Termowizja a bezpieczeństwo pożarowe

Funkcją instalacji elektrycznych jest przewodzenie prądu i dostarczanie go do odbiorników końcowych, gdzie energia elektryczna przekształcana jest na inne formy energii (cieplną, mechaniczną). W ciągu instalacji elektrycznych wbudowane są urządzenia niezbędne do prawidłowego i bezpiecznego jej funkcjonowania, a więc transformatory, styczniki, rozłączniki, bezpieczniki, zaciski, itd. Połączenie instalacji z wymienionymi urządzeniami odbywa się na drodze łączenia mechanicznego w postaci połączenia za pomocą śrub lub połączenia zaciskowego.

Z podstaw elektrotechniki wiadomo, że połączenie mechaniczne przewodników prądu tworzy na granicy połączeń warstwę oporową. Warstwa ta pod wpływem utleniania się z czasem i pod wpływem naprężeń mechanicznych wywoływanych zmianami temperatury zwiększa swoją rezystancję, co powoduje dalszy wzrost temperatury w tym miejscu, większe naprężenia i następnie poluźnienie kontaktu. Proces ten trwa do momentu upalenia się styku, a w najgorszym przypadku do zainicjowania pożaru.

Na podstawie danych Komendy Głównej Państwowej Straży Pożarnej na rysunku 1. przedstawione zostały dane statystyczne z lat 2000–2010 pożarów spowodowanych wadami instalacji elektrycznych lub wadami urządzeń grzejnych, nieprawidłową eksploatacją instalacji lub urządzeń grzejnych oraz elektrycznością statyczną. W obszarach czarnych wykresu zaznaczone zostały liczby pożarów spowodowanych wadami instalacji i urządzeń elektrycznych z wyłączeniem innych wymienionych przyczyn pożarów wynikających z używania energii elektrycznej. Udział tych przyczyn w ogólnej liczbie pożarów od urządzeń elektrycznych bezsprzecznie jest największy i przekracza 80%.

Na rysunku 2. zestawiony został udział liczby pożarów spowodowanych wadami instalacji i urządzeń elektrycznych (bez urządzeń grzewczych) oraz ich procentowy udział w ogólnej liczbie pożarów. Średnio w badanych latach wynosił on około 3,74%. Ta liczba wydaje się na pierwszy rzut oka niewielka. Jeśli posłużymy się danymi bezwzględnymi i policzymy średnią liczbę pożarów w ciągu miesiąca spowodowanych wadami instalacji i urządzeń elektrycznych, otrzymamy rozkład jak na rysunku 3. Średnia miesięczna z tych lat wynosi 488 pożarów i niewiele odbiega od liczby pożarów w poszczególnych latach.

Pożary, których zarzewiem jest wadliwa instalacja elektryczna lub wadliwe urządzenia elektryczne, zdarzają się pomimo obowiązkowych pomiarów w okresie eksploatacji, które obejmują pomiary rezystancji izolacji, uziemienia, skuteczności urządzeń zabezpieczających. Okresowe kontrole obejmują również sprawdzenie doboru przewodów do obciążalności prądowej, nastaw urządzeń zabezpieczających, poprawności połączeń. Zalecany jest również, w przypadku wątpliwości dotyczących połączeń przewodów instalacji, pomiar rezystancji połączenia – która nie powinna być większa niż rezystancja przewodu o długości 1 m i o przekroju równym najmniejszemu przekrojowi łączonych przewodów. Część tych zabiegów konserwacyjnych wykonywana jest na pracujących (pod napięciem) instalacjach, inne wymagają odłączenia zasilania.

W trakcie wyłączenia zasilania zalecane jest między innymi skontrolowanie i dokręcenie wszelkich połączeń przewodów. W przypadku rozdzielnic nn czy SN trudno sobie wyobrazić, że wszystkie połączenia przewodów i elementów instalacji są w ten sposób konserwowane. Kontrolowane są zazwyczaj główne przewody/szyny zasilające, niezależnie od tego, czy tego wymagają, czy nie, gdyż nie sposób jest zdiagnozować, który zacisk wymaga dokręcenia, chyba że jest widoczne przegrzanie lub nadpalenie (zacisku, izolacji). Dokręcenie poluzowanego zacisku nie zawsze będzie korzystnym rozwiązaniem, bo faktycznie nie jest znany stopień utlenienia styków i jego wpływ na wartość nagrzewania się takiego styku.

Dokręcenie w rzeczywistości spowoduje tylko większy docisk warstw tlenków stykających się metali, co praktycznie nie rozwiązuje problemu, lecz tylko odsuwa go w czasie – oby do następnego przeglądu. Działanie takie jest faktycznie wypełnianiem obowiązku administracyjnego, jednakże skuteczność jego jest zupełnie przypadkowa. Taki sposób postępowania miał uzasadnienie kilkadziesiąt lat temu, kiedy systemy nie były tak skomplikowane jak obecnie, przewidywalny był charakter odbiorników, budowane urządzenia rozdzielcze nie były tak kompaktowe (lepsze chłodzenie), księgowi nie mieli udziału w projektowaniu, technologia pomiarowa nie dawała takich możliwości jak obecnie.

Technologia termowizyjna stwarza możliwości diagnozowania zagrożeń w instalacjach i urządzeniach elektrycznych w rzeczywistych warunkach eksploatacji bez konieczności wyłączania zasilania, co w wielu obiektach jest czasochłonną i kosztowną operacją. Obserwowany rozkład temperatur instalacji, zacisków, urządzeń, daje jednoznaczną informację w konfrontacji z dopuszczalnymi temperaturami pracy elementów o konieczności interwencji. Poniżej przedstawione zostaną przykłady rzeczywistych przypadków z koniecznym komentarzem.

Przed przystąpieniem do opisu przypadków warto przytoczyć kilka zdań na temat teorii pomiarów rozkładów temperatury w metodzie termowizyjnej. W codziennym życiu nie zastanawiamy się, iż żyjemy w przestrzeni wypełnionej promieniowaniem elektromagnetycznym, którego pewny zakres możemy obserwować na własne oczy, zaś inny rejestrujemy receptorami wrażliwymi na temperaturę. Zakres promieniowania rejestrowany wzrokiem nazywamy powszechnie światłem, odczuwany receptorami nazywamy ciepłem/zimnem. Światło, kojarzone ze słońcem lub innymi źródłami (np. żarówka), jest falą elektromagnetyczną powstającą na poziomie powłok elektronowych wzbudzonych atomów pierwiastków. W przypadku słońca wzbudzeniem jest reakcja syntezy jądrowej zachodząca na Słońcu, w przypadku żarówki – prąd elektryczny. W obu przypadkach za pomocą siatkówki oka „widzimy” tę energię.

Pamiętamy z doświadczeń szkolnych rozszczepienie światła za pomocą szklanego pryzmatu, gdzie otrzymywany był obraz tęczy. Charakteryzuje się on tym, że na jego krańcach obserwowane są dwa kolory: niebieski i czerwony. Pośrodku cała gama kolorów: zielony, żółty, pomarańczowy. Fizycy zmierzyli i przypisali każdej barwie jakąś energię, co z kolei jednoznacznie wyznacza temperaturę. Oczywiście każda barwa to jest nadal promieniowanie elektromagnetyczne, tylko usystematyzowane pod względem jego charakterystycznej cechy, jaką jest długość fali promieniowania. Związek między energią fali a jej długością jest następujący: E=c · h/l, gdzie: c – prędkość światła, h – stała Planca, l – długość fali.

Największą energię (w rozszczepionym widmie) posiada promieniowanie o barwie niebieskiej, co oznacza, że jest ona emitowana przez ciało o temperaturze wyższej niż ciało, które emituje światło o barwie czerwonej. Światło słoneczne postrzegamy jako białe ze względu na występowanie mieszaniny różnych fal elektromagnetycznych o różnych energiach. Jeżeli będziemy trzymali odpowiednio długo metalowy pręt w palenisku, to może rozgrzać się do takiej temperatury, że po wyjęciu będzie emitował białe światło. W miarę upływu czasu jego temperatura będzie spadała (wyjęcie z ogniska = nie jest dostarczana energia) i kolejno będzie zmieniała się jego barwa na żółtą, pomarańczową, czerwoną, ciemnoczerwoną.

Dostrzeżemy jeszcze jego barwę na granicy ciemnej czerwieni, a następnie ogrzana część przyjmie kolor pozostałej części. Pręt przestanie emitować światło. Barwa, jaką zaobserwowaliśmy w postaci ciemnej czerwieni, oznacza, że pręt miał temperaturę około 525°C (fot. 1.). Jest to graniczna wartość energii odbierana przez ludzkie oko. Zbliżając dłoń do stygnącego pręta czujemy jego ciepło, ale nie możemy już zobaczyć energii emitowanej przez „schłodzony” pręt. Nadal będziemy mogli odczuwać fizykalnie temperaturę stygnącego pręta prawie do momentu, aż osiągnie ono temperaturę naszego ciała.

Oczywiście nawet w temperaturze otoczenia, załóżmy +20°C, zachodzi emisja promieniowania, ale jest ono tak słabe, że nie potrafimy go „zobaczyć”. To promieniowanie, które czujemy, ale go już nie widzimy, nazywane jest właśnie promieniowaniem podczerwonym. Emisja promieniowania elektromagnetycznego ustaje dopiero w temperaturze zera bezwzględnego tj. w temperaturze (minus) 273,15°C, której człowiek właściwie jeszcze nie potrafi osiągnąć.

Aby mierzyć temperaturę ciał w zakresie niewidocznym dla oka ludzkiego, skonstruowane zostały matryce, których zasada działania jest podobna do zasady działania siatkówki oka ludzkiego, z tą różnicą, że elementy tej matrycy potrafią rozróżniać energię w całkowicie innym zakresie, niż potrafi to ludzkie oko. Zasada działania matryc w przybliżeniu podobna jest do matryc współczesnych fotograficznych aparatów cyfrowych.

Wykorzystując kamerę termowizyjną wyposażoną w taką matrycę można zbadać rozkład temperatury w elementach instalacji elektrycznej. Wzrost temperatury lokalnie może być powodowany przez niewłaściwy kontakt elementów instalacji lub na skutek zwiększonego obciążenia. Na fotografiach przedstawiono kilka przykładów wadliwie pracujących instalacji elektrycznych, które mogły być źródłem pożarów, a te – źródłem strat materialnych (a być może także strat w ludziach), znacznie przewyższających koszty zlecenia badania termowizyjnego.

Należy zaznaczyć, iż kolory, w jakich prezentowane są zdjęcia termowizyjne, nie mają związku z kolorami w widmie rozszczepionego światła białego. Są one dobierane wyłącznie pod kątem jak najlepszego zaprezentowania wyników pomiarów, a przypisywane im temperatury należy interpretować zgodnie z legendą, która powinna być zamieszczona przy każdym zdjęciu termowizyjnym.

Przykład 1.

Złącze kablowe przewodów o przekroju 120 mm² Al i 95 mm² Cu. Obciążenie faz równomierne na poziomie około 95 A, obciążenie ciągłe dopuszczalne 242 A. Złącze na fazie L2 wykazuje temperaturę wyższą o około 20,0°C w stosunku do pozostałych faz (fot. 2.). Wzrost obciążenia do wartości dopuszczalnej prawdopodobnie spowoduje przekroczenie dopuszczalnej temperatury pracy izolacji. Złącze to było powodem dwukrotnej awarii z powodu przegrzania izolacji i pojawienia się zadymienia. Po usunięciu kolejnej awarii została zlecona kontrola termowizyjna. Konsekwencją badania było odłączenie obciążenia i demontaż złącza. Podejrzewaną przyczyną przegrzewania się złącza były zaciski złącza, które po zdemontowaniu nie wykazywały jednak śladów utlenienia.

Przyczyna została zidentyfikowana po rozebraniu złącza (fot. 3.). Powodem przegrzewania złącza był otwór w zworze łączącej zaciski, który zmniejszał o około połowę jej przekrój czynny. Zwora stanowiła element oporowy dla wysokich wartości prądów. Po wymianie zacisków awaria nie powtórzyła się.

Przykład 2.

Złącze kablowe w szafie rozdzielczej. Zmierzone wartości prądów w poszczególnych fazach wynosiły: L1 – 39 A, L2 – 40 A, L3 – 38 A, przewód N – 48 A. Informacje, jakie można uzyskać z tego zdjęcia, są następujące: jedne końcówki przewodów fazowych nie wykazują podwyższonej temperatury w miejscu mocowania (dolne), drugie zaś ich końce wykazują podwyższoną temperaturę (górne). Jeszcze wyższą temperaturę wykazuje przewód N w miejscu mocowania w zacisku (około +45°C). Jednocześnie temperatura przewodu N jest najwyższa w stosunku do przewodów pozostałych faz (poza miejscem mocowania w zacisku), co jest wynikiem nagrzewania się w miejscach mocowania oraz największą wartością obciążenia, to może być wynikiem nieskompensowanej mocy biernej odbiorników. Przewód N widoczny poniżej zacisku wykazuje równomierną temperaturę na całej widocznej części, wyższą od temperatur przewodów fazowych (fot. 4.).

Przykład 3.

Bezpieczniki, kolorem zielonym zaznaczony został obszar o temperaturze z zakresu +55,0°C ¸ +71,4°C. Należy mieć na uwadze, że wartości temperatur zmierzone zostały po około 20 minutach od otwarcia metalowych drzwi rozdzielnicy znajdującej się we wnęce niewiele większej od wymiarów rozdzielnicy. Wnęka, do której wmontowano rozdzielnice, zamknięta była drewnianymi drzwiami. Wnęka była wentylowana grawitacyjnie wyłącznie przez przepusty na kable prowadzone do niższej i wyższej kondygnacji. Oczywiście przepusty wypełnione były kablami, a wentylacja odbywała się pomiędzy kablami. Temperatura na zewnątrz rozdzielnicy (we wnęce) wynosiła około +30°C, zaś rzeczywista temperatura obudowy bezpieczników w trakcie ich pracy była wyższa ze względu na upośledzone chłodzenie (fot. 5.).

Pozostało zatem podjąć decyzję, czy w takim przypadku jest to wynik niewłaściwej pracy rozdzielnicy, czy też zbytniego obciążenia obwodów. W tym przypadku występuje problem wynikający z braku informacji w katalogach elementów, takich jak np. bezpieczniki, styczniki, o dopuszczalnej ciągłej temperaturze na obudowie elementu, która jest wynikiem obciążenia tego elementu. W danych katalogowych podawana jest maksymalna temperatura otoczenia, w jakiej element może pracować, a to jest zupełnie inna kwestia. W przypadku przewodów podawana jest maksymalna dopuszczalna temperatura ciągłej pracy izolacji i ma ona odniesienie do temperatury otoczenia.

Przykład 4.

Złącze szynowe, obciążenie faz równomierne, o wartości około 200 A. Temperatura skrajnego lewego złącza osiąga wartość około +110°C, wymagana jest zatem natychmiastowa interwencja (fot. 6.).

Przykład 5.

Zaciski wyjściowe transformatora WN. Obciążenie faz na poziomie około 60% obciążenia maksymalnego. Temperatury na zaciskach przekraczają 100°C, najbardziej przegrzewany jest zacisk na fazie L3. Znacznie wyższą temperaturę posiada podstawa izolatora fazy L2 w porównaniu z podstawami pozostałych dwóch faz. Wymagana jest natychmiastowa interwencja (fot. 7.).

Rzeczą wspólną opisanych powyżej przypadków jest oczywiście ciepło, które wydzielane jest w miejscach, gdzie dochodzi do niewłaściwego kontaktu. Pomijając chwilowo sprawy bezpieczeństwa, ciepło wydzielane w tych miejscach jest bezużytecznie tracone. Oczywiście można to bez trudu policzyć. Średnia temperatura szyn odbiorczych na długości około 5 m dla każdej fazy (ostatni przypadek) miała temperaturę około 40°C, przy temperaturze otoczenia około 25°C – latem. W okresie zimowym, w pomieszczeniu transformatora występują temperatury niewiele wyższe niż na zewnątrz, a więc rośnie różnica temperatur, która jest siłą napędową strat energii elektrycznej, zamienianej na ciepło.

Załączone zdjęcia termowizyjne wydają się stosunkowo prostymi kolorowymi obrazami, na których każdy może rozpoznać obszary o wysokich i niskich temperaturach. Jednak nic bardziej mylnego. Każdy z nas musiał przynajmniej raz życiu wykonać badanie RTG. Aby takie zdjęcie było użyteczne z medycznego punktu widzenia, technik musi wiedzieć, jak ustawić pacjenta, czy potrzebny jest kontrast lub filtr, jaka jest niezbędna, ale bezpieczna dawka promieniowania. Po otrzymaniu zdjęcia RTG zapewne każdy z zaciekawieniem przyglądał się i próbował odgadnąć, co oznaczają widoczne na zdjęciu odcienie od jasnoszarego czasem aż do czarnego koloru, czy to obraz zdrowej czy chorej tkanki. I dalej nic nie było wiadome, dopiero po przeczytaniu opisu zdjęcia sporządzonego przez lekarza okazywało się, czy jesteśmy zdrowi, czy też potrzebujemy pomocy medycznej.

Również w przypadku wykonywania zdjęć termowizyjnych niezbędna jest wiedza zarówno o warunkach otoczenia badanego obszaru (pora dnia, wpływ słońca, stan zachmurzenia, wilgotność powietrza – w przypadku przestrzeni otwartych), o wpływie otoczenia na badany obszar, właściwościach fizycznych badanych materiałów (emisyjność, stopień utlenienia), a także materiałów otaczających, zachowywania się badanych przedmiotów (np. drgania), pozycji operatora (odległość, kąt ustawienia kamery). Prawidłowa interpretacja wyników polega na klasyfikacji zagrożenia i ustaleniu priorytetów interwencji biorąc pod uwagę wyżej wymienione czynniki. Nacisnąć spust migawki w kamerze termowizyjnej może każdy, kto ją posiada, ale nie każdy potrafi prawidłowo zanalizować obraz, który otrzymał.

Jeśli chcemy więc otrzymać rzetelny raport z wnioskami, które zrealizują cel zamówienia, należy pamiętać, iż to nie cena powinna decydować o wyborze wykonawcy, a wyłącznie kwalifikacje i doświadczenia autora. Nie chodzi bowiem o to, aby otrzymać zdjęcia termowizyjne, ale aby zdefiniować problem i znaleźć jego rozwiązanie.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!