Elektrikerblatt 2011.6. Thermografische Prüfung elektrischer Anlagen I.

Eric Rahne, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, akkreditierter Thermografie-Experte der Stufe 3 (PIM GmbH)

Vor einigen Jahren haben wir auf den Seiten dieses Blattes bereits ausführlich die Fragen zur thermografischen Prüfung elektrischer Anlagen behandelt: Es ist jedoch nicht zu leugnen, dass diese Prüfmethode aufgrund ihrer zunehmenden Effizienz und Zuverlässigkeit bei der Aufdeckung elektrischer Störungen immer häufiger eingesetzt wird. Daher versuchen wir, einige Elemente der früheren Artikelserie wieder aufzugreifen und einen groben Überblick über dieses Thema zu geben.

Die thermografische Zustandsbewertung elektrischer Anlagen basiert darauf, dass unterdimensionierte oder beschädigte Leitungen, schlechte Verbindungen (aufgrund erhöhtem Übergangswiderstand) und in den meisten Fällen elektrisch defekte Geräte über die übliche (zulässige) Temperatur hinaus erwärmen.

Der größte Vorteil der Thermografie besteht darin, dass die Messungen sicher aus der Ferne durchgeführt werden können - auch an Anlagen mit mehreren kV -, ohne den Betrieb des untersuchten Geräts zu beeinträchtigen.

Übliche Anwendungsbereiche

• Zustandsbewertung elektrischer Anlagen in der Energiebranche: Generatoren, Transformatoren, Isolatoren, Schalter, Ableiter, Kabel, Verbindungen, Verteiler... (in Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetzen gleichermaßen).
• Prüfung elektrischer Anlagen in Produktionsbetrieben: Einspeisetransformatoren, Haupt- und Unterverteiler, Schaltschränke, individuelle Anschlüsse...
• Elektrische Maschinen und Anlagen in der Industrie: Elektromotoren, Phasenkompensatoren, Frequenzumrichter...

Elektrische Fehler, die per Thermografie gefunden werden können

Der Bereich der identifizierbaren Probleme kann durch die folgende Liste verdeutlicht werden:

• Unterdimensionierte (überlastete) Kabel, Schaltgeräte, Verbindungen, Transformatoren;
• Defekte (locker, korrodiert) Kontakte an beliebigen elektrischen Geräten oder Komponenten;
• Beschädigte Kabelenden, Ringe, Überspannungsableiter;
• Schwache Verbindungen an Sicherungen, Leistungsschaltern, Stromschienenverbindungen, Kabelanschlüssen, Motoranlassern;
• Beschädigte Leistungsschalter und Schaltergeräte,
• Phasenungleichgewichte in Dreiphasen-Einspeisungen;
• Überhitzung aufgrund von Überlastung oder Harmonischen,
• Überhitzte (beschädigte oder falsch eingestellte) Bürstenanordnungen von Motoren und Generatoren;
• Verstopfte Kühlkreisläufe von Transformatoren und Generatoren,
• Defekte Bauteile wie Kondensatoren und Leistungshalbleiter.

Wichtige Tipps und praktische Beispiele

Bei den Messungen ist es natürlich ratsam und wichtig, bestimmte Regeln einzuhalten. Dazu gehören insbesondere folgende.

• Bei Hochspannungsanlagen muss der Sicherheitsabstand unbedingt eingehalten werden! Lebensgefahr besteht!
• Freiluftmessungen (z. B. an Transformatoren und Freileitungen) sollten von spätem Abend bis frühen Morgen (bei fehlendem Sonnenlicht) durchgeführt werden, um Wärmereflektionen und störende Hintergrundstrahlung zu vermeiden.
• Insbesondere bei neuen Anlagen (da spiegelnde oder schön bearbeitete metallische Oberflächen über einen sehr geringen Emissionsfaktor verfügen) kann es zu Wärmereflektionen kommen. Um solche Messfehler zu vermeiden, sollten die Messungen aus verschiedenen Positionen durchgeführt werden.
• Wenn aufgrund von Spiegelungen keine auswertbaren Messungen möglich sind, kann das teilweise oder vollständige Abdecken der zu messenden Oberflächen helfen, typischerweise durch die Verwendung von matten Farben oder dünnen Isolierbändern mit bekannter Emissionseigenschaft. Natürlich darf dies nur im spannungslosen Zustand erfolgen.
• Um Fehlerstellen zu entdecken, die unter Nennlast (bzw. Betriebs- oder "volle" Last) gefährlich werden können, sollten die Messungen unter Betriebslast durchgeführt werden. Mit dem Quadrat des Stroms steigt die Leistungsbelastung der elektrischen Komponenten und somit auch die Temperatur.
• Die verkleideten Teile von Schalt- und Verteilgeräten können nicht direkt gemessen werden. Thermografische Messungen durch Plexiglas- oder andere Kunststofffenster sind nicht möglich. Diese müssen - wenn möglich - vor der Messung (im spannungslosen Zustand!) demontiert werden.
• Bei kleinen Messobjekten oder Messungen aus großer Entfernung (z. B. an Freileitungen) muss die geometrische Auflösung des verwendeten Thermografiegeräts (Wärmebildkamera) berücksichtigt werden. Auf einer Messfläche sollten mindestens drei Bildpunkte liegen, damit die gemessenen Temperaturdaten korrekt ausgewertet werden können. Bei Bedarf sollte die geometrische Auflösung mit geeigneter Optik (spezielles Teleobjektiv) an die Größe/Entfernung des Objekts angepasst werden.

Praktische Grenzwerte

Es stellt sich oft die Frage, wo die Grenze gezogen werden sollte, ab wann die festgestellte Erwärmung als fehlerhaft oder sogar gefährlich angesehen werden sollte. Diese Frage ist besonders schwierig zu beantworten, wenn die thermografische Untersuchung bei einem deutlich geringeren Strom als der maximalen Belastung durchgeführt wurde.

Grundsätzlich (auch zur Vermeidung dieses Problems) ist es ratsam anzuerkennen, dass thermografische Zustandsbewertungen elektrischer Anlagen nur bei einer Belastung von mindestens 50% der Nennlast durchgeführt werden sollten. Nur grobe Fehler können bei 30% Belastung erkannt werden.

Akzeptierte Grenzwerte und Entscheidungsregeln (bei mindestens 75% Belastung)
Grenzwerte im Vergleich zur Umgebungstemperatur
Erwärmung* <20 °C: in Ordnung
Erwärmung* <40 °C: zu überprüfen
Erwärmung* >40 °C: dringend zu überprüfen
Erwärmung* >60 °C: kritisch
(* über Umgebungstemperatur)

Grenzwerte für Unterschiede zwischen Phasen
Abweichung** <5 °C: in Ordnung
Abweichung** <20 °C: zu überprüfen
Abweichung** >20 °C: dringend zu überprüfen
Abweichung** >40 °C: kritisch
(** zwischen Phasen)

Grenzwerte je nach Isoliermaterial
Gummi-isolierte Kabel: max. 60 °C ***
PVC-isolierte Kabel: max. 70 °C ***
Silikon-isolierte Kabel: max. 180 °C ***
(*** absolute Temperaturwerte)

Weitere Grenzwerte
Elektromotoren (gemessen an Kühlrippen): je nach Typ max. 60...80 °C ***
Kunststoffverkleidungen: je nach Material max. 50...75 °C ***
Magnetkontakte: typischerweise max. 85°C ***
Transformatoren: typischerweise max. 85°C ***
(*** absolute Temperaturwerte)
Hinweis: Bei geringerer Belastung gelten niedrigere Grenzwerte als alle oben genannten Werte.

Erwartete Erwärmungsschätzung bei Nennlast

Die Erwärmung entsteht aufgrund des transienten Widerstands des untersuchten elektrischen Geräts (Kabel, Schiene usw.) oder Kontakts, der durch Energieverlust in Form von Wärme entsteht. Das Gerät gibt diese Leistung durch Wärmestrahlung, Konvektion (in die Luft) und Wärmeleitung an die angeschlossenen Elemente ab. Da die zu erwartende Erwärmung bei höherer Belastung (sei es Strom oder Spannung) durch die last- und temperaturabhängige Widerstandsänderung des betreffenden Geräts oder Kontakts sowie durch die voraussichtlich stärkere Wärmeleitung, Wärmestrahlung und konvektive Wärmeabgabe beeinflusst wird, kann die auftretende Erwärmung nur mit sehr komplexen mathematischen Beziehungen genau bestimmt werden.

Im stationären Zustand kann die erwartete Temperatur in einem (als unendlich lang angenommenen) Schienen- oder Leiterabschnitt gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden:, aber da die für diese Gleichung erforderlichen Materialparameter aufgrund schwer zugänglicher Materialeigenschaften recht kompliziert sind, empfehlen wir stattdessen die folgende Schätzung zu verwenden:

Vereinfachte Erwärmungsschätzung bei Nennlast (vom Autor des Artikels verwendete Schätzung)

Unter der Annahme, dass zwischen der Messlast und der Nennlast ein so geringer Temperaturanstieg auftritt, dass die temperaturabhängige Änderung des spezifischen Widerstands vernachlässigbar ist und weder der Stromausstoßfaktor noch die Wärmeübertragungsfaktoren durch die beobachtete Temperaturerhöhung des Geräts signifikant verändert werden, können die genannten Faktoren in der obigen Gleichung als konstant angesehen werden. (Dies kann bei Temperaturerhöhungen von einigen zehn Grad Celsius angewendet werden. Bei größeren Temperaturänderungen können diese Vereinfachungen jedoch zu erheblichen Fehlern führen, daher sind die folgenden Gleichungen NICHT anwendbar.)

Unter Verwendung der oben genannten Vereinfachungen ergibt sich die Beziehung, dass die absolute Temperatur des Objekts über der Umgebungstemperatur mit dem Verhältnis der Nenn- und Messspannungswerte sowie dem Quadrat des Verhältnisses von Nenn- und Messströmen proportional und abhängig von der Differenz zwischen der gemessenen und der Umgebungstemperatur des Objekts ist. Die geschätzten Temperaturen können dann mit den oben aufgeführten Grenzwerten verglichen werden.

Wichtig: Bei der Prüfung von Umspannwerken und Freileitungen müssen unbedingt alle Bedingungen für Freiluftmessungen strikt eingehalten werden. Messungen können nachts (vorzugsweise bei bedecktem Himmel) oder bei sehr dicken, vollständig geschlossenen - aber regenfreien - Wolkendecken auch tagsüber durchgeführt werden. (Aus Erfahrung bevorzugen wir nächtliche Messungen.) Wir dürfen auch nicht vergessen, dass wir in der Regel die Temperatur von metallischen Gegenständen berührungslos bestimmen möchten, die eine signifikante Wärmestrahlungsreflexionsfähigkeit besitzen. Um störende Strahlungseffekte zu minimieren, ist es am besten, zu messen, wenn diese nicht vorhanden sind. (So macht es beispielsweise keinen Sinn, Helikopterleitungsflüge durchzuführen, die an die Bedingung eines klaren Tageslichts - also sonniges Wetter - gebunden sind, wenn nicht der Rundflug das Ziel war.)

Aus messtechnischer Sicht ist auch die geometrische Auflösung kritisch: Für die Messung der Überlastung und des vorübergehenden Anstiegs des Widerstands von bis zu 18 mm Durchmesser auf 30 m Höhe befindlichen Seilen ist eine geometrische Auflösung von 0,2 mrad (oder besser) erforderlich, daher wird ein großes Teleobjektiv benötigt. Einige Fehler an Isolatoren können möglicherweise auch bei einer schlechteren geometrischen Auflösung gefunden werden.

Rahne Eric
Dipl.-Ing. Elektrotechnik (BME)
Schwingungsdiagnoseexperte
Thermografieexperte
(Thermograph Level3)
pim-kft.hu
termokamera.hu

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