AZ ÜZEMFENNTARTÁS ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI 1.02 3.09 5.06
Maradék élettartam meghatározása villamos csatlakozásokra Tárgyszavak: maradék élettartam; villamosenergia-rendszer; villamos csatlakozás; öregedésvizsgálat; RELITE diagnosztikai rendszer; állapotfüggő karbantartás.
A villamosenergia-fogyasztás növekedésével együtt gyorsul a villamos csatlakozások öregedése. A RELITE diagnosztikai rendszer kifejlesztésének célja a gyengepontok felismerésének lehetősége, a költséges eseményorientált módszerről a takarékos állapotfüggő karbantartási módszerre való áttérés.
Diagnosztikai eljárás A diagnosztikai eljárásnak alkalmasnak kell lennie a csatlakozás pillanatnyi öregedési állapotának, és a várható áramterhelés ismeretében a még várható élettartamának meghatározására. A csatlakozás állapotát egyértelműen elektromos ellenállása határozza meg. Az ellenállást feszültségmentes állapotban mikroohmmérővel lehet mérni. Ha a csatlakozás méréséhez az energiaátvitelt nem lehet megszakítani, akkor a csatlakozás hőmérséklete alapján, a csatlakozás és környezete közötti hőátviteli folyamatokat leképező termikus hálózatokat alkalmazva lehet az ellenállást számítani. A csatlakozások hőmérsékletét infravörös kamerával célszerű mérni, azonban e hőmérsékletek mellett a környezet valamennyi, időben változó jellemzőjét (1. ábra) is meg kell határozni. A csatlakozás RV átmeneti ellenállásának a hőmérséklet alapján való meghatározásához, a termikus hálózat megvalósításához ismerni kell a csatlakozás geometriáját, valamint az egymással összekapcsolt vezetők valamennyi elektromos és termikus jellemzőjét. A csatlakozás hőmérsékletét jelentősen befolyásolja az II terhelő áram és annak időbeli változása. A csatlakozás átmeneti ellenállását közvetlen méréssel vagy termikus hálózatokkal meghatározva, a csatlakozás öregedési folyamatát leíró modelleket alkalmazva a jövőben várható ellenállás-változás számítható. A határellenállást vagy maga a csatlakozás, vagy pl. a csatlakozás közelében levő szigetelőanyagok határhőmérséklete határozza meg.
a csatlakozás geometriája és anyaga II terhelő áram környezet ► a szél v sebessége és α iránya ► a Nap és az égbolt PSH sugárzása ► a ϑo környezeti hőmérséklet ► az égbolt ϑH hőmérséklete
infravörös termográfia
a csatlakozás ϑV hőmérséklete
termikus helyettesítő áramkör
a csatlakozás RV ellenállása
öregedés modellje
∆tr maradék használati idő
1. ábra Villamos csatlakozások maradék élettartamának meghatározására alkalmas diagnosztikai eljárás elve
Villamos csatlakozások öregedése és vizsgálata A villamos csatlakozások öregedése az átmeneti ellenállástól, a terhelő áramtól és környezeti hatásoktól függ. Az egymással érintkező felületek érdessége miatt az áram nem a teljes felületen, hanem csak kiemelkedő felületi pontokon, mikroérintkezéseken folyik. A csatlakozások átmeneti ellenállását lényegében a mikroérintkezések és ezek tulajdonságai határozzák meg. A csatlakozások öregedését többek között a mikroérintkezéseken bekövetkező kémiai reakciók okozzák. E reakciók során a vezető anyag elektromosan nem vezető reakciótermékekké alakul. Ennek következtében az áramot ténylegesen vezető, effektív érintkezési felületek mérete csökken, és az átmeneti ellenállás nő. A villamos csatlakozások megfigyelt öregedési folyamata jellegzetes módon függ az időtől. Azt feltételezve, hogy az öregedést kémiai reakciók határozzák meg, az átmeneti ellenállás időbeli változása a következők alapján magyarázható (2. ábra): • A kezdeti szakaszban (az öregedési jelleg kialakulása) a mikroérintkezések szélein nem vezető oxidok keletkeznek, amelyek hatására a csatlakozás átmeneti ellenállása kezdetben gyorsan nő. Az oxidrétegek a mikroérintkezéseket leárnyékolják, és az öregedési folyamat sebessége csökken.
• A relatív stabilitás fázisában, amely több évtizedre is kiterjedhet, a mikroérintkezéseket pl. az oxidrétegek nagymértékben leárnyékolják. A csatlakozás átmeneti ellenállása ebben a szakaszban csak lassan nő. • Az ugyancsak kismértékben, azonban mégis folytonosan növekvő átmeneti ellenállás következtében, állandó terhelő áramot feltételezve, a mikroérintkezések hőmérséklete emelkedik, és az oxidrétegek növekedése ismét gyorsabbá válik. A gyorsuló öregedésnek ebben a szakaszában a csatlakozás átmeneti ellenállása az idő függvényében aránytalanul gyorsan nő. A mikroérintkezések hőmérséklete eléri a vezetőanyag olvadási hőmérsékletét. Ennek hatására az átmeneti ellenállás ugrásszerűen csökken. Ez az állapot azonban nem stabil. Az átmeneti ellenállás rövid időszakaszokon belül váltakozik. A csatlakozás megszakad, azaz az egység meghibásodik.
ku jósági tényező
ku0 (Il)
ku0
kuG ku0 Il td
td (Il, ku0)
jósági tényező szélső értéke kezdeti jósági tényező terhelő áram élettartam
kezdeti szakasz
relatív stabilitás
gyorsuló öregedés idő, t
2. ábra Villamos csatlakozás öregedésének elvi jelleggörbéje a terhelő áram és a kezdeti jósági tényező függvényében A csatlakozás határellenállása, vagyis az az átmeneti ellenállás határozza meg a csatlakozás élettartamát, amelynél a mikroérintkezésekben a hőmérséklet pl. első alkalommal éri el az olvadási hőmérsékletet. Célszerű egy ku jósági tényezőt bevezetni, amely a csatlakozás RV átmeneti ellenállásának és a csatlakozás hosszával megegyező hosszúságú vezetőanyag RL ellenállásának hányadosa. ku =
RV RL
A csatlakozás jósági tényezőjének változása a t idő és a mikroérintkezések TE hőmérsékletének függvényében a kémiai reakciókinetika Arrheniustörvényével írható le. Max. 195 000 óráig (kb. 22 év) végzett kísérletek során meghatározták különféle áramvezető sínek csatlakozásainak paramétereit, pl. Al/Al csatlakozásra m = 0,487, b = 9709 J/mol és d = 0,1; Al/Cu csatlakozásra m = 0,616, b = 14 432 J/mol és d = 5 értékeket kaptak. Az öregedési sebesség jelentősen függ a mikroérintkezések helyén a TE abszolút hőmérséklettől. Amennyiben a csatlakozás kuI ideális jósági tényezője ismert, akkor a jósági tényező időbeli változása az egyenlettel számítható.
A csatlakozás ellenállásának meghatározása A csatlakozás ellenállásának közvetlen mérése A csatlakozás átmeneti ellenállását egyenárammal mérve ügyelni kell a fellépő, az esetleg több 100 µV-ot elérő, a mérést zavaró, elsősorban termofeszültségek hatására, amelyek lineárisan szuperponálódnak a mérendő feszültségre. Az ellenállást váltakozó árammal mérve a váltakozó mágneses tér okozhat zavarokat, amely a feszültségmérő körben a mérendő feszültségre vektorosan szuperponálódó feszültséget indukál. A csatlakozás ellenállásának számítása termikus helyettesítő hálózattal A csatlakozás ellenállásának a diagnózishoz és a hátralevő élettartam meghatározásához megkövetelt pontosságú számításához a csatlakozás hőmérsékletét ±3 K-nél kisebb bizonytalansággal kell mérni. Erre infravörös kamerákat lehet alkalmazni. • A csatlakozás hőmérsékletének mérése infravörös kamerával A mérés alapja az, hogy minden T > 0 K hőmérsékletű test elektromágneses hullámokat bocsát ki. Zárt térben a rövid hullámú (2 µm ... 6 µm) és a hosszú hullámú (8 µm ... 14 µm) kamerák egyaránt használhatók, szabad térben azonban hosszú hullámú kamerát kell használni, mert fémes (kis emissziójú, nagy reflexiójú) felületű tárgyak mérése során a Nap és az égbolt sugárzása által okozott mérési hiba nagyobb a megengedettnél. A mérés során mindenképpen ügyelni kell arra, hogy az infravörös kamera a vizsgált csatlakozáson kívül a talaj felületén, a mesterséges vagy természetes környezeten kívül magasabb légköri rétegekkel is sugárzási kölcsönhatásban van. A –20 °C és +35 °C közötti hőmérsékletű környezet és a légkör magasabb, –40 °C és +10 °C közötti hőmérsékletű rétegeinek hőmérsékletkülönbsége elérheti a 75 K értéket is. Mivel azonban a kamera csak egyetlen környezeti hőmérséklettel tud dolgozni, egy termikusan egyenértékű környe
zeti hőmérsékletet kell meghatározni, amellyel a kamera a rá eső, a környezetből érkező sugárzási teljesítményt értékelni tudja. A ϑo környezeti hőmérséklet, a légkör magasabb rétegeinek ϑH hőmérséklete, a felhősödés b foka, valamint a villamos csatlakozásnak a légkör magasabb rétegeivel sugárzási kölcsönhatásban álló, felfelé mutató és teljes felülete arányának (1/4 < pH < 1/3) függvényében a ϑU egyenértékű környezeti hőmérséklet meghatározható. Az infravörös kamerás hőmérsékletmérés során a mérendő tárgy méretét és a kamerától való távolságának arányát is figyelembe kell venni. A kamera erre vonatkozó jellemző adata a geometriai felbontóképesség, ill. az IFOV (Instanteous Field Of View), amely a mérendő tárgy és a kamera közötti távolságnak azt az arányát adja meg, amelynél a hőmérséklettel arányos kimeneti jel a teljes kimeneti jel 50%-át éri el. A hőmérséklet megkövetelt pontosságú meghatározásához a mérendő tárgy mérete háromszorosa legyen a geometriai felbontóképességből számított értéknek. A kamera nagyobb geometriai felbontóképessége teleobjektívekkel érhető el. A hőmérséklet infravörös kamerás mérésében a csatlakozás, ill. a hozzá kapcsolódó vezetők ε emissziós tényezője is fontos mennyiség. Fémes vezetők emissziós tényezője a felület állapotától függően 0,04 (tiszta fémes felület) és 0,98 (erősen oxidált, szennyezett felület) között változhat. Tipikus emissziós tényezők a szakirodalomból határozhatók meg vagy oxidált alumíniumfelületekre az üzemidő alapján számíthatók. A csatlakozás melegedése (többlet-hőmérséklete) a terhelő áram négyzetével arányos. A terhelő áramnak a csatlakozó vezető méretezési áramának legalább 35%-át kell elérnie ahhoz, hogy a hőmérsékletet a szükséges pontossággal ± 3 K egyáltalán mérni lehessen. A terhelő áram percenként nem érheti el a méretezési áram 0,33%-át, hogy a csatlakozás és a kapcsolódó vezetők hőmérséklete alapján a csatlakozás ellenállását a statikus termikus áramkörrel számítani lehessen. Ha ez a követelmény nem teljesül, akkor a dinamikus termikus helyettesítő áramkört kell használni. • A szélsebesség mérése A szél sebességét általában nem lehet a vizsgálandó csatlakozás magasságában mérni. A szélsebesség különböző magasságokban végzett mérései alapján korrekciós tényezőt határoztak meg, amely megadja a szélsebesség 3 m magasságbeli értékéhez viszonyított változását. • A termikus helyettesítő áramkör Mivel a csatlakozás és a vezetők között a legtöbb esetben hőmérsékletgradiens alakul ki, ezért a csatlakozáson át, ill. a vezetőkhöz hő áramlik. Ezért a termikus helyettesítő áramkörben a csatlakozáson kívül a vezetők b helyállandójának háromszorosáig terjedő távolságig a vezetőket is figyelembe kell venni.
A termikus helyettesítő áramkör felépítéséhez a csatlakozást, valamint a csatlakozó vezetőket tengelyirányban szakaszokra kell osztani. A szakaszok hosszát úgy kell megválasztani, hogy a hőáramot és a hőmérséklet-eloszlást a vezetők mentén a megkövetelt pontossággal lehessen számítani. A termikus helyettesítő áramkörben mindegyik szakaszhoz egy csomópont tartozik. Az áram pályája mentén az egyes szakaszokban keletkező II2RL hőteljesítményeket diszkrét módon betáplálják a csomópontokba. Minden szakaszban fellép a szakasz tömegétől és az anyag fajlagos hőkapacitásától függő hőkapacitás. A termikus helyettesítő áramkör felépítéséhez a hőkapacitásokat a szakaszok csomópontjai és a referencia-csomópont közé kapcsolják. A referencia-csomópontot 0 °C-osnak veszik. Az áram pályája mentén, a szakaszok közötti hővezetést hővezetés-ellenállásokkal veszik figyelembe, amelyek a csomópontokat egymással összekapcsolják. A szakaszok hossza mentén a hővezetés mellett, felületükön át, konvekcióval és sugárzással hő távozik a környezetbe. A ϑo hőmérsékletű, környező levegőnek konvekció révén átadott teljesítmény az egyes szakaszok felületének nagyságától, a szél sebességétől és irányától függ. Ezt a hőátadást a termikus helyettesítő áramkörben konvekciós ellenállásokkal veszik figyelembe. A ϑo hőmérsékletű környezetnek, ill. a ϑH hőmérsékletű égboltnak hősugárzással leadott teljesítményt a helyettesítő képben hősugárzás-ellenállásokkal veszik figyelembe. A termikus helyettesítő kapcsolás fő hőforrásai a csatlakozásban és a vezetőszakaszokban az átfolyó áram hatására fellépő veszteségek. Szabadtéri viszonyok között a szakaszok felületének abszorpciós tényezőitől függően a Nap és az égbolt sugárzása által okozott hőteljesítményeket is be kell táplálni a csomópontokba. A termikus helyettesítő kapcsolásban a hőkapacitásokat is figyelembe véve, időben változó terhelések esetén meghatározható az RV csatlakozási ellenállás. A hőkapacitásokat elhanyagolva az RV csatlakozási ellenállás csak statikus vagy kvázistatikus terhelés esetén határozható meg.
A még hátralevő használhatósági idő, azaz maradék élettartam meghatározása A villamos csatlakozás várható használhatósági ideje a meghatározott ku jósági tényezőtől és a várható II terhelő áramtól függő kémiai öregedési modellel meghatározható. Egy T-leágazó szorító (Al/Al-csatlakozás) példáján látható, hogyan határozható meg ennek a csatlakozásnak a hátralevő használhatósági ideje, és az, hogy ez mitől függ (3. ábra). Az alábbi általános felismerések adódnak: • Ha a diagnosztizált jósági tényező ku < 2, akkor magának a csatlakozásnak a használhatósági ideje még II = 1,0 esetben is ∆tr > 10 év.
• Amennyiben az II terhelő áram nagyobb, akkor a csatlakozás használhatósági ideje az arányosnál gyorsabban csökken. • Ha a csatlakozások hosszú üzemidő után ugyanakkora jósági tényezőt értek el, mint az azonos típusúak néhány év után, akkor a még hátralevő használhatósági idejük azonos II terhelő áram esetén lényegesen nagyobb.
maradék élettartam ∆t tR; r; év
100
10
1,01
0,81
0,61
6
8
0,41
1 0
2
4
10
12
14
jóságitényező tényezõkku jósági u
3. ábra Al/Al T-leágazó csatlakozás maradék élettartama a terhelő áram és az üzemidő függvényében Az eredményeket összefoglalva diagramból meghatározható a jósági tényező és a még hátralevő használhatósági idő. Abból kiindulva, hogy a terhelő áram II = (0,4 ... 1,0) Ir értékű, az eddigi átlagos terhelő áram megfelel a várhatónak, a rendszer tBz eddigi üzemideje 5 év és 20 év közötti, akkor a még hátralevő használhatósági idő az 1 < ku <14 tartományba eső jósági tényező esetén meghatározható a 4. ábra szerint.
A RELITE diagnosztikai rendszer alkalmazása kapcsolóberendezésekben Egy 6 kV-os ipari, belsőtéri kapcsolóberendezés példáján látható, hogyan lehet a RELITE diagnosztikai rendszerrel az elektromos csatlakozások állapotát meghatározni, és milyen megállapításokat lehet a karbantartással kapcsolatban tenni. A vizsgált berendezéseket kb. 20 éve használják, 130 kapcsolómezőből állnak, amelyek közül azonban csak 70 volt használatban. A terhelő áramot kváziállandónak tekintették. Hozzávetőleg 2700 csatlakozást
diagnosztizáltak, amelyek között Al/Al-, Al/Cu-, Cu/Cu- és ezüstözött Cu/Cuátmenetek voltak. A csatlakozás jellegét illetően megkülönböztettek: alsó görbe: tBZ = 20 év
jósági tényező ku
felső görbe: tBZ = 5 év
év év PSH 2
év
(W/m )
a csatlakozás túlmelegedési hőmérséklete ∆ϑV
4. ábra T-leágazó csatlakozó szorító jósági tényezőjének és maradék élettartamának meghatározása a csatlakozás melegedésének függvényében, 0,6 m/s szélsebesség esetén • csavarozott gyűjtősín-csatlakozásokat, • gyűjtősínek és készülékcsatlakozások (teljesítménykapcsolók, szakaszolók, áramváltók) közötti, csavaros csatlakozásokat, • gyűjtősínek és kábelsaruk közötti csatlakozásokat és • szakaszkapcsolók megszakító érintkezőit. A maradék élettartam (∆tr) meghatározásához a csatlakozásokat négy időcsoportba sorolták: a) ∆tr < 1 év b) 1 év < ∆tr < 4 év c) 4 év < ∆tr < 10 év d) ∆tr > 10 év A maradék élettartam meghatározása során abból indultak ki, hogy minden egyes csatlakozás jövőbeli áramterhelése az eddiginek (általában a pillanatnyinak) felel meg. Az a) időosztály helyi túlmelegedési jelenségeket (hot spots) tartalmaz. Az ebbe a csoportba sorolt csatlakozásokat azonnal javítani kell. Valamennyi vizsgált csatlakozást tekintve megállapítható, hogy csak 11 csatlakozást (0,4%) azonosítottak helyi túlmelegedésként.
A csatlakozások 90%-a a d) csoportba sorolható. Ezek 20 év használat után még tíz évnél hosszabb ideig működőképesek maradnak. A gyűjtősínek csatlakozásainak öregedése a leglassúbb (azonos anyag, nagy összenyomó erő), két különböző fém csatlakozásainak öregedése gyorsabb. A szakaszkapcsolók érintkezőinek öregedése is viszonylag gyors, ami a viszonylag kis érintkezőnyomással és a gyakori mozgásból adódó kopással és a hőtágulással magyarázható. A terhelő áram növekedése minden esetben jelentősen csökkenti a várható maradék élettartamot. A részletes vizsgálati eredmények kvalitatív összehasonlításra adnak lehetőséget. (Pálinkás János) Rogler, R-D.; Löbl, H.; Fricke, D.: Bestimmung der Restnutzungsdauer elektrotechnischer Verbindungen in Elektroenergieanlagen mit dem Diagnosesystem – RELITE. = VDI-Berichte, 2001. 1641. sz. p. 125–134. Rogler, R-D.: Infrarotdiagnose an Verbindungen der energetischen Elektrotechnik. = Forschungsberichte VDI, VDI-Verlag, 21. k. 266. sz. 1999. Bergmann, R.: Zum Langzeitverhalten des Widerstandes elektrischer Verbindungen. = Forschungsberichte – VDI, VDI-Verlag, 21. k. 195. sz. 1996.
