Термоиндикаторы — новый инструмент предупреждения пожаров и отказов электрооборудования

Тепловой контроль электрооборудования является важным элементом обеспечения надежности и безопасности эксплуатации. В статье рассматривается применение термоиндикаторных наклеек для осуществления теплового контроля контактов и контактных соединений электрооборудования и ЛЭП с целью предупреждения пожаров и отказов оборудования.

В действующих нормативных документах, например РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытаний электрооборудования», установлены значения наибольшей допустимой температуры нагрева. Эти значения отличаются для различных материалов и узлов и находятся в диапазоне 75–120°С (таблица 1).

Достижение наибольшей допустимой температуры в большинстве случаев не приводит к незамедлительному выводу электрооборудования из строя, но является признаком наличия дефекта, развитие которого может приводить к отказу, повреждению или возгоранию.

С химической точки зрения наибольшая допустимая температура — это температура, при которой запускаются необратимые реакции окисления или пиролиза. Так, например, при нагреве полимерной изоляции выше 100–130°С происходят процессы термодеструкции полимеров, приводящие к разрыву полимерных цепей молекул, их сшивки, выделению олигомеров и образованию аморфного углерода. Все это приводит к потере изоляцией диэлектрических свойств и эластичности (охрупчиванию). Важно отметить, что удельное электрическое сопротивление сажи меньше сопротивления исходной изоляции на 10–12 порядков.

При нагреве металлических контактов или контактных соединений выше 80–120°С происходит окисление контактирующих поверхностей металлов (рисунок 1). Продукты этой реакции — соответствующие оксиды и оксокарбонаты меди, алюминия и других металлов — обладают удельным сопротивлением, на 8–14 порядков превышающим сопротивление чистого металла: так, значение удельного электрического сопротивления для чистой меди составляет 1,63·10^-8 Ом·м, а для закиси меди Cu₂O — 10²÷10⁶ Ом·м.

Важно отметить, что процессы, описываемые как в первом, так и втором примерах, являются необратимыми и имеют положительную обратную связь — чем больше (толще) оксидная пленка на поверхности контакта, тем больше переходное контактное сопротивление, тем больше тепла выделяется при прохождении электрического тока. Чем больше греется контакт, тем быстрее протекает реакция окисления, что приводит к образованию еще большего оксидного слоя.

Главной задачей при проведении теплового контроля является выявление факта превышения контролируемым узлом установленной наибольшей допустимой температуры. Причем первостепенное значение имеет сам факт такого превышения в любой момент эксплуатации, а не температура в момент осмотра.

Распространенным методом теплового контроля является тепловизионная диагностика. Однако тепловизионный контроль решает задачу по выявлению факта превышения наибольшей допустимой температуры только отчасти. Метод позволяет выявить только те элементы, нагрев которых выше наибольшей допустимой температуры происходит в момент проведения осмотра.

Ответить на вопрос, нагревался ли контролируемый элемент выше наибольшей допустимой температуры за все время эксплуатации, помогают необратимые термоиндикаторы.

Конструктивно термоиндикаторная наклейка представляет собой гибкую самоклеящуюся пластину из полимерного материала с нанесенным в центральной части термочувствительным материалом различной формы. При нагревании выше заданной температуры термоиндикатор необратимо меняет цвет. Необратимые термоиндикаторные наклейки могут быть выполнены в однотемпературном и многотемпературном вариантах. Внешний вид и принцип работы термоиндикаторных наклеек приведен на рисунке 2.

Преимущества термоиндикаторов перед тепловизором:

• возможность визуального выявления дефектов при визуальных осмотрах без средств измерения (тепловизора);
• выявление дефектов («тепловой контроль») на оборудовании, выведенном в ремонт;
• выявление дефектов элементов, осмотр которых под нагрузкой невозможен (втычные контакты КРУ, контактные соединения лобовых частей генераторов и БРНО электродвигателей и др.);
• контроль элементов, нагрев которых носит нерегулярный характер (нулевые проводники в трехфазной сети, экраны, громоотводы, резисторы и другие элементы).

Несмотря на очевидные преимущества термоиндикаторов перед тепловизором, применение необратимых термоиндикаторов на объектах энергетики долгое время не было массовым. Ответить на вопрос «почему» можно, обратившись к истории. Одно из первых применений термоиндикаторов («термоуказателей») в виде пленок на электроустановках Горэнерго описано инженером И.С. Спириным в выпуске № 10 1957 года журнала «Энергетик». Оставим за скобками вопрос надежности метода и приведем только методику изготовления термопленки: «…Растворяют 420 г двуиодной ртути (химически чистой или чда) и 360 г иодистого калия (химически чистого или чда) в 1,5 л дистиллированной воды (или хорошего конденсата). Отдельно растворяют 320 г сернокислой меди (химически чистой или чда) в 1 л кипящей дистиллированной воды, фильтруют через бумагу и охлаждают до комнатной температуры. Затем оба раствора смешивают, выпавший осадок промывают дистиллированной водой декантацией. Выделившийся свободный иод удаляют 10%-ным раствором химически чистого сульфата натрия, осадок вновь промывается дистиллированной водой. Промытый осадок выкладывается в воронку Бюхнера, промывается несколько раз дистиллированной водой под вакуумом, просасывается воздухом и хорошо просушивается при температуре 45–50°С. Сухой остаток тщательно растирается в фарфоровой ступке и в таком виде хранится в банке с притертой пробкой. Все операции по изготовлению термопигмента следует проводить в респираторе и тонких резиновых перчатках с соблюдением предосторожностей по технике безопасности так же, как при работе с ртутью и свободным иодом…».

Отметим, что иодид ртути крайне токсичное вещество, существенно токсичнее металлической ртути, в настоящее время запрещенное к применению вне специализированных организаций. Однако несмотря на это, опыт «внедрения» термоуказателей был признан успешным, а спустя всего несколько лет в лаборатории ВВС Мосэнерго были разработаны термосвечи на различные диапазоны температур. Несмотря на то что в состав термосвечей, помимо иодида ртути, также входили соли таких металлов, как свинец, олово и висмут, термоуказатели и термосвечи активно применялись на ряде энергообъектов. В дальнейшем несколькими химическими предприятиями СССР были разработаны и промышленно выпускались термоиндикаторные краски и лаки на широкий диапазон температур (рисунок 3).

Главной проблемой, ограничивающей широкое применение термоиндикаторов, был их короткий срок службы.

Принцип действия вышеупомянутых термоиндикатров основан на химической реакции, скорость протекания которой зависит от температуры. При достижении порогового значения температуры реакция протекает мгновенно. Однако эта же реакция протекает и при комнатной температуре, только гораздо медленнее, в течение нескольких лет. По этой причине химические термоиндикаторы служат 1–2 года, после чего срабатывают «от времени» и подлежат обязательной замене. Очевидно, что выводить электроустановку в ремонт каждый год только ради замены термоиндикаторов не представляется целесообразным. Еще одним существенным недостатком химических термоиндикаторов является их возвратность. С примером возвратности химических термоиндикаторов сталкивался каждый, кто хранил кассовый чек в бумажнике более месяца. Чековая лента — это пример простейшего и самого массового химического термоиндикатора. Недолговечность и возвратность термоиндикаторов были главными факторами, сделавшими невозможным массовое применение термоиндикаторов в энергетике. Однако несмотря на короткий срок службы, а также на высокую стоимость, термоиндикаторы нашли свою «нишу» в технике, например, при измерении температур летательных аппаратов различных типов. Сложность образцов авиационной техники и большой объем измерений требует простого и доступного метода. В то же время с помощью термокрасок удается получить тепловую картину обтекания надстроек на корпусе летательного аппарата в условиях полета, в зонах отрыва пограничного слоя.

Несколько лет назад появился новых тип термоиндикаторов, принцип действия которых был основан не на химической реакции, а на двух физических процессах — плавлении и разделении фаз. Такие термоиндикаторы устроены следующим образом. Белое непрозрачное твердое термочувствительное вещество располагается на черной подложке. Непрозрачность термочувствительного слоя достигается за счет множества связанных между собой пор, заполненных газовой фазой. В исходном состоянии такие термоиндикаторы окрашены в белый цвет. При нагреве до пороговой температуры происходит плавление термочувствительного слоя и выделение газа из пор (рисунок 4), в результате чего образуется прозрачная жидкость и проявляется цвет черной подложки. При охлаждении жидкость затвердевает с образованием прозрачного твердого вещества. Фактически, происходящие процессы аналогичны плавлению снега, лежащего на черной подложке. При нагреве выше нуля градусов белый непрозрачный снег превращается в бесцветную прозрачную воду, а после дальнейшей заморозки — в бесцветный прозрачный лед. Очевидно, что лед самопроизвольно превратиться в снег не может.

Такой принцип работы обеспечивает высокую точность, скорость и надежность срабатывания термоиндикаторов. Отметим, что температура плавления веществ не зависит от времени и является эталоном при определении температурной шкалы (рисунок 5).

Возможность точной настройки температуры срабатывания достигается варьированием химического состава полимеров и наполнителей. Современные термоиндикаторы обладают сроком службы свыше 10 лет и демонстрируют очень высокую точность и надежность в широком диапазоне эксплуатационных условий.

Доступность термоиндикаторов нового типа, а также внедрение в ряде энергетических компаний методики термоиндикаторного контроля (рисунки 6 и 7) теплового состояния электрооборудования привела к новой волне их массового внедрения. Были разработаны следующие стандарты организаций и методические указания:

• СТО 76561356-29-004-2022 «Методические указания по контролю состояния контактов и контактных соединений, электрооборудования и линий электропередачи с использованием термоиндикаторных наклеек» (АО «ОЭК»);
• СТО 34.01-12-002-2023 «Методические указания по контролю состояния контактов и контактных соединений электрооборудования с использованием термоиндикаторных наклеек» (ПАО «Россети»);
• СТО РусГидро 02.02.146-2023 «Необратимые термоиндикаторы. Общие технические требования. Методики оценки технического состояния контактов, контактных соединений электрооборудования и ЛЭП с помощью термоиндикаторов» (ПАО «РусГидро»);
• СТО М.130.1-2023 «Методические указания по контролю состояния контактов и контактных соединений электрооборудования с использованием термоиндикаторных наклеек» (АНО «ИНТИ»).

Сегодня термоиндикаторы превратились в неотъемлемый инструмент теплового контроля, позволяющий своевременно выявлять дефекты электрооборудования. Применение термоиндикаторов позволяет существенно сократить количество аварийных ремонтов и отключений и повысить тем самым надежность и безопасность эксплуатации электроустановок.