Einleitung: Symptome von Ausfällen in Produktionshallen ukrainischer Unternehmen
Auf Industrieanlagen und Maschinenbaubetrieben in der Ukraine führen falsche Auslösen von Schutzgeräten zu bis zu 35 % aller unplangemachten Stillstände von Produktionslinien. Typischerweise stoppt der Hauptantrieb einer Förderbahn oder einer Pumpstation plötzlich während eines technischen Zyklus ohne erkennbare Anzeichen von Stromüberschlag. Der Schichtelektriker registriert das Auslösen eines Bimetall-Thermoschutzrelais oder eines elektronischen Schutzschalters. Die Messung des Arbeitsstroms mit Stromschellen zeigt Werte, die den Nennstrom des Motors ($I_n$) nicht überschreiten. Versuche, den Antrieb sofort wieder zu starten, enden häufig mit einem erneuten Notabschaltung nach 3–5 Minuten. Ähnliche Vorfälle führen zu Produktivitätsverlusten, Materialverlusten in kontinuierlichen Prozessen und vorzeitigem Verschleiß von Schaltgeräten.
In diesem technischen Dokument führen wir eine gerichtlich-technische Expertise der Ursachen ähnlicher Störungen anhand der Wechselwirkung von Stromkreisen und Positionssensoren, insbesondere induktiver Sensoren wie Schneider Electric XS212BLPBM12, die in strengen Bedingungen ukrainischer Werkstätten mit Temperaturschwankungen von $-25\,^\circ ext{C}$ bis $+55\,^\circ ext{C}$ arbeiten.
Überblick über den Komponenten und sein Betriebsumfeld
Thermische Überlastschutzrelais sind zum Schutz von kurzgeschlossenen Asynchronmotoren vor langfristigen Überlastungen, Phasenbrüchen und Stromasymmetrien bestimmt. Sie werden direkt am Kontaktor im Wechselstromschaltkreis (Normen DSTU EN 60947-4-1, IEC 60947-4-1) eingebaut.
Der Standardbetriebszyklus umfasst die Arbeit in einer Umgebung mit nominaler Umgebungstemperatur von $+20\,^\circ ext{C}$ oder $+30\,^\circ ext{C}$ abhängig von der Herstellerangabe. Allerdings unterscheiden sich die tatsächlichen Betriebsbedingungen auf ukrainischen Werken (Hüttenwerke in Zaporožje, Bergbau- und Verarbeitungsunternehmen in Krym-Rog, Unternehmen der chemischen Branche in Charkiw) deutlich von den Laborbedingungen. Geschlossene Elektroverteilerkästen, die nahe an Ofen oder heißen Rohrleitungen installiert sind, schaffen ein Mikroklima mit einer inneren Temperatur über $+50\,^\circ ext{C}$. Unter diesen Bedingungen verliert die Kalibrierung von Bimetallplatten an Genauigkeit.
| Parameter | Nennwert | Reales Wert im Werk | Grenzwert für zulässige Werte |
|---|---|---|---|
| Umgebungstemperatur des Schutzschalters | $+20\,^\circ{\text{C}}$ | $+42\,^\circ ext{C}$...$+58\,^\circ ext{C}$ | $+60\,^\circ{\text{C}}$ (IEC 60947) |
| Betriebsstrom ($I_{load}$) | $24,5\text{ A}$ | $24,0\text{ A}$ | $25,0\text{ A}$ ($I_n$ des Motors) |
| Startzeit des Motors ($t_{start}$) | $2,5 ext{ с}$ | $7,8 ext{ с}$ | $10,0\text{ A}$ (Klasse des Schneidwerks 10A) |
| Asymmetrie der Phasen | $< 1\%$ | 4,5 % | $< 2\%$ |
Beweisbasis und Diagnosedaten
Während der vor Ort durchgeführten Inspektion der Kompressorenstation im Dnipro-Region wurde eine Serie von falschen Auslösen des Hauptmotors der Kompressoren mit der Leistung $37 ext{ kW}$ ($I_n = 68 ext{ A}$) festgestellt. Die Analyse der Ereignisprotokolle des Controllers sowie der Überwachungssysteme zeigte folgende Fakten:
- Schwingung am Motorgehäuse: $2.8 ext{ mm/s}$ RMS (im Bereich der Norm für ISO 10816-3 für Klasse II).
- Temperatur innerhalb der Verteilerkiste auf der Stufe des Thermischen Schutzrelais: $+52,4\,^\circ ext{C}$.
- Oszillogramme der Anlaufströme zeigten einen verlängerten Beschleunigungszeitraum durch Spannungseinbruch in der Werkstromversorgung auf 372 V (Abfall um 14 % vom Nennspannungswert von 400 V).
- Positionssensoren des Mechanismus, insbesondere induktive Schalter Schneider Electric XS212BLPBM12, die das Öffnen des Entlastungsventils signalisieren, wurden durch harmonische Verzerrungen aus dem Frequenzumrichter ($THD_u > 8\%$) beeinflusst, was Mikroimpulse in den Steuerkreisen und falsche Rückwärtsbefehle verursachte.
Fixierter mittlerer Ausfallfreibetrag (MTBF) für den Schutzknoten unter Bedingungen unkorrigierter Temperatur ist von den angegebenen 150 000 Stunden auf 1 200 Stunden gesunken.
Systematischer Ursachenanalyse (Ishikawa-Methode)
Zur Identifizierung der tiefgreifenden Ursachen der Systemdegradation wurde eine Ishikawa-Diagramm mit vier Hauptvektoren angewendet: Umwelt, Ausrüstung, Personal und Berechnungsmethode.
1. Umweltfaktor (Environmental Factors)
Das Wärmesicherungsschutzrelais reagiert auf die Gesamtheizung: die vom inneren Strom erzeugte Wärme und die vom Umgebungsklima aufgenommene Wärme. Eine Temperaturerhöhung im Schutzschrank über $+40\,^\circ ext{C}$ verursacht, dass der Bimetall früher als bei Nennstrombiegung verformt wird. Der Korrekturfaktor des Auslösestroms bei $+50\,^\circ ext{C}$ beträgt etwa $0.88$ des Nennwerts.
2. Fehlere beim Entwurf und der Auslegung (Sizing Errors)
Oft wählen Projektierer Thermische Schutzrelais eindeutig nach dem Nennstrom des Motors, ohne den Anlaufstromverlauf (Klasseneinteilung 10, 20, 30 gemäß DSTU EN 60947-4-1), die Anwesenheit häufiger Anlaufs- und Stoppszyklen (über 15 Anläufe pro Stunde) sowie den Lastcharakter (träge Ventilatoren, schwere Klinkerbrecher) zu berücksichtigen.
3. Qualität der elektrischen Energie (Power Quality)
Ungleichmäßige Belastung der Phasen (Spannungsasymmetrie) erzeugt eine umgekehrte Stromfolge in den Statorwicklungen. Selbst bei einer geringen Spannungsasymmetrie von $3\%$ kann die Stromasymmetrie bis zu $15-20\%$ erreichen und eine der Phasenbi metallischen Platten überhitzen.
Identifizierte Ursachen (Sortierliste)
- Erwärmung der Steuerungsschrank (Wahrscheinlichkeit: 45%). Fehlende gezwungene Belüftung und Klimatisierung in den Stromschranken bei außenliegender Temperatur des Werkraums über $+35\,^\circ ext{C}$.
- Unzulässigkeit der Schneckengetriebeklasse im Betriebsmodus (Wahrscheinlichkeit: 25 %). Verwendung von Klasse 10 Relais auf Antrieben mit schwierigem Anlaufen (Anlaufzeit über $10$ Sekunden).
- Spannungsabfall im Netz und Harmonische (Wahrscheinlichkeit: 20%). Verlängerung der Beschleunigungszeit des Motors durch Spannungsabfälle in den Werknetzen $0.4 ext{ kV}$.
- Montagefehler und Übergangswiderstände an Klemmen (Wahrscheinlichkeit: 10%). Oxidation oder unzureichender Schraubmoment $M_A < 2.5 ext{ Nm}$ der Leistungsklemmen, was zu lokalem Erwärmen durch den Übergangswiderstand und Wärmeübertragung auf das Bimetallrelais führt.
Korrektur- und präventive Maßnahmen
Um die identifizierten Defekte zu beheben und die Ausfallrisiken auf Produktionslinien zu vermeiden, ist es notwendig, ein umfassendes Set technischer Lösungen umzusetzen:
- Betriebliche Ausführung (Unverzügliche Maßnahmen): Die Schaltgrenze des Relais entsprechend der Umgebungstemperaturkompensation nach der Hersteller-Nomogramm oder ein Relais mit Umgebungstemperaturkompensation (Temperaturbereich von $-20\,^\circ ext{C}$ bis $+60\,^\circ ext{C}$) einstellen. Den Drehmomentwert aller Leitungskontakte mit einem Drehmomentmessgerät prüfen ($2.5 ext{ Nm}$ für Standardgewinde M4).
- Langfristige Modernisierung: Systeme zur Klimakontrolle (Filtrations- und Lüftungsmodule mit Thermostaten oder industrielle Klimaanlagen) in Verteilergehäusen installieren, um eine stabile Temperatur von $+25\,^\circ ext{C} \pm 5\,^\circ ext{C} zu gewährleisten. Veraltete elektromechanische Relais durch moderne digitale Motor-Schutzmodule ersetzen, welche die Messung wahrer Effektivwerte (True RMS) sowie die Möglichkeit der Anschluss über die Protokolle Modbus RTU zur Integration in ein SCADA-System ermöglichen.
- Ersetzung von Zubehörkomponenten: Bei Ausfall von Steuerelementen ist die Verwendung von industriellen Sensoren und Schaltgeräten, die nach dem CE-Zertifizierungsstandard zugelassen sind, sowie von Komponenten, die über UNITEC-D E-Catalog ausgewählt wurden, zur Sicherstellung der Kompatibilität mit europäischen und ukrainischen Normen erforderlich.
Schnelle Diagnosekarte für Werkstattpersonal (Tablet-fähig)
Dieser Check-Liste ist für Ingenieure der Zuverlässigkeit und für Schichtelektriker während einer Express-Diagnose vor Ort bestimmt:
- [ ] Schritt 1. Temperaturprüfung der Schrank: Temperatur des Luftinneren der Schrank mit einem Pyrometer an der Höhe des oberen Randes des Schützes messen (Norm: $< +40\,^\circ ext{C}$).
- [ ] Schritt 2. Laststromkontrolle: Die Ströme aller drei Phasen (A, B, C) mit Stromschaltern messen (Ausfall der Asymmetrie darf nicht mehr als $2-3\%$ überschreiten).
- [ ] Schritt 3. Inspektion der Klemmverbindungen: Durchführen einer Infrarotprüfung der Kontaktschrauben auf Anomalien ($\Delta T > 15\,^\circ ext{C}$ im Vergleich zur Leitung).
- [ ] Schritt 4. Analyse der Anlaufcharakteristik: Fixieren Sie die Dauer des Anlaufzeitraums des Motors ($t_{start}$) mit einem digitalen Oszilloskop.
- [ ] Schritt 5. Prüfung der Steuerungsketten: Testen Sie die Stabilität der Signale von Positionsensoren auf Anomalien durch elektromagnetische Störungen.
- [ ] Schritt 6. Prüfung der Nennwerte: Prüfen Sie die Übereinstimmung des aktuellen Nennstroms des Thermoschutzschalters mit dem Nennstrom des Motors unter Berücksichtigung des Servicefaktors (SF).
- [ ] Schritt 7. Zustand der Doppelmetallplatte prüfen: Prüfen Sie die Abwesenheit mechanischer Schäden oder Korrosionsspuren am Gehäuse des Schutzgeräts.
- [ ] Schritt 8. Test der Taste Test/Reset: Prüfen Sie die mechanische Auslösung der Kontaktschaltung der Signalleitung (97-98).
Fehlertoleranzstrategie
Um die Kontinuität der Produktionsprozesse in industriellen Unternehmen in der Ukraine sicherzustellen, ist es notwendig, ein dreistufiges Wartungssystem einzuführen:
- Präventives Wartung (PM): Quartalsprüfung und Drehmomentkontrolle der Stromklemmen mit Drehmomentanzeiger, Reinigung der Lüftungsfiltren der Schutzschranken.
- Zustandsüberwachung (PdM): Einbau von Temperatursensoren in Schutzschächte mit Übertragung von Notfallsignalen an die Oberstufe der SCADA-Systeme bei Erreichen der Grenztemperatur $+45\,^\circ ext{C}$. Regelmäßige thermografische Überwachung der elektrischen Ausrüstung (mindestens 2 Mal jährlich).
- Bestandsmanagement: Ständige Verfügbarkeit kritischer Schutz- und Schaltkomponenten, die anhand der tatsächlichen Betriebsbedingungen durch UNITEC-D E-Katalog ausgewählt werden.
Zusammenfassung
Fehlende Auslösen von Thermoschutzschaltern ist kein unvermeidlicher Nachteil der Verschleiß von Ausrüstung. Sie treten aufgrund der Verletzung der Temperaturbedingungen innerhalb der Schaltkästen, Fehler bei der primären Auswahl der Geräte sowie der Vernachlässigung der realen Netzparameter auf. Ein systematischer Ansatz zur Diagnose, der thermografische Überwachung, Analyse von Harmonischen und Anpassung der Einstellungen mit Berücksichtigung der Einflüsse der Umgebung umfasst, ermöglicht eine Reduzierung der Anzahl an Notstopp auf 80 %. Für die Auswahl zuverlässiger Komponenten und Teile ersetzen Sie veraltete Module mit Hilfe UNITEC-D E-Catalog.
Normative Verweise und Literaturverzeichnis
- DS TU EN 60947-4-1:2014 „Niederspannungsgeräte. Teil 4-1. Elektromechanische Schütze und Motorstarter“
- IEC 60947-4-1:2018 «Niederspannungs-Schaltgeräte und Steuergeräte - Teil 4-1: Kontakte und Motorstarter - Elektromechanische Kontakte und Motorstarter».
- ISO 10816-3:2009 «Mechanische Schwingungen - Bewertung der Maschinen schwingung durch Messungen an nicht rotierenden Teilen»
- Technische Dokumentation und Bedienungsanleitungen von Schneider Electric zur Schutz von Motoren der TeSys-Serie.
- Handbuch zur Fehlereinschätzung industrieller Elektroausrüstung, UNITEC-D Engineering Handbook, 2023.
