Wartung und Instandhaltung
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Elektrotechnik
Elektro-Thermografie
ep3/2007, 4 Seiten
Temperatur exakt messen Thermografische Aufnahmen machen Wärmestrahlung sichtbar. Auf Grundlage der physikalischen Eigenschaft, dass jeder Körper Energie in Form von Lichtwellen im Infrarotbereich abstrahlt, können Temperaturen gemessen werden. Schon bei Temperaturen ab dem absoluten Nullpunkt (-273 °C) sind diese Strahlen nachweisbar. Diese Eigenschaft macht sich die Thermografie zu Nutze, die über die Messung der Abstrahlungsintensität die Temperaturen von Oberflächen bestimmt. Die Intensität der Infrarot-Abstrahlung ist sehr stark von der Temperatur abhängig. Nach dem Stefan-Bolzmann-Gesetz beeinflusst die Temperatur die Intensität sogar in der vierten Potenz. Die für das menschliche Auge unsichtbaren Wärmestrahlen werden also mit Hilfe einer Wärmebildkamera (Thermografiekamera) erfasst und auf einem Monitor als sichtbares Bild dargestellt, dem Thermogramm. Die Darstellung erfolgt durch unterschiedliche Färbungen der gemessenen Temperaturen. Für die heutige konventionelle Anwendung werden pro Thermogramm je nach Kameratyp bis zu 300000 Temperaturen zwischen -40 und +2000 °C mit einer thermischen Empfindlichkeit von bis zu 0,03 °K gemessen. Das ist die kleinste Temperaturdifferenz, die noch gemessen werden kann. Wichtig für eine exakte Temperaturmessung ist allerdings die Kenntnis des Emissionsgrades der Oberflächen. Die emittierte Strahlung ist abhängig vom Material, der Farbgebung und der Oberflächenbeschaffenheit. Oberflächen mit hohen Emissionsgraden wie schwarzer Kunststoff oder Ruß lassen gute Ergebnisse zu. Gegenstände mit kleinen Emissionsgraden, wie blankes Metall, lassen sich nur schwer und mit viel Erfahrung messen. Hier kann der Einfluss der Reflexion oft viel größer sein als die emittierte Strahlung. Bei Oberflächen mit unbekanntem Emissionsgrad muss vor der Thermografie erst der Emissionsgrad des zu messenden Objektes anhand von Tabellenangaben oder Referenzpunkten bestimmt werden. Nicht immer ist die absolute Temperatur von Bedeutung, für qualitative Aussagen reichen bei einigen Anwendungen die gemessenen Temperaturdifferenzen aus. Die Messungenauigkeit der angebotenen Thermografie-Systeme beträgt bei etwa 30 °C ± 2 %. Die Genauigkeit der gemessenen Temperatur nimmt in Richtung extrem hoher oder niedriger Temperaturen ab. Schwachstellen frühzeitig aufzeigen Die Thermografie-Untersuchung elektrischer Anlagen dient der vorbeugenden und zustandsorientierten Instandhaltung von elektrischen Systemen. Sie kann an Nieder-, Mittel-und Hochspannungsanlagen durchgeführt werden. Elektrische Betriebsmittel, wie beispielsweise Kabelkanäle und Steigetrassen, komplette Schaltschrankanlagen inklusive Schalt- und Steuergeräte, Verteileranlagen, Stromschienen, Transformatoren, Kompensationsanlagen, Trennschalter, Generatoren und Elektromotoren können gefahrlos und ohne viel Aufwand untersucht werden. So lassen sich Anlagenzustände dokumentieren, Schwachstellen und Schäden frühzeitig aufzeigen und durch die regelmäßige thermografische Überwachung Schäden, verursacht durch schadhafte elektrische Betriebsmittel, vermeiden. Im Rahmen solcher Qualitätssicherungsmaßnahmen ist das spezielle Ziel die thermische Früherkennung von bereits vorliegenden Mängeln und Defekten. Bestehen Heißstellen unerkannt und betriebsbedingt über längere Zeit, können sie Brandschäden hervorrufen. Eigenen Recherchen nach werden etwa 35 % der industriellen Brandschäden durch elektrische Mängel ausgelöst. Durch regelmäßige thermografische Untersuchungen lassen sich diese auf 5 % reduzieren. Einige Industrieversicherer wünschen nicht nur, sondern fordern zur Risikominderung thermografische Inspektionen der elektrischen Anlagen oder gewähren bei regelmäßiger Überwachung einen Rabatt auf den Versicherungsbeitrag. Unabhängig davon, ob ein Versicherungsunternehmen die Thermografie-Inspektion vorschreibt, Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 3 228 FÜR DIE PRAXIS Warten und Instandhalten Elektro-Thermografie A. Lühr, Berlin Die Thermografie findet in vielen Gebieten Anwendung. Sie ist ein schnelles und kostengünstiges Messverfahren, da sie berührungslos arbeitet und mit ihr auch schwer zugängliche Stellen erreicht werden können. Die Thermografie stellt daher besonders in der Elektrotechnik und bei der Untersuchung von Gebäudehüllen eine verlässliche Methode der Schadenfrüherkennung und Schadenverhütung dar. Autor Dipl.-Ing. Andreas Lühr ist Geschäftsführer des Ingenieurbüros M.UT.Z Gmb H, Berlin. Mustermodule in Verbundglastechnik mit optisch entkoppelten, farbig strukturierten Deckgläsern und einer Zwischenschicht aus CIS-Dünnschichtsolarzellen. Foto: ZSW Stuttgart Produktionskosten bei kristallinen Siliziumzellen zur Zeit bei rund drei Euro/Wpeak, so haben die Produkte der Dünnschichttechnologie das Potential, die Produktionskosten zukünftig auf unter einen Euro/Wpeak zu senken. PV-Anlagen rechnen sich aufgrund der finanziellen Anreize des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) nach rund 10 bis 15 Jahren. Die Rücklaufzeit der bei der Modulproduktion eingesetzten Energie beträgt durchschnittlich drei bis fünf Jahre. In den vergangenen zwei Jahrzehnten haben sich Photovoltaikmodule in der Architektur mehr und mehr vom technizistischen Fremdkörper am Gebäude zum fassadenintegrierten Bauelement entwickelt. Gerade die noch junge Dünnschichttechnologie hat die besten Aussichten, ästhetisch hochwertige Photovoltaik-Bauteile hervorzubringen. Literatur [1] Rexroth, S.: Gestalten mit Solarzellen, C. F. Müller, Heidelberg 2002 EP0307-223-231 20.02.2007 11:13 Uhr Seite 228 hat sich eine Thermografie-Untersuchung, die einen Anlagenstillstand in einem Produktionsbetrieb verhindert, schnell amortisiert. Zur Auswertung der Thermografiebilder sind alle temperaturbedingten Auffälligkeiten zu dokumentieren und auf ihre Ursache und Wirkung hin zu untersuchen. Dabei sind Kenntnisse über die thermografierte Anlage unverzichtbar, so dass eine realistische Einschätzung der temperaturbedingten Auffälligkeit gegeben werden kann. Denn nicht jede Auffälligkeit deutet auf einen Defekt hin. Elektrische Betriebsmittel, die eine auffällige Erwärmung aufweisen, können beschädigt sein, wodurch eine Ausfall- oder gar Brandgefahr besteht. Jedoch muss die Auffälligkeit nichts mit der Elektroanlage zu tun haben, sondern kann auch lediglich von der Reflexion der Wärmestrahlung eines ungedämmten Heizungsrohrs herrühren. Andererseits können Fehlinterpretationen bei fehlender Erfahrung dazu führen, dass z. B. unzulässig warme Stromschienen unentdeckt bleiben oder Anlagenteile ausgetauscht werden, die noch voll funktionsfähig sind. Es gibt durchaus Komponenten, die mit einer Temperatur von über 80 °C dauerhaft betrieben werden. Die Schwachstellen sind vom Thermografen zu analysieren, weshalb dieser über ein fundiertes elektrotechnisches und werkstofftechnisches Fachwissen verfügen sollte. Qualifizierte Elektrothermografen besitzen ein Zertifikat nach DIN EN 473 und/oder eine Anerkennung des VdS. Anerkannte Thermografen verfügen über eine Basisausbildung im Bereich der Thermografie und über eine Ausbildung oder einen Studienabschluss im Fach Elektrotechnik. Unschätzbarer Vorteil der Thermografie ist ihre Anschaulichkeit. So leuchten Maßnahmen zur vorbeugenden Instandhaltung der Elektroanlage selbst dem Prokuristen ein, wenn er die warmen Stellen mit eigenen Augen gesehen hat. Erkannte Fehlerquellen, die auf diese Weise dokumentiert sind, erleichtern die Entscheidung für Investitionen aus dem Instandhaltungsetat. Nachteil der schnellen, leicht verständlichen Ergebnisse ist im Umkehrschluss aber auch, dass schnell angenommen wird, die Ergebnisse seien ebenso einfach zu analysieren. Eine Investition in ein Thermografiegerät sollte nur getätigt werden, wenn auch das Personal ausreichend geschult wird und später für die Untersuchung zur Verfügung steht, um zu vermeiden, dass die teure Anschaffung ungenutzt im Schrank steht. Thermografische Aufnahmen und Dokumentation Für die thermografischen Aufnahmen müssen die Schaltschränke und Verteilerkästen frei zugänglich sein. Da mit Hilfe der Thermografie im normalen Anwendungsfall Oberflächentemperaturen gemessen werden, können keine Verbindungen und Kontakte kontrolliert werden, die sich hinter einem Berührungsschutz befinden. Deshalb müssen störende Verkleidungen zur Untersuchung entfernt werden. Dafür ist es sinnvoll, dass eine ortskundige Elektrofachkraft die Thermografie-Untersuchung begleitet. Zur Untersuchung sollten die elektrischen Anlagen über wenigstens vier Stunden unter normalen Betriebsbedingungen betrieben worden sein. 3.1 Häufige Schwachstellen und deren Beurteilung Erhöhte Temperaturen können folgende Ursachen haben: · erhöhte Übergangswiderstände · unzulässig hohe Belastung · ungleichmäßige Lastverteilung · defekte Bauteile und Komponenten. Häufigster Fehler ist ein erhöhter Übergangswiderstand, ausgelöst durch gebrochene Klemmteile und Federringe, ermüdete Federn, lose Schrauben und Quetschverbindungen, unzureichend eingedrehte oder gelöste Schraubensicherungen sowie oxidierte Kontaktflächen. Nicht selten sind in elektrischen Schaltanlagen auch überlastete Komponenten zu finden. Verursacht z. B. durch das Anschließen von neuen größeren Maschinen an die vorhandenen Schaltschränke, sodass die damals berechneten Querschnitte und Belastungen nicht mehr ausreichend dimensioniert sind. Häufig haben sich die Anforderungen an den Verteilnetzen geändert, ohne dass die elektrische Anlage mit angepasst wurde. Es sollte beachtet werden, dass die meisten elektrischen Bauteile mit dauerhaften Betriebstemperaturen über 60 °C eine verstärkte Alterung aufweisen, was deren Funktion, Lebensdauer und Zuverlässigkeit wesentlich beeinflusst. Für eine bessere Übersicht bei der Beurteilung ist es sinnvoll, die erkannten Schwachstellen in Fehlerklassen einzuteilen. In der Regel werden die Schwachstellen je nach Spannungsebene in drei bis vier Temperaturklassen eingeteilt. In Abhängigkeit der Temperaturklasse werden folgende Maßnahmen empfohlen: Klasse 0: keine Maßnahme notwendig Klasse 1: Schwachstelle bei Gelegenheit nachbessern Klasse 2: Wartung innerhalb der nächsten sechs Monate Klasse 3: Wartung unverzüglich einleiten, akute Gefahr Zur Dokumentation gehört die Erstellung der Thermogramme sowie die jeweilige Aufnahme eines Digitalfotos (Echtbild), wie in den Bildern bis dargestellt. In der Dokumentation wird den Thermogrammen folgendes zugeordnet: · Objekt- und Anlagenbezeichnung, · Datum, Uhrzeit, · gemessene Temperaturen der „Hot Spots“, · Zuordnung der äußeren Parameter (Emissionsgrad) und Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 3 229 EP0307-223-231 20.02.2007 11:13 Uhr Seite 229 · wenn möglich, Schaltzustand sowie die angeschlossene Leistung während der Messung. Wurden einmal auffällige Wärmeentwicklungen festgestellt, sind die Ursachen nicht immer sofort erkennbar. Dann helfen weitergehende Betrachtungen wie die Fehlerstrom-, Wellenvermessungen und Schwingungsuntersuchungen. Diese Ursachenforschung wird meist nicht durch den Thermografen, sondern durch eine weitere Fachkraft durchgeführt. Kernstück der Kamera-Systeme Kernstück jeder Thermografie-Kamera ist ein besonderer Detektor, der die Wärmestrahlen erfasst. Diese Sensoren sind für infrarotes Licht empfindlich - vergleichbar mit Videokameras für das sichtbare Licht, nur eben für wesentlich größere Wellenlängen. Anders als bei Nachtsichtgeräten, die ebenfalls die Wärmestrahlung erfassen, ist die Thermografie ein Temperaturmessgerät. Da Sensoren älterer Bauart gekühlt werden mussten, um die Wärmestrahlung erfassen zu können, hantierten früher die Thermografen entweder mit flüssigem Stickstoff oder mit schweren Kühlaggregaten. Jedoch gibt es auch heute noch moderne Kamera-Systeme, die mit gekühlten Detektoren arbeiten. Diese Systeme werden vor allem in der Forschung eingesetzt, wo sie sehr gute Messergebnisse erzielen. Im Bereich der vorbeugenden Instandhaltung für elektrische Anlagen werden diese kaum noch eingesetzt. Heutige für die vorbeugende Instandhaltung angebotene Kameras arbeiten mit ungekühlten Detektoren. Die nur noch knapp 2 kg schweren Kameras sind sofort betriebsbereit und können bis zu 4000 Thermogramme speichern. Der Thermograf ist dadurch heute nicht nur wendiger, auch der Aufwand für eine Messung ist erheblich geringer. Vor dem Kauf einer Kamera alle Aspekte prüfen Der Markt für Thermografie-Systeme ist in den letzten Jahren sehr dynamisch gewachsen. Dies macht die Entscheidung für das richtige System nicht einfacher. Vorteil ist jedoch, dass die Systeme in den letzten fünf Jahren wesentlich günstiger geworden sind. Heutige Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 3 230 FÜR DIE PRAXIS Warten und Instandhalten a) Echtbild und b) Thermogramm einer Kontaktstelle mit erhöhtem Übergangswiderstand am Sicherungsschuh a) Durch den vorhandenen Berührungsschutz blieb die optische Kontrolle ohne Beanstandung. b) Teperaturverteilung deutet auf erhöhten Widerstand an der Verbindung. c) und d) zeigen Echtbild und Thermogramm ohne Berührungsschutz a) Echtbild und b) Thermogramm eines Defektes an einem Hauptschalters a) Echtbild und b) Thermogramm einer überlasteten Anschlussleitung eines Motorschutzschalters a) Echtbild und b) Thermogramm eines erhöhten Übergangswiderstands an einer Schraubverbindung a) Echtbild und b) Thermogramm eines erhöhten Übergangswiderstands Fotos: Lühr a) b) a) b) c) d) a) b) a) b) a) b) a) b) EP0307-223-231 20.02.2007 11:13 Uhr Seite 230 Systeme, die sich für die vorbeugende Instandhaltung von elektrischen Anlagen eignen, sind schon ab 7500 Euro zu haben. Wichtig für die Auswahl des richtigen Systems ist die Art der Anwendung, wie häufig das System eingesetzt wird oder ob anschließend z. B. Dokumentationen erstellt werden sollen. In jedem Fall sollte darauf geachtet werden, dass ein System gewählt wird, das ausreichende Temperaturpunkte, am besten mit einem Flächensensor dem so genannten FPA (focal plane array) -Detektor, misst. Weitere Merkmale, auf die beim Kauf eines Systems geachtet werden sollte, sind die thermische und geometrische Empfindlichkeit. Die thermische Empfindlichkeit gibt die kleinste zu messende Temperaturdifferenz an, die geometrische die Genauigkeit der Temperatur in Abhängigkeit der Größe des Messobjektes. Mit beiden Kennzahlen lassen sich unterschiedliche Thermografie-Systeme leicht miteinander vergleichen. Kaufentscheidend ist aber auch die Zuverlässigkeit und der Service des Anbieters. Letztlich müssen aber nicht nur die technischen Daten stimmen, sondern auch die Bedienbarkeit des Systems ist wichtig. Daher sollten die Systeme niemals ohne eine vorherige Besichtigung oder gar ohne einen vorherigen Probeeinsatz gekauft werden. In der Bedienbarkeit und bei der Möglichkeit der Auswertungen gibt es erhebliche Unterschiede. Es gibt z. B. Systeme, die für Forschungseinsätze hervorragend funktionieren und hochwertige Thermogramme liefern, jedoch den Anforderungen der vorbeugenden Instandhaltung und des täglichen Einsatzes nicht standhalten. Hier sind Systeme wesentlich komfortabler, die auf die jeweilige Anwendung optimiert sind. Die Kosten für hochwertige Thermografie-Systeme für einen Einsatz zur vorbeugenden Instandhaltung elektrischer Anlagen kosten heute noch zwischen 30000 bis 50000 Euro. Beispiele aus der Praxis Im folgenden werden Beispiele aus der täglichen Thermografie-Arbeit dargestellt, die einige typische Schwachstellen abbilden. Bild b zeigt das Thermogramm einer Kontaktstelle mit erhöhtem Übergangswiederstand am Sicherungsschuh. Der Schaltschrank steht auf dem Dach und versorgt eine Lüftungsanlage. Hier wurden 152,9 °C gemessen. Die Pappen hatten sich optisch schon stark verfärbt. Das Messergebnis führte dazu, dass die Anlage am Tag der Untersuchung außer Betrieb genommen und die Komponenten durch einen neuen Sicherungsautomaten ersetzt wurden. Ein weiteres sehr anschauliches Beispiel ist die Schwachstelle in den Bildern a ... d, die bei einer turnusmäßigen Untersuchung gefunden wurde. Der untersuchte Schaltschrank versorgt den Motor einer Produktionsmaschine, die im Dreischichtbetrieb sieben Tage die Woche betrieben wird. Durch den vorhandenen Berührungsschutz blieb die optische Kontrolle ohne Beanstandung (Bild a) Eine Schwachstelle, verfärbte elektrische Bauteile oder Verkleidungen waren mit dem bloßen Auge nicht sichtbar. Auf dem Thermogramm war jedoch eine erhöhte Temperatur ersichtlich. Eine Phase war deutlich wärmer. Die maximale gemessene Temperatur lag bei 92 °C (Bild b). Auffällig war, dass die Temperatur in Richtung unterer Klemme anstieg. Dies deutet in der Regel auf einen erhöhten Widerstand an der Verbindung hin. Zur weiteren Untersuchung musste der Berührungsschutz abgenommen werden (Bild c). Bild d zeigt die Temperatur der Kontaktstelle ohne Berührungsschutz. Die Temperatur stieg bis hin zur Verschraubung auf fast 110 °C an. Ohne Berührungsschutz war nun auch im Echtbild die Schwachstelle sichtbar. An der Verschraubung war das sichtbare Kupfer der Leitung und die Schraube stark korrodiert. Dies deutet auf einen unzureichenden Übergangswiderstand hin, wahrscheinlich verursacht durch eine lose Kontaktstelle. Die hohen gemessenen Temperaturen von über 100 °C und damit die Einstufung der Schwachstelle in Klasse 3, mit höchster Priorität, machten es notwendig, unverzüglich eine Wartung einzuleiten. Innerhalb einer kurzen Produktionspause wurde die Kontaktstelle gesäubert und neu verschraubt. Anschließend wurde die Verbindung nochmals thermografiert. Bis zum nächsten turnusmäßigen Wartungsintervall kann die Anlage weiter betrieben werden. Eine Überlastung der Kabel wird parallel geprüft. Falls nötig, wird der Querschnitt der Verbindung erhöht. Bild b zeigt einen Defekt an einem Hauptschalter, dessen Ursache in einer losen Klemme liegt. Bild b zeigt die überlastete Anschlussleitung eines Motorschutzschalters. Bilder b und b stellen den erhöhten Übergangswiderstand einer Schraubverbindung dar. Fazit Die Thermografie ist die ideale Methode verborgene elektrische Fehlerquellen demontagefrei ausfindig zu machen. Thermografie ist zuverlässig, kostengünstig und schnell, wenn es darum geht, eine Fehlersuche oder vorbeugende Instandhaltung durchzuführen. Mit Hilfe der Visualisierung von Schwachstellen lassen sich zudem gute Wartungs- und Inspektionspläne erstellen. Zu beachten ist aber, dass es bei der Interpretation des Thermogramms zu Problemen kommen kann. Gegenstände mit geringen Emissionswerten oder Auffälligkeiten durch wechselnde elektrische Belastungen lassen sich nur mit Erfahrung thermografieren. Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 3 EP0307-223-231 20.02.2007 11:13 Uhr Seite 231
Autor
- A. Lühr
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