Ursachenanalyse von Fehlfunktionen thermischer Relais: Einfluss von Umgebungstemperatur, Lastprofil und Auswahlfehlern

1. Einleitung: Syndrom der falschen Aktivierung des Thermorelais

Fehlfunktionen von Thermorelais sind in industriellen Umgebungen ein häufiges Problem, das zu ungeplanten Geräteabschaltungen, verringerter Produktivität und erheblichen wirtschaftlichen Verlusten führt. Trotz der Tatsache, dass Thermorelais dazu bestimmt sind, Elektromotoren vor Überlastung und Überhitzung zu schützen, erfordert ihr fehlerhafter Betrieb – das Auslösen ohne tatsächliche Bedrohung – eine gründliche technische Analyse. Diese Analyse muss systematisch und evidenzbasiert sein und sich auf die Grundursachen und nicht nur auf die Symptome konzentrieren. Typische Folgen sind: Arbeitszeitausfall von bis zu 3 Stunden pro Vorfall, Diagnose- und Wiederanlaufkosten von bis zu 500 € pro Vorfall sowie mögliche Produktschäden in Prozessketten.

2. Komponentenübersicht: Thermorelais und seine Funktion

Das Thermorelais ist ein Schlüsselelement des Schutzsystems von Niederspannungs-Elektromotoren, das deren langfristige Zuverlässigkeit gewährleistet, indem es den Strom abschaltet, wenn die zulässigen Ströme überschritten werden. Der Überlastschutz ist von entscheidender Bedeutung, da ein übermäßiger Strom zur Überhitzung der Motorwicklungen, zur Verschlechterung der Isolierung und in der Folge zum vollständigen Ausfall führt. Der Betrieb des Motors bei einer Wicklungstemperatur von 10 °C über der Nenntemperatur reduziert seine Lebensdauer um etwa die Hälfte. Die mittlere Ausfallzeit (MTBF) eines hochwertigen Drehstrommotors beträgt 50.000 bis 70.000 Stunden, bei häufigen Überlastungen sinkt dieser Wert jedoch stark.

Es gibt zwei Haupttypen von Thermorelais:

• Bimetall-Relais: Sie funktionieren nach dem Prinzip der Verformung von Bimetallplatten unter der Einwirkung von Wärme, die beim Stromfluss freigesetzt wird. Relativ einfach, kostengünstig, aber empfindlich gegenüber der Umgebungstemperatur.
• Elektronische Relais: Verwenden Sie Thermistoren oder Stromwandler zur Messung, Mikroprozessoren zur Analyse und zum Präzisionsschutz. Bieten höhere Genauigkeit, geringere Empfindlichkeit gegenüber Außentemperaturen und erweiterte Funktionen, einschließlich Wicklungstemperaturüberwachung (mit PT100-Sensoren) und Kommunikationsfunktionen.

Die Auswahl und Einstellung des Thermorelais wird durch internationale und nationale Normen geregelt, insbesondere ДСТУ EN IEC 60947-4-1:2020 „Komplette Niederspannungsschaltanlage. Teil 4-1: Schütze und Starter von Elektromotoren. Elektromechanische Schütze und Starter“, die die Anforderungen an die Konstruktion, Eigenschaften und Prüfungen von festlegt diese Geräte.

3. Nachweis eines Fehlers: Was der Techniker beobachtet

Im Falle einer Fehlauslösung des Thermorelais steht ein erfahrener Techniker vor einer paradoxen Situation: Der Motor stoppt, aber es gibt keine optischen und instrumentellen Anzeichen einer Überlastung. Typische Beweise für eine Ablehnung sind:

• Einträge in Protokollen: Systematische Auslösung von Relais zu bestimmten Tageszeiten oder während bestimmter Produktionszyklen, die nicht mit Spitzenlasten korrelieren. Beispiel: Auslösung um 14:00 Uhr. jeden Tag, wenn die Sonne die Werkstatt maximal aufheizt.
• Strommessung: Das Zangenamperemeter zeigt einen Strom an, der zwischen 70 und 90 % des Nennwerts des Motors liegt, während das Relais auf 110 bis 120 % dieses Werts eingestellt ist. Das Fehlen einer Asymmetrie der Ströme in den Phasen (Abweichung <5 %) weist auf ein Lastgleichgewicht hin.
• Thermografische Untersuchung: Mit einer Wärmebildkamera (z. B. Fluke TiS60+) lässt sich keine abnormale Erwärmung der Motorwicklungen erkennen (Gehäuseoberflächentemperatur <60 °C, Ausgangsklemmentemperatur <70 °C). Allerdings kann im Schaltschrank, in dem sich das Relais befindet, eine erhöhte Temperatur von über +35°C festgestellt werden.
• Vibrationsanalyse: Tragbare Vibrometer (z. B. SKF Microlog Analyzer) zeichnen Vibrationspegel auf, die der Klasse A oder B gemäß DSTU ISO 10816-3 entsprechen (typischerweise <4,5 mm/s RMS für Motoren bis zu 300 kW), was darauf hindeutet, dass keine mechanischen Probleme vorliegen, die eine Überlastung verursachen könnten
• Sichtprüfung: Kein Rauch, kein Brandgeruch, keine Verdunkelung der Drähte oder Kontakte. Der Motor läuft ruhig, ohne ungewöhnliche Geräusche oder intermittierende Vibrationen.

Beispiel: Ein Thermorelais mit einem Bereich von 23–32 A, eingestellt auf 31 A, ist auf einem Förderband mit einem 15-kW-Elektromotor und einem Nennstrom von 29 A (400 V) installiert. Der Betrieb erfolgt systematisch im Sommer bei einer Werkstatttemperatur von +38°C. Strommessung zeigt 27 A, Motorthermografie +55°C, Schaltschrank +45°C. Dies weist eindeutig auf den Einfluss äußerer Faktoren und nicht auf eine Überlastung des Motors hin.

4. Ursachenforschung: Systematische Analyse

Ein systematischer Ansatz wie die „5 Whys“-Analyse oder das Ishikawa-Diagramm (Fischgrätendiagramm) wird verwendet, um die Grundursachen für Fehlfunktionen von Thermorelais zu identifizieren. Dies ermöglicht Ihnen eine gründliche Untersuchung des Problems unter Berücksichtigung aller möglichen Faktoren.

4.1. Die „5 Why“-Methode

1. Problem: Thermorelais löst aus, Motor bleibt ohne erkennbare Überlast stehen.
2. Warum? Das Relais erkennt den normalen Betriebsstrom als Überlastung.
3. Warum?
   • A. Die Umgebungstemperatur am Installationsort des Relais ist erhöht.
   • B. Der Motorlaststrom weist uncharakteristische Spitzen auf, die die Betriebsklasse des Relais überschreiten.
   • A. Das Relais wurde falsch ausgewählt oder konfiguriert.
   • D. Relaiselemente haben sich verschlechtert oder weisen einen erhöhten Übergangswiderstand auf.
4. Warum (für jeden der Punkte A, B, C, D)?
   • A. Warum die erhöhte Temperatur? - Unzureichende Belüftung des Schrankes, direkte Sonneneinstrahlung, Nähe von Wärmequellen (Öfen, Kompressoren).
   • B. Warum untypische Stromspitzen? - Kurzfristige technologische Überlastungen (Materialstau), hohe Anlaufströme, Veränderungen der Eigenschaften der Arbeitsumgebung (Flüssigkeitsdichte).
   • F. Warum ist es falsch ausgewählt/konfiguriert? - Unzureichende technische Qualifikation, fehlende genaue Daten zum Motorlastprofil, Nichtberücksichtigung der Betriebsklasse des Motors.
   • D. Warum haben sich die Elemente verschlechtert? - Natürliche Alterung von Materialien, Korrosion von Kontakten, Vibrationen, Verschmutzung, Einwirkung aggressiver Umgebungen.
5. Warum (für weitere Faktoren)? Zum Beispiel: Warum ist die Qualifikation nicht ausreichend? - Mangelnde regelmäßige Schulung, Missachtung der Herstelleranweisungen.

4.2. Faktoren des Ishikawa-Diagramms

• Mann: Personalfehler bei Auswahl, Installation, Einstellung und Wartung.
• Methode: Fehlen standardisierter Kontroll-, Diagnose- und vorbeugender Wartungsverfahren.
• Maschine: Verschleiß oder Ausfall des Relais selbst, falscher Relaistyp für die Anwendung.
• Material (Material): Verschlechterung der Verkabelung, Kontaktflächen, minderwertige Relaiskomponenten.
• Umgebung: Hohe Umgebungstemperatur, hohe Luftfeuchtigkeit, Staubbelastung, aggressive chemische Dämpfe.
• Messung: Verwendung nicht kalibrierter Instrumente, Mangel an genauen Daten zu Motorparametern und Lastprofil.

5. Identifizierte Grundursachen

Auf der Grundlage einer systematischen Analyse ist es möglich, die Hauptursachen für Fehlfunktionen von Thermorelais zu identifizieren, sie nach Wahrscheinlichkeit zu ordnen und durch Beweise zu bestätigen:

1. Erhöhte Umgebungstemperatur (Wahrscheinlichkeit 40 %)

   Das Wesentliche: Thermorelais, insbesondere Bimetallrelais, sind für den Betrieb bei einer Standardtemperatur von +20 °C kalibriert. Wenn die Umgebungstemperatur steigt, erwärmt sich das Relais schnell bis zu einem kritischen Punkt, selbst wenn der Motorstrom normal ist. Jeder Anstieg der Temperatur im Schaltschrank um 10°C über die Nennbetriebstemperatur des Relais (in der Regel +20°C) kann zu einer Reduzierung des zulässigen Stroms um 5-10% führen. Beispielsweise kann ein für 30 A bei +20 °C konfiguriertes Relais bei 27 A arbeiten, wenn die Schranktemperatur +40 °C erreicht.

   Nachweis: Die thermografische Untersuchung von Schaltschränken ergab Temperaturen von +40°C...+55°C. Historische Daten zeigen einen Anstieg der Fahrten in der heißen Jahreszeit oder in bestimmten Geschäften (z. B. Gießerei, Therme).

2. Nichtübereinstimmung des Lastprofils und der Klasse des Relaisbetriebs (Wahrscheinlichkeit 30 %)

   Das Wesentliche: Einige technologische Prozesse sind durch kurzfristige Spitzenlasten gekennzeichnet (z. B. Anfahren eines Schwerförderers, zyklischer Betrieb einer Presse, Beladen eines Brechers). Diese Spitzen können erheblich sein (150–200 % des Nennstroms), ihre Dauer ist jedoch zu kurz, als dass der Motor überhitzen könnte. Wenn das Thermorelais jedoch eine niedrige Auslöseklasse hat (z. B. Klasse 10A, was bedeutet, dass DSTU EN IEC 60947-4-1:2020 2–10 Sekunden lang bei 7,2-facher Stromstärke auslöst), kann es während dieser Spitzenzeiten zu einer Auslösung des Motors kommen.

   Beweis: Die Analyse der Stromwellenformen mit einem Netzqualitätsrekorder (z. B. einem Fluke 435 Series II) zeigt regelmäßige kurzfristige Stromspitzen, die die Relaiseinstellung überschreiten, aber keine anhaltende Überlastung darstellen. Der Motor zeigt keine Anzeichen einer Überhitzung.

3. Fehler bei der Relaisauswahl und -konfiguration (Wahrscheinlichkeit 20 %)

   Das Wesentliche: Eine falsche Auswahl des Thermorelais entsprechend dem Strombereich oder eine falsche Einstellung seiner Einstellung ist eine direkte Ursache für Fehlalarme. Das Relais sollte so ausgewählt werden, dass sein Einstellbereich den Nennstrom des Motors umfasst und die Einstellung auf 1,05–1,15 des Nennstroms des Motors eingestellt ist (abhängig vom Betriebsfaktor des Motors). Es kommt häufig vor, dass das Relais für 100 % des Nennstroms ausgelegt ist und kein Spielraum für normale Betriebsschwankungen bleibt.

   Beweis: Eine Überprüfung des Motortypenschilds und ein Vergleich mit den Relaiseinstellungen ergeben eine Diskrepanz. Beispielsweise beträgt der Nennstrom des Motors 40 A und das Relais ist auf 38 A eingestellt. Es fehlt eine klare Dokumentation zur Auswahl und Konfiguration der Ausrüstung.

4. Verschlechterung der Isolierung und der Übergangswiderstände (Wahrscheinlichkeit 10 %)

   Das Wesentliche: Im Laufe der Zeit, insbesondere bei Vibrationen, hoher Luftfeuchtigkeit oder chemisch aggressiven Umgebungen, können Relaiskontakte und Anschlüsse oxidieren, was zu einem Anstieg des Übergangswiderstands führt. Eine Erhöhung des Widerstands führt zu einer lokalen Erwärmung an der Kontaktstelle, die sich zusätzlich auf die Bimetallelemente des Relais auswirkt und dieses dazu zwingt, früher zu arbeiten. Eine Verschlechterung der Isolierung in der Verkabelung zum Motor kann auch zu Leckströmen oder örtlicher Erwärmung führen.

   Beweis: Die Messung des Widerstands der Relaiskontakte (Mikroohmmeter) zeigt >100 µΩ, während die neuen Kontakte <50 µΩ sind. Eine Sichtprüfung zeigt Spuren von Oxidation oder Überhitzung an den Anschlüssen. Isolationsmessungen mit einem Megaohmmeter (z. B. Fluke 1587 FC) können Ausfälle oder einen Abfall des Isolationswiderstands auf 1–5 MΩ (normal >100 MΩ) aufdecken.

6. Korrekturmaßnahmen: Sofortige und langfristige Lösungen

Um Fehlauslösungen des Thermorelais wirksam zu verhindern, müssen eine Reihe von Korrekturmaßnahmen ergriffen werden:

6.1. Bei erhöhter Umgebungstemperatur:

• Sofort: Öffnen der Schaltschranktür (provisorische Lösung, die die Sicherheit verletzt), Einbau eines provisorischen Lüfters.
• Langfristig: Installation von Industrieklimaanlagen für Schaltschränke (z. B. Rittal Blue e+), Einsatz von Lüftern mit Filtern zur forcierten Luftumwälzung. Schränke von Wärmequellen entfernen. Einsatz von Thermorelais mit Temperaturkompensation.

6.2. Bei Nichtübereinstimmung des Lastprofils:

• Sofort: Vorübergehende Erhöhung der Relaisstromeinstellung (mit zwingender anschließender Anpassung), Stromüberwachung.
• Langfristig: Verwendung von Thermorelais mit höherer Auslöseklasse (z. B. Klasse 20 oder 30 für stark anlaufende Motoren). Installation von Sanftstartern oder Frequenzumrichtern zur Reduzierung der Anlaufströme. Optimierung des technologischen Prozesses zur Glättung von Spitzenlasten.

6.3. Bei Auswahl- und Konfigurationsfehlern:

• Sofort: Überprüfen Sie die Relaisstromeinstellung und passen Sie sie entsprechend dem Motornennstrom und seinem Betriebsfaktor an (normalerweise Einstellung = Motornennstrom * 1,1).
• Langfristig: Entwicklung standardisierter Anleitungen zur Auswahl und Einstellung von Thermorelais für verschiedene Motortypen und Lasten. Regelmäßige Schulung des Ingenieur- und Technikpersonals. Durchführung eines Energieaudits zur genauen Bestimmung des tatsächlichen Lastprofils.

6.4. Zur Verschlechterung der Isolierung und der Übergangswiderstände:

• Sofort: Gründliche Reinigung der Kontaktgruppen, Anziehen der Klemmverbindungen unter Beachtung des Anzugsmoments (z. B. 2,5 Nm für Klemmen bis 2,5 mm²).
• Langfristig: Aufnahme regelmäßiger Kontrollen des Zustands der Kontakte, der Isolierung und des Austauschs verschlissener Relais in den PPR-Plan. Verwendung von Klemmen mit Federklemmen für erhöhte Zuverlässigkeit.

7. Schnelle Diagnose-Checkliste für Außendiensttechniker

Diese Checkliste dient der schnellen und effektiven Diagnose der Ursachen für Fehlauslösungen des Thermorelais direkt am Einsatzort. Es wird empfohlen, für die Dateneingabe ein tragbares Tablet zu verwenden.

1. Sichtprüfung: Kontrollieren Sie den Schaltschrank und den Motor auf sichtbare Schäden, Verschmutzung, Spuren von Überhitzung, fehlerhafte Anzeigen.
2. Umgebungstemperatur: Messen Sie die Temperatur im Schaltschrank und der Umgebungsluft in der Nähe des Motors (Infrarot-Thermometer).
3. Laststrom: Messen Sie den tatsächlichen Betriebsstrom des Motors an allen drei Phasen (Stromzange, z. B. Fluke 376 FC). Notieren Sie die Maximal- und Minimalwerte für einen vollständigen Arbeitszyklus (mindestens 30 Minuten).
4. Relaiseinstellung: Überprüfen Sie die aktuelle Stromeinstellung am Thermorelais.
5. Motornenndaten: Lesen Sie den Nennstrom und die Isolationsklasse vom Typenschild des Motors ab. Berechnen Sie die empfohlene Relaiseinstellung.
6. Versorgungsspannung: Messen Sie die Spannung zwischen Phasen und zwischen Phasen und Null (Multimeter). Auf Phasenfehlausrichtung (<2 %) prüfen.
7. Zustand der Kontakte: Schalten Sie den Strom aus! Überprüfen Sie die Zuverlässigkeit der Klemmenverbindungen und das Fehlen von Oxidation oder Schwächung. Ziehen Sie bei Bedarf alle Klemmen fest.
8. Thermisches Muster: Führen Sie eine Thermografie des Motors (Gehäuse, Lager), des Klemmenkastens, der Stromkabel und des Thermorelais selbst unter Last durch. Suchen Sie nach „Hot Spots“.
9. Trigger-Verlauf: Sammeln Sie Informationen über frühere Trigger (Datum, Uhrzeit, Betriebsbedingungen, Änderungen im technologischen Prozess).
10. Vibration: Messen Sie die Gesamtvibration des Motors (Vibrometer), um mechanische Ursachen einer Überlastung auszuschließen.
11. Belüftungsprüfung: Beurteilen Sie die Wirksamkeit der Schaltschrankbelüftung und Motorkühlung.
12. Harmonische Verzerrung: Messen Sie bei Verdacht den aktuellen nichtlinearen Verzerrungsfaktor (THDi) mit einem Netzqualitätsanalysator (sollte <10 % sein).

8. Präventionsstrategie: Erhöhung der Systemzuverlässigkeit

Eine wirksame Strategie zur Verhinderung einer Fehlaktivierung von Thermorelais umfasst eine Reihe von Maßnahmen zur Optimierung von Design, Installation, Betrieb und Wartung:

• Design und Auswahl:
  • Stromspanne: Wählen Sie immer ein Thermorelais mit einer kleinen Spanne an der Obergrenze des Regelbereichs, sodass der Motornennstrom 85–95 % der Obergrenze beträgt.
  • Betriebsklasse: Berücksichtigen Sie die Motorbetriebsklasse und die spezifische Last. Für Motoren mit schwierigem Start oder zyklischen Spitzenlasten verwenden Sie Relais der Klasse 20 oder 30.
  • Temperaturkompensation: Bevorzugen Sie Bimetallrelais mit integrierter Temperaturkompensation oder verwenden Sie elektronische Relais bei starken Schwankungen der Umgebungstemperatur.
• Montage und Installation:
  • Schrankbelüftung: Sorgen Sie für eine gute Luftzirkulation im Inneren der Schaltschränke. Installieren Sie Industrieventilatoren mit Filtern oder Klimaanlagen, um eine Temperatur von nicht mehr als +30 °C aufrechtzuerhalten.
  • Trennung von Wärmequellen: Platzieren Sie Thermorelais entfernt von anderen Komponenten, die erhebliche Wärme erzeugen (z. B. Transformatoren, Widerstände).
  • Qualität der Verbindungen: Verwenden Sie hochwertige Kabelenden, verwenden Sie Drehmomentschraubendreher, um die Klemmverbindungen gemäß den Empfehlungen des Herstellers festzuziehen.
• Zustandsüberwachung:
  • SCADA-Systeme: Implementierung von SCADA-Systemen oder Industriesteuerungen (SPS) zur ständigen Überwachung von Motorstrom, Wicklungstemperatur (durch PT100-Sensoren), Schaltschranktemperatur.
  • Thermografische Untersuchungen: Regelmäßige geplante thermografische Untersuchungen aller Schaltschränke und Elektromotoren (einmal alle 6-12 Monate) zur Früherkennung von Überhitzungen.
  • Analyse der Stromqualität: Regelmäßige Überprüfung des Vorhandenseins harmonischer Verzerrungen im Netzwerk, die zu zusätzlicher Erwärmung führen können.
• Wartung und Schulung:
  • MRP: Nehmen Sie in den MRP-Plan eine regelmäßige Inspektion, Reinigung und gegebenenfalls den Austausch von Thermorelais auf (alle 5–7 Jahre bei Bimetallrelais, abhängig von den Betriebsbedingungen).
  • Kalibrierung: Überprüfung der Kalibrierung der Messgeräte, die zum Einrichten des Relais verwendet wurden.
  • Mitarbeiterschulung: Durchführung regelmäßiger Schulungen für Techniker und Ingenieure zu den Funktionsprinzipien von Thermorelais, Diagnosemethoden und Korrekturmaßnahmen.

9. Fazit

Die effiziente Funktion von Thermorelais ist von entscheidender Bedeutung für den unterbrechungsfreien und sicheren Betrieb von Industrieanlagen. Ein systematischer Ansatz zur Analyse der Grundursachen von Fehlalarmen, der eine gründliche Diagnose, Korrekturmaßnahmen und eine Präventionsstrategie umfasst, ermöglicht es Ihnen, die Zuverlässigkeit von Produktionsprozessen deutlich zu erhöhen. Investitionen in die richtige Geräteauswahl, Optimierung der Betriebsbedingungen und qualifizierte Wartung zahlen sich aus, indem sie Ausfallzeiten reduzieren und die Lebensdauer teurer Geräte verlängern.

Weitere Informationen zu Schutzgeräten, Elektromotoren und industriellen Automatisierungskomponenten finden Sie im UNITEC-D E-Katalog.

10. Links

• DSTU EN IEC 60947-4-1:2020. Niederspannungsverteilungsgeräte sind fertig. Teil 4-1: Schütze und Starter von Elektromotoren. Elektromechanische Schütze und Starter.
• DSTU ISO 10816-3:2006. Vibration ist mechanisch. Bewertung von Maschinenschwingungen anhand von Messergebnissen an stationären Teilen. Teil 3: Industriemaschinen mit einer Nennleistung von mehr als 15 kW, die mit Drehzahlen zwischen 120 U/min und 15.000 U/min betrieben werden und auf flexiblen oder starren Fundamenten aufgestellt sind.
• Handbücher für Betrieb und Wartung von Elektromotoren und Thermorelais führender Hersteller (z. B. Siemens, Schneider Electric, Eaton).
• Mankis, SE (2012). Anleitung zum Betrieb und zur Reparatur von Elektromotoren. Moskau: Energoatomizdat.