Warmtebeelden vormen een gemakkelijke manier om schijnbare temperatuurverschillen in industriële elektrische driefasencircuits te identificeren en te vergelijken met de normale bedrijfsomstandigheden. Door de thermische gradiënten van alle drie de fasen met elkaar te vergelijken, kunnen technici snel vermogensafwijkingen door onbalans of overbelasting in afzonderlijke lijnen vaststellen.
Elektrische onbalans kan worden veroorzaakt door verschillende bronnen, bijvoorbeeld problemen in de stroomtoevoer, laagspanning in een lijn of isolatieweerstanddoorslag in de motorwikkelingen.
Zelfs een kleine spanningsuitval kan ervoor zorgen dat de aansluitingen verslechteren, waardoor de hoeveelheid geleverde spanning wordt verminderd, waardoor motoren en andere belastingen te veel stroom verbruiken, een lager koppel leveren (met bijbehorende mechanische spanning) en eerder falen. Een ernstige onbalans kan een zekering laten springen, waardoor de werking tot een enkele fase wordt teruggebracht. Ondertussen zal de onevenwichtige stroom terugkeren naar de nul, waardoor het nutsbedrijf de faciliteit een boete zal geven voor piekstroomverbruik.
In de praktijk is het vrijwel onmogelijk om de spanningen perfect over drie fasen te verdelen. De National Electrical Manufacturers Association (NEMA) definieert onbalansen als een percentage: % onbalans – [(100)(maximale afwijking van gemiddelde spanning)] / gemiddelde spanning. Om operators te helpen bij het bepalen van aanvaardbare niveaus van onbalans heeft NEMA specificaties opgesteld voor meerdere apparaten. Deze basisregels zijn een nuttig vergelijkingspunt tijdens onderhoud en probleemoplossing.
Gewoonlijk geïnspecteerde onderdelen
Maak warmtebeelden van alle elektrische panelen en andere zwaar belaste aansluitpunten, zoals aandrijvingen, onderbrekers, besturingen. Volg het circuit waarin u hogere temperaturen waarneemt en onderzoek de daarmee in verbinding staande aftakkingen en belastingen.
Controleer verdelers en andere aansluitingen met de afdekplaat verwijderd. Idealiter zou u elektrische apparatuur in stabiele toestand en op volledige bedrijfstemperatuur moeten controleren, met ten minste 40% van de nominale belasting. Op die manier kunnen metingen correct worden geëvalueerd en vergeleken met de normale bedrijfsvoorwaarden.
Abnormale verhitting door hoge weerstand of overmatige stroom is de belangrijkste oorzaak van veel problemen in elektrische systemen. Infrarood thermografie stelt ons in staat om deze onzichtbare thermische kenmerken van dreigende schade te zien voordat de schade zich voordoet. Wanneer de stroom door een elektrisch circuit stroomt, wordt een deel van de elektrische energie omgezet in warmte-energie. Dit is normaal. Maar als er een abnormaal hoge weerstand in het circuit of een abnormaal hoge stroom is, wordt abnormaal hoge warmte gegenereerd die verspillend, mogelijk schadelijk en niet normaal is.
De wet van Ohm (P=I2R) beschrijft de relatie tussen stroom, elektrische weerstand en het opgewekte vermogen of warmte-energie. We gebruiken hoge elektrische weerstand voor positieve resultaten zoals warmte in een broodrooster of licht in een gloeilamp. Soms wordt echter ongewenste warmte gegenereerd die leidt tot kostbare schade. Ondermaatse geleiders, losse aansluitingen of overmatige stroom kan abnormaal hoge ongewenste verwarming veroorzaken, wat kan leiden tot gevaarlijk hete elektrische circuits. Componenten kunnen letterlijk heet genoeg worden om te smelten.
Thermische camera’s stellen ons in staat om de hittesignaturen te zien die gepaard gaan met hoge elektrische weerstand lang voordat het circuit heet genoeg wordt om een storing of explosie te veroorzaken. Wees u bewust van twee basis thermische patronen die verband houden met elektrische storingen: 1) een hoge weerstand veroorzaakt door slecht contact met het oppervlak en 2) een overbelast circuit of een probleem met een multifase-onbalans.
Waar u naar moet zoeken
Gelijke belasting moet overeenkomen met gelijke temperaturen. In een situatie met asymmetrische (ongebalanceerde) belasting zal/zullen de zwaarder belaste fase(n) warmer zijn dan de andere, door de warmte die door de weerstand wordt gegenereerd. Een asymmetrische belasting, een overbelasting, een slechte verbinding en een harmonische onbalans kunnen echter een soortgelijk patroon veroorzaken. De elektrische belasting moet worden gemeten om het probleem te diagnosticeren.
Het is een goede procedure om een regelmatige inspectieroute te creëren die alle belangrijke elektrische aansluitingen omvat. Sla met behulp van de software die bij uw Fluke thermische camera wordt geleverd elk beeld dat u vastlegt op een computer op en houd uw metingen in de loop van de tijd bij. Hiermee kunt u een baseline van beelden maken om te vergelijken met beelden die op latere datums zijn vastgelegd. Deze procedure zal u ook helpen bepalen of een hete of koele plek ongebruikelijk is. Na corrigerende maatregelen helpen nieuwe beelden u te bepalen of de reparaties zijn geslaagd.
Warmte wordt geproduceerd door stroom door een contact met een hoge elektrische weerstand. Dit type probleem wordt doorgaans geassocieerd met schakelaarcontacten en -connectoren. Het eigenlijke verwarmingspunt kan vaak zeer klein zijn, minder dan 1/16 inch wanneer het begint. Hieronder vindt u een aantal voorbeelden van de IR SnapShot tijdens demonstraties van klanten.
Thermogram A) is een motorcontroller voor een lift in een groot hotel. Een van de driefasenaansluitingen was los, wat verhoogde weerstand bij de connector veroorzaakte. De overtollige verwarming veroorzaakte een temperatuurstijging van 50°C (90F). Thermogram B) is een driefasige zekeringsinstallatie waarbij één uiteinde van één zekering slecht elektrisch contact met het circuit heeft. De verhoogde contactweerstand veroorzaakte een 45C (81F) warmere temperatuur bij die aansluiting dan bij de andere zekeringsaansluitingen. Thermogram C) is een zekeringklem waarbij één contact 55C (99F) warmer is dan de andere. En thermogram D) is een tweefasige muurplug-in waarbij de draadverbindingen los waren, waardoor de klemmen 55C (100F) warmer werden dan de omgevingstemperatuur.
Alle vier deze voorbeelden waren ernstig en vereisten onmiddellijke aandacht. Thermogram B) toont een interessant principe dat wordt gebruikt bij het interpreteren van thermische patronen van het elektrische circuit. De zekering is slechts aan één kant heet. Als de zekering aan beide uiteinden heet zou zijn, zou het probleem anders geïnterpreteerd worden. Een overbelast circuit, een faseonbalans of een te kleine zekering zou ervoor zorgen dat beide uiteinden van de zekering oververhit raken. Als het aan één kant heet is, wijst dit er alleen op dat het probleem een hoge contactweerstand aan de verwarmde kant is.
De stekker in Thermogram D) is ernstig beschadigd, zoals te zien is in de onderstaande afbeelding, maar bleef werken totdat hij werd vervangen.
Wat vertegenwoordigt een “rode waarschuwing”?
Bij reparaties moet de eerste prioriteit liggen bij veiligheid, d.w.z. apparatuuromstandigheden die een veiligheidsrisico vormen, gevolgd door de kritikaliteit van de apparatuur en de mate van temperatuurstijging. De NETA-richtlijnen (InterNational Electrical Testing Association) schrijven onmiddellijke actie voor wanneer het temperatuurverschil tussen vergelijkbare elektrische componenten onder vergelijkbare belastingen hoger is dan 15 °C (27 °F) of wanneer het temperatuurverschil tussen een elektrische component en de omgevingstemperatuur hoger is dan 40 °C (72 °F).
NEMA-normen waarschuwen tegen het gebruik van een motor met een spanningsverschil van meer dan één procent. NEMA raadt zelfs aan om de normering van motoren met een hogere onbalans te schrappen. Het percentage veilige onbalans varieert voor andere apparatuur.
De volgende thermogrammen tonen overbelaste circuits. Thermogram E) toont een circuitpaneel waarin de hoofdonderbreker aan de bovenkant oververhit is tot 75C (135F) boven de omgevingstemperatuur. Dit totale paneel is overbelast en heeft onmiddellijke aandacht nodig. Thermogram E) en F) tonen alle standaard stroomonderbrekers die oververhit zijn. Hun temperatuur lag 60C (108F) boven de omgevingstemperatuur. Hoewel in het thermogram de draden blauw van kleur zijn, zijn ze ook heet, 45 tot 50C (81 tot 90F). Dit hele elektrische systeem moet opnieuw worden uitgevoerd.
Thermogram G) toont een lijn van een controller die ongeveer 20C (36F) boven de andere staat. Dit moet verder onderzocht worden om te bepalen waarom een draad zoveel warmer is dan de andere en om de benodigde reparatie te bepalen. Thermogram H) toont een stroomtransformator die 14C (25F) warmer is dan de andere twee transformatoren in een 3-fasen service-installatie. Dit duidt op een ernstige onbalans van de service of een defecte stroomtransformator die een ernstige impact kan hebben op de rekening van de klant.
Belastingsvereisten
Bij het uitvoeren van een inspectie is het belangrijk dat het systeem wordt belast. Wacht met de inspectie voor “slechtste geval” of piekbelastingen, of wanneer de belasting ten minste 40% is (volgens NFPA 70B). Warmte gegenereerd door een losse verbinding stijgt naarmate het kwadraat van de belasting toeneemt; hoe hoger de belasting, hoe gemakkelijker het is om problemen te vinden.
Vergeet niet om rekening te houden met het verkoelende effect van wind of andere luchtbewegingen.
Alleen oppervlaktetemperatuur
Thermografische camera’s kunnen niet door elektrische kasten of massieve metalen bussen kijken. Open indien mogelijk behuizingen zodat de camera de elektrische circuits en componenten direct kan zien. Als u een abnormaal hoge temperatuur aantreft op het buitenoppervlak van een behuizing, kunt u er zeker van zijn dat de temperatuur in de behuizing nog hoger en meestal veel hoger is. Hieronder staan enkele thermogrammen van een busbehuizing, die een ernstig probleem met de elektrische bussen in de behuizing identificeren. De hotspots waren in de orde van 10C warmer dan de omgevingstemperatuur en 6C warmer dan andere delen van de busbehuizing.
Busbehuizingen:
Elektrische distributie
In een elektrisch systeem kunnen letterlijk honderden verschillende uitrustingen worden aangetroffen. Ze beginnen met de elektriciteitsproductie van nutsvoorzieningen, hoogspanningsdistributie, schakelinstallaties en onderstations en eindigen met servicetransformatoren, schakelapparatuur, onderbrekers, meters, lokale distributie en apparaatpanelen. Veel nutsbedrijven hebben de FlexCam® of SnapShot® gekocht om te helpen bij hun onderhoud. En bijna elk type industrie heeft camera’s van Infrared Solutions gekocht om te helpen bij het onderhoud van het uiteinde van het elektriciteitsnetwerk.
Thermogram M) is een onderhoudstransformator die wat koelolie had gelekt, wat resulteerde in gevaarlijk oververhitte spoelen aan de bovenkant. Eén verbinding was 160C (288F) boven omgevingstemperatuur. Deze transformator moest onmiddellijk worden vervangen, maar het bedrijf wilde de reparatie een maand uitstellen, zodat het kon worden uitgevoerd tijdens een geplande volledige sluiting van de fabriek. Ze gebruikten de IR SnapShot-camera om de status van de transformator te bewaken en de reparatie met succes te vertragen. Thermogram N) is voor een op een staander gemonteerde servicetransformator die een aansluiting heeft van 30C (54F) warmer dan omgevingstemperatuur. Een dergelijke conditie vereiste onderhoud bij de eerstvolgende geschikte gelegenheid. Thermogram O) toont een warme hoofdaansluiting op een onderbreker bij een substation in
Mexico. De verbinding bleek 14C (25F) warmer te zijn dan de andere. Men dacht dat dit een probleem was dat aandacht nodig had. Thermogram P) toont een bovenhoofdse verbinding in een substation in Peru. Het was minder dan 10C of (18F) boven de omgevingstemperatuur en niet van direct belang.
Wat zijn de mogelijke kosten van storing?
Motorstoring is een veel voorkomend gevolg van spanningsverschillen. De totale kosten combineren de kosten van een motor, de arbeid die nodig is om een motor te vervangen, de kosten van het product dat wordt weggegooid als gevolg van een ongelijke productie, lijnwerking en de inkomsten die verloren gaan tijdens de periode dat een lijn uitgevallen is.
Ga ervan uit dat de kosten voor het vervangen van een 50 pk motor elk jaar $ 5000 bedragen, inclusief arbeid. Ga uit van 4 uur downtime per jaar met een inkomensverlies van $ 6000 per uur. Totale kosten: $ 5000 + (4 x $ 6000) = $ 29.000 per jaar.
Vervolgacties
Wanneer op een warmtebeeld een gehele geleider warmer blijkt te zijn dan andere componenten in een gedeelte van een circuit, is de geleider mogelijk te dun of overbelast. Controleer de specificatie van de geleider en de werkelijke belasting om vast te stellen of dit het geval is.
Gebruik een multimeter met stroomtang, een stroomtang of een Power Quality Analyzer om de stroombalans en belasting in iedere fase te controleren.
Controleer de beveiligingsschakelinstallatie aan spanningszijde op spanningsdalingen. In het algemeen mag de netspanning niet meer dan 10% afwijken van de nominale waarde op het typeplaatje. De nul/aarde-spanning geeft aan hoe zwaar uw systeem is belast en kan u helpen bij het opsporen van harmonische stromen. Als de nul/aarde-spanning hoger is dan 3%, dient nader onderzoek plaats te vinden.
Belastingen zijn niet constant en een fase kan plotseling 5% lager zijn in een lijn wanneer een aanzienlijke enkelfasige belasting wordt ingeschakeld. Spanningsdalingen over de zekeringen en schakelaars kunnen zich ook openbaren als onbalans bij de motor en overmatige warmte bij de oorzaak van de storing. Voer zowel met de warmtebeeldcamera als met een multimeter of stroomtang metingen uit als dubbele controle, voordat u ervan uitgaat dat de oorzaak is gevonden.
Noch voedings-, noch aftakkingscircuits mogen tot aan de maximaal toegestane limiet worden belast. Bij de vergelijking van de circuitbelastingen dient ook rekening te worden gehouden met harmonischen. De meest gebruikelijke oplossing bij overbelasting is de belastingen tussen de circuits onderling te herverdelen of deze te regelen wanneer belastingen tijdens het proces worden ingeschakeld.
Met behulp van de bijbehorende software kan elk vermoed probleem dat met een thermische beeldsensor wordt ontdekt, worden gedocumenteerd in een rapport dat een thermische afbeelding en een digitale afbeelding van de apparatuur bevat. Dit is de beste manier om problemen te communiceren en reparaties voor te stellen.