1. Einführung
Die Zuverlässigkeit von Verteilergeräten und Niederspannungs-Schaltanlagen (NMS) ist eine kritische Voraussetzung für den störungsfreien Betrieb industrieller Anlagen. Mehr als die Hälfte der Produktionsausfälle wird durch lokale Überhitzungen an elektrischen Verbindungen verursacht. Thermische Verluste in den Kontakten führen zur beschleunigten Degradation der Isolierung, zum Entstehen von Phasenüberschlägen und zum Ausfall von Leistungselektronik. Laut der Statistik des technischen Betriebsmanagements sind bis zu 60 % der Ausfälle elektrischer Systeme auf einen erhöhten Übergangswiderstand in den Kontaktschaltungen zurückzuführen.
Infrarot-Thermografie (Thermografie-Prüfung) ist ein effektiver nicht zerstörungsfreier Prüfverfahren (NFP), der es ermöglicht, anormale thermische Felder ohne Unterbrechung der Produktionsprozesse zu erkennen. Als Leitender Ingenieur bei UNITEC-D GmbH betone ich die Notwendigkeit der regelmäßigen Thermografie-Monitoring entsprechend internationaler und nationaler Standards. Dies gewährleistet die Minimierung des MTTR (Mean Time to Repair) und die Maximierung des MTBF (Mean Time Between Failures) für kritische Komponenten.
2. Grundprinzipien der Thermografie
Der Methoden basiert auf der Erfassung von Infrarotstrahlung, die jeder Objekt mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (-273.15 °C) emittiert. Die Intensität der Strahlung wird durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz und das Plancksche Strahlungsgesetz bestimmt. Während des Überprüfens elektrischer Schaltungen tritt ein elektrischer Strom ($I$) an Übergangswiderständen ($R$) in Verbindungen von Leitern, Kabelenden oder Schaltgeräten auf.
Die Menge der abgegebenen Wärme pro Zeiteinheit wird durch das Joule-Lenz-Gesetz beschrieben:
P = I² × R
De:
P— Leistung der Wärmeverluste (W);I— Stromstärke durch die Verbindung (A);R— Übergangswiderstand des Kontakts (Ω).
Erhöhung des Widerstands durch Schwächung der Schraubverbindung, Korrosion oder Oxidation führt unweigerlich zu einem lokalen Temperaturanstieg ($T$). Eine Infrarotkamera wandelt das thermische Strahlungsspektrum in ein sichtbares Thermobild (Thermogramm) mit zeitlichem Temperaturverlauf.
3. Technische Spezifikationen und Standards
Um die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Messergebnisse zu gewährleisten, ist es erforderlich, die geltenden Normen strikt einzuhalten:
- IEC 60839-1-1 / ISO 18434-1: Zustand von Maschinen und Ausrüstung sowie Diagnose. Thermografie. Teil 1: Allgemeine Verfahren.
- ISO 10878: Nichtzerstörender Prüfungsverfahren. Infrarotprüfung. Glossar.
- DSTU EN 13187: Thermische Eigenschaften von Gebäuden. Qualitatives Erkennen thermischer Ungleichmäßigkeiten in Hüllkonstruktionen (Berührungssensorstandard für die Messmethode).
- NFPA 70B: Empfohlene Praxis für elektrische Wartung (enthält detaillierte Bewertungskriterien für Erwärmung).
Gemäß den Standards sind die grundlegenden Einstellparameter eines Thermografen der Emissionskoeffizient ($\varepsilon$), die Temperatur der Umgebung ($T_{amb}$), der Abstand zum Objekt und die relative Luftfeuchtigkeit. Für kupferne Leitungen ohne Beschichtung $\varepsilon \approx 0.1 - 0.3$ (erfordert die Anwendung spezieller Marker oder Streifen mit bekannter Emissionsfähigkeit $\varepsilon = 0.95$), während für lackierte oder oxidierte Oberflächen $\varepsilon \approx 0.85 - 0.95$ gilt.
4. Kriterien für die Auswahl von Ausrüstung und dimensionsale Parameter
Die Messgenauigkeit hängt direkt von der Auflösung der Thermografiekamera und ihren optischen Eigenschaften ab. Für Arbeiten innerhalb elektrischer Schalttafeln (НКП) sind Geräte mit einer Matrixauflösung von mindestens 320×240 Pixeln und einer Temperatursensitivität (NETD) unter 0,05 °C (50 mK) bei 30 °C erforderlich.
| Parameter | Grundniveau (Diagnose) | Industriestandard (UNITEC-D) | Hohe Genauigkeit (Wissenschaftliche Forschung) |
|---|---|---|---|
| Auflösung der IR-Matrix | 160 × 120 Pixel | 320 × 240 Pixel | 640 × 480 Pixel |
| Thermische Empfindlichkeit (NETD) | < 0,08 °C (80 mK) | < 0,04 °C (40 mK) | < 0,03 °C (30 mK) |
| Messbereich der Temperaturen | -20 °C ... +250 °C | -20 °C ... +650 °C | -40 °C ... +1500 °C |
| Spektralbereich | 7,5 – 14 µm | 7,5 – 14 µm | 7,5 – 14 µm |
| Messfehler | ± 2 % oder ± 2 °C | ± 1,5 % oder ± 1,5 °C | ± 1 % oder ± 1 °C |
5. Best Practices für Montage und Durchführung von Messungen
Um zuverlässige Daten während der Inspektion elektrischer Schränke unter Produktionsbedingungen zu erhalten, ist es erforderlich, den Ablaufplan einzuhalten:
- Belastung der Anlage: Die Messungen werden bei einer Belastung des Geräts von mindestens 40 % des Nennstroms ($I_{nom}$) durchgeführt. Laut der Joule-Lenz-Formel können bei reduzierter Belastung Fehler nicht erkennbar sein.
- Sicherheit der Mitarbeiter: Der Bediener muss Zugang zur Arbeit an elektrischen Anlagen mit Spannungen von 1000 V und darüber hinaus (gemäß lokalen Arbeitsschutzvorschriften) haben und Schutzmaßnahmen gegen elektrische Bogen (Sicherheitsbrille, Brandschutzkleidung) verwenden.
- Entfernen der Schutzschutzplatten: Vor dem Scannen müssen die Schutztüren der Schutzkästen geöffnet werden. Wenn die Platten aus durchsichtigem Polycarbonat bestehen, ist zu berücksichtigen, dass sie Infrarotstrahlung reflektieren oder absorbieren können (viele Standardfenster lassen den IR-Bereich nicht durch).
- Sichtwinkel: Der Winkel zwischen der optischen Achse des Thermografen und der untersuchten Oberfläche sollte so nahe wie möglich an 90° liegen, aber nicht weniger als 60°, um falsche Reflexionen von angrenzenden Oberflächen zu vermeiden.
6. Typen von Störungen und Ursachenanalyse (RCA)
Thermografische Prüfung ermöglicht die Klassifizierung von Defekten nach ihrem Grad der Kritikalität. Unten sind die wichtigsten Typen von Defekten aufgelistet, die in elektrischen Schaltanlagen erkannt werden:
- Schwächung der Schraubverbindungen der Leitungen: Visuelle Anzeige auf der Thermografie – lokale Wärmeplage in Form einer „Tropfen“-Form um den Befestigungspunkt. Ursache: zyklische thermische Deformationen, fehlende Federklammern (Grovers), Nichtbeachtung des Drehmoments gemäß Herstelleranweisung.
- Störung der Kontakte von Schutzschaltern oder Schützen: Anomal warmwerden eines Pols. Ursache: Verschleiß der Bogenlöschanlagen, Erosion der kontaktierenden Flächen aus Silberlegierung, Überschreitung des nominalen Schaltzyklus.
- Phasenüberspannung (Stromungleichgewicht): Gleichmäßiges Erwärmen des gesamten Kabels oder der Leiter einer bestimmten Phase über die gesamte Länge. Ursache: ungleiche Verteilung einphasiger Verbraucher auf die Phasen der Verteilungsnetz.
7. Vorhersehbares technisches Wartung (PdM) und Zustandserfassung
Integration der Thermografie in das technische Wartungsmanagementsystem (CMMS) basiert auf der Bestimmung der Temperaturdifferenz ($\Delta T$). Die Beurteilung des Schadensgrades erfolgt gemäß der Methode des Vergleichs der Temperaturdifferenz zwischen defektem Bauteil und Referenzbauteil ($T_{ref}$) oder des Vergleichs mit der Umgebungstemperatur ($T_{amb}$).
Kriterien zur Bewertung der Temperaturdifferenz (basierend auf den Empfehlungen der NFPA 70B):
- $\Delta T < 10$ °C: Kleinere Defizite. Erfordert Überwachung während der nächsten geplanten Prüfung.
- $10$ °C $\le \Delta T < 25$ °C: Mittlerer Defekt. Reparatur muss im nächsten technischen Wartungstermin geplant werden.
- $25$ °C $\le \Delta T < 40$ °C: Seriöser Defekt. Notwendiger außerplanmäßiger Stillstand innerhalb von 48 Stunden.
- $\Delta T \ge 40$ °C: Kritischer Notfallzustand. Sofortige Stilllegung der Anlage und Behebung der Störung, um eine Brandgefahr zu verhindern.
8. Vergleichsmatrix der Diagnosemethoden elektrischer Verbindungen
Für eine umfassende Zuverlässigkeitsstrategie wird Thermografie in Kombination mit anderen Prüfmethoden eingesetzt. In der folgenden Tabelle ist ein Vergleich führender Diagnosemethoden dargestellt.
| Diagnosemethode | Physikalischer Prinzip | Vorteile | Einschränkungen | Empfohlene Periodizität |
|---|---|---|---|---|
| Infrarot-Thermografie | Registrierung von Wärmestrahlung (IR) | Distanziert, ohne Abschaltung der Ausrüstung, hohe Scan-Geschwindigkeit | Lastabhängigkeit, Einfluss des reflektierten Strahlungswerts | Quartalsweise / monatlich für kritische Komponenten |
| Messung des Übergangswiderstands (Mikroohmmeter) | Spannungsabfallmethode (4-Leiters-Kelvin-Schaltung) | Genaue Definition des absoluten Werts des Widerstands ($R$) | Bedarf einer vollständigen Entstromung und Demontage der Schutzvorrichtung | Während der jährlichen geplanten Wartung (PPR) |
| Ultraschallprüfung (UT) | Detektion hochfrequenter Schallwellen aus einem Korona-Entladung oder Funkenüberschlag | Frühzeitiges Erkennen von Teilentladungen und Mikrofunken | Erfahrener Operator erforderlich, empfindlich gegenüber äußeren Geräuschen | Alle sechs Monate |
| Visueller und mechanischer Kontrolle (Drehmoment) | Kontrolle der Zugkraft mit Drehmomentwerkzeugen | Direkter Risikominus bei Schraubverbindungsschwächung | Nur bei vollständiger Entstromung, arbeitsintensiv | Einmal im Jahr |
9. Schlussfolgerung
Thermografische Überwachung elektrischer Schaltanlagen ist ein lebenswichtiger Werkzeug zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit und Brandverhütung in industriellen Unternehmen in der Ukraine. Die systematische Anwendung der infraroten Diagnose in Kombination mit klaren Kriterien zur Bewertung von Temperaturanomalien ermöglicht es, unvorhersehbare Stilllegungen von Anlagen zu vermeiden.
Die Firma UNITEC-D GmbH liefert einen breiten Spektrum an zertifizierten elektrischen Komponenten, Stromleitern, Schaltgeräten und professionellen Werkzeugen für die Wartung industrieller Betriebe. Informieren Sie sich über unser Sortiment im Katalog.
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10. Verweisung
- ISO 18434-1:2008. Zustandsüberwachung und Diagnose von Maschinen — Thermografie — Teil 1: Allgemeine Verfahren.
- NFPA 70B. Empfohlene Praxis für die Wartung elektrischer Geräte. National Fire Protection Association.
- IEC 60947-1. Niederspannungs-Schaltgeräte und Steuergeräte — Teil 1: Allgemeine Regeln.
- DS TU EN 13187:2001. Thermische Eigenschaften von Gebäuden. Qualitatives Erkennen thermischer Ungleichmäßigkeiten in Hüllkonstruktionen. Verfahren der Infrarottermografie.
- Informa Industrial Wartungshandbuch. Thermische Bildgebung – Best Practices in elektrischen Verteilungssystemen, 2021.
