Измерение температуры электрического оборудования

Нагрев электрооборудования является одним из основных показателей режима его работы и технического состояния. По нагреву можно судить о нагрузке электрооборудования, обнаружить возникновение неисправности, например в контактах или системе охлаждения.

Температура оборудования - это первое, на что обращает внимание дежурный персонал в процессе обслуживания. К измерению температуры оборудования в энергетике предъявляются два основных требования: точность и надежность.

В большинстве своем точность измерения температуры оборудования находится в пределах ±1 - 1,5 °С, кроме измерения температуры водоохлаждаемых обмоток, где точность лежит в пределах ±0,5°С. При различных испытаниях и исследованиях температура измеряется с точностью до ±0,1°С.

Требования к надежности измерения температуры оборудования достаточно жесткие, т.к. от термоконтроля зачастую зависит надежность работы, например подшипников и подпятников, изоляции обмоток и т.п. Система термоконтроля должна быть долговечна, допускать простую калибровку в любое время, (проверку «нуля» и фиксированной точки температуры) и не подвергаться влиянию внешних факторов - вибрации, сильных электрических -и магнитных полей.

Разработано несколько методов термоконтроля, основными из которых являются: метод терморезистора (прямой и косвенный), метод термопары, инфракрасный метод, методы, использующие изменение физического или химического состояния вещества при изменении его температуры. Каждый из перечисленных способов имеет свои преимущества и недостатки.

Метод терморезистора использует зависимость сопротивления проводника от его температуры . В большинстве случаев сопротивление увеличивается с ростом температуры. Эта зависимость линейна у меди в пределах от -50°С до +200°С , у железа и вольфрама она в основном нелинейна. Сопротивление полупроводников, а также материалов типа угля, вилита и электролитов уменьшается при увеличении температуры, их температурные характеристики нелинейны.

Сопротивление проводника с линейной характеристикой:

,

где  (Ом) - сопротивление проводника при температуре ;
(Ом) - то же при 0°С;
(°С) - температура проводника;
( - ) - температурный коэффициент сопротивления (ТКС) проводника.

Сопротивление проводника при температуре  можно вычислить, зная его сопротивление  при температуре :

,

Учитывая, что ТКС меди  , а следовательно,  , (9) можно переписать в удобном и широко применяемом на практике виде:

.

Вычислим температуру медного проводника по его сопротивлению  :

.

По формулам - пересчитываются все сопротивления обмоток электрических машин на базовую температуру 15°С, величина которых указывается в паспортах и формулярах машин.

На принципе температурной зависимости сопротивления выполнено много различных устройств и схем для измерения температуры, использующих сопротивление проводников самого аппарата, например, обмоток машин, так и специальные торморезисторы; этот принцип измерения чрезвычайно универсален. Рассмотрим некоторые примеры. Измерения по методу терморезистора (ТР) удобнее всего производить с использованием мостовой схемы по рис.2, два плеча и которой неизменны, третье плечо  используется для установки «нуля», а четвертое состоит из ТР. При включении , мост балансируется посредством на «нуль», при включении  измерительный прибор ИП посредством  устанавливается на отметку «100 делений», соответствующую 100°С. Для измерения температуры включается , представляющий собой терморезистор ТР.

В отечественной практике принято изготавливать ТР на сопротивление 53,00 Ом при 0°С. ИП желательно использовать на 0,1-0,3 мА при 150 делениях шкалы Тогда отсчет температуры в °С можно вести непосредственно по шкале прибора. Сопротивление калибровочного резистора =75,55 Ом. Описанная схема позволяет измерять температуру с погрешностью, определяемой в основном классом ИП. При использовании ИП кл. 0,2 точность измерения температуры не хуже ±0,5°С.

На рис.3 представлена логометрическая схема измерения температуры с использованием стандартного ТР. Логометр ЛОГ сравнивает два тока, протекающих по обмоткам I и II. В обмотке I протекает ток, величина которого зависит от сопротивления ТР, а следовательно, от измеряемой температуры, а ток в обмотке II регулируется потенциометром . Логометрическая схема проще, но менее точна, т.к. ЛОГ имеют невысокий класс точности, обеспечивающий измерение температуры с точностью не лучше ±2°С. Эта схема широко применяется для штатного термоконтроля за обмотками, подшипниками и подпятниками генераторов, за температурой охлаждающей воды, воздуха и масла в трансформаторах.

Применение метода терморезистора. Простота и универсальность метода терморезистора обеспечили ему широкое применение в практике эксплуатации, наладки и испытаний электрооборудования.

Для измерения температуры обмотки и железа статора электрической машины используют ТР из тонкой медной проволоки диаметром 0,1 мм, намотанной на тонкую пластинку из изоляционного материала, защищенный внешней изоляцией. ТР, измеряющий температуру обмотки (меди), закладывается в пазу статора (рис.4) между секциями обмотки ТРМ. ТР, измеряющий температуру железа статора, закладывается на дно паза (ТРЖ.). Необходимо отметить, что ТРМ (рис. 4) практически измеряет температуру на поверхности изоляции обмотки, а не температуру собственно меди обмотки, которая на 1-2°С выше за счет температурного перепада на изоляции. Но эта погрешность неизбежна, т.к. невозможно укрепить ТРМ непосредственно на обмотке, находящейся под высоким напряжением. Эта погрешность учитывается во всех нормах и ГОСТах.

Для измерения температуры окружающей среды - воздуха, воды или масла ТР заключат в тонкостенную металлическую трубку 1 (рис.5,а). Теморезистор 2 выполнен из тонкой медной проволоки. Если нужно измерить температуру среды внутри трубы относительно малого диаметра, не позволяющего вставить в нее ТР по рис.5,а,

ТР в виде медной проволоки (рис.5,б) можно намотать на изоляционную подложку 2, обмотанную в свою очередь вокруг трубы 1 Для повышения точности измерения ТР закрывается снаружи слоем тепло- и электроизоляции.

Малоинерционный ТР для измерения температуры неэлектропроводного и неагрессивного газа выполняется в открытом виде (рис. 6,а). На изоляционном каркасе 1 намотана медная проволока 2 диаметром 0,06-0,08 мм. Инерционалъность ТР около 2с.
Для измерения температуры угольной щетки 1 (рис.6.б) в ней делается выточка, в которой поверх изоляционной прокладки 2 наматывается ТР 3 из медной проволоки.
Температура обмотки возбуждения ротора ОВГ (рис.7) измеряется или методом А - В, или посредством логометра ЛОГ. Одна обмотка ЛОГ питается током, пропорциональным току ротора, снимаемого с шунта Ш1, а вторая - напряжением ротора. Следует отметить, что в любом случае напряжение ротора должно измеряться посредством отдельных потенциальных щеток на кольцах ротора во избежание погрешности, которая может возникнуть за счет падения напряжения на щетках от протекающего по ним рабочего тока.

Периодическое измерение температуры шин и в особенности шинных и аппаратных соединений можно производить измерительной штангой с ТР, Схема и внешний вид измерительной головки штанги приведены на рис.8.

Метод термопары. Метод является достаточно точным и универсальным, основанным на известном явлении возникновения термо-ЭДС при нагревании спая двух разнородных металлов, Термо-ЭДС спая медь-константан равна приблизительно 0,04 В/°С. Точное значение термо-ЭДС зависит от материала спая и его технологии. Практически все термопары перед использованием калибруются. Схема измерения температуры показана на рис.9.

«Горячий спай» ГС находится на объекте измерения - электрическом аппарате ЭА, температура «холодного спая» ХС должна быть точно известна. Милливольтметр измеряет разность ЭДС ГС и ХС.

Метод термопары обладает одним недостатком - малой ЭДС при высоких температурах. Поэтому его редко применяют для штатного измерения температуры электрических аппаратов, чаще - для точных измерений при специальных испытаниях и исследованиях. Более широко он применяется для измерений в теплотехнической части электростанции, где температуры достигают сотен градусов и термо-ЭДС достаточно велика.

Бесконтактное измерение температуры применяется в основном в тех случаях, когда перечисленные классические способы неприменимы. Например, при измерении сопротивления обмотки ротора генератора с выпрямительной системой возбуждения на ходу возникают заметные трудности связанные c наличием на обмотке возбуждения большой переменной составляющей напряжения. Схема бесконтактного измерения температуры обмотки полюсов ротора гидрогенератора приведена на рис.10.

На валу В генератора вращается ротор Р с ободом ротора ОР и обмоткой возбуждения полюсов ОВГ, Под полюсами ротора неподвижно установлен термодатчик ТД, воспринимающий инфракрасное излучение нагретой ОВГ, пропорциональное температуре ОВГ. Усиленный в усилителе УС сигнал от ТД поступает на измерительный проградуированный прибор. Система относительно проста и надежна.

Измерение температуры методом измерения физического состояния измерителя используется для разовых измерений или измерений в дежурном режиме для сигнализации о превышении допустимой температуры.
Легкоплавкие припои с четким переходом из твердой в жидкую фазу при определенной температуре используются для пайки сигналъных флажков-семафоров (рис.11). При достижении заданной, опасной для оборудования, температуры припой расплавляется и флажок падает. При очередном обходе оборудования дежурный персонал зафиксирует недопустимый нагрев элемента оборудования.

Из легкоплавких материалов изготавливают «свечи», по оплавлению которых также можно определить температуру оборудования в труднодоступных местах.

Термокраски также используются для контроля за температурой в недоступных местах. Термокраска - термореактивное вещество, резко изменяющее свой цвет при достижении заданной температуры. Термокраска наносится на изучаемый элемент оборудования, например на ротор машины. После проведения эксперимента машину останавливают и наблюдают цвет термокраски: если он изменился, машина нагревалась выше пороговой температуры термокраски. Обычно на объект измерения наносят несколько красок с различными пороговыми температурами. Если были нанесены термокраски с температурами срабатывания 70, 90 и 100°С и после опыта термокраски на 70 и 90°С изменили свой цвет, а 100-градусная не изменила, то это значит, что объект нагревался в среднем до 95°С (более 90° и менее 100°С).