預知/診斷電氣問題二重奏-​超音波檢測搭配紅外線熱像檢測技術!

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原文作者:Joseph D. Gierlach, Jr. - TEGG Service技術訓練支援副總裁 – 一家ABM公司。

前言 - 超音波檢測搭配紅外線熱像檢測技術,是預知/診斷電氣問題的完美二重奏

俗話說「眼見為真」,“聽”見也是! 就電氣系統而言,採用兩種預知/診斷技術進行檢測,會比只用一種技術穩當可靠!

當我們提及複雜的電氣系統時,所有元件,都有其價值。但有一些,例如變壓器、斷路器、絶緣礙子、開關設備..等,可能導致整個系統癱瘓 – 造成嚴重的後果。這些“高價值”資產,需要最嚴格的檢查。

電氣系統可能存在著很多及確實會出狀況的問題,假如沒有進行診斷,便不可能將它們“修復”。有趣的是,通常是接連採用紅外線與超音波技術進行檢測,以辨認潛在的問題。由於紅外線技術無法“看穿”密閉的配電盤 - 除非配備紅外線觀測視窗,因此,超音波技術可以在安全性與便利性方面扮演重要的角色。事實上,這正是超音波技術證明其作為預知診斷工具的價值之處。

先聽,再找

紅外線技術在管理設備資產上的運用,一般,已廣為人知。然而,有些設備維護專家,可能並不熟悉超音波技術在診斷複雜系統故障中的角色。此兩種技術可以理想的相輔相成,因為前者能“看見”,而後者能“聽見”人類所不能感知到的範圍。

要成功運用超音波技術的關鍵之一,就是識別電氣發出的聲音特徵的能力,例如電弧、漏電起痕及電暈。這在通過經驗及練習後,將變得更加容易。(UE原廠提供一個有用的免費線上錄音檔資料庫http://www.uesystems.com/new/resources/the-sound-recording-library,方便透過網路,取得關於聲音特徵的大量資訊)。

超音波檢測技術在協助避免可能致命的事件上特別有用,例如電弧閃絡。藉著先使用超音波檢測儀器"聆聽",使用者可以偵測出異常情況 – 也就是電弧放電的”爆裂”聲,或電暈穩定、連續的”煎蛋”聲 - 清楚的告訴人們“切勿打開此裝置(除非,您已準備好要曝露在炙熱如太陽及幾乎不可避免的致命爆炸的溫度中)”。

像這些的預警信號,帶我們進入下一個實例 – 超音波檢測技術如何在Ohio醫院的重症照護病房中,協助診斷出可能嚴重的故障。

實例探討:醫院的變壓器問題…

2台變壓器,2004年製造,在2011年10月接受過檢查。這2台變壓器,實際上完全一樣,是用於提供醫院一個重症照護病房的電力。

變壓器對一個電氣系統的整體性能而言,極為關鍵,而且,假如維護得當,應該至少能維持大約30年。定期維護是最重要的,因為變壓器容易“短缺”  – 要拿到1台變壓器的交貨時間,大約是10個月。 

醫院已聘請當地的TEGG維修業者,每年檢查變壓器一次。在前一年,並沒有發現任何維護上的問題。不幸的是,這與設備在2011年10月的通電維護檢查情況不同。 

檢查結果發現…

針對其中一台變壓器進行超音波檢查,發現B相線圈有一個可疑的音波特徵,為了進行比較,也對另一台正在類似運轉條件下的變壓器,進行超音波記錄。

在與“良好”的變壓器相比較時,“疑似不良”的變壓器的B相線圈,有明顯不同且實質上更大聲的音波特徵,這是變壓器內部可能有問題的第一個指示,不過,超音波本身無法明確告知問題為何,尤其是,若單純只依靠分貝位準的話。 
 
圖一:比較醫院2台變壓器的“B”相線圈時,在FFT畫面上,清楚顯示著“質性差異”。
圖二:疑似不良的變壓器線圈的時域分析。
圖三:供比較的“良好”的變壓器線圈的時域分析。

以超音波截錄進行的快速傅利葉轉換(FFT)分析,顯示出在這2台變壓器B相線圈波形圖譜之間的質性差異,如圖一所示。此外,在這2個線圈之間的時域分析,也顯示其音波特徵在峰值與谷值之間的明顯差異。

“良好”的B相線圈顯示出一條扁平線,沒有峰值與谷值,而“不良”的線圈,則顯示出劇烈的高低起伏,這是以圖譜證實了診斷者使用UE Ultraprobe超音波檢測器聽到的問題(圖二與圖三)。此種情形強調了確認超音波截錄時間夠長,以偵測出此種異常問題的重要性(一般而言,30秒已經足夠) - 較短時間的截錄中,可能不容易偵測到。

快速傅利葉轉換(FFT)分析顯示出故障頻率不是60Hz諧波 – 這表示問題不是出於電氣,但在整個頻譜中有顯著的頻率成份(這又確實指出是電氣問題)。

依據此資訊,有一件事是肯定的:在疑似不良的變壓器系統中的B相線圈,清楚顯露一個問題,但是,問題是什麼?下個步驟,就是採用紅外線熱像檢測法。

再挖深一點…搭配紅外線熱像檢測法

圖四:紅外線熱影像的比較,是"有問題正在發生"的另一項指示。請注意,在疑似不良的變壓器線圈上的熱飽和,已超過紅外線熱像儀的150℃動態範圍。

以紅外線熱像檢測技術比較“良好”與“不良”的線圈,顯示“不良”線圈有更高的熱飽和(圖四),且基於它超出熱像儀的動態範圍,可據以確定“不良”線圈的溫度高於150℃。此證據足以促使建議將設備關機及執行徹底的目視檢查,以決定B相線圈較高的超音波發射及熱輸出的原因。

其後進行的一般必要的電氣測試:絶緣電阻、線圈電阻、匝比測試及功率因數散逸 – 顯示出並無異常現象,所有數值都落在產業標準限值內,這對客戶是個好消息,不是嗎?除非您忽略了超音波與紅外線檢測分析揭露的結果。

我們已經“聽到”聲音,也“看到”熱特徵,那麼,是時候採取有點兒老套、但在此情形下卻更可靠的方式了:我們的眼睛

見樹又見林

B相線圈的目視檢查結果發現,與前述的一般電氣測試結果相反,全都不理想。

A相線圈,所有的部件都平整,如所期望的:在接頭與斜接面中,沒有變形,而且,所有切面都均勻平坦。但整個B相線圈,就完全不是這麼一回事了。目視檢查發現鋼件不平整,表示頂部水平面變形,拱起彎曲在B相線圈 – 低壓側上(圖五),此瑕疵正好出現在超音波發射最大的位置,並且,在鐵芯疊片上有過熱的目視證據,支持了紅外線熱像儀所“看見”的。

圖五:這些鋼件明顯不平整,表示頂部水平面在B相線圈繞組低壓側上拱起變形。

這印證了單單只有電氣測試的不可靠,也證明了超音波與紅外線檢測技術在偵測潛在嚴重問題的價值。假如單只相信電氣測試,此種問題可能完全被忽略掉。

進一步的檢查發現鐵芯中有更多疊片朝高壓側分開,以及在鐵芯疊片漆上的熱效應問題。連接中心相位到頂部水平疊片的斜接面接合處,由於接頭拱起,已不再正確連接,因此,干擾了磁通量路徑,那很可能是超音波發射及熱輸出增加的原因,更有問題的是,那台良好的變壓器,在目視檢查時發現,也開始顯露出跟不良變壓器同樣的問題 –這由加入評估我們檢測結果的第三方所證實。那麼,結論呢? –  醫院的變壓器有出於製造廠的瑕疵。

超音波檢測的重要性

假如醫院單純信任電氣測試結果 –  顯示不出異常,在變壓器內部的瑕疵,將繼續不受注意,有可能變得更糟,而最終導致嚴重的後果:重症照護病房停電。

儘管只有超音波檢測,並不能“診斷”出是什麼問題,但超音波發射提供的有意義的聲音,確實促使進一步的研究,並且,在進一步的研究後,揭露出可能對救命設備有不利影響的嚴重問題,如上實例所述,超音波檢測儀器應納入那些負責診斷、維護與維修重要電氣設備人員工具箱中不可或缺的一項。

 本文作者 Joseph D. Gierlach, Jr.,為TEGG Service公司技術訓練支援副總裁 –  一家ABM公司,總部位在匹茲堡。

關於UE超音波檢測產品,歡迎參考https://www.pdic.com.tw/ue.htm,更歡迎您進一步洽詢,謝謝

《本文編譯自https://www.efficientplantmag.com/2013/01/using-ultrasound-to-identify-electrical-faults/


2019-10-02