Áramellátó kábelek terhelés alatti diagnosztikai vizsgálata Készííttetttte:: Dr.. Nagy Viince Ph..D..,, kandiidáttus,, egyettemii docens,, ttanszékvezettő Dr.. Lakattos Isttván Ph..D..,, egyettemii docens Lekttorálltta:: Dr.. Horvátth Ballázs Ph..D..,, egyettemii docens,, ttanszékvezettő Győr,, 2012..
1. Bevezetés A közösségi közlekedés vonalhálózatán üzemelő villamos hajtású járművek energiaellátását az áramátalakítók és az egyes táplálási szakaszok betáplálási pontjai között kiépített erősáramú kábelhálózat biztosítja. A kábelek nagykeresztmetszetűek, általában párhuzamosan kapcsoltak. A kábelek az áramátalakítók egyenáramú berendezéseiben csavarkötéssel csatlakoznak a gyüjtősínekhez. A vonali kitáplálásoknál a kábelvégek szintén csavarkötéssel csatlakoznak a csatlakozószekrények gyűjtősíneihez. A gyűjtősínekről kábelen keresztül tápláljuk meg az un. harmadik sínt /Metró/ ill. a felsővezeték /tápvezeték/ táppontjait. Az áram-visszavezetés kötöttpályás, vaskerekes járműveknél /metró, villamos, HÉV/ a futósínekről ill. a szívópontokról, trolinál a negatív felsővezetékről szintén csatlakozószekrényeken keresztül, kábelekkel biztosított. A fenti hálózatokban telepített csatlakozószekrények, kábelkötések száma a táplálási szakaszok számához hasonlóan igen magas. A kötések a használat során jelentős mértékű, a mindenkori terhelésnek /forgalmi viszonyoknak/ megfelelő, változó elektrodinamikus és termikus igénybevételnek vannak kitéve. Az igénybevétel során változik a csatlakozások villamos minősége /átmeneti ellenállása/. A változás iránya alapvetően növekvő melegedést jelent, ezért szükséges és elengedhetetlen azok rendszeres időközönként történő felülvizsgálata. Ezek a vizsgálatok a jelenlegi gyakorlat szerint hagyományos eszközökkel csak üzemen kívül, feszültségmentes állapotban végezhetők. A tananyagban olyan vizsgálati módszert/eljárást mutatunk be, amely a kötések állapotának megbízható diagnosztizálását terhelés alatt, a rendszer üzemi állapotában biztosítja. A módszerrel kapcsolatos főbb elvárások: legyen pontos kép a kötések műszaki állapotáról a vizsgálatok üzemközbeni, terhelés alatti elvégezhetősége a karbantartási, javítási munka tervezhetőségének javítása az elvégzett beavatkozások ellenőrizhetősége a fenntartási költségek csökkentése az üzembiztonság növelése a munkavégzés ISO szabványok szerinti minőségbiztosításának elősegítése 2
2. Diagnosztikai/mérési módszer és eljárás áramellátási kábelrendszerek terhelés alatti, megbontás nélküli vizsgálatára A villamos berendezések, vezetékek és kötések a rajtuk átfolyó áram hatására melegszenek. A melegedés mértéke arányos az áramvezető elemek ellenállásával, tehát az alkatrészek melegedésének vizsgálatával közvetlen képet kaphatunk azok ellenállásáról, pillanatnyi terheléséről, ismételt mérések során annak változásáról. Egy adott eszköz felületének hőmérséklet eloszlása tehát alapvető információkat szolgáltat az adott eszköz műszaki állapotáról, terhelési, üzemi viszonyairól. A tárgyak felületi hőmérséklet eloszlásának leírását termográfiának nevezzük. 2.1 A termográfia elméleti alapjai A termográfia azt a fizikai jelenséget használja fel, hogy a testek az abszolút 0 Kº feletti hőmérsékleten (- 273 ºC) elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. A kibocsátott elektromágneses sugárzás hullámhossz /frekvencia/ szerinti spektruma a 2.1.1. ábrán látható. 2.1.1. ábra Az elektromágneses sugárzás sprektuma A kibocsátott elektromágneses sugárzás sprektuma tartalmazza a gamma-, és röntgensugárzást, a nem látható és látható fénykibocsátást, rádióhullámokat. 3
Az infravörös sugárzás tartományán (760 nm 1 mm közötti hullámhossz) belül hőmérsékletmérés szempontjából a 0,8 µm 20 µm közötti sáv a mérvadó. Ez a sáv a következő részekre tagolható: 0,8 µm 2 µm között ultrarövidhullámú infravörös sugárzás 2 µm 6 µm között rövidhullámú infravörös sugárzás 6 µm - 20 µm között hosszúhullámú infravörös sugárzás tartománya A gyakorlatban leginkább elterjedt hőkamerák a rövid- ill. hosszúhullámú tartományban dolgoznak. A testek hőmérsékleti sugárzása az atomok és molekulák rezgő ill. forgó mozgásának közvetlen következménye. A testek felületén kilépő sugárzás erősségét azonban különböző tényezők, mint pl. a vizsgált test felületének típusa, minősége, alakja, stb. Abból a célból, hogy a mérési eredményeket függetleníteni lehessen a testek anyagától, felületi minőségétől, stb. bevezették az abszulút fekete test fogalmát. Az abszolút fekete test sugárzásának általános törvényét M.Planck fogalmazta meg 1900-ban. Ez volt a kvantumelmélet kiindulópontja. A gyakorlatban minden test felületi sugárzása egy adott hőmérsékleti tartományban többé kevésbé különbözik az abszolút fekete test sugárzásától. Az abszolút fekete test és a reális testek sugárzásának összemérhetősége céljából bevezették a relatív emissziós tényező vagy feketeségi fok fogalmát, azaz egy olyan mennyiséget, amely meghatározza, hogy a valóságos test mennyivel kisebb sugárzást bocsát ki egy adott hőmérsékleten. A relatív emissziós tényező (feketeségi fok) elterjedt jelölése: ε Az emissziós tényező (ε) test anyagától, hőmérsékletétől, a sugárzás hullámhosszától, a felület minőségétől (polírozott, matt). A feketeségi fok a polírozott fémfelületre vonatkozó 0,02-től az emberi bőr 0,98 értékéig változik. 4
Bonyolítja a helyzetet, hogy egyes testek az abszolút fekete testtől eltérően a hullámhossz függvényében változó ε-nal leírható módon, szelektíven sugároznak. Néhány anyag jellemző emissziós tényezőjét a 2.1.2 táblázat mutatja. Anyag Emissziós tényező (ε) 1 µm 1,6 µm 8-14 µm Aluminium Oxidálatlan 0,1-0,2 0,02-0,2 Oxidált 0,4 0,4 0,2-0,4 Oxidált ötvözet 0,4 0,3 Durvított 0,2-0,8 0,2-0,6 0,1-0,3 Polírozott 0,1-0,2 0,02-0,1 Sárgaréz Polírozott 0,02-0,08 0,01-0,05 Oxidált 0,6 0,6 0,6-0,7 Vörösréz Polírozott 0,03 Oxidált 0,2-0,8 0,2-0,9 0,4-0,8 kapocslécek 0,6 Megjegyzés: Az adatok 20-50 ºC hőmérsékletre vonatkoznak 2.1.2 táblázat Emissziós tényező tájékoztató értékei 5
2.2 Termovíziós készülékek /hőkamerák/ A hőkamerák (pontatlanabbul fogalmazva termovíziók) a testek által kibocsátott sugárzás felületi eloszlását jelenítik meg kétdimenziós leképezéssel, un. termogrammok formájában. A hőkamerák működési elvük szerint lehetnek Letapogató /szkennelő/ Mátrixos rendszerűek. A letapogató /szkennelő/ hőkamerák elvi felépítését a 2.2.1 ábra mutatja. 2.2.1 ábra A letapogató (szkenner) hőkamera elvi sugármenete (1 detektor, 2 és 5 objektív, 3 vízszintes eltérítő tükör, 4- függőleges eltérítő tükör, 6 tárgy, 7 mérésfelület) 6
A letapogató /szkennelő/ kamerák egy infrasugárzást érzékelő elemet /detektort/ használnak. A detektor anyaga általában InSb. A detektort gyakran un. Dewar palackban helyezik el, melyet az érzékelő elem termikus stabilitása érdekében folyékony nitrogénnel töltenek fel. A folyékony nitrogén alkalmazása miatt a kezelés bonyolultabbá válik, az üzemidő korlátozott. Az alkalmazott mechanikus képalkotó rendszer forgó tükrökből áll /Nipkow kamera elve/, ezért a képváltás sebessége korlátozott. /ált. 25 kép/sec/. A speciális optikák cserélhetőek. A rendszer alapvető előnye, hogy az érzékelés minden egyes képpontnál azonos precízen beállított és korrigált detektorral történik. Így a hőkép minden egyes pontjánál tökéletesen egyforma feltételekkel jönnek létre a későbben kiértékelendő villamos adatok, igen jó homogenitás érhető el, vagyis az egyforma sugárzást kibocsátó pontok leképezése között igen kicsi vagy nincs is eltérés. Ilyen elven működik pl. az AGA 782 tip. készülék. Mátrixdetektoros hőkamerák elvi felépítése a 2.2.2 ábrán látható. 2.2.2 ábra Mátrixdetektoros hőkamera elvi sugármenete ( 1 - detektor, 2 - objektív, 3 - tárgy) 7
A mátrixdetektoros kamerák felépítése rendkívül egyszerű, mozgó elemeket nem tartalmaz. Első közelítésben meglehetős hasonlóságot mutat a napjainkban igen elterjedt digitális kamerákkal. Az ilyen elven működő kamerák lényegesen kisebbek, könnyebbek /és olcsóbbak/ a letapogató rendszerű kameráknál. Kezelésük hasonlóan egyszerű, mint a digitális fényképezőgépeké. /Ez néhány esetben megtévesztő is lehet!/ A mátrixdetektoros kamerák érzékelőelemén elhelyezkedő elemek, vagyis a képpontok száma a digitális fényképezőgépekkel összehasonlítva nagyságrendekkel kisebb /60 160000, míg a digitális fényképezőgépeknél 3-8 millió/. A geometriai felbontás jellemzője az IFOV paraméter. Ez azt a látószöget adja meg, amely egy különálló érzékelővel kerül leképezésre. Minél kisebb ez az érték, annál jobb lesz a kép felbontása. Az optika cseréjével, vagy a képfeldolgozó rendszerek elektronikai zoomjával az eredeti képpont nagyságának megtartása mellett képnagyítás is lehetséges. A jelenlegi hőkamerák optikai felbontása - elérhető áron max. 480x640. Az egyes képpontokhoz érzékelőelemek bár egyformák, átviteli görbéik mégsem azonosak. Ezért bonyolult kiegyenlítő szoftverre van szükség, hasonlóan a hőmérsékletkompenzációhoz. Különösen akkor, ha a mérendő hőmérséklettartomány a szobahőmérséklet közelében, vagy az alatt van, a képminőséget a hőmérsékletfelbontás határozza meg. Ennek mérőszáma a NETD, amely a hőmérsékletváltozási zaj egyenértékét jelenti, vagyis a hőkamera saját zaját viszonyítja a mérendő tárgy hőmérsékletkülönbségéhez. Minél kisebb ez az érték, a kép zajossága annál csekélyebb lesz. A NETD értéke értelemszerűen befolyásolható a választott /beállított/ hőmérséklettartománytól, elfogadható értéknek vehetjük a kijelzett hőmérséklet intervallum 0,01-szeresét. /Pl. 10 ºC tartománynál 0.1 ºC-t/ A mátrixrendszerű kamerák felvételkészítési frekvenciája széles sávon mozog, így lehetőség nyílik tranziens folyamatok vagy/és mozgó tárgyak hőfényképezésére. 8
Az adott kutatási terület sajátosságait figyelembevéve, a kereskedelemben kapható hőkamerák jellemző paraméterei közül néhányat a következőkben felsorolunk ill., értelmezünk. Ezen összeállítás véleményünk szerint segítséget adhat a célnak leginkább megfelelő hőkamera kiválasztására. Hullámhossz tartomány A készülék hosszúhullámú legyen! ( 7 14 µm). A gyakorlatban előforduló alacsony hőmérsékletek mérésére a rövidhullámú készülékek nem alkalmasak Hőmérséklet mérési tartománya A hőmérséklet mérési tartománya -10 300 ºC sávot tartalmazza Az alacsonyabb méréstartományú készülékek érzékenyebbek és zajszegényebbek is, vagyis javul a képminőség Termikus felbontás /NETD/ Általában <200 mk Nagyobb felbontás (<NETD) esetén élesebb, tisztább a kép, a tárgyak felismerhetősége javul Optikai jellemzők Minél kisebb az elemi képpontméret (<2mrad), annál kisebb részletek mérhetők és felismerhetők. A készülékek optikai felbontása objektívfüggő. Bizonyos mérési helyzetekben hasznos lehet az optika cserélhetősége. Képrögzítési frekvencia Mozgó járműről történő mérés (pl. felsővezeték vizsgálata) korlátozza a járműsebességet Képrögzítési kapacitás Két kiolvasás közt (mérési ciklusonként) minimum 50. A készülékekben lévő akkumulátorok kapacitása kb. 3 órányi üzemet biztosít Megjegyzés: fentiekben leírtak tájékoztató jellegűek a teljességre törekvés igénye nélkül! 9
2.3 A felvételkészítés gyakorlata A 2.3.1 ábrán a hőkamerás mérés jellegzetes elvi elrendezését láthatjuk. 2.3.1 ábra Infravörös távhőmérési illetve termográfiai méréselrendezés Az infravörös termográfiai mérés elrendezésének vizsgálata során foglalkoznunk kell az alábbiakkal: Hőkamera elhelyezése, beállítása A hőkamera és a mérendő tárgy közötti közeg szerepe Zavaró sugárzás 10
A hőkamera elhelyezése, beállítása A hőkamera működési elvét tekintve tulajdonképpen optikai eszköz, a mérés során ezért úgy kell elhelyezni, hogy lássa a mérendő tárgyat. Egy hőkamera látómezejének kialakítása a 2.3.2. ábrán látható. ( S a mért kör átmérője) 2.3.2 ábra Hőkamera látómezeje A kamera az ábrán zöld színnel jelölt területet látja. Ez jelenik meg a kijelzőn is. A kamera azonban csak a mért körön belüli pontokat értékeli ki, és csak ezek mért hőmérsékleti értékének átlagát jeleníti meg. A mért folt aktuális átmérőjét a hőkamera optikai rendszerére jellemző szám (D/S arány) segítségével lehet meghatározni. A legkisebb mérési folt eléréséhez a hőkamera optikáját megfelelően fókuszálni kell a mért tárgyra. (A kijelzőn ebben az esetben jelenik meg a legélesebb kép). 11
A mérési folt helyének kiválasztását egyes hőkamerákon lézersugár is segíti. A hőkamera beállításának következő lépése a mérési tartomány, vagyis a szint /level/ beállítása. Némely kamera ezt automatikusan elvégzi. A mérési szint /level/ helyes beállítása estén a szint a látómezőben lévő képpontok mért értékeinek közepén van, ilyenkor a megjelenített képen fekete részek nincsenek. A színes kijelzők egyes hőmérsékleti értékhez tartozó színe a szint változtatásával megváltozik. A hőkamerákat diagnosztikai méréseknél általában kézben tartva használjuk. A mérés során figyelni kell arra, hogy a mérendő tárgy és a kamera érzékelőjének /objektívjának/ síkja lehetőleg párhuzamos legyen. Mozgó tárgy esetén célszerű, hogy az objektív tengelye a mozgás irányával minél kisebb szöget zárjon be. Kvantitatív méréseknél, ahol a célterület tényleges hőmérsékletére vagyunk kíváncsiak, a mérés megkezdése előtt szükséges beállítani az emissziós tényező (ε) értékét. Tekintettel arra, hogy az emissziós tényező értéke a mérendő tárgyak anyagától igen jelentős mértékben függ, ez jelenti a hőkamera beállításának alapvető problémáját. pl.: Többféle, gyakorlatban használható módszer van ennek a problémának megoldására. Így A hőkamera kezelési utasításához adott táblázatból /vagy más irodalomból/ megkeressük az ε értékét. 12
Tapintóhőmérővel megmérjük a tárgy egy pontjának hőmérsékletét, majd a hőkamerát úgy állítjuk be, hogy az adott pontra ugyanezt az értéket mutassa Egy adott méréssorozathoz ill. mérendő tárgyhoz próbatestek segítségével határozzuk meg ε értékét. Irodalmi adatok szerint az emissziós tényező hibás beállítása jelen kutatás tárgyánál 5-10% hibát okozhat. Amennyiben mérésünk a mérendő tárgy felületi hőmérséklet-eloszlásának kvalitatív, tehát minőségi ellenőrzésére irányul, az emissziós tényező pontos beállítása a mérés szempontjából elhanyagolható. Megjegyzés: A diagnosztikai célú mérések többsége ilyen! 13
A hőkamera és a mérendő tárgy közötti közeg szerepe Az infravörös termográfia érintés nélküli mérési módszer, azaz a mérés alapját képező infravörös sugárzásnak át kall haladni a mérendő tárgy és a hőkamera között lévő közegen. A közeg infravörös tartományban tanúsított viselkedése természetesen befolyásolja a mérés eredményét. Általában ez a közeg levegő, de más anyagok pl. üveg is előfodulhat. A levegő esetében az infravörös sugárzás átvitelére a benne lévő szennyező anyagok, így a vízpára, széndioxid és a lebegő por van hatással. A levegő átviteli tulajdonságai nagymértékben függenek a sugárzás hullámhosszától. Az általában alkalmazott hosszúhullámú tartományban /8 14 µm / un. atmoszférikus ablak található, ahol az átvitel nagyobb távolságokra is közel tökéletes, veszteségmentes. Más a helyzet a vízpára és a lebegő por esetében, ezért esős, ködös, párás levegőben, erősen poros környezetben nem célszerű méréseket végezni. Megjegyzés: a közeg szerepe kis mérési távolságoknál /<5m/ elhanyagolható. Zavaró sugárzás A hőkamera tulajdonképpen az objektívján keresztül az érzékelő/k/re jutó infravörös sugárzást méri, függetlenül azok eredetétől. (lásd 3.2.1. ábra) A mérendő tárgy felületén kívüli, kamerába jutó sugárzás mérési hibát okoz! A zavaró sugárzás oka lehet: A mérendő tárgy háttérsugárzása /transzmisszió/ Visszavert sugárzás /reflexió/ 14
A háttérsugárzás hatásának csökkentése lehetséges pl. a hőkamera megfelelő elhelyezésével. /2.3.3. ábra/ 2.3.3. ábra Hőkamera elhelyezése a zavarhatás csökkentésére Látható az ábrán, hogy a kamera legkedvezőbb elhelyezése az, amikor a mérendő tárgy az egész látófelületet kitölti. A mérendő tárgyon átengedett nem a mérendő tárgytól eredő sugárzás kompenzálása egyes esetekben nem lehetséges. Ilyen pl. a kamerába jutó napsugárzás, de ilyen a villamos felsővezeték mögött lévő épületek hősugárzása is. Célszerű ezért a méréseket napkelte előtt, vagy napnyugta után végezni. Külön kell szólni a visszavert /reflexiós/ sugárzásokról. A hőkamerák termikus érzékenysége igen magas, ezért érzékelik és megjelenítik az olyan mértékű, a mérést végző személytől eredő sugárzást is, mint pl. egy égő cigaretta. 15
Ezért a felvételek készítésénél különös gonddal kell eljárni. 2.4 A felvételkészítés jellemző hibái Az érintésmentes hőmérsékletmérés, az infratermogrammok felvétele során betartandó szabályokat az előző fejezetben már részben elemeztük. Ezek a legjellemzőbb hibaokok, nevezetesen: A hőkamera hibás elhelyezése a mérés során A hőkamera hibás beállítása (optikai élesség beállítása, mérési tartomány kiválasztása, stb.) Hősugárzás visszaverődése a mérendő tárgyról. A mérendő tárgy és környezetének előzetes felmérésével, a felvétel irányának megváltoztatásával korrigálható. Bizonyos esetekben a mérendő tárgy kialakítása pl. az egyenirányító szekrények diódasora előtt lévő RC elemek, vagy pl. a felsővezeték mögött lévő épületek hősugárzása lehetetlenné teheti a mérés elvégzését. Jelveszteség az átviteli szakaszon. A tárgytávolság az adott diagnosztikai méréseknél nem jelentős, általában csak pár méter (felsővezeték mérésénél is <10 m-nél), az alkalmazott hőkamerák hosszúhullámúak, ezért elsősorban a párás, vizes esetleg erősen poros levező okozhat gondot Kvantitatív méréseknél az emissziós tényező beállítása. Amennyiben a mérés során beállított emissziós tényező (ε) nem egyezik meg a mérendő tárgy felületének valós emissziós tényezőjével a mérési eredmények hibája akár 8-10 % is lehet. Egyes hőkamerákhoz tartozó kiértékelő szoftverek lehetővé teszik ε értékének utólagos módosítását a mérés kiértékelése során. Hősugárzás átbocsátása a tárgy hátteréből Ez a hiba akkor jelentkezik, ha a mérendő tárgy az infravörös sugárzás szempontjából részben áttetsző (pl. fűtőtest az épület fala mögött), vagy a mérendő tárgy háttere jelentősen melegebb a mérendő tárgynál. Ilyen lehet pl. a napsugárzás hatására erősen felmelegedett szekrény. Az üvegfelületek általában elnyelik az infravörös sugárzást, ezért üvegen keresztüli mérés a legtöbbször eleve hibás! A hőkamerát kezelő személy felkészületlensége, rutintalansága A korszerű hőkamerák kezelése nem igényel a széles körben elterjedt digitális fényképezőgépeknél nagyobb felkészülést. Gombnyomásra bárki könnyen előállíthat 16
színes képeket. Könnyen lehet azonban, hogy ezek a színes képek nem vagy csak részben szolgáltatnak valódi információt a mért tárgyról. Az előzőek alapján nyilvánvaló, hogy a hőkamera kezelése csak része (méghozzá nem is túlnyomó része) a termogram készítésének. Körültekintést, felkészülést igényel a felvétel körülményeinek és nem utolsósorban a mérendő tárgy sajátosságainak megfelelő ismerete is. 17
2.5 A felvételek (termogrammok) kiértékelése A hőkamerák alapvetően mérésadatgyűjtőként funkcionálnak, vagyis a mérőfelület képpontjainak mért adatait rögzítik. Ez az adathalmaz közvetlenül csak alapanyagként használható fel. Ahhoz hogy a gyakorlatban értékelhető információkat kapjunk, az adathalmazt kezelni, kiértékelni szükséges. A kiértékelést részben a hőkamerákba épített szoftverek segítségével maguk a kamerák elvégzik on-line, akár valós idejű feldolgozás során, míg az eltárolt (adott esetben bizonyos fokig feldolgozott) termogrammok a méréstől függetlenül PC-n más szempontok szerint is kezelhetők. 2.5.1 Azonnali (helyszíni, on-line) kiértékelés A hőkamerákba beépített adatfeldolgozó szoftverek mindegyike képes bizonyos azonnali adatfeldolgozásra. Így pl. a mérési tartományon belül az azonos értékeket egy meghatározott színnel megjeleníti a kijelzőn. A hőkamerákba épített szoftverek ezen felül, természetesen más szempontok szerinti kiértékelést is végeznek, a kiértékelt adatokat folyamatosan megjelenítik. Az egyes hőkamerákba beépített szoftverek szolgáltatása gyártóktól függően változhatnak. A leggyakrabban meglévő funkciók a következők: Hőmérséklet skála Képpont hőmérsékletének kijelzése Kurzoros képpont hőmérséklet kijelzése Minimum maximum értékek kijelzése 18
Többpontos hőmérséklet kijelzés Több hőmérséklet színskála megjelenítése Izotermák kijelzése Beállítási adatok (pl. ε, felvételkészítés ideje stb.) megjelenítése Mérési tartomány kijelzése, változtatása Felvételek eltárolása grafikus fájlként Eltárolt felvételek (képgaléria) megjelenítése Különbségképző felvételek megjelenítése (előző felvétellel való összehasonlítás) stb. A fenti funkciók megléte befolyásolja az adott hőkamera felhasználhatóságát ill. felhasználási módját diagnosztikai célokra. A megfelelően kiválasztott funkció lényegesen egyszerűsítheti a munkát. Például, ha egy berendezésnél meghatározható egyértelműen a hibás állapotot jelentő hőmérséklet (pl. 50 ºC) ellenőrző mérésekkor nem is szükséges a teljes kép utólagos kiértékelése, a kamera a beállított érték túllépésekor automatikusan riasztást ad. Lehetséges az is, hogy a kamera csak ebben az esetben tárolja el a képet. 2.5.2 Eszközök a termogrammok utólagos kiértékeléséhez A diagnosztikai célú mérési, kiértékelési folyamat főbb lépései a következők: Digitális termogrammok (felvételek) begyűjtése Hőkép-optimazilás, - korrekció, hőmérsékletszámítás A termogrammok tartalmának diagnosztikai kiértékelése, a szükséges tennivalók kijelölése A következő vizsgálat idejének meghatározása A mérés ill. elemzés eredményeinek, megállapításainak megfelelő dokumentálása 19
A termográfiai adatok valójában nem a megszokott képfájlok, még akkor sem, ha valamilyen World formátumban jelennek meg. A termogrammok képpontjai, pontosabban mérőpontjai valamilyen formában tömörítve tartalmazzák a mérőponthoz tartozó sugárzás-intenzitási és más adatokat is, ezért az elterjedt grafikus kezelőprogramokkal nem kompaktibilisok. A mérőpontok hőmérsékleti adatai csak megfelelő termográfiai szoftverrel számíthatók, melyhez szükséges a hőkamera leképezési specifikációjának ismerete. Ezek a szoftverek a kamerák gyártóinál találhatók, általában gyártmányspecifikusak. A piacon kaphatók ma már különféle konvertáló programok is, amelyeknek segítségével a termogrammok kezelhetőké válnak a szokványos grafikai képszerkesztő programokkal, de ebben az esetben az újbóli kiértékelés már nem lehetséges. 20
3. Diagnosztikai vizsgálati eljárás és dokumentációs rendszer (esettanulmány) Az áramellátási kábelrendszerek terhelés alatti, megbontás nélküli vizsgálatára az előzőekben leírtak alapján az infravörös termográfián alapuló diagnosztikai vizsgálati eljárást és a mérési eredmények könnyű, áttekinthető kezelésére alkalmas dokumentációs rendszert egy közlekedési vállalt alkalmazási példáján mutatjuk be, az alábbi szempontok alapján: A vizsgálati helyek felmérése Kísérleti mérések Vizsgálati módszer és eljárás kialakítása Üzemi ellenőrzési technológia Dokumentációs rendszer 3.1 A vizsgálati helyek felmérése Az infravörös termográfiai diagnosztikai vizsgálati eljárás és módszer villamos vonalhálózaton történő alkalmazhatóságának vizsgálata során ki kell jelölni azokat az alkalmazási területeket, mérési helyeket, amelyek a kijelölt feladat szempontjából jól reprezentálják az alkalmazási terület, valamint jó lehetőséget adnak a kísérleti mérések elvégzéséhez. Szakmai területenként csoportosítva ezek az alábbiak voltak: 3.1.1 Villamos Pozitív és negatív kábelszekrényekben lévő szerelvények, csatlakozási pontok, szívópontok, síncsatlakozások poligon sínszekrényeiben lévő csatlakozási pontjainak vizsgálata Felsővezeték hálózat elemeinek, kötéseinek vizsgálata (táppont-csatlakozások, áthidalások, vezetékszorítók, toldók és váltóvezetékek) 21
3.1.2 Metró Pályára csatlakozó erősáramú kitápláló kábelek kötéseinek vizsgálata (pl. az É-D metró Deák tér állomás bal kijárati vágányfojtó drosszer negatív oldali kábelkötéseinek vizsgálata csúcsidei körülmények között) É-D metró Deák tér állomás jobb kijáratánál harmadik sínre csatlakozó pozitív oldali 3 x 1 x 800-as kábelkötések vizsgálata csúcsidei körülmények között Metró járműről futás közben a futósínre ill. a harmadik sínre csatlakozó kábelek kábelkötéseinek vizsgálata 3.1.3 Trolibusz A Kijelölésre került vizsgálati területek megegyeztek a Villamos szakterületnél által kijelöltekkel 3.1.4 HÉV Légtápkábelről történő leágazások áramátadó képességének vizsgálata üzemi körülmények között Felsővezeték hálózat tartóoszlopaira szerelt árbóckapcsolók zárt kontaktusainak, valamint a kapcsolóhoz tartozó kábelleágazások kötéseinek vizsgálata üzemi körülmények között Pozitív és negatív szakaszoló szekrények vizsgálata üzemi körülmények között (kábelkötések, szakaszolók) Az egyenáramú táplálás negatív ágát képező, vágány és sínhálózat összekötések vizsgálata. Áramátalakító állomásokon a vontatási és segédüzemi transzformátorok kábelcsatlakozásainak vizsgálata Műgyanta szigetelésű transzformátorok melegedésének vizsgálata üzemi körülmények között. Vontatási egyenirányítók mérése üzemi körülmények között. (hőtérkép felvétele, dióda, biztosíték és kábelkötések vizsgálata). 22
3.2 Kísérleti mérések Méréseinket a Raytek (USA) csoporthoz tartozó FLUKE Ti 20 ill. Ti 30 típusú professzionális kézi hőkamerájával végeztük. 3.2.1 ábra Fluke Ti 20 kézi hőkamera mérés közben A Fluke Ti sorozatú hőkameráit kifejezetten karbantartó szakemberek számára fejlesztették ki termográfiai mérések céljára. 3.2.1 A Fluke Ti 20 hőkamera műszaki jellemzői: Hőmérséklet tartomány - 10..350 ºC Detektor (hőérzékelő matrix) 80 x 60 hőelem (FPA) Pontosság +/- 1% vagy +/- 1 ºC Termikus érzékenység (NETD) 200 mk Hőmérséklet kijelzés felbontása 0,1 ºC Hullámhossz tartomány 7.14 µm Célra irányítás egy lézerpont(iecclass 2) Optikai felbontás 75:1 vagy jobb Minimális mért körátmérő 8,1 mm 61 cm-ről Képváltási sebesség 20 Hz Látómező (FOV) vizszintes 200x függőleges 150 Állítható emisszió (ε) 0,01 lépésenként 0,01 1 Kijelző LCD 70,5 x 53,5 mm 23
Üzemi hőmérséklet 0 - +50 ºC Képtárolási kapacitás 50 felvétel Adatátvitel USB csatl. Átvitel 25 sec/50 kép Üzemidő min. 3 óra, folyamatos használatnál Tömeg 1,2 kg 24
3.2.2 Mérési lehetőségek és azok elemzése, értékelése Villamos Üzemigazgatóság, Infrastruktúra Főmérnökség Csatlakozó szekrény Margit körút Tölgyfa utca sarok Balról a negyedik kábelsaru préselése feltehetőleg hibás 1. vonal Könyves Kálmán körút A szakaszszigetelőn látható melegedés feltehetően az emissziós tényező különbözősségéből adódik. 25
Örs vezér tér A bal oldali szakaszoló túlmelegszik. A maximális hőfokeltérés t=2,9 ºC 26
Metró Üzemigazgatóság, Infrastruktúra Főmérnökség K-NY vonal, Blaha Lujza tér A drosszerhez csatlakozó kábelek kötési pontjainak hőmérsékletkülönbsége t=0.9 ºC. K-NY vonal, Moszkva tér A drosszerhez csatlakozó kábelek kötési pontjainak hőmérsékletkülönbsége t=1.4 ºC. 27
É-D vonal, Deák tér 41 másodperccel később 87 másodperccel később A fenti három felvétel a kiinduló (gyorsító) metrószerelvény elhaladásakor készült. A termogrammok melletti oszlopdiagramok szemléletesen mutatják a hőmérséklet eloszlásának változását a drosszernél. A legmelegebb pont hőmérséklet változása sorra 33,9 ºC, 35,0 ºC, 34,3 ºC 28
É-D vonal, Határ út Népliget vonalszakasz A fenti vonalszakaszon végzett mérések felvételeinek értékelése. A felvételen jól láthatóak a futósín, illetve a harmadik sín meleg csatlakozási pontjai. Trolibusz Üzemigazgatóság, Infrastruktúra Főmérnökség Csatlakozó szekrény Örs vezér tér 1 Csatlakozó szekrény Örs vezér tér 2 29
Vonali betáp Örs vezér tér Vonali betáp szakaszszigetelővel Salgótarjáni út Teréz körút Király utca kereszteződés 30
31
HÉV Üzemigazgatóság, Infrastruktúra Főmérnökség Kvassay áramátalakító vonali kitáp szekrény Melegedő csavarkötések láthatóak. Kvassay áramátalakító egyenirányító szekrény Jól felismerhetőek a melegedő kötési pontok. 32
Csepeli HÉV kitáplálás Kvassay Szentendrei HÉV Margit híd 33
34
3.3 Vizsgálati eljárás és módszer ismertetése Az bemutatott méréssorozat (esettanulmány) alapján megállapítható, hogy az infravörös termográfiai vizsgálatok alkalmasak az áramellátási erősáramú kábelrendszerek megbontás nélküli vizsgálatára a vizsgálatok terhelés alatt, üzemszerű körülmények között végezhetők a felsővezeték (harmadik sín) kötései menetközben értékelhető eredményt adnak a hibahelyek feltárása egyszerűen, az üzem zavarása nélkül lehetséges a mérések elvégzéséhez speciális hardverelemek nem szükségesek a mérések kiértékelése folyamatosan végezhető a hibahelyek ill. definiált mérési pontok (pl. csatlakozószekrények, drosszerek) mérési adatai egyszerűen rögzíthetők a rögzített felvételek kiértékelése a kiértékelési szempontok, beállítások változtatási lehetőségével PC-n lehetséges a kiértékelt felvételek Microsoft Windows operációs rendszerrel rendelkező PC-ken dokumentálhatók, archiválhatók. A mérési eljárás tehát alkalmas mind a 400 V, mind pedig a 10 kv feszültségű rendszerek vizsgálatára! A módszer diagnosztikai (megbontás nélküli műszeres) vizsgálatnak minősül. Jelen formájában alapvetően kvalitatív, tehát minőségi jellegű kiértékelésre alkalmas, bár nem zárja ki a mennyiségi, vagyis kvantitatív kiértékelés lehetőségét sem. 35
A kvantitatív, vagyis a vizsgált felület konkrét, ºC-ban meghatározott hőmérsékleteloszlásának mérése elsősorban az emissziós tényező (ε) adott készülékelem felületére való pontos meghatározása miatt nehézkes. Az emissziós tényező a felületek oxidáltságával, szennyezettségével jelentősen változhat, így a mérési hiba akár 8-10 % is lehet. Az áramellátási kábelrendszerek terhelés alatti, megbontás nélküli diagnosztikai vizsgálatára kifejlesztett rendszer és eljárás főbb lépései a következők: a vizsgálat helyének kijelölése a termográfiai felvétel elkészítése a termogrammok kiértékelése a diagnosztikai vizsgálat eredményének dokumentálása a következő vizsgálat időpontjának kijelölése ill. szükséges fenntartási karbantartási intézkedés megtétele. 3.3.1 A vizsgálat helyének kijelölése. A kifejlesztett diagnosztikai rendszer két ponton kapcsolódik az áramellátás karbantartási rendszeréhez. Egyik kapcsolódási pont a vizsgálati helyek, vonalszakaszok kijelölése. A vizsgálati helyek kijelölése történhet: a merev TMK ciklusrend szerint az előző mérések eredményeként megjelölt időpontban (LCC/RCM) elvégzett javítások ellenőrzésére. 3.3.2 A termográfiai felvétel elkészítése A termográfiai felvétel (hőfénykép) elkészítésének szempontjairól, a felvételkészítésnél gyakran előforduló hibákról a 2. fejezetben részletesen írtunk. 36