Elektrikerblatt 2008.6. Thermografische Prüfung elektrischer Anlagen II.

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

Basierend auf der Detektion der Infrarotstrahlung kann die Temperatur eines Objekts (Oberfläche) nur unter genauer Kenntnis des Emissionsgrades, der reflektierten Wärmestrahlung (Umgebungstemperatur) und (bei für Wärmestrahlung transparenten Objekten) der Hintergrundtemperatur berechnet werden (basierend auf der Thermografie-Grundgleichung). Je niedriger der Emissionsgrad des Objekts (die Strahlungsemissionsfähigkeit) ist, desto mehr Korrekturen sind erforderlich, daher müssen alle Parameter genauer angegeben werden. Aus dieser Beziehung ergibt sich, dass in einigen Fällen die Temperatur des Objekts auf keinen Fall gemessen werden kann:

• bei spiegelnden Oberflächen - z. B. polierte Oberflächen, oxidationssichere Metallflächen
• bei für Infrarotstrahlung nahezu perfekt transparenten Materialien - wie bestimmte kristalline Materialien, verschiedene Gase

Zur Erläuterung sei erwähnt, dass in beiden Fällen der Emissionswert nahe bei "0" liegt, sodass die für die Temperaturberechnung verwendbare Strahlung, die aufgrund der Temperatur des Objekts erfasst wird, praktisch nicht vorhanden ist. In der Praxis ist diese Tatsache von großer Bedeutung: Es muss berücksichtigt werden, dass beispielsweise Wärmeisolierungen mit neuen - schön polierten - Aluminium- oder Edelstahlverkleidungen nicht mit thermografischen Geräten überprüft werden können. Es spielt keine Rolle, wie hoch die Temperatur (sogar glühend heiß) der gemessenen Oberfläche ist, es wird immer nur die Temperatur der darauf reflektierten Umgebungsgegenstände "gemessen". Ein ähnlicher Sachverhalt tritt auf, wenn es darum geht, brandneue elektrische Installationen, Schaltschränke zu prüfen: Die Temperatur der metallischen (polierten) Schienen, Verbindungen und Anschlüsse kann berührungslos nicht bestimmt werden. (Oxidierte oder lackierte / mit Isolierstoff beschichtete / Oberflächen hingegen sind messbar - da sie aufgrund ihres nichtmetallischen, matten Charakters einen hohen Emissionsgrad aufweisen.)

Neue - polierte Oberfläche - Kupferleiter - der Boden des Kupferleiters scheint wärmer zu sein als der Rest, obwohl aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer keine Unterschiede vorhanden sein sollten - die sichtbare Wärmeentwicklung resultiert aus der Reflexion der darunter liegenden warmen Geräte. Wenn auf einem Wärmebild viele verschiedene Materialoberflächen vorhanden sind, kann es erforderlich sein, die Emissionsgrade pixelweise zu korrigieren, um genaue Temperaturberechnungen durchzuführen. Als klassisches Beispiel sei die Bewertung der Wärmebelastung von elektronischen Schaltungen erwähnt: Es gibt nichtmetallische Oberflächen (Keramik, Kunststoff, Lack) und metallische (Kupfer, Zinn, Nickel und Gold) Oberflächen. Als Lösung wird die zu prüfende Leiterplatte gleichmäßig auf eine ausreichend unterschiedliche Temperatur (z. B. 50 °C bei 20 °C Umgebungstemperatur) erwärmt und die erfassbare Wärmestrahlungsintensität als pixelweise Emissionsgrade gespeichert. Die Berechnung des Wärmebilds der anschließend in Betrieb genommenen Schaltung erfolgt durch die Anwendung der zuvor festgelegten pixelweisen Emissionsgrade durch die Software, wodurch trotz unterschiedlicher Emissionsgrade die Temperaturdaten für jedes Pixel genau bestimmt werden. Beispiel für die pixelweise Korrektur der unterschiedlichen Emissionsgrade

- in der Realität erscheinen heiße Leiterbahnen als kalt - die Ursache für falsche Daten sind die unterschiedlichen Emissionswerte

- scheinbar unterschiedliche Temperaturen sind vorhanden - die Unterschiede liegen in den unterschiedlichen Emissionswerten

- Korrektur pixelweise basierend auf der linken Abbildung - die heißen Schaltkreisbeine sind auf dem Wärmebild ebenfalls heiß

- die Berechnung des äquivalenten schwarzen Strahlers (eps) aus der gleichmäßigen Temperatur - die Emissionsbestimmung erfolgte pixelweise

Praktische Messhinweise

Dieses Kapitel befasst sich ausführlich damit, welche Messungen (mit welchen Ergebnissen) im Zusammenhang mit elektrischen Geräten mithilfe von Thermografie-Methoden durchgeführt werden können und worauf bei der Fehlerbehebung von Messfehlern geachtet werden muss. Thermografische Messungen an elektrischen Geräten basieren darauf, dass unterdimensionierte oder beschädigte Leitungen, schlechte Verbindungen (aufgrund erhöhtem Übergangswiderstand) sowie in den meisten Fällen elektrisch fehlerhafte Geräte höhere Temperaturen erreichen als üblich (zulässig). Der größte Vorteil der Thermografie liegt darin, dass die Messungen sicher aus der Ferne durchgeführt werden können - auch an Geräten mit mehreren kV -, ohne den Betrieb des untersuchten Geräts zu beeinträchtigen. Typische Anwendungsbereiche

• Elektrische Zustandsüberwachung in der Energiebranche: Generatoren, Transformatoren, Isolatoren, Schalter, Ableiter, Kabel, Verbindungen, Verteiler usw. (in Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetzen gleichermaßen).
• Überprüfung elektrischer Geräte in Produktionsstätten: Einspeisetransformatoren, Haupt- und Unterverteiler, Schaltschränke, individuelle Anschlüsse usw.
• Elektrische Maschinen und Geräte in der Industrie: Elektromotoren, Phasenschieber, Frequenzumrichter usw.

Elektrische Fehler, die mittels Thermografie gefunden werden können

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

Wichtige Tipps

• Bei Hochspannungsgeräten muss der Sicherheitsabstand unbedingt eingehalten werden - Lebensgefahr!
• Im Freien durchgeführte Messungen (z. B. an Transformatoren und Freileitungen) sollten früh morgens oder spät abends (bei fehlendem Sonnenlicht) erfolgen, um Wärmereflektionen und störende Hintergrundstrahlung zu vermeiden.
• Insbesondere bei neuen Geräten (da spiegelnde oder gut 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 Mattieren der zu messenden Oberflächen (mit Mattfarbe) oder das Anbringen von Material mit bekannter Emissionsfähigkeit (z. B. dünnes Isolierband) helfen. Natürlich darf dies nur im spannungslosen Zustand erfolgen.
• Um Fehlerstellen zu entdecken, die unter Nenn- (oder Betriebs- oder "voller") Last gefährlich werden, sollte die Messung unter Betriebslast durchgeführt werden. Die Leistungslast der elektrischen Komponenten steigt mit dem Quadrat des Stroms und somit auch deren Temperatur.
• Die abgedeckten Teile von Schalt- und Verteilungseinrichtungen 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!) entfernt 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 gemessene Temperatur korrekt bewertet werden kann. Bei Bedarf sollte die geometrische Auflösung an die Größe/Entfernung des Objekts angepasst werden, indem eine geeignete Optik (spezielles Teleobjektiv) verwendet wird.

Tips zur Auswahl der geeigneten Wärmebildkamera je nach Messaufgabe

Während im vorherigen Abschnitt die Bedeutung der technischen Parameter von Wärmebildkameras erklärt wurde, geben wir im Folgenden die Auswahlkriterien für entsprechende Messgeräte (Wärmebildkamera) für Fachgebiete an. I. Zur Untersuchung elektrischer Anlagen- Wellenlängenbereich: langwellig Hinweis: Der typische Temperaturbereich elektrischer Anlagen liegt zwischen 0°C und 200°C. Diese Messungen können am besten mit einer langwelligen Wärmebildkamera durchgeführt werden, da Körper in diesem Temperaturbereich gemäß dem Planckschen Gesetz hauptsächlich langwellige Wärmestrahlung abgeben. - Mess- (Kalibrier-)bereich: mindestens 0°C ... 150°C oder besser: -20°C ... 250°C Hinweis: Der Messbereich sollte je nach erwarteter Temperatur der zu messenden Anlagen ausgewählt werden. Wenn eine Wärmebildkamera mit einem breiteren Kalibrierbereich zu einem ähnlichen Preis erhältlich ist, sollte diese aus Sicherheitsgründen bevorzugt werden. Kameras, die auf -20 oder -40°C kalibriert sind, bieten natürlich die beste Bildqualität, da sie weniger Rauschen aufweisen. - Anzahl der Bildpunkte: min. 160x120 oder 320x240 Bildpunkte, besser 384x288 Bildpunkte Hinweis: Mit einer geringeren Pixelanzahl können nur sehr kleine Flächen erfasst werden, z. B. kann mit 120x160 Pixeln nur ein Teil eines Schaltschranks /je nach kleinstem Querschnitt des Kabels nur ein Viertel oder ein Achtel/ auf einem Wärmebild festgehalten werden. Eine solch kleine Kamera eignet sich daher gut zur Fehlersuche /insbesondere wenn es automatische visuelle oder akustische Alarme für Grenzwertüberschreitungen gibt/, aber die Dokumentation kompletter elektrischer Netzwerke oder herstellerseitiger Anlagen ist aufgrund der Vielzahl an Aufnahmen und der erforderlichen Montage von Wärmebildern nicht wirtschaftlich. - Geometrische Auflösung: min. 2 mrad, besser 1,5 mrad, am besten 1 mrad Hinweis: Da mindestens 2 einzelne Bildpunkte auf die kleinste zu messende Oberfläche /den kleinsten Querschnitt des Kabels/ fallen müssen, begrenzt die geometrische Auflösung die Entfernung, aus der Wärmebilder aufgenommen werden können. Bei einer Wärmebildkamera mit "schwacher" geometrischer Auflösung kann dies dazu führen, dass für eine korrekte Messung jedes Kabels und jeder Verbindung in einem Schaltschrank möglicherweise 8-10 Aufnahmen erforderlich sind. - Temperaturauflösung: 120 mK oder besser: 80 mK Bei der Untersuchung elektrischer Anlagen können ziemlich große Temperaturunterschiede erwartet werden, daher ist die Temperaturauflösung nicht so kritisch. - Bildaufnahmefrequenz: keine Einschränkung Hinweis: Die Bildaufnahmefrequenz der Wärmebildkamera ist höchstens insofern eingeschränkt, dass für scannende Wärmebildkameras aufgrund einer Bildaufnahmezeit von 1 Sekunde mit einem Kamerastativ gearbeitet werden muss. Bei schnelleren Matrixkameras können die Aufnahmen jedoch "aus der Hand" gemacht werden. - Empfohlene "spezielle" Funktionen: wählbare Farbskala, Autofokus, integrierte digitale Videokamera oder Composite-Bildgebung (visuelle und Wärmebilder übereinander projiziert).

II. Für Mikroelektronikmessungen (Prozesse mit schnellen Temperaturänderungen)- Wellenlängenbereich: langwellig Hinweis: Der typische Temperaturbereich elektronischer Geräte liegt zwischen 0°C und 200°C. Diese Messungen können am besten mit einer langwelligen Wärmebildkamera durchgeführt werden, da Körper in diesem Temperaturbereich gemäß dem Planckschen Gesetz hauptsächlich langwellige Wärmestrahlung abgeben. - Mess- (Kalibrier-)bereich: min. 0°C ... 150°C oder besser: -20°C ... 250°C Hinweis: Der Messbereich sollte je nach erwarteter Temperatur des zu messenden elektronischen Geräts ausgewählt werden. Wenn eine Wärmebildkamera mit einem breiteren Kalibrierbereich zu einem ähnlichen Preis erhältlich ist, sollte diese aus Sicherheitsgründen bevorzugt werden. Kameras, die auf -20 oder -40°C kalibriert sind, bieten natürlich die beste Bildqualität, da sie weniger Rauschen aufweisen. - Anzahl der Bildpunkte: min. 160x120 oder 320x240 Bildpunkte, besser 384x288 oder sogar 640x480 Bildpunkte Hinweis: Mit einer geringeren Pixelanzahl können nur sehr kleine Flächen erfasst werden, z. B. kann mit 120x160 Pixeln nur die Oberfläche eines oder zweier integrierter Schaltkreise auf einem Wärmebild festgehalten werden. Eine solch kleine Kamera eignet sich daher gut zur Fehlersuche /insbesondere wenn es automatische visuelle oder akustische Alarme für Grenzwertüberschreitungen gibt/, aber die Messung und Dokumentation von kompletten Leiterplatten /elektronischen Paneelen/ erfordert viele Aufnahmen und die Montage von Wärmebildern.

- Temperaturauflösung: 120 mK oder besser: 80 mK Bei der Messung von elektronischen Geräten können große Temperaturunterschiede auftreten, daher ist die Temperaturauflösung nicht so kritisch. - Bildaufnahmefrequenz: > 2 x Prozessfrequenz Hinweis: Dies ist einer der kritischsten Parameter für schnelle Prozesse bei Wärmebildkameras. Da die Aufnahme von Wärmebildern als digitale Abtastung betrachtet wird, muss das Shannon-Gesetz der digitalen Signalverarbeitung eingehalten werden. Demnach muss die Abtastung /in unserem Fall die Wärmebildaufnahme/ mindestens doppelt so schnell erfolgen wie die höchste Frequenzkomponente des Prozesses. Wenn beispielsweise eine Leistungselektronik aufgrund einer 50 Hz-Einspeisung mit 50 Hz erwärmt und abgekühlt wird, muss die Bildaufnahmefrequenz höher als 100 Hz sein. Andernfalls tritt der sogenannte Aliasing-Effekt auf, und aufgrund der Unterabtastung des Temperaturverlaufs sehen wir langsamere Prozesse /Veränderungen/ als tatsächlich stattfindend dargestellt. - Empfohlene "spezielle" Funktionen: wählbare Farbskala, Autofokus, Differenzaufnahme (Änderungen im Vergleich zum Referenz-Wärmebild), Serienaufnahme, pixelgenaue Emissionskorrektur (in der Elektronik verwendete Bauteile - Kupfer, Keramik, Kunststoff haben sehr unterschiedliche Emissionsfaktoren, aber die manuelle Korrektur vieler kleiner Oberflächen ist praktisch unmöglich).

Vermessung von Stromleitungen- Wellenlängenbereich: langwellig Hinweis: Die messbaren Temperaturen an Stromleitungen können je nach Belastung stark variieren. Typisch sind (im Sommer, nachts) Temperaturbereiche von 10...150°C. Die Messung solcher Temperaturen kann am besten mit einer langwelligen Wärmebildkamera durchgeführt werden, da Körper in diesem Temperaturbereich überwiegend langwellige Wärmestrahlung abgeben, gemäß dem Planckschen Gesetz. - Wärmebildkamera-Typ: Matrix- oder Scanning (Raster) Hinweis: Bei Fehlfunktionen von Stromleitungen oder Isolierungen können große Temperaturunterschiede auftreten, daher ist die Bildhomogenität nicht so kritisch. Sowohl mit Scanning- als auch mit Matrixkameras können perfekte Daten gewonnen werden. - Mess- (Kalibrier-)bereich: -20°C ... 120°C oder besser: -40°C ... 300°C Hinweis: Da es sich um Freiluftmessungen handelt, müssen diese nachts durchgeführt werden. Abhängig von der Jahreszeit kann die Temperatur während der Messung sogar unter -10°C fallen, in diesem Fall sind nur Wärmebildkameras mit einem Kalibrierbereich ab -20°C in der Lage, akzeptable Aufnahmen zu liefern. Kameras, die ab -40°C kalibriert sind, bieten noch bessere Bildqualität, da sie weniger Rauschen aufweisen. Daher empfehlen wir hauptsächlich den Einsatz von Wärmebildkameras, die ab -20°C bzw. -40°C kalibriert sind. - Anzahl der Bildpunkte: min. 320x240 Bildpunkte, besser 384x288 Bildpunkte Hinweis: Mit weniger Pixeln können nur sehr kleine Flächen erfasst werden - z. B. mit 120x160 Pixeln nur eine einzige Isolierung. Die Vermessung eines Abschnitts einer Stromleitung erfordert daher viele Aufnahmen, deren Verarbeitung ebenfalls einen enormen Aufwand darstellt. - Geometrische Auflösung: min. 0,3 mrad oder besser 0,2 mrad Hinweis: Dies ist der kritischste Parameter bei der Vermessung von Stromleitungen! Um die Temperatur eines 20 mm Durchmessers Seils in 30 m Höhe korrekt zu messen /mindestens zwei elementare Bildpunkte müssen auf der Oberfläche liegen/, ist eine geometrische Auflösung von 0,3 mrad oder besser erforderlich. Da zwischen den Bildpunkten der Matrixkameras eine "Lücke" besteht, müssten noch strengere Anforderungen gelten /drei Bildpunkte müssen auf der Oberfläche liegen/, daher kann eine präzise Messung nur bei 0,2 mrad garantiert werden. - Temperaturauflösung: 120 mK oder besser: 80 mK An den Fehlerstellen von Stromleitungen sind in der Regel große Temperaturunterschiede zu erwarten, daher ist die Temperaturauflösung nicht so kritisch. - Bildaufnahmefrequenz: keine Einschränkungen bei Aufnahmen vom Boden oder von einem stehenden Fahrzeug aus Hinweis: Die Bildaufnahmefrequenz der Wärmebildkamera unterliegt höchstens der Einschränkung, dass bei Scanning-Wärmebildkameras aufgrund der 1-sekündigen Bildaufnahme mit einem Kamerastativ gearbeitet werden muss. Auch bei Matrixkameras ist ein Stativ erforderlich, da sonst das entfernte Seil oder die Isolierung nicht "angezielt" werden kann. - Empfohlene "spezielle" Funktionen: wählbare Farbskala, Autofokus, unbedingt geeignetes Teleobjektiv, bei Scanning-Kameras echte (elektrooptische) Vergrößerung (Zoom), möglicherweise Kompositbildgebung (visuelle und Wärmebilder übereinander projiziert), zur Aufnahme aus einem fahrenden Fahrzeug ist ein Kamerastabilisator erforderlich. Ich stehe gerne allen Interessierten mit fachkundiger Beratung zur Verfügung. Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu

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