Download pdf - 1 Luminita Georgeta Popescu

Analele Universităţii “Constantin Brâncuşi” din Târgu Jiu, Seria Inginerie, Nr. 2/2010

Annals of the „Constantin Brâncuşi” University of Târgu Jiu, Engineering Series, Issue 2/2010

7

MONITORIZAREA FUNCŢIONĂRII

ECHIPAMENTELOR ELECTRICE PRIN

TERMOGRAFIE

Prof.univ.dr.ing. Luminiţa Georgeta POPESCU

Universitatea “Constantin Brâncuşi” din Târgu Jiu

Dr. ing. Cristinel POPESCU


Ing. Alina DINCĂ


Rezumat: În timpul funcţionării, căile de curent ale

aparatelor electrice sunt parcurse de curentul nominal. Acestea, conţin rezistenţele electrice ale conductoarelor, rezistenţele de contact, şi deci, prin trecerea curentului electric au loc pierderi de putere electrică RI2 care se transformă în căldură şi determină încălzirea aparatelor electrice. Aşadar, încălzirea aparatelor este un regim normal de funcţionare, valorile pe care temparatura unui echipament electric le poate atinge în timpul funcţionării fiind prescrise de standarde. În această lucrare ne propunem să studiem încălzirea unui contactor electric pentru diferite regimuri de funcţionare prin intermediul expertizării termografice.

Cuvinte cheie: monitorizare, echipamente

electrice, termografie 1. Introducere. Încălzirea echipamentelor electrice În timpul funcţionării, căile de curent ale aparatelor electrice sunt parcurse de curentul nominal. Aceste căi, conţin rezistenţele electrice ale conductoarelor, rezistenţele de contact, şi deci, prin trecerea curentului electric au loc pierderi de putere electrică RI2 care se transformă în căldură şi

MONITORING THE OPERATION OF

ELECTRIC EQUIPMENTS THROUGH

THERMOGRAPHY

Prof. Ph.D Luminiţa Georgeta POPESCU

“Constantin Brâncuşi” University of Târgu Jiu

Ph.D Eng. Cristinel POPESCU “Constantin Brâncuşi” University of

Târgu Jiu

Eng. Alina DINCĂ “Constantin Brâncuşi” University of

Târgu Jiu

Abstract: During operation, the paths of current of electric

devices are crossed by the rated current. They include the wasteful resistances of conductors, contact resistances ad therefore, the passing of the electric current results in losses of power RI2 which transform into heat and cause the heating of electric devices. Therefore, devices heating is a normal operation regime, the values that can be reached by an electric device during operation being prescribed by standards. In this paper we want to study the heating of an electric contactor for various operation regimes through thermographic expertise.

Key words: monitoring, equipments,

thermography

1. Introduction. Electric equipment heating During operation, the paths of current of electric devices are crossed by the rated current. They include the wasteful resistances of conductors, contact resistances ad therefore, the passing of the electric current results in losses of power RI2 which



8

determină încălzirea aparatelor electrice. Aşadar, încălzirea aparatelor este un regim normal de funcţionare, valorile pe care temparatura unui echipament electric le poate atinge în timpul funcţionării fiind prescrise de standarde. Deoarece echipamentele electrice sunt formate dintr-un număr mare de elemente, solicitate termic direct, calculul temperaturilor pe ansamblul echipamentului este complicat. Ca urmare, temperatura echipamentului se stabileşte, în general, experimental, iar prin calcul se determină numai temperaturile elementelor componente. Limitele de temperatură sunt date în standarde atât pentru curentul nominal, cât şi pentru curentul de scurtcircuit, care apare, în general, după funcţionarea aparatelor în regim nominal de durată. Temperaturile admisibile pentru conductoare şi aparate sunt temperaturile maxime pentru care se garantează funcţionarea sigură şi de lungă durată a acestora, fără modificarea proprietăţilor lor electrice şi mecanice. Încălzirea excesivă este periculoasă pentru legăturile de contact întrucât proprietăţile lor mecanice se modifică. De asemenea, aceasta provoacă oxidarea intensă a contactelor, ceea ce duce la mărirea rezistenţelor lor de trecere rezultând deci o creştere şi mai mare a temperaturii, conducând aşadar la distrugerea lor. Cercetările au arătat că o oxidare foarte intensă are loc dacă temperatura trece de 70...75 oC şi de aceea normele prevăd o temperatură limită pentru contacte de 75 oC.

2. Regimul termic al unei căi de curent. Ecuaţia încălzirii. Ecuaţia răcirii Multe din cazurile practice de regimuri termice pot fi reduse la regimul conductorului drept cu secţiunea constantă. Pentru aceasta, se pleacă de la ecuaţia:

2 2p

2l J

t c c A cx

⋅α∂θ λ ∂ θ ρ⋅= ⋅ − ⋅θ +

∂ ⋅ γ ⋅ γ ⋅ ⋅ γ∂ (1)

transform into heat and cause the heating of electric devices. Therefore, devices heating is a normal operation regime, the values that can be reached by an electric device during operation being prescribed by standards. Because electric equipments consist of a large number of thermally stressed elements, temperatures calculation on the entire equipment is complicated. Consequently, the temperature is generally established experimentally, and the calculation determines only the temperatures of the components. The temperature limits are given by standards both for the rated current and for the short-circuit current which generally appears after the operation of the devices in conventional duration regime. The allowed temperatures for conductors and devices are the maximal temperatures for which safe and long-term operation is guaranteed, without altering their electric and mechanic characteristics. Excessive heating is dangerous for contact connections because their mechanic characteristics are altered. They also cause intense oxidation of contacts which results in the increase of their passing resistances and to a higher increase of the temperature which causes their destruction. Researches have indicated that an intense oxidation occurs if the temperature exceeds 70...75 oC and this is why regulations provid a limit temperature for contacts of 75 oC.

2. The thermal condition of a path of current. Heating equation. Cooling equation Many of the practical cases of thermal conditions can be reduced to the regime of the right conductor with constant section. For this, we start from the equation:

2 2p

2l J

t c c A cx

⋅α∂θ λ ∂ θ ρ⋅= ⋅ − ⋅θ +

∂ ⋅ γ ⋅ γ ⋅ ⋅ γ∂ (1)

If we consider a constant section conductor and a big length, we can neglect the variation of the temperature along the



9

Dacă se consideră un conductor de secţiune constantă şi lungime foarte mare, se poate neglija variaţia temperaturii în lungul axei (după axa ox), adică:

0x∂θ

=∂

,

relaţia (1) devenind:

2

pld Jdt c A c

⋅αθ ρ⋅= − ⋅θ+

⋅ γ ⋅ ⋅ γ (2)

2

pld J 0dt c A c

⋅αθ ρ⋅+ ⋅θ − =

⋅ γ ⋅ ⋅ γ (3)

Pentru rezolvarea acestei ecuaţii, se observă că în regim staţionar se ajunge la

maxθ = θ , iar 0x∂θ

=∂

(cu alte cuvinte pentru

t →∞ , temperatura nu se modifică în timp). Având în vedere toate acestea, rezultă:

2

maxp

J Al

ρ⋅ ⋅⇒ θ = θ =

⋅α (4)

Împărţind relaţia (4) la pl

c A⋅α

⋅ γ ⋅obţinem:

2

p p

c A d J A 0l dt l

⋅ γ ⋅ θ ρ⋅ ⋅⋅ + θ − =

α ⋅ α ⋅ (5)

maxp

c A dl dt

⋅ γ ⋅ θθ + ⋅ = θ

α ⋅

p

max

ld dtc Aα ⋅θ

⇒ = ⋅θ −θ ⋅ γ ⋅

(6)

În relaţia (6) se notează: p

c Al

⋅ γ ⋅τ =

α ⋅ -

constanta de timp termică, rezultând:

max

d dtθ=

θ −θ τ

t0 0 max

dt dθ θ=

τ θ −θ∫ ∫

t

max 1 e−τ

⎛ ⎞⎜ ⎟θ = θ −⎜ ⎟⎝ ⎠

(6)

axis (after ox axis), that is:

0x∂θ

=∂ ,

relation (1) becoming:

2

pld Jdt c A c

⋅αθ ρ⋅= − ⋅θ+

⋅ γ ⋅ ⋅ γ (2)

2

pld J 0dt c A c

⋅αθ ρ⋅+ ⋅θ− =

⋅ γ ⋅ ⋅ γ (3)

In order to solve this equation, we notice that in stationary regime we reach

maxθ = θ , and 0x∂θ

=∂ (in other words for

t →∞ , the temperature does not alter in time). Taking this into consideration:

2

maxp

J Al

ρ⋅ ⋅⇒ θ = θ =

⋅α (4)

Dividing relation (4) to pl

c A⋅α

⋅ γ ⋅ we

get:

2

p p

c A d J A 0l dt l

⋅ γ ⋅ θ ρ ⋅ ⋅⋅ + θ− =

α ⋅ α ⋅ (5)

maxp

c A dl dt

⋅ γ ⋅ θθ+ ⋅ = θ

α ⋅

p

max

ld dtc Aα ⋅θ

⇒ = ⋅θ −θ ⋅ γ ⋅ (6)

In relation (6) we note: p

c Al

⋅ γ ⋅τ =

α ⋅ -

thermal time constant, resulting:

max

d dtθ=

θ −θ τ

t0 0 max

dt dθ θ=

τ θ −θ∫ ∫

t

max 1 e−τ

⎛ ⎞⎜ ⎟θ = θ −⎜ ⎟⎝ ⎠

(6)

Relation (6) is called heating equation. Observation. If conductor heating



10

Relaţia (6) poartă numele de ecuaţia încălzirii. Observaţie. Dacă încălzirea conductorului nu începe de la temperatura mediului ambiant, integrala trebuie calculată

astfel:0

θ

θ∫ , unde θ0 este temperatura iniţială

a conductorului corespunzătoare momentului în care începe încălzirea. Pentru a stabili ecuaţia răcirii, se întrerupe curentul care circulă prin conductor (I= 0 => J = 0), astfel că din relaţia (2) se obţine:

plddt c A

⋅αθ θ= − ⋅θ = −

⋅ γ ⋅ τ (7)

sau

d dtθ= −

θ τ

max max

tt0

0

d dt tln θθθ θ

θ= − ⇒ θ = −∫ ∫ τθ τ

t

max e−τ⇒ θ = θ ⋅ (8)

Relaţia (8) reprezintă ecuaţia răcirii pentru un conductor de secţiune constantă

does not start from the environmental temperature, the integral has to be

calculated as follows:0

θ

θ∫ , where θ0 is the

initial temperature of the conductor which corresponds to the time when heating begins. In order to determine the cooling equation, the current which passes through the conductor is interrupted (I= 0 => J = 0), therefore relation (2) results in:

pld

dt c A⋅αθ θ

= − ⋅θ = −⋅ γ ⋅ τ (7)

or

d dtθ

= −θ τ

max max

tt0

0

d dt tln θθθ θ

θ= − ⇒ θ = −∫ ∫ τθ τ

t

max e−τ⇒ θ = θ ⋅ (8)

Relation (8) is the cooling equation for a constant section conductor.

Fig. 2. Diagramele corespunzătoare încălzirii, respectiv răcirii unui conductor de secţiune constantă /

Heating, respectively cooling related diagrams of a constant section conductor 3. Studiu de caz. Studiul comportării unui contactor electromagnetic la încălzire

În continuare vom studia evoluţia temperaturii prin căile de curent ale unui contactor trifazat tip RG 125, cu datele nominale: Un=500 V, In=125 A, Pn=30 kW, Ub=220 V (fig. 3). Monitorizarea încălzirii s-a realizat cu o cameră de termoviziune Flir Systems, tip T 200, din gama MediumPro.

3. Case study. Behaviour study for an electromagnetic contactor during heating We will study next the evolution of the temperature through the paths of current for a RG 125 three-phase contactor, with the rated data: Un=500 V, In=125 A, Pn=30 kW, Ub=220 V (fig. 3). Heating monitoring was made with a Flir Systems thermo-vision camera, type T 200, range MediumPro.

încălzire

τ θ[oC] θmax

răcire t[s]



11

Fig. 2. Contactor trifazat supus analizei / Analyzed three-phase contactor

Pentru început, prin intermediul trusei de curent TC 1200, am introdus în căile de curent ale contactorului un curent de 125 A (curentul nominal al contactorului). Aşadar, pornind din stare rece (se consideră stare rece temperatura mediului ambiant), contactorul a fost alimentat timp de 72 s la un curent de 125 A.

În fig. 3 se prezintă termograma celor trei faze ale contactorului la momentul t = 0 iar în fig. 4 se prezintă termograma celor trei faze ale contactorului la momentul t = 72 s.

For starting, with the help of TC 1200 current box, we introduced a 125 A current into the contactor paths of current (rated current of the contactor). Therefore, starting from cold state (cold state is the environmental temperature), the contactor was supplied to a current of 125 A for 72 s.

Fig. 3 presents the thermogram of the three phases of the contactor at time t = 0 and fig. 4 presents the thermogram of the three phases of the contactor at time t = 72 s.

SR T

22.3

47.1 °C

25

30

35

40

45

Fig. 3. Termograma celor trei faze de curent ale contactorului la momentul t = 0 / Thermogram of the

three current phases of the contactor at time t = 0

În conformitate cu notaţiile de pe figură, de la început se identifică pe faza R o

According to the notations of the figure, since the beginning we identify on

Date 5/11/2010 Filename IR_1848.jpg Max Temperature 48.9 °C Min Temperature 22.5 °C Image Time 4:37:11 PM R Max. Temperature 48.9 °C S Max. Temperature 41.4 °C T Max. Temperature 45.8 °C



12

zonă cu încălzire mai mare (zona colorată cu alb) şi, de asemenea, pe faza T sunt puncte în care temperatura creşte mult, pe termogramă identificându-se zone difuze colorate în alb fapt ce semnifică existenţa unui defect (în condiţii normale de funcţionare şi fără defecte - ex. presiune insuficientă pe contacte -, culoarea ar trebui să fie aceeaşi pe toate cele trei faze, adică temperatura ar trebui să fie aproximativ aceeaşi deoarece materialul din care sunt alcătuite este acelaşi, curentul prin cele trei faze este acelaşi, fazele fiind înseriate).

phase R a higher heating area (white area) and also on phase T there are points in which the temperature increases a lot, on the thermogram appeared diffuse areas coloured in white, which means the existence of a fault (in normal conditions of operation without any faults - e.g., insufficient pressure on contacts -, the colour should be the same on all the three phases, meaning the temperature should be approximately the same because the material they are made of is the same, the current through the three phases is the same).

R TS

21.9

127.8 °C

40

60

80

100

120

Fig. 4. Termogramele celor trei căi de curent ale contactorului la momentul t =72s / The thermograms

of the three paths of currents of the contactor at time t =72s

Pe termograma din fig. 4 se observă creşterea excesivă a temperaturii în punctele de conexiune de pe faza R (128,3 0C), respectiv T (123,6 0C), în timp ce pe faza S, temperatura este de 84,3 0C.

Plecând din această stare, se majorează curentul la 1,2x125 A, acesta parcurgând căile de curent timp de 39 s, obţinându-se rezultatele din fig. 5.

On the thermogram from fig. 4 we notice an excessive growth of temperature in the connection points from phase R (128,3 0C), respectively T (123,6 0C), while on phase S, the temperature is of 84,3 0C.

Starting from this state, the current increases to 1,2x125 A, passing through the paths of current for 39 s, and achieving the results from fig. 5.




13

R ST

20.8

222.9 °C

50

100

150

200

Fig. 5. Evoluţia temperaturii prin căile de curent pentru un curent de 1,2xIn / Temperature evolution

through the paths of current for a current of 1,2xIn

În continuare, se întrerupe curentul

timp de 4 min. Plecând dintr-o altă stare caldă, (pentru că în acest timp calea de curent nu s-a răcit complet), se majorează curentul la 2xIn (250 A), rezultând pentru pentru cele trei faze, evoluţiile din fig. 6.

Next, the current is interrupted for 4 min. Starting from a warm state (because the path of current has not cooled completely), the current increases to 2xIn (250 A), resulting the evolutions from fig. 6 for the three phases.

SR T

20.3

339.4 °C

100

200

300

Fig. 6. Evoluţia temperaturii prin căile de curent petru un curent de 2xIn / Temperature evolution

through the paths of current for a current of 2xIn

Având temperaturile pe cele trei faze, pentru intervalul de timp supus observaţiei, se trasează curbele din fig.7.

With the temperatures for the three phases, for the analyzed period, the curves from fig. 7 can be made.


Date 5/11/2010 Filename IR_1866.jpg Max Temperature 339.4 °C Min Temperature 22.3 °C Image Time 4:45:10 PM Ar1 Max. Temperature 339.4 °C Ar2 Max. Temperature 199.7 °C Ar3 Max. Temperature 220.8 °C



14

050

100150200250300350400

0 16 48 138

149

163

426

446

463

479

540

Calea de curent acontactorului aferentafazei RCalea de curent acontactorului aferentafazei SCalea de curent acontactorului aferentafazei T

Fig. 7. Evoluţia temperaturii pe cele trei faze ale contactorului, pe intervalul de timp considerat. /

Temperature evolution on the three phases of the contactor, for the analyzed period of time. Concluzii: 1. Indiferent de valoarea curentului, se constată o

creştere considerabilă a temperaturii pe fazele R şi T, ceea ce ne permite să tragem concluzia că aceste conexiuni – contacte nu sunt suficient de ferme, astfel că o presiune scăzută pe determină un contact imperfect, fapt ce reprezintă o sursă suplimentară de căldură. Prin urmare, deşi în exploatare nu s-au constatat disfuncţionalităţi, totuşi, în urma acestei monitorizări se constată defecte ale punctelor de legătură/îmbinare, ce pot degenera în defecte mai grave.

2. Limita de temperatură pe care o atinge o cale de curent depinde atât de temperatura iniţială a acesteia, dar şi valoarea curentului. Astfel plecând din stare rece, în 72 de s, temperatura căii de curent creşte cu 80 0C, plecând din stare caldă, la curent mai mare cu 20%, temperatura creşte în 40 s cu 74 0C, iar plecând din stare caldă, dar cu un curent mai mare cu 100%, temperatura creşte în 72 s cu 233 0C.

Bibliografie:

1. Popescu Luminiţa Georgeta, Echipamente electrice, Editura Universitaria Craiova, ISBN 973-8043-104-3, 2002,

2. Chiuţă Ion ş.a., Echipamente electrice, Editura AGIR, 2008

3. www.termoviziune.com

Conclusions: 1. Irrespective of the current value, we notice

a significant increase of temperature R and T phases, which allows us to draw the conclusion that these connections – contacts are not steady enough, so a low pressure causes an imperfect contact, which is an additional source of heat. Consequently, although we have not noticed malfunctions in operation, from this monitoring we notice faults of the connection/junction points which can result into more serious faults.

2. The temperature limit that a path of current reaches depend both on its initial temperature and to the value of the current. Therefore, starting from a cold state, in 72 s, the temperature of the path of current increases by 80 0C, starting from warm state, for a current bigger with 20%, the temperature increases in 40 s by 74 0C, and starting from warm state but with a current bigger by 100%, the temperature increases in 72 s by 233 0C.

Bibliography:

1. Popescu Luminiţa Georgeta, Electric Equipment, Universitaria Press Craiova, ISBN 973-8043-104-3, 2002,

2. Chiuţă Ion ş.a., Electric Equipment, AGIR Press, 2008

3. www.termoviziune.com