Выявление энергопотерь и проблем с качеством электроэнергии с помощью тепловизора

Тепловизоры традиционно используются для диагностики электрооборудования. Однако с неисправностью электрооборудования связаны тепловые потери за счет выделения тепла на дефектах или неисправно работающем оборудовании. Так же проблемы, связанные с качеством электроэнергии, которые приводят к неэффективности работы оборудования, проявляют себя в виде избыточного выделения тепла, что может быть выявлено с помощью тепловизоров.

В зависимости от типов обнаруживаемых проблем можно определить типичные тепловые рисунки, которые можно наблюдать в электрических системах.

Нагрев проводников обычно связан с электрической мощностью, выделяющейся на проводнике за счет его сопротивления. То есть в первом приближении температура нагрева проводника будет пропорциональна сопротивлению проводника и квадрату тока, протекающего через проводник (1):

t ~ P = R x I² (1)

При нормальной работе на электрических компонентах обязательно наблюдается выделение тепла. Тепловизоры используются для выявления аномального нагрева путем сравнения тепловых рисунков, полученных на компонентах, находящихся в одинаковых условиях. Тогда, если одинаковые компоненты имеют значительные отличия по температуре, то такие отличия по температуре могут быть вызваны повышенным сопротивлением, либо протеканием больших токов.

Каждая из указанных причин имеет характерный тепловой рисунок, который может быть обнаружет с помощью тепловизора. Такие характерные рисунки можно разделить на два типа: тепловой рисунок с локальным нагревом и тепловой рисунок с равномерным нагревом.

Рис. 1. Виды тепловых рисунков характерных аномалий.

Тепловые рисунки с локальным нагревом чаще всего связаны с дефектами электрических компонентов. Изучение таких дефектов уже ведется длительное время и их анализ подробно рассмотрен в соответствующих пособиях и нормативных документах [1, 2, 3].

Тепловые рисунки с однородным нагревом могут быть связаны с качеством электроэнергии. За появление данных рисунков могут отвечать такие проблемы с качеством электроэнергии, как несимметрия, наличие гармоник и реактивной мощности. С помощью тепловизоров можно выявить данные проблемы, однако для точного определения причин нагрева требуется использовать анализаторы качества электроэнергии.

Рассмотрим несимметрию в электрической системе.

Несимметрия в трехфазных электрических системах может проявляться в виде отличия амплитуд напряжения или тока по фазам, либо в виде отличия угла сдвига фаз между напряжениями или токами по фазам. Для анализа несимметрии используется метод симметричных компонентов, пользуясь которым можно выделить компоненты напряжения и тока прямой, обратной и нулевой последовательности.

Появление несимметрии в электрических системах приводит к дополнительному выделению тепла в электромеханическом оборудовании. При этом полезная мощность, используемая для выполнения работы, передается только компонентами прямой последовательности. Остальные компоненты обычно приводят к дополнительному нагреву обмоток двигателей и проводников в электрической системе. Кроме того, увеличиваются потери в проводниках за счет протекания больших токов.

Можно привести следующий простой пример увеличения потерь за счет несимметрии. Рассмотрим две системы: идеально симметричную, в которой одинаковые нагрузки подключены ко всем фазам и несимметричную систему, в которой те же нагрузки подключены к одной фазе, как показано на Рис. 2

Рис. 2. Пример симметричной и несимметричной системы

Для симметричной системы получаем симметричные значения напряжений и токов, для несимметричной системы в данном примере получаем несимметрию токов. Если взять для обеих систем одинаковую величину сопротивления всех проводников, обозначим ее R, то получим следующее.

Для симметричной системы мощность, выделяющаяся в проводах, или потери, будет составлять:

Ток на каждой фазе = 220 В / 1 Ом = 220 А

Потери на каждой фазе = P_L1 = P_L2 = P_L3 = I²·R = 220²·R = 48400·R

Ток через нейтраль = 0 (линейные симметричные нагрузки)

По закону Кирхгоффа. P_N = 0

Суммарные потери в кабелях

P_{сум. сим.} = P_L1+ P_L2 + P_L3 + P_N = 3 · (I²·R) = 3 · (220²·R) = 145200·R

Для несимметричной системы мощность, выделяющаяся в проводах, или потери, будет составлять:

Ток в фазе L1: 220 В / (1/3 Ом) = 660 A

Токи в фазах L2 и L3 = 0 A

Ток через нейтраль N = 660 A

P_L1 = P = I_L1²·R = 660²·R = 435600·R

P_L2 = P = I_L2²·R = 0

P_L3 = P = I_L2²·R = 0

P_N = P = I_N²·R = 660²·R = 435600·R

P_{сум. несим.} = P_L1+ P_L2 + P_L3 + P_N = 2·435600·R = 871200·R

Таким образом, отношение потерь в несимметричной системе к потерям в симметричной системе составит:

P_{сум. несим.} / P_{сум. сим.} = 871200·R / 145200·R = 6 раз!

В электродвигателях несимметрия проявляется в виде повышенного нагрева обмоток, через которые протекает повышенный ток. Пример теплового рисунка, который может свидетельствовать о несимметрии, показан на Рис. 3.

Рис. 3. Пример теплового рисунка на двигателе при наличии несимметрии в электрической системе

Рассмотрим гармоники.

Источником гармоник в электрических системах в первую очередь являются нелинейные нагрузки, такие, как частотно-регулируемые приводы и энергосберегающие лампы со встроенным преобразователем. Такие устройства обычно потребляют мощность в импульсном режиме. Пример осциллограммы тока, потребляемого энергосберегающей лампой, а так же спектра гармоник тока, потребляемого такой лампой, приведен на Рис. 4.

Рис. 4. Пример осциллограммы и спектра гармоник тока, потребляемого энергосберегающей лампой

Появление гармоник тока приводит к увеличению потерь в электрических системах вследствие увеличения нагрева.

Токи гармоник, кратных трем, суммируются на нейтрали и приводят к нагреву нейтрального проводника.

Токи с частотой, отличающейся от основной частоты в n раз, приводят к нагреву в n² раз больше, чем ток основной частоты, за счет скин-эффекта.

Таким образом, тепловые аномалии, выявленные с помощьу тепловизоров, могут указать на наличие проблем с качеством электроэнергии, которые необходимо анализировать с помощью анализаторов качества электроэнергии.

Для анализа потерь энергии, которые связаны с качеством электроэнергии используется теория объединенной мощности, разработанная профессорами V. Leon и J. Montanana из Технического университета Валенсии, Испания [4]. Данная теория дает возможность связать параметры качества электроэнергии с потерями энергии в электрических системах. Следствия теории объединенной мощности используются в анализаторах качества электроэнергии серии Fluke 430 II в виде функции калькулятора потерь энергии. В упрощенном виде работу данной функции можно объяснить следующим образом.

Если предположить, что мгновенные значения напряжения и тока в трехфазной системе можно представить как сумму компонентов прямой последовательности, компонентов, представляющих собой ток и напряжение за счет гармоник и компонентов, представляющих собой ток и напряжение за счет несимметрии, а так же ток, связанный с реактивной мощностью, то получим:

u(t) = u⁺(t) + u_U(t) + u_H(t)

i(t) = i⁺(t) + i_R(t) + i_U(t) + i_H(t) (2)

Где:

u(t) – мгновенное значение напряжения

i(t) – мгновенное значение тока

u⁺(t) – мгновенное значение напряжения прямой последовательности

u_U(t) – вклад в значение напряжения несимметричных компонентов

u_H(t) – вклад гармоник в значение напряжения

i⁺(t) – мгновенное значение тока прямой последовательности

i_R(t) – реактивный ток

i_U(t) – вклад в ток несимметричных компонентов

i_H(t) – вклад гармоник в величину тока

Тогда полную мощность в электрической системе можно представить в следующем виде:

p(t) = u(t)·i(t) = p_E(t) + p_R(t) + p_U(t) + p_H(t) (3)

Где:

p_E(t) – активная мощность

p_R(t) – реактивная мощность

p_U(t) – мощность несимметрии

p_H(t) – мощность гармоник

Такое разложение выполнено исходя из следующих предположений:

• Полезная энергия передается на основной частоте
• Полезная энергия передается компонентами прямой последовательности
• Реактивная мощность рассматривается только на основной частоте
• Все гармонические составляющие объединяются в виде компонента p_H(t) и рассматриваются как нежелательные потери
• Все несимметричные составляющие объединяются в виде компонента p_U(t) и рассматриваются как нежелательные потери

С каждой из компонент можно связать ток, комторый приводит к тепловым потерям в проводниках. Задав сопротивление линии можно с высокой точностью рассчитать величину тепловых потерь, которые происходят в электрической системе. Результаты рассчета выводятся на экран калькулятора потерь энергии, который дает информацию о потерях не только в виде электрической мощности, но так же позволяет сделать оценку соотношения потерь электроэнергии и связать эти потери с затратами на электроэнергию, как показано на рис. 5.

Рис. 5. Экран функции калькулятора потерь энергии

Информацию, которую дает функция калькулятора потерь энергии, можно использовать для оценки энергоэффективности электрической системы, а так же для обоснования использования и оценки окупаемости средств для коррекции параметров качества электроэнергии.

Литература:

1. Бажанов С. А. Инфракрасная диагностика электрооборудования распределительных устройств.- М.: НТФ «Энергопрогресс», 2000.-76с.
2. Р. Гобрей, В. Чернов, Е. Удод. Диагностирование электрооборудования 0,4-750 кВ средствами инфракрасной техники.- К.: «КВІЦ», 2007.-374c.
3. РД 34.45-51.300-97. Объем и нормы испытаний электрооборудования
4. León-Martínez, V., Montañana-Romeu, J., Giner-García, J., Cazorla-Navarro, A., Roger-Folch, J. (2007). Power Quality Effects on the Measurement of Reactive Power in Three-Phase Power Systems in the Light of the IEEE Standard 1459-2000. Proceedings of EPQU 2007, ISBN 978-84-690-9441-9, Barcelona, October, 2007.