Thermografische Prüfung elektrischer Anlagen

Praktische Tipps, Grenzwerte, Schätzungsmethoden für Grenzwerte

Die thermografische Zustandsüberwachung elektrischer Anlagen basiert darauf, dass unterdimensionierte oder beschädigte Leitungen, schlechte Verbindungen (aufgrund erhöhtem Übergangswiderstand) und in den meisten Fällen elektrisch defekte Geräte höhere Temperaturen als üblich (zulässig) erreichen.

Der größte Vorteil der Thermografie liegt darin, dass die Messungen sicher aus der Ferne durchgeführt werden können - auch an Anlagen mit mehreren kV - ohne den Betrieb des geprüften Geräts zu beeinflussen. Typische Anwendungsbereiche sind die Zustandsüberwachung elektrischer Anlagen in der Energieindustrie.

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

Elektrische Fehler, die thermografisch gefunden werden können

• Unterdimensionierte (überlastete) Kabel, Schaltanlagen, Verbindungen, Transformatoren
• Defekte (lockere, korrodierte) Kontakte an beliebigen elektrischen Geräten oder Anlagen
• Beschädigte Kabelenden, Ringe, Überspannungsableiter
• Schwache Verbindungen an Sicherungen, Leistungsschaltern, Stromschienenverbindungen, Kabelanschlüssen, Motorstartgeräten
• Beschädigte Leistungsschalter und Schaltanlagen
• 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 Hochspannungsanlagen muss der Sicherheitsabstand unbedingt eingehalten werden - Lebensgefahr!
• Außenmessungen (z. B. an Transformatoren und Freileitungen) sollten früh morgens oder spät abends (bei fehlendem Sonnenlicht) durchgeführt werden, um Wärmereflektionen und störende Hintergrundstrahlung zu vermeiden.
• Insbesondere bei neuen Anlagen (da spiegelnde oder schön bearbeitete metallische Oberflächen über eine sehr geringe Emissionsrate verfügen) können Wärmereflektionen auftreten. 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 matten Farben) oder das Aufkleben von dünnen Isolierbändern mit bekannter Emissionsrate helfen. Natürlich sollte dies nur im spannungslosen Zustand erfolgen.
• Um Fehlerstellen zu entdecken, die bei Nennlast (bzw. Betriebs- oder "volle" Last) gefährlich werden können, sollten die Messungen unter Betriebslast durchgeführt werden. Die Leistungslast der elektrischen Komponenten steigt mit dem Quadrat des Stroms und damit auch deren Temperatur.
• Die abgedeckten Teile von Schaltern und Verteilern können nicht direkt gemessen werden. Thermografische Messungen können nicht durch Plexiglas- oder andere Kunststofffenster durchgeführt werden. 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, um die gemessenen Temperaturdaten korrekt auswerten zu können. Bei Bedarf sollte die geometrische Auflösung an die Größe/Entfernung des Objekts angepasst werden, indem eine geeignete Optik (spezielles Teleobjektiv) verwendet wird.

Abbildung: Fehler unter der Abdeckung [Quelle: PIM]

Abbildung: Kontaktfehler [Quelle: PIM]

Abbildung: Defekter Kabelschuh [Quelle: PIM]

Abbildung: Lockere Verbindung [Quelle: PIM]

Praktische Grenzwerte

Häufig stellt sich die Frage, wo die Grenze gezogen werden soll, ab wann eine festgestellte Erwärmung als fehlerhaft oder sogar gefährlich betrachtet werden soll. Diese Frage ist besonders schwierig zu beantworten, wenn die thermografische Untersuchung bei einem deutlich geringeren Strom als der maximalen Belastung durchgeführt wurde. Grundsätzlich (auch um dieses Problem zu vermeiden) sollte akzeptiert werden, dass thermografische Zustandsprüfungen von elektrischen Anlagen nur bei einer Last von mindestens 50 % der Nennlast durchgeführt werden dürfen. Nur grobe Fehler können selbst bei einer Belastung von 30 % entdeckt werden. Akzeptierte Grenzwerte und Entscheidungsregeln (bei mindestens 75 % Last) Grenzwerte im Vergleich zur Umgebungstemperatur Erwärmung* <20°C: in Ordnung Erwärmung* <40°C: überprüfen Erwärmung* >40°C: dringend überprüfen Erwärmung* >60°C: kritisch (* über Umgebungstemperatur) Grenzwerte für Unterschiede zwischen Phasen Abweichung** <5°C: in Ordnung Abweichung** <20°C: überprüfen Abweichung** >20°C: dringend überprüfen Abweichung** >40°C: kritisch (** zwischen Phasen) Grenzwerte je nach Isoliermaterial Gummikabel: max. 60°C *** PVC-Isolierungskabel: max. 70°C *** Silikonisolierungskabel: 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 *** Schaltmagneten: typischerweise max. 85°C *** Transformatoren: typischerweise max. 85°C *** (*** absolute Temperaturwerte) Hinweis: Bei geringerer Belastung gelten niedrigere Grenzwerte als alle oben genannten.

Abbildung: Ungleiche Stromschienen (Reflexion auf nicht staubigen Oberflächen!) [Quelle: PIM]

Erwartete Erwärmung bei Nennlast schätzen

Die Erwärmung entsteht aufgrund des Übergangswiderstands des untersuchten elektrischen Geräts (Kabel, Schiene usw.) oder Kontakts, der als Energieverlust in Form von Wärme auftritt. Das Gerät gibt diese Leistung durch Wärmestrahlung, Konvektion (in die Luft) und Wärmeleitung an die angeschlossenen Elemente ab. Da die zu erwartende Erwärmung bei einer größeren Belastung (sei es Strom oder Spannung) durch die last- und temperaturabhängige Änderung des Widerstands des betreffenden Geräts oder Kontakts sowie durch die voraussichtlich stärkere Wärmeleitung, Wärmestrahlung und konvektive Wärmeabgabe beeinflusst wird, könnte die auftretende Erwärmung nur mit sehr komplexen mathematischen Beziehungen genau bestimmt werden. Im stationären Zustand kann die zu erwartende Temperatur in einem (als unendlich lang angenommenen) Schienen- oder Leiterabschnitt nach folgender Gleichung berechnet werden:

Da diese Gleichung für die praktische Anwendung aufgrund der schwer zugänglichen Materialeigenschaften recht kompliziert ist, empfehlen wir stattdessen die folgende Schätzung:

Einfache Schätzung der Erwärmung bei Nennlast (Eric Rahne-Schätzung) Wenn angenommen wird, dass zwischen der Last zum Messzeitpunkt und der Nennlast ein so geringer Temperaturanstieg auftritt, dass die temperaturabhängige Änderung des spezifischen Widerstands (Zunahme) vernachlässigbar ist und weder der Stromverdrängungsfaktor noch die Wärmeübergangsfaktoren durch die beobachtete Temperaturerhöhung signifikant verändert werden, können die genannten Faktoren in der obigen Gleichung als konstant angesehen werden. (Dies kann bei Temperaturerhöhungen von einigen zehn °C angewendet werden. Bei größeren Temperaturänderungen können diese Vereinfachungen jedoch zu großen Fehlern führen, daher sind die folgenden Gleichungen NICHT anwendbar.) Mit der Anwendung dieser Vereinfachungen ergibt sich die folgende Gleichung:

Zur Schätzung der erwarteten absoluten Temperaturen können wir verwenden:

Die geschätzten Temperaturen können dann mit den oben aufgeführten Grenzwerten verglichen werden.

Abbildung: Transformator [Quelle: InfraTec]

Abbildung: Unterstation Überprüfung [Quelle: InfraTec]

Abbildung: Fehlerhafte Freileitung [Quelle: InfraTec]

Wichtig: Bei der Prüfung von Umspannwerken und Freileitungen müssen unbedingt alle Bedingungen für Freiluftmessungen strikt eingehalten werden. Messungen können nachts (vorzugsweise bei bewölktem Himmel) oder bei sehr dicker, vollständig geschlossener - aber regenfreier - Wolkendecke auch tagsüber durchgeführt werden. (Aus Erfahrung bevorzugen wir nächtliche Messungen.) Beachten Sie auch, dass wir in der Regel die Temperaturen metallischer Gegenstände berührungslos bestimmen möchten, die daher eine signifikante Wärmestrahlungsreflexionsfähigkeit aufweisen. Um störende Strahlungseffekte zu minimieren, ist es am besten, wenn wir messen, wenn diese nicht vorhanden sind. (So macht es beispielsweise keinen Sinn, Freileitungseinsätze mit einem Hubschrauber durchzuführen, wenn kein Rundflug geplant war, der an die Bedingungen für klare Sicht am Tag - also sonniges Wetter - gebunden ist.)

Aus messtechnischer Sicht ist auch die geometrische Auflösung kritisch: Für die Messung von Überlastungen und vorübergehenden Widerstandserhöhungen von Seilen mit einem Durchmesser von nur 18 mm in einer Höhe von 30 m ist eine geometrische Auflösung von 0,2 mrad (oder besser) erforderlich, daher wird ein großes Teleobjektiv benötigt. Einige Fehler in den Isolatoren können möglicherweise auch bei einer schwächeren geometrischen Auflösung gefunden werden.

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

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