Elektrikerblatt 2011.9. Thermografische Prüfung elektrischer Anlagen II.

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

Als Ergänzung zu unserem früheren Artikel über die Thermografie elektrischer Anlagen möchten wir in dieser Veröffentlichung weitere praktische Tipps geben, damit Fachleute, die solche Messungen durchführen, die tatsächliche Temperatur der Anlagen möglichst effizient und mit möglichst geringen Messfehlern bestimmen können. Da unterdimensionierte oder beschädigte Leitungen, schlechte Verbindungen (aufgrund erhöhtem Übergangswiderstand) und in den meisten Fällen elektrisch fehlerhafte Geräte sich auf eine höhere als die übliche Temperatur erwärmen, kann der Wartungsbedarf am besten durch die Lokalisierung der Erwärmungsstellen ermittelt werden. Da die Erwärmung typischerweise nur im Betrieb (also unter Spannung) auftritt, ist eine Messmethode vorteilhaft, die die berührungslose Temperaturmessung ermöglicht. Grundsätzlich stehen zwei Arten von Geräten zur Verfügung: Infrarot-Thermometer (oft fälschlicherweise als "Punktthermometer" oder noch falscher als "Laserthermometer" bezeichnet) oder Wärmebildkameras, auch Thermografiekameras oder Infrarotkameras genannt, die zur grafischen Darstellung der Oberflächentemperaturverteilung geeignet sind. Der größte Vorteil beider Geräte besteht darin, dass die Messungen aus sicherer Entfernung - sogar an Geräten mit mehreren kV - durchgeführt werden können, ohne den Betrieb des untersuchten Geräts zu beeinträchtigen. Es ist jedoch sehr wichtig zu wissen und bei der Auswertung der Messungen zu berücksichtigen, dass beide Arten von Messgeräten die Oberflächentemperatur des Objekts basierend auf der Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) bestimmen, die sehr ernsthafte physikalische (theoretische) Grenzen hat. Die praktischen Auswirkungen davon sind wie folgt.

• Bei Außenmessungen (z. B. an Transformatoren und Freileitungen) sollten die Messungen nur nachts (bei sonnenlosem Wetter, vorzugsweise bei bewölktem Himmel) oder bei sehr dicken, vollständig geschlossenen - aber regenfreien - Wolken auch tagsüber durchgeführt werden, um Wärmereflektionen und störende Hintergrundstrahlung zu vermeiden. (Aus Erfahrung bevorzugen wir nächtliche Messungen.)
• Insbesondere bei neuen Anlagen (da spiegelnde, schön bearbeitete metallische Oberflächen eine sehr geringe Emissionsrate haben) tritt Wärmestrahlungsreflexion auf. Um Fehler bei solchen Messungen zu vermeiden, ist es ratsam, die Messungen aus verschiedenen Positionen durchzuführen. Achten Sie darauf, ob das auffällige Temperaturphänomen (z. B. heiße Stelle) durch Änderung der Messposition "wandert" oder nicht. Wenn sich die Position auf unserem Wärmebild ändert, handelt es sich um die Reflexion einer punktförmigen Wärmequelle hinter uns, wenn sie sich nicht bewegt, handelt es sich tatsächlich um eine Stelle mit hoher Temperatur.
• Bei größeren Leistungs-/Spannungsverteilern sind flache Kupfer- oder Aluminiumschienen mit fast hochglänzender Oberfläche häufig anzutreffen. Es kann leicht passieren, dass genau die Stromschiene, die wir gerade messen, immer genau 35 °C "erscheint". Um dies zu vermeiden, sollten die Messungen idealerweise nicht senkrecht zur Schienenoberfläche, sondern in einem Winkel von ca. 75-80° durchgeführt werden. Mit diesem Trick vermeiden wir die Reflexion unserer eigenen Körpertemperatur auf den Stromschienen.
• Wenn aufgrund von Spiegelungen (z. B. bei neuen polierten Metallflächen) keine auswertbaren Messungen möglich sind, kann das teilweise oder vollständige Beschichten der zu messenden Oberflächen helfen, typischerweise mit matter Farbe oder dünnem Isolierband mit bekannter Emissionsrate. Natürlich sollten all diese Vorbereitungsmaßnahmen nur im spannungslosen Zustand durchgeführt werden!
• Die abgeschirmten Teile von Schalt- und Verteilungseinrichtungen können nicht direkt gemessen werden. Durch Plexiglas- oder andere Kunststofffenster/Türen/Abdeckungen hindurch - aufgrund ihrer Infrarotstrahlungsabsorption - können keine berührungslosen Temperaturmessungen durchgeführt werden. Diese Abdeckungen sollten - wenn möglich - vor der Messung (im spannungslosen Zustand!) entfernt oder geöffnet werden.

Auch bei der Durchführung praktischer Messungen ist zu beachten, dass sowohl Infrarot-Thermometer als auch Wärmebildkameras optische Instrumente sind, die nur mit einer bestimmten geometrischen Auflösung die Wärmestrahlung von einem Teil der gemessenen Oberfläche erfassen können. In der Praxis bedeutet dies, dass bei kleinen Objekten oder Messungen aus großer Entfernung (z. B. an Freileitungen) die geometrische Auflösung des berührungslosen Temperaturmessgeräts (sei es eine Wärmebildkamera oder ein Infrarot-Thermometer) berücksichtigt werden muss. Bei zu kleinen Objekten oder Messungen aus zu großer Entfernung führt die Mittelung der Hintergrund- und Objekttemperatur (unter Annahme einer höheren Objekttemperatur) zu falschen, zu niedrigen Objekttemperaturen. Je größer der Unterschied zwischen Objekt- und Hintergrundtemperatur ist, desto größer wird der Messfehler sein! Weitere wichtige Aspekte und Regeln Bei Infrarot-Thermometern bestimmt ihr Optikwert von 20:1, 30:1 oder 50:1 bzw. 60:1, ob sie überhaupt für die Messung der Temperatur elektrischer Anlagen geeignet sind und wie groß das kleinste messbare Objekt bzw. die größte Messdistanz ist.Bei einem Infrarotthermometer mit 20:1-Optik wird die Durchschnittstemperatur einer 1 m Durchmesser und kreisförmigen Oberfläche aus 20 m Entfernung angezeigt. Aus 1 m Entfernung hat diese Oberfläche einen Durchmesser von ungefähr 50 mm. (In der Praxis ist ein solches Infrarotthermometer mit Optik kaum für die Temperaturmessung von elektrischen Geräten geeignet, da - aufgrund der Sicherheitsvorschriften - bei Hochspannungsgeräten aus größeren Entfernungen gemessen werden muss, während bei Nieder- und Mittelspannungsgeräten die Objektgrößen kleiner als 50 mm sind.) Zur Zustandsüberwachung elektrischer Geräte ist es daher ratsam, Infrarotthermometer mit einer Optik von 50:1 oder 60:1 zu verwenden. Mit einem Gerät mit 60:1-Optik kann die Temperatur eines Objekts mit einer Größe von bis zu 16 mm aus einer Entfernung von 1 m noch erfasst werden, vorausgesetzt, dass die Messfläche (bei besseren Geräten mindestens mit 2 Laserpunkten markiert) nicht von der Oberfläche des zu messenden Objekts (Kabel, Stecker, Kontakt) abweicht.

Bei der Verwendung von Wärmebildkameras muss jedoch die Regel beachtet werden, dass mindestens drei einzelne Bildpunkte (Pixel) auf eine Messfläche fallen müssen, damit die gemessenen Temperaturdaten korrekt ausgewertet werden können. Wenn dies nicht eingehalten wird, werden höchstwahrscheinlich nur solche Pixel in unserem Wärmebild sein, die die Durchschnittstemperatur der Objektoberfläche und des Hintergrunds anzeigen. Um festzustellen, was das kleinste Objekt ist, das mit einer bestimmten Wärmebildkamera gemessen werden kann, und welche maximale zulässige Messentfernung besteht (diese beiden Werte hängen natürlich voneinander ab), muss der im technischen Datenblatt der Wärmebildkamera angegebene IFOV-Parameter (instantaneous field of view, kleinster elementarer Sichtwinkel) bekannt sein. Dieser Wert gibt den Winkel an, der die Abbildung eines einzelnen Sensors (Pixel) charakterisiert. Zum Beispiel bedeutet der Wert von 1,5 mrad, dass jeder dem Pixel zugeordnete - auf das Objekt projizierte - Messpunkt bei 1 m Entfernung einen Durchmesser von 1,5 mm hat, bei 2 m Entfernung hat die projizierte Fläche einen Durchmesser von 3 mm usw. (Dies ist vorstellbar wie der Lichtstrahl einer Taschenlampe, der je nach Entfernung einen immer größeren Kreis umfasst.) Bei Bedarf muss die geometrische Auflösung mit geeigneter Optik (spezielles Teleobjektiv) an die Größe/Entfernung des Objekts angepasst werden.

Die beigefügte Serie von Wärmebildern (Abb. 8) zeigt anschaulich die Bedeutung, dass das zu messende Objekt mindestens dreimal größer sein sollte als die individuelle Messfläche, die in dieser Entfernung projiziert wird. Andernfalls - zum Beispiel, wenn jemand fälschlicherweise ein "überblickendes" Wärmebild eines großen Schalt- oder Verteilerschranks erstellen würde - könnten die individuellen Messpunkte nicht nur die Oberfläche des Objekts, sondern auch den Hintergrund enthalten. Da innerhalb des Messpunkts eine Durchschnittsbildung erfolgt, kann das Messergebnis aufgrund der Hintergrundtemperatur kleiner oder größer als die tatsächliche Objekttemperatur sein. Basierend auf dem Vorherigen wird bereits deutlich, dass die von dem Sensor der Wärmebildkamera erfasste Wärmestrahlung von optischen Zusammenhängen abhängt. Besondere Aufmerksamkeit verdient daher die korrekte Fokussierung, da deren Fehler - entgegen der allgemeinen Annahme - nicht nur zu unscharfen Wärmebildern, sondern auch zu schwerwiegenden Messfehlern führt. Die optische Fokussierung funktioniert genauso wie bei der Fotografie: Die Aufgabe des Sammel- oder Fokussierobjektivs innerhalb der Kamera besteht darin, die einfallenden Strahlen auf die Oberfläche des Sensors (bei herkömmlicher Fotografie auf den Film) zu projizieren. Bei falscher Fokussierung werden die Strahlen vor oder hinter der Ebene des Sensors gesammelt. In diesem Fall wird das Bild unscharf. Im Falle eines Wärmebilds ist das Problem größer: Nur ein Teil der tatsächlichen Strahlung fällt auf den Sensor, der Rest wird um ihn herum projiziert. Dies führt dazu, dass die gemessene Temperatur bei einem heißen Punkt (sogenannter Hotspot) immer niedriger sein wird als die tatsächliche Temperatur.Je schlechter die Fokussierung, desto stärker weicht der gemessene Wert vom tatsächlichen Wert ab. Bei schlechter Fokussierung trifft nur ein Teil der einfallenden Strahlung auf die Oberfläche des Sensors (der Rest der Strahlung trifft auf die Umgebung). Daher zeigt die Wärmebildkamera bei schlechter Fokussierung immer niedrigere Temperaturen an, als sie tatsächlich auf der Oberfläche des Objekts sind. Dieser Fehler kann bis zu 20-30% betragen!

Hinweis zu Infrarot-Thermometern:Ein häufiger Irrtum besteht darin anzunehmen, dass sie durch einen Laserpunkt messen oder - ebenso falsch - genau an dem Punkt die Temperatur messen, an dem der Laserstrahl sichtbar ist. Dieser Punkt markiert lediglich die Mitte der Messfläche, bei Zweipunkt- oder Kreuzlasergeräten den Rand der Oberfläche, hat jedoch nichts mit der Temperaturmessung zu tun. Die Temperaturmessung erfolgt durch die Detektion der von der Oberfläche abgestrahlten Wärmestrahlung mit einem empfindlichen Detektor, und die Intensität der Strahlung wird unter Berücksichtigung der Emission des Objekts in einen Temperaturwert umgerechnet. Zur Erfassung der Wärmestrahlung ist natürlich weder Licht noch Laserstrahl erforderlich. Rahne Eric, Dipl.-Ing. Elektrotechnik (BME), Schwingungsdiagnoseexperte, Thermografieexperte (Thermograph Level3) pim-kft.hu, termokamera.hu

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