Värmefotografering är ett enkelt sätt att hitta temperaturnivåer som överskrider normala driftsförhållanden i industriella 3-fasinstallationer. Genom att avläsa temperaturgradienter för alla tre faser sida vid sida kan teknikern snabbt upptäcka avvikelser på enskilda grupper orsakade av överbelastning eller obalans.
Elektrisk lastobalans kan ha många orsaker, exempelvis problem med strömförsörjningen, låg spänning på en fas eller en skada på isoleringen i en motorlindning.
Även små spänningsobalanser kan göra att anslutningar försämras, vilket orsakar spänningsfall som leder till att motorer och andra laster drar mer ström, ger lägre vridmoment (med mekanisk belastning som följd) och kortare hållbarhet. En större obalans kan orsaka utlösning av en säkring och reducerad drift till en fas. Samtidigt belastar den obalanserade strömmen neutral (nolla), vilket gör att larm kan utlösas för toppbelastning.
I praktiken är det praktiskt taget omöjligt att åstadkomma perfekt balansering av spänningen på tre faser. National Electrical Manufacturers Association (NEMA) definierar obalans som ett procenttal: % obalans = [100 x maximal avvikelse från genomsnittlig spänning] / genomsnittlig spänning. NEMA har, som referens för utrustningsoperatörer, formulerat specifikationer som acceptabla obalansvärden för en rad olika utrustningar. Dessa referensvärden kan vara praktiskt att relatera till vid underhåll och felsökning.
Komponenter som kontrolleras ofta
Ta värmebilder av alla elpaneler och andra anslutningspunkter med hög belastning, t.ex. drivenheter, avskiljare och kontroller. Om du upptäcker högre temperaturer, följ kretsen och undersök tillhörande förgreningar och laster.
Kontrollera paneler och andra anslutningar med kåporna avmonterade. Helst ska du kontrollera elektriska enheter när de är helt uppvärmda, vid stabila förhållanden och med minst 40 % av den typiska belastningen. Detta gör att mätningar kan bedömas korrekt och jämföras med normala driftförhållanden.
Onormal uppvärmning i samband med hög resistans eller för hög ström är den främsta orsaken till många problem i elanläggningar. Med infraröd termografi kan vi se osynliga termiska indikationer på risker för nära förestående skador, innan någon skada inträffar. När ström leds genom en elektrisk krets omvandlas en del av den elektriska energin till värmeenergi. Detta är normalt. Om resistansen någonstans är för hög eller strömmen är för hög genereras onormalt mycket värme som kräver onödig energi och kan vara skadlig.
Ohms lag (P=I2R) beskriver sambandet mellan ström, elektriskt motstånd och effekt (genererad värme). Vi kan uppnå positiva resultat genom högt elektriskt motstånd, som exempelvis värmen i en brödrost eller ljuset från en glödlampa. Ibland genereras dock oönskad värme som orsakar dyrbara skador. Underdimensionerade ledare, lösa anslutningar eller för hög ström kan orsaka onormalt hög uppvärmning som medför farligt heta elektriska kretsar. Komponenter kan bokstavligen bli så varma att de smälter.
Med hjälp av värmekameror kan vi upptäcka förhöjda temperaturer kopplade till hög elektrisk resistans långt innan kretsen blir så varm att den orsakar avbrott eller överslag. Var uppmärksam på två grundläggande termiska mönster som förknippas med elektriska fel: 1) hög resistans orsakad av dålig ytkontakt och 2) en överbelastad krets eller balanseringsproblem.
Vad ska jag leta efter?
Vid jämn belastning bör temperaturerna vara lika. Vid obalanserad belastning kommer den högst belastade fasen att vara varmare än övriga på grund värmen som genereras av motståndet. En obalanserad last, en överbelastning, dålig kontakt och en harmonisk obalans kan dock skapa ett liknande mönster. Den elektriska lasten måste mätas för att felsöka problemet.
En god vana är att ha en kontrollrutin som tillämpas regelbundet på alla viktiga elektriska anslutningar. Använd programvaran som medföljer din Fluke värmekamera, spara varje bild du tar på en dator och följ upp dina mätningar över tid. På detta sätt kan skapa ett ”normaltillstånd” med bilder som du kan jämföra senare bilder med. Den här proceduren hjälper dig också att avgöra om en het eller sval punkt är ovanlig. Efter korrigerande åtgärder kan du använda nya bilder för att avgöra om en reparation har lyckats.
Värmealstring orsakad av strömflöde genom kontaktpunkt med hög resistans. Denna typ av problem uppstår vanligtvis i brytare, kontakter och anslutningsterminaler. Den faktiska uppvärmningspunkten är ofta mycket liten, mindre än 0,07 mm när uppvärmningen börjar. Nedan finns flera exempel som har hittats med IR SnapShot under kunddemonstrationer.
Termogram A) visar en motorstyrenhet till en hiss på ett stort hotell. En av de tre fasanslutningarna var lös, vilket orsakade ökat motstånd i kontakten. Uppvärmningen orsakade en temperaturökning med 50 °C. Termogram B) visar en 3-fas säkringsinstallation där ena sidan av en säkring har dålig elektrisk kontakt med kretsen. Den ökade resistansen orsakade en temperatur som var 45 °C högre i denna kontaktpunkt än i övriga säkringars kontaktpunkter. Thermogram C) visar en säkringsklämma där en kontakt är 55 °C varmare än de andra. Termogram D) visar en 2-fas väggkontakt där kabelanslutningarna var lösa, vilket gjorde att terminalerna hade en temperatur som är 55 °C högre än omgivningen.
Samtliga fyra exempel visar situationer som var allvarliga och krävde omedelbar åtgärd. Termogram B) visar en intressant princip som används för tolkning av termiska mönster i elektriska kretsar. Säkringen är endast uppvärmd på en sida. Om säkringen hade varit uppvärmd på båda sidorna skulle bilden ha tolkats annorlunda. En överbelastad krets, fasobalans eller en underdimensionerad säkring skulle ha orsakat överhettning i båda ändarna av säkringen. Att den bara värms upp på ena sidan tyder på högt kontaktmotstånd där.
Väggkontakten i Termogram D) hade allvarliga skador, vilket syns på bilden nedan, men fungerade tills den byttes ut.
Vad betyder en ”röd varning”?
Reparationer ska prioriteras efter hur säkerheten påverkas – dvs. efter hur stor risk utrustningsförhållandena utgör – och sedan efter hur stor risk det utgör för utrustningen och uppvärmningens omfattning. Riktlinjerna i NETA (InterNational Electrical Testing Association) föreskriver omedelbar åtgärd om temperaturskillnaden mellan liknande elektriska komponenter vid liknande belastning överstiger 15 °C eller om skillnaden i temperatur mellan en elektrisk komponent och omgivningsluften överstiger 40 °C.
NEMA-standarderna varnar för drift av en motor vid spänningsobalans som överstiger en procent. NEMA rekommenderar därför att motorerna klassas ned om de arbetar med en högre obalans. Acceptabelt obalansvärde i procent för annan utrustning varierar.
Följande termogram visar överbelastade kretsar. Termogram E) visar en elcentral där huvudbrytaren överst har en temperatur som överstiger omgivningstemperaturen med 75 °C. Hela denna central är överbelastad och måste uppmärksammas omedelbart. Termogram E) och F) visar överhettning på alla standardsäkringar. Temperaturen på dessa översteg omgivningstemperaturen med 60 °C. Även om kablarna i termogrammet har blå färg är de också varma, med 45–50 °C. Hela denna installation måste göras om.
Termogram G) visar en ledning i en styrenhet som har 20 °C högre temperatur än de andra. Detta måste utredas vidare för att fastställa varför en kabel är varmare än de andra och för att avgöra vilken reparation som behövs. Termogram H) visar en strömtransformator med en temperatur som är 14 °C högre än de andra två transformatorerna i en 3-fasinstallation. Detta indikerar en allvarlig obalans alternativt en felaktig strömtransformator som kan påverka kundens elräkning.
Krav på belastning
När en kontroll utförs är det viktigt att systemet är belastat. Vänta med kontrollen till ”värsta scenario” eller toppbelastningar, eller kontrollera när belastningen är minst 40 % (enligt NFPA 70B). Värmegenereringen på grund av en lös anslutning ökar med kvadraten på lasten. Ju högre last, desto lättare är det att hitta problem.
Glöm inte att ta hänsyn till den kylande effekt som vind eller andra luftrörelser har.
Endast yttemperaturer
Infraröda kameror kan inte se genom ett elskåps hölje eller massiva fasskenor av metall. Om möjligt öppna höljen så att kameran direkt kan se de elektriska kretsarna och komponenterna. Om du hittar en onormalt hög temperatur på utsidan av ett hölje, kan du vara säker på att temperaturen är ännu högre, och vanligtvis mycket högre, inuti höljet. Nedan visas några termogram av ett kabelskåp som tyder på ett allvarligt problem med fasskenorna i skåpet. De heta områdena har i storleksordningen 10 °C högre temperatur än omgivningen och 6 °C högre temperatur än andra delar av kabelskåpet.
Kabelskåp:
Eldistribution
I ett elsystem ingår bokstavligen hundratals olika utrustningar. De finns och används i eller utgörs av kraftverkens elproduktion, högspänningsdistribution, ställverk och understationer, fördelningstransformatorer, lågspänningsställverk, brytare, energimätare, lokala installationer och apparatpaneler. Många elbolag har köpt FlexCam® eller SnapShot® som verktyg i underhållsarbetet. Dessutom har man i nästan alla typer av industrier, i deras del av eldistributionssystemet, anskaffat infraröda kameror som redskap i underhållsarbetet.
Termogram M) visar en fördelningstransformator som läckt lite kylolja, vilket leder till farlig överhettning av isolatorer upptill. En anslutning hade 160 °C högre temperatur än omgivningen. Denna transformator behövde omedelbart bytas ut, men företaget ville senarelägga reparationen en månad för att kunna genomföra arbetet under en planerad total nedstängning av anläggningen. De använde IR SnapShot för att övervaka transformatorns tillstånd och kunde framgångsrikt flytta fram reparationen. Termogram N) visar en stolpmonterad fördelningstransformator med en anslutning som har 30 °C högre temperatur än omgivningen. Detta tillstånd krävde underhåll så snart ett lämpligt tillfälle uppstod. Termogram O) visar en varm ingångsanslutning på en avskiljningsbrytare vid en understation i
Mexiko. Anslutningen upptäcktes ha 14 °C högre temperatur än övriga anslutningar. Detta ansågs vara ett problem som måste åtgärdas. Termogram P) visar en kraftledningsanslutning i en understation i Peru. Den var mindre än 10 °C över omgivningstemperaturen och behövde inte åtgärdas omedelbart.
Vad skulle ett haveri kunna kosta?
Motorfel är en vanlig konsekvens av spänningsobalans. Totalkostnaden utgörs av kostnaden för en ny motor, arbetet med att byta ut motorn, kasserade produkter på grund av ojämn produktion, linjedriften och förlorade intäkter medan linjen är nere.
Anta att kostnaden för att byta ut en 50 hk-motor varje år är 5 000 dollar inklusive arbete. Anta fyra timmars driftstopp per år med en inkomstförlust på 6 000 dollar i timmen. Total kostnad: 5000 + (4 x 6000) = 29 000 dollar per år.
Uppföljande åtgärder
Om ett termogram visar att en ledare är varmare än andra komponenter som ingår i samma krets, kan ledaren vara underdimensionerad eller överbelastad. Kontrollera ledarens klassning och den faktiska belastningen för att avgöra vilket som är fallet.
Mät strömbalansen och lasterna på varje fas med ett universalinstrument med klämma, en tångampèremeter eller en elkvalitetsanalysator.
Kontrollera eventuellt spänningsfall över skyddsbrytare och elcentraler. I allmänhet ska nätspänningen ligga inom 10 % avvikelse från uppgiften på märkskylten. Spänningen mellan neutral och jord visar hur tungt belastad anläggningen är och kan användas för att spåra harmonisk ström. En spänning mellan neutral och jord som överstiger 3 % bör föranleda ytterligare undersökning.
En fas kan plötsligt vara 5 % lägre om en stor 1-faslast kopplas in. Spänningsfall över säkringar och brytare kan också visa sig som obalans vid motorn och överskottsvärme när grundorsaken undersöks. Innan du förutsätter att du har hittat orsaken bör du dubbelkolla med både värmekameran och instrumentet eller tångampèremetern.
Varken matarkretsen eller grupperna får belastas med maximalt tillåten ström. Vid kretslastutjämning bör man också räkna med övertoner. Den vanligaste lösningen vid överbelastning är att omfördela lasten till andra kretsar eller att hantera problemet när laster slås på under processen.
Med hjälp av den tillhörande programvaran kan varje misstänkt problem som avslöjas med en värmekamera dokumenteras i en rapport med ett termogram och en digital bild av utrustningen. Detta är det bästa sättet att kommunicera problem och föreslå reparationer.