Beseitigung der Überhitzung von Schaltschränken: Thermografieprüfung, Erkennung von schlechten Kontakten, harmonischen Verzerrungen und Lastausgleich

1. Problembeschreibung und Anwendungsbereich

Dieses Handbuch ist für die Diagnose und Fehlerbehebung von Problemen im Zusammenhang mit Überhitzung von Schaltschränken, Schalttafeln, Motorstartertafeln und anderen industriellen Elektrogeräten vorgesehen. Überhitzung elektrischer Komponenten ist ein kritisches Symptom, das zu vorzeitigem Geräteausfall, Verschlechterung der Isolierung, verminderter Systemeffizienz, ungeplanten Produktionsausfällen und erheblichen Brand- und Personalsicherheitsrisiken führen kann. Dieser Leitfaden behandelt die Diagnose häufiger Ursachen für Überhitzung, wie z. B. schlechte elektrische Verbindungen, überlastete Stromkreise, harmonische Verzerrungen und unsymmetrische Lasten.

Einstufung der Schwere der Störung:

• Kritisch: Die Temperatur der Komponenten überschreitet die vom Hersteller angegebene maximal zulässige Betriebstemperatur (z. B. über 90 °C für Kupferleiter in Luft). Eine sofortige Stilllegung der Anlage ist zwingend erforderlich.
• Schwerwiegend: Die Temperatur der Komponenten ist 15–30 °C höher als die Temperatur ähnlicher Komponenten unter identischer Last oder übersteigt 70 °C. Erfordert eine sofortige Planung von Korrekturmaßnahmen.
• Minor: Die Temperatur der Komponenten ist 5–15 °C höher als die Temperatur ähnlicher Komponenten oder übersteigt 50 °C. Erfordert Überwachung und vorbeugende Wartungsplanung.

2. Sicherheitsmaßnahmen

ACHTUNG: Beim Arbeiten mit Schaltschränken besteht ein hohes Risiko von Stromschlägen, Lichtbögen und anderen schweren oder tödlichen Verletzungen. Bevor Sie mit Diagnose- oder Reparaturarbeiten beginnen, befolgen Sie strikt alle festgelegten Sicherheitsverfahren.

• Lockout/Tagout (LOTO): Wenden Sie LOTO-Verfahren immer in Übereinstimmung mit den internen Regeln des Unternehmens und den Anforderungen von DSTU EN 50110-1:2017 (Betrieb elektrischer Anlagen) und DSTU EN 61439-1:2018 (Komplette Niederspannungsverteilungsgeräte) an. Stellen Sie sicher, dass alle Stromquellen getrennt, abgesperrt und auf Spannung geprüft sind, bevor Sie das Gerät berühren.
• Persönliche Schutzausrüstung (PSA): Verwenden Sie geeignete PSA zum Schutz vor Lichtbögen und elektrischem Strom. Dazu gehören: nicht brennbare Kleidung, Schutzbrille, Gesichtsschutz, dielektrische Handschuhe (der Spannung entsprechende Klasse), Sicherheitsschuhe. Die Höhe der PSA muss der für diesen Schaltschrank definierten Lichtbogen-Gefahrenkategorie entsprechen.
• Auf Spannungsfreiheit prüfen: Überprüfen Sie nach der Anwendung von LOTO und vor Beginn der Arbeiten immer mit einem funktionierenden und geprüften Messgerät, ob an allen Phasen und zwischen Phasen und Erde keine Spannung anliegt.
• Entladung gespeicherter Energie: Kondensatoren können gefährliche Mengen an Energie speichern, selbst wenn der Strom abgeschaltet wird. Stellen Sie sicher, dass die Kondensatoren vollständig entladen sind, bevor Sie sie berühren.
• Arbeiten unter Spannung: Wenn für die Diagnose Arbeiten unter Spannung erforderlich sind (z. B. Thermografieprüfung oder Strommessung mit Zangen), sollten diese nur von qualifiziertem Personal unter Einhaltung aller erforderlichen PSA und gesetzlich vorgeschriebener Sicherheitsabstände durchgeführt werden.

3. Notwendige Diagnosewerkzeuge

4. Checkliste für die Erstbewertung

Bevor mit einer detaillierten Diagnose begonnen wird, ist es wichtig, möglichst viele Informationen über die Betriebsbedingungen und die Historie des Schaltschranks zu sammeln.

5. Systematischer Diagnosealgorithmus

1. Erste Überhitzungserkennung (thermografische Inspektion)
   1. Führen Sie eine thermografische Inspektion aller Schaltschränke und ihrer Komponenten unter Arbeitslast durch.
   2. Verwenden Sie eine Wärmebildkamera, die auf den entsprechenden Emissionsgrad der Materialien eingestellt ist (z. B. 0,95 für matte Farbe, 0,20 für glänzendes Metall).
   3. Notieren Sie die Temperaturen der heißesten Stellen.
   4. Wenn Hotspots erkannt werden (>50 °C): Fahren Sie mit Punkt 2 fort.
   5. Wenn Hot Spots fehlen oder geringfügig sind: Überhitzung kann durch einen allgemeinen Anstieg der Umgebungstemperatur oder unzureichende Gehäusebelüftung verursacht werden. Gehen Sie zu Punkt 6.
2. Lokalisieren des Hot Spots und seine Identifizierung
   1. Bestimmen Sie, welche Komponente überhitzt (Kontakt, Leiter, Leistungsschalter, Schütz, Transformator, Oberschwingungsfilter usw.).
   2. Wenn es sich um einen Kontakt oder eine Verbindung handelt: Gehen Sie zu Punkt 3.
   3. Wenn es sich um einen Leistungsschalter oder eine Schutzvorrichtung handelt: Fahren Sie mit Punkt 4 fort.
   4. Wenn es sich um einen Transformator, eine Drossel oder einen Kondensator handelt: Gehen Sie zu Punkt 5.
   5. Wenn es auf seiner gesamten Länge ein Leiter ist: Gehen Sie zu Punkt 4.
3. Diagnose fehlerhafter Pins/Verbindungen (nach dem Ausschalten)
   1. Sperrung/Kennzeichnung (LOTO): Schalten Sie die Stromversorgung gemäß den LOTO-Verfahren aus.
   2. Überprüfen Sie die verdächtige Verbindung visuell: Anzeichen von Korrosion, Schwächung, Brennen.
   3. Verwenden Sie ein Multimeter oder Mikroohmmeter, um den Widerstand der Verbindung zu messen.
      1. Erwartetes Ergebnis: Der Widerstand sollte für Stromanschlüsse weniger als 100 µOhm (0,0001 Ohm) betragen.
      2. Wenn der Widerstand hoch ist: Dies ist ein schlechter Kontakt. Gehen Sie zu Abschnitt 8 (Fehlerbehebung: Schlechte Kontakte).
   4. Überprüfen Sie das Drehmoment der Klemmen mit einem Drehmomentschlüssel gemäß den Empfehlungen des Herstellers.
4. Diagnose von Überlastung und ungleichmäßiger Belastung (Unterspannung)
   1. Verwendung von PSA: Bieten Sie umfassenden Schutz vor Lichtbogenüberschlägen und Stromschlägen.
   2. Messen Sie mit einer Strommesszange den Laststrom an jeder Phase (L1, L2, L3) der überhitzten Komponente.
   3. Vergleichen Sie die gemessenen Ströme mit den Nennwerten des Bauteils und den zulässigen Strömen für den Leiterabschnitt (nach PUE, DSTU IEC 60364).
   4. Wenn der Strom den Nennwert (>100 % des Nennwerts) oder den zulässigen Wert überschreitet: Dies ist eine Überlastung. Gehen Sie zu Kapitel 8 (Fehlerbehebung: Überlastung).
   5. Wenn die Phasenströme erheblich unterschiedlich sind (>10 % Unsymmetrie zwischen den Phasen): Dies ist eine unsymmetrische Last. Gehen Sie zu Kapitel 8 (Fehlerbehebung: Ungleichmäßige Last).
5. Diagnose harmonischer Verzerrungen (unter Spannung)
   1. Verwendung von PSA: Bieten Sie umfassenden Schutz vor Lichtbögen und Stromschlägen.
   2. Messen Sie mit einem Netzqualitätsanalysator den gesamten harmonischen Verzerrungsstrom (THD_I) und die Spannung (THD_U) am Eingang des Schranks und an den Abgriffen zu den verdächtigen Komponenten.
   3. Erwartetes Ergebnis: Gemäß EN 50160 und DSTU EN 50160:2014 sollte der THD_U normalerweise 8 % für Systeme bis zu 1 kV nicht überschreiten. Akzeptable THD_I-Werte hängen von der Art der Ausrüstung ab, aber oft können >15–20 % Probleme verursachen.
   4. Wenn der Grad der Harmonischen hoch ist (THD_I > 15–20 %): Dies ist eine harmonische Verzerrung. Gehen Sie zu Kapitel 8 (Fehlerbehebung: Harmonische Verzerrung).
6. Lüftungs-/Kühlungsprobleme diagnostizieren
   1. Überprüfen Sie den Betrieb der Lüfter: Drehen sie sich, sind die Filter nicht verstopft?
   2. Messen Sie die Temperatur im Schrankinneren und die Umgebungstemperatur.
   3. Wenn die Belüftung unzureichend oder blockiert ist: Dies ist die Ursache für Überhitzung. Gehen Sie zu Abschnitt 8 (Fehlerbehebung: Belüftung).

6. Störungsursachenmatrix

7. Ursachenanalyse für jede Fehlfunktion

7.1. Schlechte (geschwächte/korrodierte) Kontakte

Erklärung: Der Übergangswiderstand am Punkt der elektrischen Verbindung (Klemmen, Klemmen, Crimpstellen) sollte normalerweise im Mikroohmbereich liegen. Lockeres Anziehen, Vibration, Temperaturschwankungen, Oxidation oder Korrosion erhöhen diesen Widerstand. Gemäß dem Joule-Lenz-Gesetz (P = I²R) führt bereits eine geringfügige Erhöhung des Widerstands (R) bei einem großen Strom (I) zu einer erheblichen Wärmefreisetzung (P = Leistungsverlust). Diese Hitze führt zu einer lokalen Überhitzung.

Bestätigung: Eine Wärmebildkamera zeigt einen lokalisierten Hotspot an und ein Mikroohmmeter bestätigt eine Verbindung mit hohem Widerstand, nachdem der Strom ausgeschaltet wurde. Bei einer Sichtprüfung können Brandspuren, Verfärbungen der Isolierung oder des Metalls festgestellt werden.

Folgen bei Nichtbeseitigung: Weiterer Widerstands- und Temperaturanstieg, Zerstörung der Leiterisolierung, Verformung von Kunststoffteilen, Schmelzen von Metall, Kurzschluss, Lichtbogenüberschlag, vollständige Abschaltung von Geräten, Brand.

7.2. Stromkreis-/Geräteüberlastung

Erklärung: Eine Überlastung liegt vor, wenn der durch einen Leiter oder eine elektrische Komponente fließende Strom seinen vom Hersteller oder durch Normen (PUE, DSTU IEC 60364) berechneten Nennwert oder zulässigen Wert für einen sicheren Langzeitbetrieb überschreitet. Dies führt zu einer übermäßigen Wärmeentwicklung entlang der gesamten Länge des Leiters oder im Inneren des Geräts.

Bestätigung: Das Zangenmessgerät zeigt einen Strom an, der den Nennwert überschreitet. Eine Thermografiekamera zeigt die Überhitzung eines Bauteils oder Leiters auf der gesamten Länge an, nicht nur an der Verbindungsstelle.

Folgen, wenn sie nicht beseitigt werden: Beschleunigte Alterung der Isolierung, Verringerung der Lebensdauer von Geräten, häufiges Auslösen von Schutzvorrichtungen (automatische Schutzschalter), Brand. Ströme nahe der Nennleistung des Leistungsschalters können zu einer Überhitzung des Leistungsschalters führen, selbst wenn dieser nicht auslöst.

7.3. Harmonische Verzerrungen

Erklärung: Harmonische sind sinusförmige Spannungen und Ströme, deren Frequenz ein Vielfaches der Hauptfrequenz des Netzwerks (50 Hz) beträgt. Sie entstehen durch nichtlineare Lasten wie Frequenzumrichter, Gleichrichter, Schaltnetzteile, Computer, LED-Beleuchtung. Durch das Netz fließen Oberschwingungsströme, die zusätzliche Verluste und Überhitzung verursachen: Transformatoren (erhöhte Wirbelströme), Kondensatoren (Resonanz), Leiter (insbesondere der Neutralleiter, wo sich Oberschwingungen dritter Ordnung summieren können), Motoren (zusätzliche Erwärmung, Vibration).

Bestätigung: Der Netzqualitätsanalysator erkennt hohe Strom- (THD_I) und/oder Spannungswerte (THD_U). Laut DSTU EN 50160:2014 sollte der THD_U 8 % nicht überschreiten.

Folgen, wenn sie nicht beseitigt werden: Überhitzung und Schäden an Transformatoren, Drosseln, Kondensatoren und Motoren. Störungen empfindlicher Elektronik, Fehlfunktionen von Schutzeinrichtungen, erhöhte Netzverluste.

7.4. Ungleichmäßige Belastung

Erklärung: In dreiphasigen Systemen tritt eine unsymmetrische Last auf, wenn sich die Ströme in den drei Phasen erheblich unterscheiden. Dies führt zum Auftreten eines Stroms im Neutralleiter (auch bei linearer, aber asymmetrischer Belastung) und zu einer ungleichmäßigen Belastung der Phasenleiter. Die Phase mit einem höheren Strom wird stärker überhitzen als die anderen. Darüber hinaus führt die Asymmetrie der Ströme zu einer zusätzlichen Erwärmung von Drehstrommotoren.

Bestätigung: Elektrische Messzangen zeigen einen erheblichen Unterschied in den Strömen zwischen den Phasen (>10 % des durchschnittlichen Stromwerts). Wenn beispielsweise I_L1 = 100 A, I_L2 = 90 A, I_L3 = 80 A, dann ist die Unsymmetrie erheblich.

Folgen, wenn sie nicht beseitigt werden: Überhitzung einzelner Phasenleiter und daran angeschlossener Geräte. Verringerung des Wirkungsgrades und der Lebensdauer von Drehstrommotoren, deren Überhitzung. Zunehmende Verluste im System.

7.5. Unzureichende Belüftung/Kühlung des Schranks

Erläuterung: Schaltschränke sind unter Berücksichtigung der Ableitung einer bestimmten Wärmemenge konzipiert, die von internen Komponenten abgegeben wird. Wenn die Lüftungsschlitze verstopft sind, die Filter mit Staub verstopft sind, die Lüfter nicht funktionieren oder ihre Leistung nicht ausreicht, staut sich im Inneren des Gehäuses Wärme an, was zu einem allgemeinen Temperaturanstieg aller Komponenten führt.

Bestätigung: Eine Sichtprüfung zeigt verstopfte Filter und nicht funktionierende Lüfter. Der Thermograph zeichnet den gesamten Temperaturanstieg im Inneren des Schranks auf, ohne dass es zu lokal auftretenden heißen Stellen an einzelnen Komponenten kommt. Die Messung der Temperatur im Inneren des Schranks kann eine Überschreitung von ΔT (der Temperaturdifferenz zwischen innen und außen) im Vergleich zur Konstruktion ergeben.

Folgen, wenn sie nicht beseitigt werden: Allgemein beschleunigte Alterung aller Komponenten, verringerte Zuverlässigkeit, häufigere Ausfälle, Aktivierung des thermischen Schutzes.

8. Schritt-für-Schritt-Verfahren zur Fehlerbehebung

8.1. Fehlerbehebung: Schlechte Kontakte

1. SICHERHEIT: Führen Sie ein vollständiges Lockout/Tagout-Verfahren (LOTO) für den betroffenen Schaltschrank durch. ÜBERPRÜFEN SIE KEINE SPANNUNG!
2. Öffnen Sie die Schutzabdeckungen und überprüfen Sie die Anschlüsse visuell. Achten Sie auf Farbveränderungen der Isolierung, Verbrennungen, Schmelzen von Kunststoff und Lockerung von Schrauben.
3. Lösen Sie die Klemmschrauben bzw. Bolzen der verdächtigen Verbindung.
4. Reinigen Sie die Kontaktflächen mit feinem Schleifpapier oder speziellen Kontaktreinigungsmitteln gründlich von Oxidation, Schmutz und Korrosion.
5. Achten Sie darauf, dass die Enden der Leiter richtig gecrimpt sind und dem Querschnitt des Leiters entsprechen. Crimpen Sie ggf. die Spitze.
6. Schließen Sie den Leiter wieder an, indem Sie die Schrauben oder Bolzen mit einem Drehmomentschlüssel mit dem vom Komponentenhersteller empfohlenen Drehmoment festziehen (z. B. für einen 2,5-mm-Klemmenblock² könnten es 0,8–1,2 Nm sein, für Stromschienen viel mehr gemäß EN 60947).
7. Führen Sie nach dem Anziehen eine Kontrollmessung des Verbindungswiderstands mit einem Mikroohmmeter durch. Erwarteter Wert <100 µOhm.
8. Stellen Sie die Stromversorgung wieder her und führen Sie eine thermografische Prüfung der Verbindung unter Last durch, um zu bestätigen, dass die Überhitzung behoben wurde.

8.2. Fehlerbehebung: Stromkreis-/Geräteüberlastung

1. Messen Sie die Lastströme mit einer Strommesszange an allen Abzweigungen des Leistungsschalters oder der überhitzten Komponente. Befolgen Sie die PSA!
2. Vergleichen Sie die tatsächlichen Ströme mit den Nenndaten der Geräte und den zulässigen Strömen für den Querschnitt der Kabel gemäß PUE.
3. Wenn ein erheblicher Überschuss festgestellt wird:
   1. Teilen Sie die Last in mehrere separate Stromkreise auf, indem Sie neue Leistungsschalter und Leiter mit dem entsprechenden Querschnitt hinzufügen.
   2. Ersetzen Sie Leiter und/oder Leistungsschalter durch Geräte mit einem höheren Nennstrom, wenn die Konstruktionsdokumentation dies zulässt und nachgeschaltete Stromkreise den erhöhten Strom ebenfalls bewältigen können.
   3. Stellen Sie fest, ob vorübergehende oder nicht autorisierte Verbindungen eine Überlastung verursachen.
   4. Überprüfen Sie den Betriebsmodus des Geräts: Möglicherweise arbeitet es in einem Modus, für den es nicht ausgelegt ist (z. B. ein Motor mit blockierter Welle).
4. Führen Sie nach der Durchführung der Änderungen eine thermografische Prüfung durch, um zu bestätigen, dass die Überhitzung behoben wurde.

8.3. Fehlerbehebung: Harmonische Verzerrung

1. Führen Sie mit dem Analysator eine detaillierte Stromqualitätsanalyse durch, indem Sie THD_I und THD_U an verschiedenen Punkten im Netzwerk messen, beginnend am Schrankeingang. Befolgen Sie die PSA!
2. Identifizieren Sie Oberwellenquellen (z. B. große Frequenzumrichter, Thyristorregler, Induktionsöfen).
3. Um Oberwellen zu reduzieren:
   1. Installieren Sie passive Oberwellenfilter (z. B. Drosseln) am Eingang von Geräten, die Oberwellen erzeugen.
   2. Verwenden Sie aktive Oberschwingungsfilter, die Oberschwingungsströme kompensieren.
   3. Wechseln Sie zu Geräten mit geringerem Oberwellengehalt (z. B. Frequenzumrichter mit Mehrpulsgleichrichter).
   4. Erhöhen Sie die Leistung des Transformators oder fügen Sie einen Trenntransformator hinzu, um die Auswirkungen von Oberschwingungen auf das allgemeine Netzwerk abzuschwächen.
4. Nach der Installation von Filtern oder anderen Maßnahmen messen Sie die Oberschwingungspegel und Komponententemperaturen erneut, um die Wirksamkeit zu bestätigen. THD_U sollte weniger als 8 % betragen (gemäß DSTU EN 50160).

8.4. Fehlerbehebung: Ungleichmäßige Belastung

1. Messen Sie die Lastströme an jeder Phase (L1, L2, L3) mit der Strommesszange. Befolgen Sie die PSA!
2. Berechnen Sie den Asymmetriekoeffizienten der Ströme (Phasenungleichgewicht) – die Abweichung des Stroms einer einzelnen Phase vom Durchschnittswert. Wenn das Ungleichgewicht 10 % überschreitet, muss es korrigiert werden.
3. Um unsymmetrische Lasten zu beseitigen:
   1. Verteilen Sie einphasige Lasten zwischen den Phasen neu, um die größtmögliche Symmetrie der Ströme zu erreichen.
   2. Überprüfen Sie den Zustand von Drehstrommotoren: Eine unsymmetrische Belastung kann durch einen internen Defekt im Motor verursacht werden (z. B. eine offene Wicklung).
   3. Wenn die Unwucht durch die Besonderheiten des technologischen Prozesses verursacht wird (z. B. asymmetrischer Betrieb von Schweißmaschinen), sollten Sie die Installation von Ausgleichsvorrichtungen in Betracht ziehen.
4. Messen Sie die Ströme erneut, nachdem Sie die Last neu verteilt haben, und führen Sie eine thermografische Kontrolle durch.

8.5. Fehlerbehebung: Unzureichende Belüftung/Kühlung

1. Führen Sie eine Sichtprüfung der Lüftungsöffnungen und Filter durch.
2. Überprüfen Sie die Funktion der Lüfter: ob sie rotieren, ob keine Nebengeräusche zu hören sind.
3. Verschmutzte Luftfilter reinigen oder ersetzen. SICHERHEIT: Stellen Sie sicher, dass die Ventilatoren vor der Reinigung ausgeschaltet sind, um Verletzungen zu vermeiden.
4. Ersetzen Sie defekte Lüfter.
5. Stellen Sie sicher, dass der Luftstrom im Schrankinneren nicht durch eine Fehlausrichtung von Komponenten oder Kabeln blockiert wird.
6. Wenn die natürliche Konvektion und die vorhandene Zwangsbelüftung nicht ausreichen (z. B. nach dem Hinzufügen neuer Geräte), sollten Sie über den Einbau zusätzlicher Lüfter oder einer Klimaanlage für den Schrank nachdenken.
7. Führen Sie nach der Behebung des Belüftungsproblems eine Thermografieprüfung durch.

9. Vorbeugende Maßnahmen

10. Ersatzteile und Komponenten

Der rechtzeitige Austausch fehlerhafter oder verschlissener Komponenten ist entscheidend, um eine Überhitzung zu verhindern und einen reibungslosen Betrieb sicherzustellen. UNITEC-D bietet ein breites Sortiment an industriellen Elektrokomponenten.

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11. Links

• DSTU EN 50110-1:2017. Betrieb von Elektroanlagen.
• DSTU EN 61439-1:2018. Komplette Niederspannungsverteilungsgeräte. Allgemeine Anforderungen.
• DSTU EN 50160:2014. Eigenschaften der Versorgungsspannung in allgemeinen Stromnetzen.
• PUE (Regeln für die Anordnung elektrischer Anlagen).
• ISO 18434-1:2008. Zustandsüberwachung und Diagnose von Maschinen. Thermografie.
• IEEE Std 519-2014. Von der IEEE empfohlene Praxis und Anforderungen für die Oberschwingungskontrolle in elektrischen Energiesystemen.
• OEM-Servicehandbücher für bestimmte Geräte.
• Zugehörige UNITEC-D-Servicehandbücher.