Тепловизоры в энергетике и электротехнике

Новые портативные тепловизоры - это инструментарий высоких профессионалов, которым требуются наилучшие решения для диагностики оборудования. Важно, что тепловизионная диагностика зачастую является единственным методом, с помощью которого можно значительно снизить затраты на обследование, так как при этом не требуется остановка производства и отключения энергетического оборудования.

По-видимому, первые системы тепловидения появились перед Второй Мировой войной, но они обеспечивали лишь передачу статических изображений. Одним из первых было применение аэрофотосъемки в ИК-лучах, причем фиксировалось ИК-изображение на чувствительную фотопленку. Однако первые системы тепловидения оказались подвержены всем возможным тепловым помехам и наводкам вследствие невозможности обеспечения стабильности температуры всех конструктивных элементов камеры.

Революцию в тепловидении произвели послевоенные исследования по заказу армии США в 1950-х годах, когда для регистрации ИК-излучения стали применяться сначала электронно-оптические, а затем и полупроводниковые элементы (болометры) и их линейки. С помощью этих систем корабли США получили возможность обнаруживать цели в плотном тумане, при полном отсутствии освещения и в густых атмосферных осадках. Ранние образцы тепловизионных систем использовали принцип сканирования, осуществлявшегося построчно на манер телевизионной развертки.

Однако распространение в годы «холодной войны» получили простые  тепловизионные устройства, в которых тепловое изображение объекта непосредственно (без промежуточного преобразования инфракрасного излучения в электрические сигналы) проецировалось на экран, покрытый тонким слоем вещества, которое в результате какого-либо физико-химического процесса, происходящего при его нагреве, изменяло свои оптические характеристики.

Технически успешным рывком вперед в области систем фронтального обзора стало появление матричных тепловизоров на микроболометрах, появившихся во время американо-вьетнамской войны в 1960-х годах. С тех пор развитие тепловидения происходило по пути улучшения характеристик матриц из полупроводниковых ИК-сенсоров, а также электронных схем обработки изображения. Одна из самых новых технологий в производстве тепловизионных матриц - детекторы на квантовых ямах (QWIP, Quantum Well Infrared Photodetector). В отличие от обычных полупроводников, QWIP-детекторы на основе арсенида галлия позволяют достичь большей плотности монтажа микродетекторов в матрице, а следовательно – и большего разрешения.

В 1980-е годы, когда компания Honeywell сняла гриф секретности со своих военных разработок и лицензировала эту технологию целому ряду заинтересованных компаний, с появлением тепловизионной техники "в свободной продаже" началось массовое применение тепловизоров в промышленности. В 1990-е годы одним из лидеров в продвижении тепловизоров для промышленных целей становится компания FLIR. Успехи современной тепловизионной техники таковы, что стало возможным создание тепловизионных головок высокого разрешения для беспилотных летательных аппаратов, с помощью которых можно обнаружить человека на расстоянии в несколько километров. В 2007 году появились промышленные тепловизоры во взрывозащищенном исполнении.

Особенности современных тепловизоров

Современные модели портативных тепловизоров обладают буквально всеми возможностями, требуемыми для выполнения термографических исследований. С чувствительным полупроводниковым детектором (уже достигшим размеров 160 x 120 пикселов) они обеспечивают высокое разрешение изображений и позволяют выявить весьма малые различия по температуре. В этих моделях применена новая технология, позволяющая получить видимое изображение одновременно с ИК-изображением, что облегчает задачу идентификации и анализа инфракрасных образов. Она позволяет легко выделить компоненты с возможными неисправностями и безошибочно определить нагретые участки, нуждающиеся в ремонте в первую очередь.

Новые переносные модели ИК-тепловизоров сочетают отличное качество изображения и высокую тепловую чувствительность. Они оптимизированы для условий эксплуатации в условиях низкого контраста, встречающихся в зданиях, и регистрируют неисправности, недоступные для других ИК-камер. Прибор легко настраивается на автоматическую съемку участков, температура которых выходит за установленные пределы. Благодаря этому ускоряется съемка и анализ нерегулярностей, так как можно концентрироваться только на изображениях, содержащих аномалии. Тепловизоры позволяют получить и сохранить калиброванные значения температуры для матрицы из тысяч точек, которые и составляют тепловое изображение. Среди современных тепловизоров можно выделить портативные высокочувствительные модели Flir, FLUKE, Testo, Sat.

Благодаря применению больших дисплеев (до пяти дюймов по диагонали) и высокочувствительных к ИК-спектру полупроводниковых матриц, новые портативные тепловизоры позволяют получить очень высококачественные изображения и позволяют выявить весьма малые различия по температуре. По уровню качества изображения не уступают тем, которые обычно получают с помощью более дорогостоящих и более габаритных приборов. Один из секретов новой технологии тепловидения - высококачественный германиевый объектив. Большая память в несколько Гб позволяет записать до 1000 термограмм и выполнить подробный анализ полученных изображений путем настройки ключевых параметров, например, коэффициента излучения или температурного диапазона, как в полевых условиях прямо на камере, так и в офисе с помощью компьютерной программы.

Спектр применений тепловизоров

Тепловизоры совсем скоро будут необходимы для контроля энергопотребления в жилых зданиях и офисах, повышения теплового КПД путем выявления и устранения дефектов изоляции. В энергетике и на промышленных предприятиях с помощью тепловизоров можно легко выявлять чрезмерно греющиеся контакты и кабели, перегретые участки оборудования. Инфракрасное оборудование отлично подходит и для обследования жилых помещений.

Во-первых, наиболее востребована  функция быстрого поиска любых повреждений в энергооборудовании. Независимо от расположения, будь то на улице или в помещении, на промышленном предприятии или в жилом доме, тепловизор позволяет мгновенно увидеть на четком тепловом изображении горячие места задолго до отказа соответствующих систем. Определите зону неисправности и произведите необходимый ремонт до того, как возникнут серьезные проблемы. И тогда не придется устранять последствия аварии! Чаще всего неисправности обнаруживаются в таких деталях электрических систем, как плавкие предохранители, рубильники, автоматы, УЗО, пускатели, электрические панели, болтовые соединения, клеммники и другая коммутационная аппаратура. Обычно перегретый участок в энергооборудовании свидетельствует о себе запахом гари и дымом. Но это уже финальная стадия развития неисправности. А ведь обнаружить утечку тепла и предотвратить аварию или даже катастрофу, связанную с перегревом, можно на самых ранних этапах его появления. Для этого достаточно взглянуть на объект потенциальной опасности через окуляр тепловизора.

И для электроэнергетики, и для теплоэнергетики, и для ЖКХ  важно заблаговременное обнаружение скрытых дефектов и быстрый поиск любых повреждений оборудования. Главное достоинство современных тепловизоров - возможность быстро обнаружить дефекты и увидеть их тепловое изображение на большом цветном ЖК-дисплее. А затем проанализировать обнаруженные дефекты и с помощью одной удобной клавиши сохранить наиболее удачные снимки. В первую очередь, внимания к себе требуют электрические сильноточные контакты (главным образом резьбовые и запрессованные). К массовым объектам теплового контроля относятся также изоляторы (в особенности фарфоровые) в гирляндах высоковольтных линий передачи и изоляторы на вводах силовых трансформаторов, электродвигателей, шинных мостов. Тепловой контроль необходим также для диагностики состояния высоковольтных трансформаторов (по перегреву вводов определяют качество внутренней токовой петли в фарфоровой рубашке, заполненной маслом), коллекторных щеток электрических машин, рубильников, стоек и других нагруженных током узлов. Кто знает, если бы на ОбьГЭС использовалась тепловизионнная диагностика, может, удалось бы избежать пожара на энергооборудовании в сентябре 2007 года? Ведь предварительная причина инцидента — износ трансформаторного оборудования, находящегося в эксплуатации с 1957 года.

Наконец, никто еще из производственников не считал излишней такую опцию как мгновенное бесконтактное измерение температуры на любой точке оборудования. С тепловизором специалист может обнаружить самые разнообразные неисправности и мгновенно определить проблемную зону на четком и ярком инфракрасном изображении. Это могут быть и трубопроводы, и греющиеся микросхемы и резисторы, и технологические резервуары. В тепловизоре видны неработающие ветви, обрывы и замыкания в нагревательном элементе. Так как практически любой неисправный узел или агрегат энергооборудования имеет тепловую аномалию, тепловизор ускоряет поиск таких узлов и обеспечивает дополнительную качественную оценку произведенному ремонту.

Резюме из приведенного обзора вполне очевидно. Да, пока промышленные тепловизоры остаются весьма дорогими приборами. Большинство предприятий сегодня сможет прожить и без них. Но не слишком ли дорого обойдется впоследствии отсутствие тепловизионного контроля на критических участках производства?