Thermografische controle van elektrische schakelkasten: criteria voor het detecteren van defecten en rapportagestandaarden

1. Inleiding

Betrouwbaarheid van verdeelapparatuur en laagspanningscomplexe apparatuur (LCA) is een kritieke voorwaarde voor ononderbroken bedrijfsuitoefening van industriële ondernemingen. De meeste productiestoppen worden veroorzaakt door lokale oververhitting in de elektrische aansluitingen. Thermische verliezen in de contactaansluitingen leiden tot versnelde degradatie van de isolatie, het ontstaan van fase-afhankelijke kortsluitingen en het volledig uitvallen van het sterkstroomapparaat. Volgens de statistiek van technisch onderhoud zijn ongeveer 60% van de elektrische systeemuitval veroorzaakt door een verhoogde overgangsweerstand in de contactzones.

Infrarood thermografie (thermografische inspectie) is een efficiënt niet-destructieve inspectiemethode (NDI), die het mogelijk maakt om abnormale warmtevelden te detecteren zonder de productieprocessen te onderbreken. Als Hoofdingenieur bij UNITEC-D GmbH ben ik van oordeel dat het noodzakelijk is om regelmatige thermografische monitoring in te voeren volgens internationale en nationale standaarden. Dit zorgt voor een minimalisatie van de MTTR (Mean Time to Repair) en een maximalisatie van de MTBF (Mean Time Between Failures) voor kritieke onderdelen.

2. Fundamentele principes van thermografie

De methode is gebaseerd op de registratie van infraroodstraling, die elk object met temperatuur boven het absolute nulpunt (-273.15 °C) uitstraalt. De intensiteit van de straling wordt bepaald door de wet van Stefan-Boltzmann en de Planck-wet. Tijdens het testen van elektrische circuits ontmoet de elektrische stroom ($I$) een overgangsweerstand ($R$) in de aansluitpunten van schakelaars, kabelbeugels of verbindingsapparaten.

De hoeveelheid afgegeven warmte per tijdseenheid wordt beschreven door de wet van Joule-Lenz:

P = I² × R

Naar:

• P — vermogen van warmteverliezen (W);
• I — stroom door het aansluiting (A);
• R — overgangsweerstand van de contacten (Ω).

Toename van weerstand door verzwakking van de boutverbinding, corrosie of oxidatie leidt onvermijdelijk tot een lokaal temperatuurverhoging ($T$). Een infraroodcamera zet warmtestraling om in zichtbaar thermografisch beeld (thermogram) met temperatuurverdeling in real time.

3. Technische specificaties en standaarden

Om de betrouwbaarheid en herhaalbaarheid van de metingen te waarborgen, is het nodig strikt te voldoen aan de geldende normatieve documenten:

• IEC 60839-1-1 / ISO 18434-1: Toestand van het machinesysteem en diagnose. Thermografie. Deel 1: Algemene procedures.
• ISO 10878: Niet-destructieve controle. Thermografische controle. Woordenboek van termen.
• DSTU EN 13187: Thermische eigenschappen van gebouwen. Kwalitatief detecteren van thermische ongelijkmatigheden in omhullende constructies (raakt standaard voor metingstechniek).
• NFPA 70B: Aanbevolen praktijk voor elektrische onderhoudsactiviteiten (inclusief gedetailleerde evaluatiecriteria voor verwarming).

Volgens de standaarden zijn de basisparameters voor het instellen van een infraroodthermograf (thermograf) de emissiecoëfficiënt ($\varepsilon$), de omgevingstemperatuur ($T_{amb}$), de afstand tot het object en de relatieve luchtvochtigheid. Voor onbehandelde koperen platen is $\varepsilon \approx 0.1 - 0.3$ (vereist het aanbrengen van speciale markers of bandjes met bekende emissie $\varepsilon = 0.95$), terwijl voor geschilderde of verroeste oppervlakken $\varepsilon \approx 0.85 - 0.95$.

4. Kriteriën voor het kiezen van apparatuur en dimensieparameters

De nauwkeurigheid van de meting hangt direct af van de resolutie van de detector van de infraroodcamera en zijn optische kenmerken. Voor werkzaamheden binnen elektrische schakelkasten (НКП) zijn apparaten nodig met een matrixresolutie van minstens 320×240 pixels en een temperatuursgevoeligheid (NETD) van minder dan 0,05 °C (50 mK) bij 30 °C.

5. Beste montage- en metingstechnieken

Om betroubare gegevens te verkrijgen tijdens de inspectie van elektrische schakelkasten in productieomstandigheden is het nodig om de procedure te volgen:

• Belasting op het systeem: Metingen worden uitgevoerd bij een belasting van het apparaat van minstens 40% van de nominale stroom ($I_{nom}$). Volgens de Joule-Lenz-formule kunnen defecten bij een verminderde belasting zich niet manifesteren.
• Veiligheid van personeel: De operator moet toegang hebben tot het werken in elektrische installaties tot en met meer dan 1000 V (volgens de lokale arbeidsveiligheidsnormen), het gebruik van persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) tegen elektrische boog (gezichtsbeschermers, kleding met brandbestendige eigenschappen).
• Afsluiten van beschermende panelen: Voorafgaand aan het scannen moeten de beschermende deuren van de schakelkasten worden geopend. Indien de panelen geheel bestaan uit polycarbonaat, moet rekening worden gehouden met hun vermogen om infraroodstraling te reflecteren of te absorberen (veel standaardvensters laten de infraroodspectra niet door).
• Bekijkhoek: De hoek tussen de optische as van de infraroodcamera en de onderzochte oppervlak moet zo dicht mogelijk bij 90° liggen, maar minstens 60°, om foutse reflecties van aangrenzende oppervlakken te voorkomen.

6. Types fouten en analyse van oorzaak (RCA)

Thermografische inspectie maakt het mogelijk om defecten te classificeren op grond van hun mate van kritischheid. Hieronder staan de belangrijkste types defecten die worden waargenomen in elektrische schakelkasten:

• Verzwakking van de boutverbindingen van de banden: Visuele aanduiding op de thermografische afbeelding — lokale warmteplek in de vorm van een "druppel" rond de bevestigingspunt. Oorzaak: cyclische thermische vervormingen, afwezigheid van veerplaten (grovers), niet naleving van de momentwaarde (koppelmoment) volgens de fabrikantse instructies.
• Fout in de contacten van automatische uitschakelaars of schakelaars: Anomale verhitting van één van de polen. Oorzaak: slijtage van de boogdoefers, erosie van de contactoppervlakken van zilverlegeringen en overschrijding van de nominale commutatiecapaciteit.
• Overbelasting fase (stroomongelijkheid): Gelijkmatig verwarmen van de gehele kabel of bus van een bepaalde fase over de hele lengte. Oorzaak: ongelijkmatige verdeling van enkelvoudige belastingen over de fasen van de distributienet.

7. Voorspelbaar technisch onderhoud (PdM) en toestandsschermingsmonitoring

Integratie van thermografie in het technisch onderhoudsbeheersysteem van het bedrijf (CMMS) is gebaseerd op het bepalen van de temperatuurverschil ($\Delta T$). De beoordeling van de mate van gevaar wordt uitgevoerd volgens de methode van vergelijking van het temperatuurverschil tussen het defecte element en het referentielement ($T_{ref}$) of vergelijking met de omgevingstemperatuur ($T_{amb}$).

Kriterie voor beoordeling op temperatuurverschil (op basis van de aanbevelingen van NFPA 70B):

• $\Delta T < 10$ °C: Lichte tekorten. Vereist monitoring tijdens de volgende voorzienende inspectie.
• $10$ °C $\le \Delta T < 25$ °C: Gemiddelde defect. Een reparatie moet worden gepland tijdens het volgende technisch onderhoud.
• $25$ °C $\le \Delta T < 40$ °C: Serioze defect. Noodreparatie binnen 48 uur vereist.
• $\Delta T \ge 40$ °C: Kritieke noodtoestand. Onmiddellijke stilstand van het apparaat en opruimen van de storing om brand te voorkomen.

8. Vergelijkende matrix van diagnostische methoden voor elektrische aansluitingen

Voor een volledige betrouwbaarheidsstrategie wordt thermografie gebruikt in combinatie met andere controlemethoden. In de onderstaande tabel is een vergelijking van de voornaamste diagnostische methoden weergegeven.

9. Conclusie

Thermografische controle van elektrische schakelkasten is een levensnoodzakelijke tool voor het waarborgen van betrouwbaarheid en brandveiligheid op industriële ondernemingen in Oekraïne. Het systematische gebruik van infrarooddiagnostiek in combinatie met duidelijke criteria voor het beoordelen van temperatuur anomalieën maakt het mogelijk om onverwachte stilleggingen van apparatuur te voorkomen.

Bedrijf UNITEC-D GmbH levert een breed scala aan gekeurde elektrische componenten, krachtsschijven, schakelapparatuur en professionele middelen voor het onderhoud van industriële ondernemingen. Bekijk onze voorraad in de catalogus.

Ga naar het elektronische katalogus UNITEC-D voor het selecteren van betrouwbare industriële componenten

10. Referentie

1. ISO 18434-1:2008. Toezicht en diagnose van machines — Thermografie — Deel 1: Algemene procedures.
2. NFPA 70B. Aanbevolen praktijk voor onderhoud van elektrische apparatuur. Nationale Vereniging voor Brandbestrijding.
3. IEC 60947-1. Laagspanningsautomaten en -schakelapparatuur — Deel 1: Algemene regels.
4. DSТУ EN 13187:2001. Thermische eigenschappen van gebouwen. Kwalitatief detecteren van thermische ongelijkmatigheden in omhullende constructies. Methode van infrarood thermografie.
5. Informa Industrial Maintenance Handbook. Thermal Imaging Best Practices in Electrical Distribution Systems, 2021.