Thermografische Prüfung elektrischer Anlagen

Theoretische Grundlagen, messtechnische Grenzen und praktische Ratschläge

Als Ergänzung zu unseren früheren Artikeln über Thermografie möchten wir in diesem Artikel weitere praktische Ratschläge geben, damit Fachleute, die solche Messungen durchführen, die tatsächlichen Temperaturen elektrischer Anlagen möglichst effizient und mit möglichst geringen Messfehlern bestimmen können.

Ausgehend davon, dass unterdimensionierte oder beschädigte Leitungen, schlechte Verbindungen (aufgrund erhöhten Übergangswiderstands), sowie in den meisten Fällen elektrisch fehlerhafte Geräte sich im Vergleich zum Normalzustand auf höhere Temperaturen erwärmen, kann der Wartungsbedarf am besten durch die Lokalisierung der Erwärmungsstellen ermittelt werden. Da die Erwärmung typischerweise nur während des Betriebs (also unter Spannung) auftritt, ist eine Messmethode vorteilhaft, die die berührungslose Erfassung der Temperatur ermöglicht. Grundsätzlich stehen dafür zwei Arten von Geräten zur Verfügung: Infrarot-Thermometer (oft fälschlicherweise als "Punktmessgeräte" oder noch irreführender als "Laserthermometer" bezeichnet) oder Wärmebildkameras (bzw. Thermografiekameras, Infrarotkameras), die zur grafischen Darstellung der Oberflächentemperaturverteilung geeignet sind.

Anmerkung zu Infrarot-Thermometern: Ein häufiger Irrtum ist, dass sie durch den Laserpunkt messen oder - ebenso falsch - genau an dem kleinen Punkt die Temperatur messen, wo der Laserpunkt sichtbar ist. Dieser Punkt markiert nur die Mitte der Messfläche bzw. bei Zweipunkt- oder Kreuzlasergeräten den Rand der Fläche. Er hat nichts mit der Temperaturmessung zu tun. Die Temperaturmessung erfolgt durch die Erfassung der von der Oberfläche abgestrahlten Wärmestrahlung mit einem empfindlichen Detektor, gefolgt von der Umrechnung der Strahlungsintensität in Temperaturwerte unter Berücksichtigung der Emission des Objekts. Für die Wärmestrahlungserfassung sind natürlich weder Licht noch Laserstrahlen erforderlich. Der größte Vorteil beider Geräte besteht darin, dass die Messungen aus sicherer Entfernung durchgeführt werden können - auch an Geräten mit mehreren kV - 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 Erfassung der Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) bestimmen, die sehr ernsthafte physikalische (theoretische) Grenzen hat. Die praktischen Auswirkungen davon sind wie folgt: Außenmessungen (z. B. an Transformatoren und Freileitungen) können nur nachts (bei sonnenlosem Wetter, vorzugsweise bei bewölktem Himmel) oder bei sehr dicker, vollständig geschlossener - aber regenfreier - Bewölkung tagsüber durchgeführt werden, um Reflexionen der Wärme und störende Hintergrundstrahlung zu vermeiden. (Aus Erfahrung bevorzugen wir nächtliche Messungen.) Insbesondere bei neuen Geräten (da spiegelnde oder schön bearbeitete metallische Oberflächen sehr niedrige Emissionsfaktoren haben) tritt Wärmestrahlungsreflexion auf. Um solche Messfehler zu vermeiden, ist es ratsam, die Messungen aus verschiedenen Positionen durchzuführen. Achten Sie dabei darauf, ob das auffällige Temperaturphänomen (z. B. heiße Stelle) sich durch Änderung der Messposition "bewegt" oder nicht. Wenn sich die Position im Wärmebild ändert, handelt es sich um Reflexion von irgendeiner punktförmigen Wärmequelle hinter uns, wenn sie sich nicht "bewegt", handelt es sich tatsächlich um eine Stelle mit hoher Temperatur. Bei leistungsstärkeren/hochspannungsführenden Verteilern sind flache Kupfer- oder Aluminiumschienen häufig anzutreffen, fast spiegelnd poliert. Es kann leicht passieren, dass immer genau die Stromschiene, die gerade gemessen wird, eine Temperatur von 35°C "anzuzeigen" scheint. 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 neu installierten, 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 Emissionseigenschaft. Natürlich können diese Vorbereitungsmaßnahmen nur im spannungslosen Zustand durchgeführt werden. Die abgedeckten Teile von Schaltern und Verteilern können nicht direkt gemessen werden. Durch Plexiglas- oder andere Kunststofffenster/Türen/Abdeckungen können keine berührungslosen Temperaturmessungen durchgeführt werden. Diese Abdeckungen sollten - wenn möglich - vor der Messung (im spannungslosen Zustand!) entfernt werden.

Abbildung: Fehlanzeige der Temperatur auf Stromschienen oder polierten Oberflächen aufgrund von Reflexion [Quelle: PIM]

Abbildung: Falsche Temperaturanzeige auf Außenisolierungen aufgrund von Sonneneinstrahlung [Quelle: PIM]

Beispiele für Außenmessungen:

Abbildung: Transformator [Quelle: InfraTec]

Abbildung: Untersuchung einer Unterstation [Quelle: InfraTec]

Abbildung: Freileitung mit Fehler [Quelle: InfraTec]

Bei praktischen Messungen ist zu beachten, dass sowohl Infrarotthermometer als auch Wärmebildkameras optische Instrumente sind, die nur mit einer bestimmten geometrischen Auflösung in der Lage sind, die Wärmestrahlung von Teilen der gemessenen Oberfläche zu erfassen. In der Praxis bedeutet dies, dass bei kleinen Messobjekten oder Messungen aus großer Entfernung (z. B. an Freileitungen) die geometrische Auflösung des berührungslosen Temperaturmessgeräts (sei es eine Wärmebildkamera oder ein Infrarotthermometer) berücksichtigt werden muss. Bei zu kleinen Objekten oder Messungen aus zu großer Entfernung wird durchschnittlich eine falsch niedrige Objekttemperatur angezeigt, da eine Durchschnittsbildung zwischen Hintergrund- und Objekttemperatur (unter Annahme einer höheren Objekttemperatur) erfolgt. Je größer der Temperaturunterschied zwischen Objekt und Hintergrund ist, desto größer wird auch der Messfehler sein!

Bei Infrarotthermometern bestimmt der Wert von 20:1, 30:1 oder 50:1 bzw. 60:1, ob sie überhaupt für die Temperaturmessung elektrischer Geräte geeignet sind und wie groß das kleinste messbare Objekt bzw. die größte Messdistanz ist. Bei einem Infrarotthermometer mit einer Optik von 20:1 wird beispielsweise die Durchschnittstemperatur einer 1 m durchmessenden kreisförmigen Oberfläche aus 20 m Entfernung angezeigt. Aus 1 m Entfernung hat diese Oberfläche etwa einen Durchmesser von 50 mm. (In der Praxis sind solche Infrarotthermometer aufgrund der Sicherheitsvorschriften für Hochspannungsgeräte kaum für die Temperaturmessung elektrischer Geräte geeignet, da bei Hochspannungsgeräten aus größeren Entfernungen gemessen werden muss und bei Niederspannungs- und Mittelspannungsgeräten die Objektgrößen kleiner als 50 mm sind. Für die Zustandsüberwachung elektrischer Geräte empfiehlt es sich daher, Infrarotthermometer mit einer Optik von 50:1 oder 60:1 zu verwenden. Mit einem Gerät mit 60:1 Optik können beispielsweise Objekte mit einem Durchmesser von bis zu 16 mm aus 1 m Entfernung noch erfasst werden, vorausgesetzt, dass die Messfläche (bei besseren Geräten mindestens mit 2 Laserpunkten markiert) nicht über die Oberfläche des zu messenden Objekts (Kabel, Anschluss, Kontakt) hinausragt. Bei der Verwendung von Wärmebildkameras muss jedoch die Regel beachtet werden, dass mindestens drei elementare Bildpunkte (Pixel) auf einer Messfläche liegen müssen, um die gemessenen Temperaturdaten korrekt bewerten zu können. Wenn dies nicht beachtet wird, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass nur Pixel auf unserem Wärmebild angezeigt werden, die die Durchschnittstemperatur der Objektoberfläche und des Hintergrunds anzeigen. Um während der Messungen festzustellen, was das kleinste Objekt ist, das mit der jeweiligen Wärmebildkamera gemessen werden kann, bzw. welche maximale zulässige Messdistanz besteht (diese beiden Werte hängen natürlich voneinander ab), ist der IFOV-Parameter (instantaneous field of view, kleinster elementarer Sichtwinkel) in den technischen Daten der Wärmebildkamera enthalten. Dieser Wert gibt den Winkel an, der benötigt wird, um mit einem einzigen Sensor (Pixel) abzubilden. Zum Beispiel bedeutet der Wert von 1,5 mrad, dass jeder – auf das Objekt projizierte – Messpunkt bei einem Abstand von 1 m einen Durchmesser von 1,5 mm hat, bei 2 m Entfernung hat die projizierte Fläche einen Durchmesser von 3 mm usw. (Dies ist vorzustellen wie den Lichtstrahl einer Taschenlampe, der je nach Entfernung einen immer größeren Kreis umfasst.) Bei Bedarf muss die geometrische Auflösung an die Objektgröße/Entfernung angepasst werden, indem eine entsprechende Optik (spezielles Teleobjektiv) verwendet wird.

Abbildung: Sichtfeld und geometrische Auflösung der Wärmebildkamera [Quelle: Infratec]

Abbildung: Einfluss der geometrischen Auflösung auf das Messergebnis [Quelle: PIM Kft.]

Die folgende Wärmebildserie zeigt sehr anschaulich die Bedeutung davon, dass das zu messende Objekt mindestens dreimal größer sein sollte als die individuelle Messfläche, die in der jeweiligen Entfernung projiziert wird. Andernfalls - zum Beispiel, wenn jemand fälschlicherweise ein "überblickendes" Wärmebild von einem großen Schalt- oder Verteilerschrank erstellen würde - könnten die individuellen Messpunkte nicht nur die Oberfläche des Objekts, sondern auch dessen Hintergrund enthalten. Da innerhalb des Messpunkts eine Durchschnittsbildung erfolgt, kann aufgrund der Hintergrundtemperatur das Messergebnis kleiner oder größer als die tatsächliche Temperatur des Objekts sein.

Abbildung: Auswirkungen der geometrischen Auflösung. Wärmestrahlungsaufnahme mit einem Wert von 1,5 mrad, links aus 2 m Entfernung (maximaler Wert 261 °C), in der Mitte aus 1 m Entfernung (maximaler Wert 320 °C), rechts aus 0,2 m Entfernung (maximaler Wert 415 °C) [Quelle: PIM Kft.]

Basierend auf den vorherigen Informationen wird deutlich, dass die vom Wärmebildkamera-Sensor erfasste Menge an 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 führen kann.

Die optische Fokussierung funktioniert genauso wie wir es von der Fotografie gewohnt sind: Die Aufgabe des Sammel- oder Fokussierobjektivs innerhalb der Kamera besteht darin, die einfallenden Strahlen auf die Sensorfläche (im herkömmlichen Fotografiebereich auf den Film) zu projizieren. Bei falscher Fokussierung werden die Strahlen vor oder hinter der Sensorfläche gesammelt. In diesem Fall wird das Bild unscharf. Bei einem Wärmebild ist das Problem jedoch größer: da nur ein Teil der tatsächlichen Strahlung auf den Sensor fällt, wird der Rest in dessen Umgebung projiziert. Dies führt dazu, dass die gemessene Temperatur bei einem hohen Temperaturpunkt (sog. Hot-Spot) immer niedriger als die tatsächliche Temperatur sein wird. Je schlechter die Fokussierung ist, desto stärker weicht der gemessene Wert vom richtigen Wert ab.

Abbildung: Gute Fokussierung (links) und schlechte Fokussierung (rechts) [Quelle: PIM Kft.]

Die rechte Abbildung zeigt, dass bei schlechter Fokussierung nur ein Teil der einfallenden Strahlung auf die Sensorfläche trifft (der Rest der Strahlung trifft die Umgebung). Daher zeigt eine falsche Fokussierung immer niedrigere Maximalwerte und höhere Minimaltemperaturen auf der Wärmebildkamera an, als die Oberfläche des Objekts tatsächlich hat. Dieser Fehler kann bis zu 20-30% betragen.

Linkes Bild: Aufnahme eines Lötkolbens mit sehr schlechter Fokussierung (maximaler Wert: 280 °C) Mittleres Bild: Aufnahme eines Lötkolbens mit etwas schlechter Fokussierung (maximaler Wert: 338 °C) Rechtes Bild: Aufnahme eines Lötkolbens mit perfekter Fokussierung (maximaler Wert: 428 °C)

Abbildung: Die Auswirkung der Fokussierung [Quelle: PIM Kft.]

Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu  

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