Le termocamere vengono utilizzate in molte applicazioni e non sono limitate alle sole applicazioni domestiche. I sistemi di acquisizione di immagini termiche rilevano l’energia infrarossa (calore) che viene emessa da tutte le persone, gli oggetti e i materiali. FLIR è stata fondata nel 1978 con l’obiettivo di sviluppare sistemi di acquisizione di immagini ad infrarosso (termiche) ad alte prestazioni e di basso costo per applicazioni aeronautiche. Le termocamere consentono di vedere in piena oscurità, in condizioni meteorologiche avverse e attraverso elementi inquinanti quali fumo e foschia anche per distanze lontane. FLIR offre un portafoglio variegato per rispondere alle esigenze applicative per i settori industriale, commerciale e residenziale. I prodotti aiutano gli operatori di pronto intervento e promuovono l’efficienza nei vari settori industriali. Ecco alcune delle applicazioni più comuni delle termocamere in una vasta gamma di settori industriali, con un focus particolare su quelle elettriche e sui componenti come i pacchi lamellari.
Principi della Termografia per il Rilevamento Elettrico
Il riscaldamento anomalo associato a un’elevata resistenza o a un flusso di corrente eccessivo è la causa principale di molti problemi negli impianti elettrici. Quando la corrente passa attraverso un circuito elettrico, parte dell’energia elettrica viene convertita in energia termica. Ciò è normale. Tuttavia, se nel circuito è presente una resistenza o un flusso di corrente troppo alto, viene generato un calore eccessivamente elevato che rappresenta uno spreco che è potenzialmente dannoso. La legge di Ohm (P=I2R) descrive la relazione tra corrente, resistenza elettrica ed energia elettrica o termica generata. Utilizziamo un’elevata resistenza elettrica per ottenere risultati positivi, come il calore in un tostapane o la luce in una lampadina. Tuttavia, a volte viene generato calore indesiderato che può causare danni costosi. Conduttori troppo piccoli, collegamenti allentati o un flusso di corrente eccessivo possono causare un riscaldamento indesiderato eccessivamente elevato, che può dar luogo a circuiti elettrici pericolosamente caldi. I componenti possono diventare talmente caldi da fondersi. Le termocamere ci consentono di vedere la mappatura termica associata a un’elevata resistenza elettrica molto prima che il circuito diventi così caldo da causare un’interruzione o un’esplosione. È fondamentale prestare attenzione a due schemi termici di base associati a guasti elettrici: 1) un’alta resistenza causata da un contatto superficiale scadente e 2) un problema di sovraccarico del circuito o di squilibrio multifase.
Applicazioni delle Termocamere nella Manutenzione Elettrica Industriale
Manutenzione del Cablaggio Elettrico
Il cablaggio elettrico comporta molte connessioni fisiche discrete tra cavi e vari connettori, e tra connettori e perni di montaggio sulle apparecchiature. Il segno distintivo di un collegamento elettrico di alta qualità è una resistenza elettrica molto bassa tra gli elementi uniti dal collegamento. L'efficienza elettrica continua dipende da questa bassa resistenza di contatto. Il passaggio di corrente attraverso un resistore elettrico di qualsiasi tipo dissipa parte dell'energia elettrica. L'energia dissipata si manifesta sotto forma di calore. Se la qualità del collegamento si degrada, esso diventa, in effetti, un dispositivo di dissipazione di energia poiché la sua resistenza elettrica aumenta. Con l'aumento della resistenza, il connettore o il giunto presenta un fenomeno chiamato riscaldamento ohmico. Gli elettricisti e i tecnici di manutenzione utilizzano la termocamera per individuare questi punti caldi nei quadri elettrici e nei cablaggi. I componenti elettrici surriscaldati appaiono come punti luminosi su un termogramma del quadro elettrico.
Controllo delle Apparecchiature Trifase
Le apparecchiature elettriche trifase si collegano all'alimentazione elettrica tramite tre fili. La corrente che attraversa ciascun filo del circuito dovrebbe essere di uguale intensità. Tuttavia, è possibile che si verifichi uno squilibrio tra le fasi. In questo caso, la corrente in una delle fasi differisce in modo significativo dalle altre. Di conseguenza, esiste una differenza di temperatura tra i tre collegamenti. Le termocamere possono illustrare questo squilibrio in modo abbastanza semplice e drammatico. Considerate, per un momento, la facilità con cui un termografo può ispezionare i collegamenti elettrici aerei o i trasformatori montati su pali da un luogo remoto e sicuro a terra.
Le immagini termiche costituiscono un modo semplice per identificare evidenti differenze di temperatura nei circuiti elettrici trifase industriali rispetto alle normali condizioni di funzionamento. Mediante l’ispezione in parallelo dei gradienti termici di tutte e tre le fasi, i tecnici possono individuare rapidamente le anomalie di prestazione sulle singole linee causate da squilibri o sovraccarichi. Uno squilibrio elettrico può essere dovuto a diversi motivi: un problema nell’erogazione della potenza, bassa tensione su una fase, o guasto della resistenza di isolamento all’interno degli avvolgimenti del motore. Persino un piccolo squilibrio di tensione può causare il deterioramento dei collegamenti, riducendo la quantità di tensione fornita, per cui i motori e altri carichi assorbiranno troppa corrente, fornendo una coppia inferiore (con il relativo stress meccanico) e si guasteranno prima. Uno squilibrio grave può far bruciare un fusibile, riducendo le operazioni a una singola fase. Nel frattempo, la corrente sbilanciata ritornerà sul neutro, causando dei consumi energetici elevati. Nella pratica, è virtualmente impossibile bilanciare perfettamente le tensioni nelle tre fasi. La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) definisce gli squilibri come percentuale: % squilibrio - [(100)(deviazione massima dalla tensione media)] / tensione media. Per aiutare gli operatori delle apparecchiature a determinare livelli accettabili di squilibrio, la NEMA ha redatto delle specifiche per diversi dispositivi. Tali linee guida sono un utile punto di confronto per la manutenzione e la ricerca guasti.
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Componenti Comuni Ispezionati e Requisiti di Carico
Acquisire immagini termiche di tutti i quadri elettrici e di altri punti di connessione con carichi elevati, come azionamenti, sezionatori e controlli. Laddove si riscontri una temperatura più elevata, seguire il circuito ed esaminarne i rami e i carichi. Controllare i quadri e gli altri collegamenti con i coperchi asportati. In teoria si dovrebbero controllare i dispositivi elettrici quando si sono riscaldati completamente e sono a regime, con almeno il 40% del carico tipico. In tal modo, le misurazioni possono essere valutate correttamente e confrontate con le normali condizioni di esercizio. Quando si effettua un’ispezione, è importante che il sistema sia sotto carico. Nello svolgimento dell’ispezione attendere fino ad individuare il “caso peggiore” o i carichi di picco, o quando il carico è almeno del 40% (secondo NFPA 70B). Il calore generato da un collegamento allentato aumenta al quadrato del carico; più alto è il carico, più è facile individuare i problemi. È importante non dimenticare di considerare l’effetto rinfrescante del vento o di altri movimenti dell’aria.
Ispezione dei Pacchi Lamellari e delle Macchine Elettriche
I pacchi lamellari sono strutture essenziali impiegate nelle macchine elettriche come motori e trasformatori. Le problematiche di surriscaldamento in questi componenti elettrici, spesso originatesi da elevate perdite nel ferro o difetti strutturali nei pacchi lamellari, possono essere prontamente identificate tramite termocamere. I lamierini normalmente impiegati sono isolati, gli uni dagli altri, con un isolamento a base di vernice dello spessore dell'ordine dei centesimi di mm per diminuire le perdite per correnti parassite. Un isolamento più modesto è garantito comunque dalla ossidazione naturale, eventualmente migliorata con opportuno trattamento termico. Nei piccoli motori si può utilizzare lamiera al carbonio caratterizzata da facile lavorabilità, cifra di perdita piuttosto elevata ma non critica agli effetti del riscaldamento dato l'elevato rapporto superficie/volume del pacco, alta permeabilità per ottenere elevate induzioni con deboli intensità di corrente magnetizzante. Nelle macchine di media e grande potenza (superiore a 10÷15 kW) si utilizza lamiera legata con percentuale di silicio del 3% -5- 4%, caratterizzata da bassa cifra di perdita, normalmente 1.7, 2.3 o 3.6 W/kg, al fine di ridurre le perdite nel ferro che in queste macchine influenzano in misura determinante il riscaldamento. Esistono inoltre in commercio, lamierini al silicio a bassa cifra di perdita (1.3-1.5-1.8 W/kg,) che trovano impiego nei motori di maggiore potenza e in applicazioni speciali quali, ad esempio, i motori ad alta frequenza. La cifra di perdita esprime la perdita che si verifica per effetto dell'isteresi e delle correnti parassite in 1 kg di lamierino sottoposto a magnetizzazione alternata sinusoidale con frequenza 50 Hz e con valore massimo di induzione di 1.0 Wb/m2. Le premesse per ottenere un buon pacco lamellare sono la qualità della tranciatura, in termini di precisione ed assenza di bave, e la qualità del materiale che si esprime nella sua tranciabilità. Il processo tecnologico migliore è la "tranciatura a passo" realizzata in un'unica soluzione, con presse di elevata potenza e con stampi a passaggio particolarmente precisi e costruiti in acciai speciali quali il widia. Per motori di potenza oltre i 50 kW o per motori prodotti in serie limitate, il ciclo produttivo prevede la formazione di dischi e la punzonatura delle cave di statore con taglio del disco rotore e successiva punzonatura dello stesso su punzonatrici veloci automatizzate. I lamierini vengono poi impilati in pacchi con il processo di impaccatura il cui parametro critico è la pressione unitaria che deve avere un valore sufficientemente elevato (40-50 kg/cm2 fino a 200 kg/cm2 dai tipi più piccoli ai più grandi) per evitare vibrazioni dei lamierini con conseguente elevata rumorosità, tuttavia, non eccessiva per non aumentare le perdite nel ferro dovute alle bave. Occorre tenere presente che queste macchine, a causa del loro piccolo traferro, sono molto sensibili alla diminuzione del campo magnetico sotto le cave e quindi all'aumento fittizio del traferro provocato da una eccessiva apertura della cava con conseguente aumento della corrente di magnetizzazione.
Esempi di Difetti Elettrici Rilevati con Termografia
Il calore viene prodotto dal flusso di corrente che passa attraverso un contatto con elevata resistenza elettrica. Questo tipo di problema è generalmente associato ai contatti e ai connettori degli interruttori. Spesso, il punto di riscaldamento può essere molto piccolo, meno di 1/16 di pollice all’inizio. Uno dei collegamenti trifase era allentato, causando una maggiore resistenza in corrispondenza del connettore. Il riscaldamento in eccesso ha prodotto un aumento di temperatura di 50 °C (90 °F). Il termogramma B) è un’installazione di fusibili trifase in cui un’estremità di un fusibile presenta un cattivo contatto elettrico con il circuito. L’aumento della resistenza di contatto ha causato una temperatura più calda di 45 °C (81 °F) in corrispondenza di quel collegamento rispetto agli altri collegamenti del fusibile. Il termogramma C) è un morsetto portafusibili in cui un contatto è 55 °C (99 °F) più caldo degli altri. E il termogramma D) è una presa per parete bifase in cui i collegamenti dei fili erano allentati, causando l’innalzamento della temperatura dei terminali di 55 °C (100 °F) in più rispetto alla temperatura ambiente. Tutti e quattro questi esempi erano gravi e hanno richiesto attenzione immediata. Il termogramma B) mostra un principio interessante utilizzato per interpretare i modelli termici del circuito elettrico. Il fusibile è caldo solo a un’estremità. Se il fusibile fosse caldo su entrambe le estremità, il problema sarebbe interpretato in modo diverso. Un circuito sovraccaricato, uno squilibrio di fase o un fusibile sottodimensionato causerebbero il surriscaldamento di entrambe le estremità del fusibile. Un’estremità calda indica che il problema è un’elevata resistenza di contatto presso tale estremità. La presa per parete del termogramma D) è stata gravemente danneggiata; tuttavia ha continuato a funzionare fino a quando non è stata sostituita.
I seguenti termogrammi mostrano circuiti sovraccarichi. Il termogramma E) mostra un quadro elettrico in cui l’interruttore principale in alto raggiunge i 75 °C (135 °F) al di sopra della temperatura ambiente. Il quadro complessivo è sovraccaricato e necessita di attenzione immediata. Nei termogrammi E) e F), tutti gli interruttori automatici standard sono surriscaldati. Le loro temperature erano di 60 °C (108 °F) al di sopra della temperatura ambiente. Anche se nel termogramma i fili sono di colore blu, sono anch’essi caldi, da 45 a 50 °C (da 81 a 90 °F). È necessario rieseguire l’intero impianto elettrico. Il termogramma G) mostra una linea di un controllore che è circa 20 °C (36 °F) in più rispetto alle altre. Ciò richiede ulteriori indagini per determinare perché un filo è molto più caldo degli altri e per stabilire le riparazioni necessarie. Il termogramma H) mostra un trasformatore di corrente che è di 14 °C (25 °F) più caldo degli altri due trasformatori in un’installazione di servizio trifase. Ciò indica un grave squilibrio del servizio, o un trasformatore di corrente difettoso che potrebbe influire significativamente sui costi energetici del cliente.
Un impianto elettrico può contenere centinaia di apparecchiature differenti. Esso inizia con la produzione di elettricità di rete, la distribuzione ad alta tensione, le centraline e le sottostazioni, e termina con i trasformatori di servizio, i gruppi di comando, gli interruttori, i contatori, la distribuzione locale e pannelli di apparecchiature. Quasi tutti i tipi di industria hanno acquistato le camere a infrarossi per semplificare la manutenzione del sistema di distribuzione elettrica.
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Il termogramma M) è un trasformatore di servizio che aveva perso olio di raffreddamento, causando un pericoloso surriscaldamento delle bobine vicino alla parte superiore. Una connessione era di 160 °C (288 °F) al di sopra della temperatura ambiente. Il trasformatore doveva essere sostituito immediatamente, ma l’azienda voleva ritardare la riparazione di un mese, in modo che potesse essere eseguita durante un fermo programmato dell’impianto. Hanno utilizzato la camera a infrarossi per monitorare lo stato del trasformatore e ritardare con successo la riparazione. Il termogramma N) è per un trasformatore di servizio montato su un’asta che ha un collegamento di 30 °C (54 °F) più caldo della temperatura ambiente. Tale condizione ha richiesto la manutenzione alla successiva occasione. Il termogramma O) mostra una connessione di rete calda su un interruttore presso una sottostazione in Messico. La connessione è risultata essere di 14 °C (25 °F) più calda rispetto alle altre. Si riteneva che questo fosse un problema che richiedeva attenzione. Il termogramma P) mostra una connessione sopraelevata in una sottostazione in Perù. Era meno di 10 °C o (18 °F) al di sopra della temperatura ambiente e non era di immediato interesse.
Cosa Rappresenta un “Allarme Rosso”?
La priorità delle riparazioni deve essere data alla sicurezza, ovvero alle condizioni delle apparecchiature che rappresentano un rischio per la sicurezza, seguita dalla criticità delle apparecchiature e dall’aumento della temperatura. Le linee guida NETA (InterNational Electrical Testing Association) stabiliscono l’azione immediata da intraprendere quando la differenza di temperatura tra componenti elettrici simili soggetti a carichi simili supera i 15 °C (27 °F), o quando la differenza di temperatura tra un componente elettrico e la temperatura dell’aria ambiente supera i 40 °C (72 °F). Gli standard NEMA avvisano di non utilizzare un motore con uno squilibrio di tensione superiore all’uno percento. In effetti, NEMA consiglia di declassare i motori, se funzionano con uno squilibrio maggiore. La percentuale di squilibrio di sicurezza varia per le altre apparecchiature.
| Criterio di Rilevamento | Soglia Critica NETA | Raccomandazione NEMA (Motori) |
|---|---|---|
| Differenza di temperatura tra componenti simili (sotto carico simile) | > 15 °C (27 °F) | N/A |
| Differenza di temperatura tra componente e temperatura ambiente | > 40 °C (72 °F) | N/A |
| Squilibrio di tensione | N/A | > 1% (non utilizzare il motore o declassare) |
Costi Potenziali di un Guasto
Il risultato tipico di uno squilibrio di tensione è il guasto del motore. Il costo totale implica il costo del motore, la manodopera necessaria per sostituire il motore, il costo del prodotto scartato a causa della produzione irregolare, il funzionamento della linea e i ricavi persi durante il periodo di tempo in cui una linea è ferma. Supponiamo che il costo per la sostituzione di un motore da 50 CV ogni anno sia di USD 5.000, manodopera compresa. Supponiamo 4 ore di fermo all’anno con una perdita di reddito di USD 6000 all’ora. Il costo totale ammonta a USD 5000 + (4 x USD 6000) = USD 29.000 all’anno.
Azioni di Follow-up
Quando un’immagine termica indica che un intero conduttore è più caldo degli altri componenti in una sezione di un circuito, è possibile che il conduttore sia sottodimensionato o sovraccaricato. Controllare il carico nominale e il carico effettivo del conduttore per determinare quale delle due situazioni si sta verificando. Utilizzare un multimetro a pinza o un analizzatore di rete per verificare l’equilibrio elettrico e il carico su ogni fase. Per quanto riguarda la tensione, controllare la protezione e i gruppi di comando per verificare l’eventuale presenza di cadute di tensione. In generale, la tensione di rete deve essere compresa entro il 10% della tensione nominale riportata sula targhetta. La tensione tra neutro e massa indica il livello di carico del sistema e aiuta a rilevare le correnti armoniche. Una tensione tra neutro e massa superiore al 3% dovrebbe essere motivo di ulteriori verifiche. I carichi possono variare e una fase può risultare con una tensione inferiore del 5% su una linea se entra in gioco un carico monofase alquanto elevato. Anche le cadute di tensione sui fusibili e sugli interruttori possono generare squilibri sul motore elettrico e calore eccessivo nel punto di origine del problema. Prima di presumere di avere trovato la causa, è buona prassi fare una doppia verifica con una termocamera e delle misurazioni di corrente con un multimetro o un multimetro a pinza. Né la linea di distribuzione, né i circuiti di derivazione dovrebbero essere caricati fino al limite massimo consentito. Le equazioni relative al carico del circuito dovrebbero tenere conto anche delle armoniche. La soluzione più comune in caso di sovraccarico è la ridistribuzione dei carichi tra i circuiti o la gestione del momento in cui i carichi entrano in gioco nel processo.
Altre Applicazioni Industriali Rilevanti delle Termocamere
Le termocamere non si limitano esclusivamente alle applicazioni elettriche, ma trovano impiego in numerosi altri settori industriali. La perdita di calore nell'ambiente circostante è una funzione della temperatura interna. La perdita di calore aumenta in modo non lineare con l'aumentare della temperatura, poiché le perdite per irraggiamento possono facilmente superare quelle per convezione e conduzione a temperature più elevate. Ad esempio, il blocco refrattario installato all'interno di un forno, una caldaia o una fornace ha lo scopo di ridurre al minimo la perdita di calore nell'ambiente. La termografia consente di individuare rapidamente eventuali difetti dei materiali refrattari. Un'altra applicazione di questa tecnologia è l'altoforno, con la sua enorme quantità di materiale refrattario.
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Installazioni Meccaniche (Manutenzione Preventiva)
Le installazioni meccaniche richiedono una certa precisione, altrimenti i macchinari saranno soggetti a vibrazioni indesiderate o sollecitazioni ondulatorie. Una termocamera è in grado di rilevare il calore generato da forze come l'attrito. Ciò consente di valutare lo stato di salute dei macchinari.
Rilevamento di Gas
L'imaging a infrarossi è ampiamente utilizzato nell'industria come mezzo per rilevare fughe di gas. Quando una termocamera IR viene puntata su una superficie che presenta una fuga di gas, mostra la differenza di temperatura nel punto della fuga causata dalla variazione di pressione.
Sicurezza
Quasi tutti i gruppi militari nel mondo ora utilizzano la tecnologia di termografia sotto forma di telecamere integrate, montate sull'equipaggiamento individuale o sui veicoli. Negli ultimi anni, le termocamere sono sempre più utilizzate anche nella sicurezza domestica. Poiché l'immagine termica può rivelare i punti caldi anche nelle notti buie, è facile individuare gli intrusi nascosti dietro i cespugli o i veli sottili.
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