa, 550 g s baterijom, puno lakša od većine instrumenata iste namjene
mehanička tvrdoća, IP 54 veliki LCD zaslon s IR slikom preko cijelog zaslona ugrađena FLASH memorija za 50 slika
20
najudaljenije vrijeme neprekidnoga djelovanja između svih termokamera, 7sati s jednom baterijom
temperaturno područje djelovanja od −15°C do + 50 °C. [6]
Na tržištu postoji, i nudi se veliki broj termografskih uređaja ovisno o primj eni i
karakteristikama uređaja. U današnje vrijeme kroz sve veći napredak uređaji dobivaju veliki broj karakteristika i naprednijih funkcija. Primjena se proširila na mnogobrojna
područja osim na elektroenergetiku. Zahval jujući modernim mrežnim tehnologijama, svoju primjenu su našle i u tim područjima što danas jako puno pridonosi u nadzoru tehnoloških procesa u industriji odnosno automatizaciji sustava nadzora. Svi proizvođači posjeduju modele za sva područja primjene, od građevinarstva, elektrotehnike pa do vojnih primjena. U ovom poglavlju sam i prikazao modele
srednje klase, modele koji služe za rutinsku i svakodnevnu termalnu kontrolu do kamera više klase. Naravno, cijena je isto tako faktor koji utječe na odabir i mož emo
reći da je danas dosta visoka ali sa tendencijom pada. U poglavlju koje slijedi na praktičnom dijelu ovog rada sam upotrijebio kameru iz 3.3.4. točke rada (GUIDE WUHAN THERMOPRO TP8S). Na osnovi snimanja i osobnog korištenja ove kamere
mogu reći da kam era zadovoljava sve postavljene uvijete za dijagnostiku kvarova u elektroenergetici. Zbog jednostavnosti rukovanja, te programske obrade termograma
preporuča se u inženjerskoj struci . Za automatizirane ili on-line sustave mogu se koristiti kamere manjih dimenzija i kamere sa manje opcija i karakteristika nego kada
je to slučaj periodičkog inženjerskog pregleda. Nekoliko on-line modela opisano je u poglavlju pet (NEC S30, SS320, FLIR A-320).
21
4. Primjene termovizije 4.1 Elektroenergetski sustavi - proizvodnja i distribucija električne energije
Kako bi se osigurala sigurna i trajna opskrba električnom energijom, sustavi za proizvodnju i distribuciju moraju se nadzirati u određenim vremenskim razmacima radi uočavanja nastalih nepravilnosti, koje bi mogle dovesti do većih kvarova. Nepravilnosti u proizvodnji i distribucijskom sustavu uglavnom su vezane za
povećanje otpora što dovodi do povećane disipacije električne energije , a što se manifestira u povišenju temperature kritičnog mjesta. Porast tempera ture direktno je ovisan o povećanju otpora. Povećani otpor može biti posljedica olabavljenih spojeva, korodiranih spojeva ili djelomično oštećena kabela. Zagrijavano mjesto podložnije je koroziji, a sve zajedno dovodi do daljnjih oštećenja i mogućeg ispada sustava. Termovizijski pregledi proizvodnih i distribucijskih sustava električne energije su
kvalitativnog i kvantitativnog karaktera, a obuhvaćaju: -proizvodnju
električne energije u hidroelektranama, termoelektranama i
nuklearnim elektranama -distribuciju električne energije, dalekovode, transformatorske stanice i podstanice -razvod do potrošača
Temperatura komponente koja se zagrijava uslijed povećanog otpora može rasti do granice izdržljivosti materijala. Komponenta istovremeno emitira toplinu u okolinu provođenjem, konvekcijom i zračenjem. Trenutačno stanje komponente ovisi o struji koja prolazi komponentom, njezinom otporu i karakteristikama površine te o vanjskim uvjetima.[1]
Slika 16. Termogram zagrijavanja transformatora u pokusnom radu [1] 22
Kod termovizijskog pregleda treba sve čimbenike uzeti u obzir. Preporučuje se snimanje po suhom vremenu i brzinama vjetra do 2,2 m/s. Nadtemperature objekta su nepromjenjive do brzina od 1 m/s.
Na slici 16 prikazan je termogram
transformatora i njegova fotografija. Na termogramu možemo uočiti područje
povišene temperature u sredini gore (bijela površina). Distribucijske sustave preporučuje se pregledavati iz zraka. Tri elementa podložna su inspekciji: spojnice, spone i izolatori. Noćno snimanje daje najkvali tetnije rezultate jer se izbjegavaju smetnje od zračenja Sunca. Termovizijski pregledi obavljaju se u
ranim jutarnjim satima kad ima dovoljno svjetlosti za praćenje trase. Snimanjem iz zraka teško je odrediti temperaturu pojedine komponente , ali se mogu locirati nepravilnosti koje se kasnije snimaju s tla pri čemu se određuju i njihove temperature. U svim postrojenjima termovizija se primjenjuje za nadzor razvodnih i rasklopnih
elektroormara te priključaka pojedinih strojeva i uređaja na električnu energiju . Nadzor
je uglavnom na praćenju temperatura pojedinih elemenata. Na osnovi
nadtemperature komponente definirani su postupci preventivnog održavanja i zamjene elemenata. Kod provedbe termovizijskog snimanja nužno je utvrditi karakteristike površine koje se promatraju, njihove emisijske faktore i očekivane srednje vrijednosti temperatura. Mjere sigurnosti potrebno je stalno primjenjivati. [1]
U tablici 1 prikazane su preporučene aktivnosti ovisno o poras tu temperature strujnih krugova, a u tablici 2 preporuč ene aktivnosti kod kontrole trofaznih sustava.
Porast temperature
Nalaz
Postupak
Više od 50°C
Kritično pregrijavanje
Popravak odmah
Od 30°C do 50 °C
Znatno pregrijavanje
Popravak u najkraćem roku
Od 10°C do 30°C
Drugi stupanj pregrijavanja
Popravak planirati
Manje od 5°C
Prvi stupanj pregrijavanja
Pratiti stanje i popraviti pri
sljedećem redovitom održavanju Tablica 1. Preporučene aktivnosti ovisno o porastu temperature strujnih krugova [1]
23
Temperaturna razlika faza
Nalaz
Postupak
Više od 30°C
Kritično pregrijavanje
Popravak odmah
Od 5°C do 30°C
Znatno pregrijavanje
Popravak u najkraćem roku
Od 3°C do 5°C
Prvi stupanj pregrijavanja
Popravak planirati
Tablica 2. Preporučene aktivnosti kod kontrole trofaznih sustava [1] Kontakte koji nisu direktno dostupni termovizijskom snimanju već se pregrijavanje
uočava posredno, preko porasta temperature drugih elemenata, preporučuje se održavati kako je navedeno u tablici 3 (skriveni elementi). Tablica 4 prikazuje primjenu termovizije u održavanju elektro energetskih sustava i opreme. Temperaturna razlika
Postupak
Više od 3°C
Popravak odmah
Od 1°C do 3°C
Pratiti stanje i popraviti pri sljedećem redovitom održavanju Tablica 3. Skriveni elementi [1]
Inspekcija elektroenergetskih sustava i opreme Komponenta
Električni vodiči i sklopke, osigurači
Termovizijska inspekcija
Nejednolika opterećenja, veliki otpori spojnih mjesta
Napajanje alarmnih sustava
Loš priključak na akumulatore, ćelija u kratkom spoju, loši kontakti
Rasvjeta
Loši spojevi i pregrijan i dijelovi
Motori/generatori
Nejednoliko opterećenje, četkice, klizni prsteni i komutatori, loše hlađenje
Rasklopnici, distribucijski centri,
Loši i korodirani kontakti, nejednoliko
kontrolne sobe, osigurači
opterećenje, vrtložne struje
Transformatori
Loša spojna mjesta, pregrijavanje,
preopterećenje, nejednolika opterećenja, niska razina ulja za hlađenje Tablica 4. Primjena termovizije u održavanju elektroenergetskih sustava i opreme [1] 24
Primjenom termovizijskog pregleda možemo znatno smanjiti broj grešaka i ispada elektroenergetskog sustava kao što je to prikazano na grafikonu slike 17.
Broj grešaka 100
1 50
2 3
0 1
2
3
Broj godišnjih IC pregleda
Slika 17. Redukcija grešaka primjenom IC termovizije 4.2. Primjer praktične uporabe Na slici 18. prikazan je priključak na nekog potrošača izveden sto picama i to
trofazno uz isto fazno opterećenje.
Slika 18. Snimka triju faza priključka trošila 25
Iz termovizijske slike se vidi da je faza „S“ toplija od faza „R“ i „T“.
S(t)=f(R,T)+Δt
[2]
Temperatura komponenata ovisi o: ES=RS•IS•tsek
[3]
Osim vremena tsek, mogu se promatrati samo dvije veličine, a to su otpor R i struja I u
fazi „S“. Ako je: I(S)>I(R,T)
[4]
Imamo neuravnotežen teret ili kvar samog uređaja. U drugom slučaju, ako je: R(S)>R(R,T)
[5]
možemo pretpostaviti da je veza popustila pa je nastao povećani prijelazni otpor. Prijelazni otpor može biti uzrokovan oksidacijom , korozijom ili pak lošim spojem. U svakom slučaju, treba hitno popraviti stezaljku „S“ faze ili sam uređaj jer će se na taj način preduhitriti moguće teže havarije ili požari. Ovo je jedno od osnovnih obilježja u industrijskoj primjeni održavanja elektroenergetskih postrojenja i objekata. Mogućnost očitavanja promjene temperature faze „S“ u odnosu na „R“ i „T“ je Dt=0,1°C, što znači da se već u ranoj fazi nastajanja nekog kvara mogu spriječiti veći problemi. Upravo zbog toga se uvode obvezni inspekcijski nadzori termovizijskim kamerama.
Dopuštene temperature i zagrijavanje za VN sklopne uređaje i postrojenja dani su u tablici 5.
Dio uređaja
Temperatura °C
Zagrijavanje °C
105 75
65 35
90 80
50 40
Bakreni kontakti u zraku posredni neposredni Bakreni kontakti u ulju posredni neposredni
Priključnice aparata za priključak vodiča vijcima i maticama 26
posredni neposredni Glavni vodovi u sklopnom postrojenju posrebreni neposrebreni Metalni dijelovi u zraku u dodiru s izolacijom klase Y Neimpregnirani materijal Klase A Klase E Klase B Klase F Lak na bazi ulja Lak sintetski Klase H Svi metalni ili izolacijski dijelovi osim kontakata u dodiru s uljem
Ulje za uljne prekidače
105 90
65 50
105 90
65 50
90 100 120 130 155 100 120 180
50 60 80 90 115 60 80 140
100
60
90
50
Uzemljeni metalni dijelovi
koje osoblje može dodirivati pri normalnom radu
30
Tablica 5. Dopuštene temperature i zagrijavanje za VN sklopne uređaje i postrojenja[7]
4.3.
Primjeri dijagnostičkih kvarova u elektroenergetici snimljeni
kamerom Guide Wuhan ThermoPro Tp8 U
ovom
poglavlju
prikazat
ću rezultate termovizijskog pregleda TS
(transformatorska stanica) 10/0,4 kV, dalekovodima, razvodnim ormarima i drugim elementima. Ispitivanje je obuhvatilo svu elektro opremu koja je tada bila pod naponom, a posebna pažnja je posvećena vijčanim spojevima na transformatorima, kabelskim glavama, kabels kim stopicama te dosjedima osigurača. Uočena topla mjesta snimljena su na termografske fotografije. Cilj termografskih ispitivanja je preventivno i rano otkrivanje kvarova
na elektro-energetskim objektima.
Upotrijebljena je termovizijska kamera koja je opisana u poglavlju 3.3.4. ovoga rada sa danim karakteristikama. Radi se o kameri Guide Wuhan ThermoPro Tp8 kineskog
proizvođača, koju posjeduje HEP ODS d.o.o., odnosno Operator distribucijskog sustava Elektre Križ, odjela za održavanje transformatorskih stanica. 27
Termovizijska ispitivanja su provedena na TS 10/0,4kV pogona Daruvar, PU
Grubišno Polje te na području Garešnice (HEP -ODS d.o.o. Garešnica -DP Elektra Križ). Prilikom snimanja trebalo je obratiti veliku pozornost rukovanju kamerom i najčešćim problemima prilikom snimanja kao što je refleksija sunca i drugih parametara , koje je trebalo eliminirati da se dobije kvalitetna fotografija i IC termogram. Neke od značajki dobrog snimanja, dobre kvalitete slike i IC termograma dane su u daljnjem tekstu. Dobra digitalna fotografija treba sadržavati sljedeće atribute: fokus
osvijetljenost
kontrast
perspektiva
kompozicija
kut snimanja
Također dobar IC termogram treba imati i kvalitete kao: fokus
termalno područje
termalna razina
termalni raspon
perspektiva
kompozicija
paleta boja
Nakon svakog termovizijskog snimanja i pohrane termograma u kameru, na
prijenosnom računalu na terenu ili pak u uredu , radi se izvješće kao na stranici 52. ovoga rada (prilozi).
28
4.3.1. TS 10/0,4kV Gornje Cjepidlake
Slika 19. Osigurač-TS SK Đulovac [8] Na slici br.19 na temelju termovizijske snimke, odnosno pregleda osigurača unutar transformatorske stanice
dijagnosticiran je kvar jednog od osigurača (2.
desno) strujnog kruga Đulovac, odnosno odlazna mjesta sa osigurača (dosjed i spoj
stopice i vijka). Prema dobivenim podatcima snimke i analize možemo zaključiti da pri istoj emisivnosti S1 i S2 temperaturno mjesto na slici S1 ima pri istoj struji i
opterećenju dvostruku vrijednost temperature u odnosu na točku S2 prvog osigurača . Razlika između S1 -S2 je 16, 6 °C. Preporuka je da pri sadašnjem opterećenju od 20 29
% treba intervenirati prilikom prvog isključenja , a pri 100% tnom opterećenju hitno intervenirati. 4.3.2. TS 10/0,4kV Velika Maslenjača
Slika 20. Transformator-TS Velika Maslenjača [8]
Na slici 20 pregledom je ustanovljeno da faza C transformatora (lijevo), spoj stopice i
vijka ima znatno višu temperaturu sa razlikom od 11,2 °C. Preporuka je i ntervenirati prilikom prvog isključenja. 30
4.3.3. TS 10/0,4kV Ivanovo Selo 1
Slika 21. Spoj stopice sa podnožjem -TS SK Zagrebačka [8] Mjesto kvara je strujni krug Zagrebačka, odlaz iz osigurača desna crna faza, spoj
stopice sa podnožjem. Temperaturna razlika točaka S1 -S2 je 8,7 °C, što znači da pri sadašnjem opterećenju treba intervenirati prilikom prvog isključenja , a pri punom opterećenju hitno intervenirati. 31
4.3.4. TS 10/0,4kV Virovitičanka
Slika 22. Kabelske glave-TS Virovitičanka [8] Pregledom je ustanovljeno da su kabelske glave u kvaru, tj. pojedinačno na svakoj glavi postoji temperaturna razlika od 5,5°C kao i jasno vidljivo mjesto pregrijavanja na svim glavama. Ovdje treba napraviti nove kabelske glave.
32
4.3.5. TS 10/0,4kV TEI
Slika 23. Transformator-TS TEI [8]
Najveća temperatura Tmax je 108, 7 °C i izmjerena je na plavom vodiču. Kako vidimo sva tri vodiča , osim smeđeg,
tj. spojna mjesta značajno prelaze te
temperature. Zeleno - žuti i plavi vodič transformatora , odnosno njihovi kontakti su u
bijelom spektru boja (visoke temperature) u odnosu na smeđi vodič koji j e u zelenom spektru (niže temperature) boja, što nam govori da se ta tri vodiča u odnosu na 33
smeđi znatno više zagrijavaju. Na osnovu dijagnostičkih podataka na mjestima S2, S3, S4 odlazna vodiča sa transformatora treba hitno intervenirati , tj. provjeriti kontakte na transformatoru i na sabirnicama. 4.3.6. TS 10/0,4 kV I.N.Jemeršića
Slika 24. Transformator-TS I.N.Jemeršića [8]
Zahvaljujući opremi koju kamera posjeduje , odnosno objektivom, možemo uočiti kvarove na većoj udaljenosti kao u ovom slučaju. Transformatorski drugi vodič sa desne strane na spoju stopice i vijka ima temperaturnu razliku od 34°C. Ovdje je preporuka hitno intervenirati.
34
4.3.7. TS 10/0,4kV Nikole Šubića Zrinskog
Slika 25. Visokonaponsko podnožje - TS N.Š.Zrinski [8]
Na slici br.25 možemo ukazati na kvar podnožja srednjeg osigurača dolaza sa dalekovoda na transformatorsku stanicu. Termovizijskim pregledom je utvrđeno da je
razlika između S1 podnožje srednjeg osigurača i S2 podnožja desnog osigurača 23,5°C. Prepor uka je hitno intervenirati. 35
4.3.8. TS 10/0,4kV Dijakovac
Slika 26. Osigurač-TS SK Turčević Polje [8] Termovizijskim pregledom TS Dijakovac utvrđeno je stanje kao na slici 26 .
Strujni krug Turčević Polje (50A), spoj patrone glav e i prisjednog vijka osigurača znatno se zagrijava. Temperaturna razlika S1-S2 je 22,8 °C. Preporuka je
intervenirati prilikom prvog isključenja , odnosno pri 100 postotnom opterećenju hitno intervenirati.
36
4.3.9. TS 10/0,4kV Treglava 2
Slika 27. Osigurač-TS SK Ivanovo Selo [8]
Transformatorska stanica Treglava 2, na strujnom krugu Ivanovo Selo (50A), mjesto
kvara lijeve faze odlazna sa podnožja spoj stopice i vijka i dosjeda osigurača (slika 27). Preporuka je pri sadašnjem opterećenju od 44% intervenirati prilikom prvog
isključenja, a pri 100 postotnom opterećenju hitno intervenirati.
37
4.3.10. TS 10/0,4kV Zdenka 1
Slika 28. Transformator - TS Zdenka 1 [8]
38
4.3.11. TS 10/0,4kV Koreničani 2
Slika 29. Odlaz iz sklopke - TS Koreničani 2 [8]
39
5. Realizacija monitoring sustava sa termovizijskom kamerom za on-line praćenje rada u elektroenergetskim prostorima
U nadležnosti distribucijskih područja nalazi se niz elektro energetskih i drugih objekata koji su u sustavu centraliziranog nadzora i tehničke zaštite objekta. Općenito, osnovna funkcija videonadzora je detekcija neovlaštenih ulazaka u objekte
pri čemu je nadzor, upravljanje i parametriranje elemenata sustava mrežnog videonadzora moguće izvesti sa bilo kojeg računala u mreži. Sustav mrežnog video nadzora je integriran sa centralnim audit sustavom te sadrži komunikacijsko sučelje
za prihvat informacija sa ostalih sustava i prosljeđivanje istih centralnom audit poslužitelju. U glavnom nadzornom centru korisnici imaju uvid u trenutno stanje sustava videonadzora preko korisničke programske aplikacije. Kod najnovije
generacije inteligentnih mrežnih kamera, sama kamera postaje glav no mjesto obrade funkcija videonadzora. Zahvaljujući ovakvim postojećim sustavima videonadzora elektroenergetskih i drugih ob jekata distribucijskih područja, možemo ih iskoristiti i za daljinsko snimanje, odnosno upravljanje i termovizijskim kamerama na neki od
načina koji su opisani u daljnjem tekstu ovog rada. Cilj on -line monitoringa elektroenergetskih postrojenja ili nekih njegovih dijelova, termovizijom je pravovremena
intervencija sa još znatno smanjenim brojem zastoj a. Sustav on-line monitoringa je sustav kontinuiranog prikupljanja, obrade, prezentacije stanja i događaja koji utječu i
važni su za pravilan rad praćene opreme. Najvažnije koristi od monitoringa:
povećanje pouzdanosti i raspoloživosti pos trojenja kroz stalni uvid u stanje opreme i u uvjete rada u postrojenju
otkrivanje kvarova u ranoj fazi nastanka prije većih kvarova ili havarija
ako do kvara dođe, lakša i detaljnija analiza uzroka kvara i brže otklanjanje
značajne uštede na održavanju zbog mogućnosti povećanja intervala i ciljanih intervencija
Ovi sustavi zbog još uvijek visoke cijene termovizijskih kamera su relativno skupi, a li iskorištavanjem sustava vide onadzora i sustava tehničke zaštite bili bi prihvatljivi.
40
5.1. Daljinsko upravljanje termovizijskom kamerom sa serijskim RS 232 kabelom
Slike snimljene termovizijskom kamerom se prebacuju na osobno računalo. Računalo treba imati odgovarajuću programsku podršku koja treba omogućiti: upravljanje režimom snimanja termograma
prijenos termograma sa termovizijske kamere na računalo
obradu termograma
potpunu analizu termograma
postavljanje temperature (minimalne, maksimalne) pojedinih zona na termogramu
izvještaj za odabrani termogram
U sustavima za nadzor, preventivno održavanje ili upravljanje tehnološkim procesima potrebno je termovizijsku kameru povezati na računalo i formirati računalom upravljan termovizijski sustav. Daljinsko upravljanje kamerom moguće je preko ugrađenog komunikacijskog serijskog priključka kojega u današnje vrijeme imaju gotovo sve termovizijske kamere i sa odgovarajućim serijskim kabelom sa DB -9 M/F priključcima (komunikacijski port kamere i serijski port računala ili prijenosnog računala). Takav termovizijski sustav može biti upotrijebljen u različitim sustavima za nadzor, upravljanje i preventivno održavanje ind ustrijskih procesa.
Na slici 30.
prikazana je shema računalom upravljane termovizijske kamere.
Slika 30. Računalom upravljana termovizijska kamera
Programska podrška omogućava dodatno daljinsko upravljanje kamerom
preko
računala, tj. programiranje kamere da identificira temperature koje odstupaju od propisanih vrijednosti i pošalje alarm računalu. Na ovaj način moguće je vršiti 41
monitoring mnogih procesa automatski. Program detekcijom neželjenog stanja signalizira računalu da je normalno odvijanje procesa ugroženo. 5.2. Monitoring mrežnom termovizijskom kamerom NEC S30 i SS320
Termovizijska kamera proizvođača NEC mod ela S30, SS320 kao i brojne druge mrežne kamere mogu služiti za monitoring industrijskih automat iziranih proizvodnih linija i elektroenergetskih postrojenja. Kompaktna veličina i mala težina omogućuju montiranje u ograničenom prostoru. Ethernet sučelje je standardno, a
korisnici mogu dizajnirati monitoring sustav putem računala. Sa vizualnom optičkom kamerom, i termalna i vizualna slika se može prikazati. Mjerni opseg se može birati bilo -20°C do +350 °C bilo 0° do +600°C. Kada se odgovarajuće programira , kamera
može vršiti monitoring i samostalno poslati alarm signal.
Slika 31. Mrežna termovizijska kamera NEC S30 [9]
Ethernet i video sučelje omogućuju daljinski kontrolirani monitoring i transfer i snimanje termovizijske slike u realnom vremenu pomoću računala (slika 32 ).
42
Slika 32. Ethernet režim rada [9]
Funkcije programske podrške za daljinsku kontrolu su: 1. podešavanje mjernih parametara 2. podešavanje parametara alarma 3. bilježenje podataka termalne i vizualne slike
U samostalnom režimu rada kamera se može isključiti od računala da radi kao samostalna jedinica za monitoring. Temperaturni alarm se može programirati i staviti u rad da daje alarm signal.
Slika 33. Samostalni režim rada [9]
Za potrebe monitoringa većeg broja specifičnih mjesta unutar elektroenergeskog postrojenja moguć je režim sa više jedinica sa mrežnom vezom (slika 34).
43
Slika 34. Režim više jedinica sa mrežnom vezom [9]
Primjer postavljanja alarm parametara: Alarm poruka na video ekranu se prikazuje kad 100 ili više piksela detektiraju temperaturu od 35°C ili više i ako taj uvjet potraje
za 15 okvira ili duže (oko 2s). Kad se stanje temperature vrati u normalu, alarm poruke nestaje.
Slika 35.Konfiguracija sustava SS320 [10]
44
5.3. FLIR sustav monitoringa transformatorske stanice
Slika 36. FLIR sustav monitoringa transformatorske stanice sa FLIR A -320 kamerom [11] Kod sustava kao na slici 36. video slika i temperaturni podatci se šalju preko
lokalne mreže, bežične veze ili optičkih kablova do odgovarajućeg sučelja koje dostavlja podatke na lokaciju centralnog monitoringa za trenutnu obradu, pokretanje
alarma ili generiranje izvješća. Sustav može izvijestiti odgovornu osobu u udaljenom uredu o nepravilnom stanju slanjem e-mail poruke.
45
Slika 37. Komunikacijska industrijska mreža sa mogućnošću prijenosa putem
optičkog voda [11]
5.4. Prijenos termovizijske slike na udaljenost preko video servera
Jedan od načina on -line prijenosa video termovizijske slike na veće udaljenosti bio bi i preko video servera projektiranog za profesionalni video nadzor i alarmnu dojavu, uz snimanje i transmisiju videa putem GPRS, EDGE, UMTS i HSDPA
mobilnih mreža. Na taj način se može prenositi video i ekstrahirati putem 10/100 base-T ili wireless LAN, HSDPA, UMTS, EDGE i GPRS-a. Server podržava transmisiju za PAL/NTSC na wireless LAN vezi, snima video na ugrađeni tv rdi disk, a odabrani video zapis se može ekstrahirati i putem USB sučelja. Korisnici mogu jednostavno pristupiti svim operacijama pomoću centralnog monitoring s tation
46
softvera. Uz ugrađeni web server korisnici mogu pristupiti slici uživo pomoću web preglednika i bilo koje internet veze.
Slika 38. Prijenos putem video servera
Slika 39. Prijenos putem WLAN mreže
47
6. Zaključak
Termovizijski pregled omogućava detekciju loših spojeva na priključnicama
transformatora, prekidača, sabirnica i drugih ključnih elemenata elektroenergetskih postrojenja kako bi se osigurala pravovremena intervencija i time smanjio broj zastoja. Iz svih dobivenih rezultata analiza praktičnog dijela ovog rada, možemo
zaključiti da se termovizijskom kontrolom mogu postići značajni efekti u prevenciji kvarova. Prednost je što se proces , čija se temperatura kontrolira u pojedinim
točkama, ne mora prekidati, npr. kod kontrole temperatu re u pojedinim točkama transformatora pod naponom te isti nije potrebno isključiti. Brz ina izvedbe mjerenja snimanja je značajno veća nego u slučaju kon taktnog mjerenja. Mjerenje temperature je neopasno za operatera, jer se ne mora približiti samom objektu koji zrači toplinom,
nepristupačni su (objekti pod naponom). Ponekad je kod identifikacije nepravilnosti potrebno provjeriti informacije o popravcima na opremi, materijalima i p ostupcima koji su primijenjeni i je li oprema preopterećena. Isto tako, snimatelj mora utvrditi nalazi li
se na pravom mjestu u pravo vrijeme i jesu li uzeti u obzir svi parametri koji utječu na rezultat mjerenja. Pri korištenju infracrvene termografije i u analizi rezultata mjerenja
mogu se pojaviti pogreške. Prilikom snimanja praktičnog zadatka ovog rada, pogreške su nastajale uslijed refleksije te uslijed razlike u iznosima faktora emisije, na što treba osobito pripaziti. Napretkom termovizijskih kamera danas je moguć i on line nadzor sustava.
48
7. Literatura [1] Andrassy Mladen; Boras Ivanka; Švaić Srećko: Osnove termografije s primjenom, KIGEN, Zagreb, srpanj 2008. [2] Prof. Dr. sc. Krstulović-Opara Lovre: Uvod u IC termografiju, FESB, www.fesb.hr/kk,http://www.hkis.hr/Upload/Documents/EV/EV20/1_Uvod_IC_termogr afija.pdf , travanj 2012. [3] Prof.dr.sc. Švaić Srećko, dipl.ing.; Doc.dr.sc. Boras Ivanka, dipl.ing.: IC termografija-primjena kod očuvanja kulturne baštine -dio prvi, FSB, Zagreb, http://www.fsb.unizg.hr/termolab/nastava/Kulturna%20bastina_Svaic.pdf , travanj 2012. [4] Termovizija, http://www.belmet97.hr/, travanj 2012. [5] ThermoProTM TP8 IR Thermal Camera, User Manual, http://www.guideinfrared.com, travanj 2012. [6] FLIR, Flir Thermal Solutions for Research and Science, http://www.flir.com/thermography/americas/us/view/?id=44983, svibanj 2012. [7] Krunoslav Petrović; Krešimir Petrović: Metoda infracrvene termografije -novi
pristup održavanju, http://www.huict.hr/images/pictures/impl_doc_1_13.pdf , svibanj 2012. [8] HEP ODS d.o.o., Operator distribucijskog sustava Elektra Križ, Služba za
održavanje: Izvješće o izvedenom termovizijskom ispitivanju, 2011. [9] Networkable Infrared Thermal Imager S30 series; http://www.necavio.co.jp/en/products/ir-thermo/pdf/catalog-s30-e.pdf , svibanj 2012. [10] NEC Avio Infrared Technologies; Temperature Monitoring System With Multiple Thermal Imagers SS320; http://www.researchindustrial.com.au/wpcontent/uploads/2010/08/NEC-SS320.pdf , svibanj 2012. [11] FLIR; Electric Substation Monitoring; http://infraredsys.com/process.pdf , svibanj 2012.
49
Summary
In this paper, on the topic of thermovision application in electric power engineering , I have described the characteristics of thermovisual images and application possibilities to detect malfunctions in electric power systems. My goal was also to explore the possibility of realization of the monitoring system with a thermovisual camera for online monitoring of electric power plants. Thermovision has been present in Croatia for about fifteen years, and has been mainly used for maintenance purposes of industrial plants. One of the major problems in power engineering are hidden defects, which can cause interruption of the energetic process at the most unfavourable moment. Therefore, infrared technology is used for preventive maintenance of the plants, because it can reveal weak spots. This method can be used to monitor high-voltage equipment, distribution cabinets, motors, pumps or insulation losses even while electrical systems are under load. Thermovisual imaging prevents extensive and expensive repairs, it can be part of a program of preventive maintenance and subsequent control of executed works. With the aim of cost reductions, working without downtime and expensive unexpected breakdowns and lost time, thermovision is certainly a good tool to quickly and accurately diagnose problems which cannot be detected by visual inspections.
50
PRILOZI
51
