оптические измерения температур по собственному излучению

2/2008
ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР
ПО СОБСТВЕННОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ
ПРИ КОНТРОЛЕ ЭЛЕМЕНТОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН И УСТРОЙСТВ
Завидей В.И., канд. техн. наук
ФГУП ВЭИ, г. Москва
О
птические методы измерений температур, основанные на регистрации инфракрасного излучения, широко используются в оценке технического
состояния различного электротехнического оборудования, в том числе узлов и систем вращающихся
машин. Определенные удобства применения термографических методов имеются и при контроле теплового режима мощных турбогенераторов. Высокая
чувствительность тепловизионных средств измерений позволяет использовать их и для контроля технического состояния системы охлаждения.
К особенностям бесконтактных методов температурного контроля подсистем охлаждения и корпусных
элементов турбогенератора следует отнести относительно низкий рабочий уровень температур, близкий
к температуре окружающей среды. Для трубопроводов холодной воды внутренней установки существенным становится фактор влияния фонового излучения
объектов и фрагментов турбогенератора с более высокой температурой, в частности, паропроводов с
ухудшенной теплоизоляцией поверхности.
Значительные ошибки измерений температуры,
как и при контроле высокотемпературных объектов,
возникают из-за несоответствия принятой величины
излучательной способности реальным значениям. В
тех случаях, когда излучательная способность известна, в большей части современных средств измерений
(пирометры, тепловизоры) влияние излучательной
способности на результат температурных измерений
может быть скорректирован введением соответствующих поправок. При измерениях температур объектов, подвергающихся облучению фоновыми высокотемпературными источниками, в том числе окружающей температурой, фоновое излучение отражается от
объекта и суммируется с излучением контролируемого объекта, что приводит к завышению измеренных
температур.
Тепловой неразрушающий контроль пассивным тепловым методом вызывает повышенные требования к
28
обеспечению высокой чувствительности измерений
температуры (0,1- 0,3) К. Для данных объектов необходима регистрация малых температурных изменений на фоне значительных изменений температуры,
вызванных влиянием различных факторов, в том
числе изменениями излучательной способности,
оптическими искажениями, шумами электронного
тракта измерительной системы. В известной степени устранить существующие проблемы и повысить
точность измерений позволяет разработанный метод обработки двумерных температурных полей. В
основу метода положен принцип определения наиболее вероятного значения температуры поверхности объекта или его фрагмента, учитывающий статистические свойства излучающей поверхности.
Метод позволяет учесть влияние шумовых параметров оптических приемников излучения, предварительных усилителей сигнала электронного тракта
радиометрических или пирометрических систем.
Особо важную роль данный метод играет в обработке и анализе температурных полей для задач неразрушающего контроля сложных пространственно
распределенных объектов. Ниже рассмотрены особенности применения данного метода в практике
теплового неразрушающего контроля и мониторинга некоторых видов электрического оборудования
энергетических установок, непосредственно в эксплуатации, с применением методов анализа термографических данных [1, 2].
В качестве иллюстрации метода на рис.1 показана
термограмма апертуры модели «АЧТ» с высокой однородностью излучательной способности поверхности
ε(λ =10 ± 2 мкм) = 0,97 ± 0,02, при температуре 40 oС
(а) и результат преобразования поля температур в одномерный «образ» (б).
При температуре модели 40 ± 0,2 oС максимум
функции одномерного «образа» достигается при
39,75 oС. При предельной возможной чувствительности измерительной системы TH 7100 в 0,1 oС наиболее
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
Модель АЧТ
Излучательная
способность
δε(x, y)
Наиболее
вероятное
значение
40,3 температуры
37,8
35,6
33,4
31,2
а
б
n
F(ti) = Σ
m
Σ (k, x, y)•ε(x, y)•F(xj, yk, ti)
j=1 k=1
39,3 39,4 39,5 39,7 39,8 39,9 40,1
Рис.1. Термограмма поверхности с неоднородным
распределением излучательной способности
(а) и результат преобразования ее в «образ»
термограммы (б)
вероятное значение температуры, определенное по
экстремуму «образа» функции, составляет 0,05 oС.
Приведенное значение чувствительности достигается обработкой двумерного массива без проведения
операций накопления и усреднения, то есть при сохранении максимально высокого временного разрешения системы. Операция обработки температурного поля изотермической области с наличием статистической неоднородности излучательной способности подобна определению наиболее вероятного
значения термодинамических параметров в статистике Максвелла. По аналогии найденное значение
температуры может быть определено как наиболее
вероятное значение температуры выделенного
фрагмента поверхности.
Пример, иллюстрирующий применение метода
при определении технического состояния объекта с
малым тепловыделением, приведен на рис. 2, где
изображены термограммы и «образы» — две фазы
трансформаторов тока типа ТФКН 220 кВ с естественным характером охлаждения. За эталонный объект
принят аппарат с минимальной (наиболее вероятной)
температурой корпуса.
В сравнении с эталоном рис. 2,а максимум функции распределения контролируемого трансформатора тока (рис. 2, б) несколько смещен в область высоких температур и искажен. В области температур
16,0-16,5 оС наблюдается вторичный максимум, связанный с дополнительным источником внутреннего
тепловыделения. Расчеты коэффициента дефектности показывают, что имеет место более чем трехкратное повышение уровня диэлектрических потерь
в сравнении с объектом, принятым за эталон. По
данному критерию контролируемый трансформатор
тока следует вывести из эксплуатации. Пример, иллюстрирующий процедуру проведения поверхностного теплового анализа корпуса турбогенератора,
показан на рис. 3.
Обработка термограммы поверхности турбогенератора описанным выше методом показывает,
что по камере холодного газа имеются две примерно равные по площади зоны с различными температурами (рис. 3, б). Профиль температуры
(рис. 3, с) совместно с данными гистограммы
(рис. 3, б) позволяет сделать вывод о нарушениях в
работе системы охлаждения горячего водорода теплообменниками.
Для небольших поверхностей с малыми температурными градиентами и случайным поверхностным распределением излучательной способности
метод дает возможность определять статистическое или наиболее вероятное значение температуры. Пример высокоточного определения температуры поверхности коллектора системы охлаждения
турбогенератора мощностью 500 МВт описанным
методом приведен на рис. 4.
MAX: 27,4 OC MIN: 25,0 OC AVR: 25,6 oC
5
4
3
а
17,0
16,3
15,6
14,9
14,2
13,5
12,8
12,1
11,4
2
1
а
0
250
255
260
o
C
34,3
32,8
31,3
29,8
28,3
26,8
25,3
б
Рис. 4. Определение наиболее вероятного значения
температуры по преобразованной термограмме (а); термограмма коллектора системы охлаждения (б)
11,9 12,3 12,8 13,3 13,7 14,2 14,7 15,1 15,6 16,1 16,5
17,0
16,3
15,6
14,9
14,2
13,5
12,8
12,1
11,4
б
11,9 12,3 12,8 13,3 13,7 14,2 14,7 15,1 15,6 16,1 16,5
Рис. 2. Термограмма трансформатора тока,
принятого за «эталон», и ее образ (а);
термограмма и образ теплового дефекта (б)
Предложенная методика использовалась и для
контроля состояния кабельных линий высокого и
сверхвысокого напряжения 110-500 кВ. Подобные
линии широко используются для вывода генерируемой мощности с большинства энергообъектов. В
этих случаях кабели прокладываются в специальных
кабельных коллекторах-траншеях, в которых поддерживается положительная температура за счет локальных источников нагрева вдоль трассы. Однако
использование тепловизионного способа контроля
температурного режима кабельной линии имеет
свою особенность из-за значительной протяженности трассы и изменяющихся внешних температурных
29
2/2008
69,9
C
64,9
а
o
59,9
54,9
49,9
44,9
б
с
MAX: 37,6 OC MIN: 26,9 OC AVR: 36,5 oC
10,0
7,5
5,0
2,5
0,0
30 31
32 33
34 35
36 37 38
Рис. 3. Термограмма боковой поверхности корпуса турбогенератора ТВВ-500 в работе (а);
образ фрагмента термограммы по камере холодного газа (б);
профиль температуры по камере холодного газа (с)
условий. Применение метода обработки термограмм для определения наиболее вероятных значений температур фрагментов поверхности линии показывает, что наблюдаемое превышение температуры зоны корпуса линии над температурой окружающей среды ΔТ составляет 3,5-6,5 oС. На рис. 5 представлен фрагмент термограммы участка поверхности с частью поверхности стены тоннеля. На термограмме (а) выделено две зоны кабеля и температурный фон стены (б).
Фрагмент линии
а
б
Окружающая среда
o
C
21,8
23,2
22,1
21,0
20,8
20,0
19,2
18,1
17,0
16,8
16,3
16,5 17,1 17,6 18,1 18,7 19,2 19,7 20,3 20,8 21,3 21,9 22,4 22,9 23,5
Рис. 5. Термограмма фрагмента кабеля (а) и стены
(б) и результат преобразования термограммы при определении наиболее вероятных
значений температур (положения максимумов по нижней шкале температур)
В расчетах разностных температур двух линий
одна из них принимались за исправную. Наиболее вероятные значения температур использовались для
обнаружения участков линии с повышенным уровнем
30
тепловыделения. По найденным максимальным температурам нагрева, соответствующим предельной аномалии тангенса диэлектрических потерь, определялись координаты обнаруженного дефекта. Для установления точности предложенного метода по оценке обнаруженного дефекта по значениям tgδ ≥ 0,036 (определено в координатах линии от выхода линии к распределительному устройству (участки l1=145 м, l2= 355 м и
l3= 555 м)), была проведена рефлектометрия отключенного кабеля. При этом классическим методом обнаружена электрическая аномалия в зоне 140-150 м.
Достаточно очевидно, что подобный подход определения отклонений в режиме функционирования
применим к любым объектам и аппаратам, рассеивающим энергию в результате электрических, механических или тепловых процессов, и имеет значительные перспективы применения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Завидей В.И., Крупенин Н.В., Вихров М.А., Голубев А.В. Электронно-оптическое оборудование при
контроле технического состояния элементов сетей и
подстанций на рабочем напряжении. // Сб. научн. тр. к
85-летию ВЭИ под общ. ред. В.Д. Ковалева. — М.:
ВЭИ, 2006.
2. Аксенов Ю.П., Голубев А.В., Завидей В.И. Новые
подходы к контролю технического состояния трансформаторов тока типа ТФРМ на рабочем напряжении.
— Энергетик, 2004, № 3.