Analyse van de hoofdoorzaak van een verkeerde werking van het thermische relais: invloed van de omgevingstemperatuur, belastingsprofiel en selectiefouten

1. Inleiding: Syndroom van valse activering van het thermische relais

Een verkeerde werking van thermische relais is een veelvoorkomend probleem in industriële omgevingen, resulterend in ongeplande stillegging van apparatuur, verminderde productiviteit en aanzienlijke economische verliezen. Ondanks het feit dat thermische relais zijn ontworpen om elektromotoren te beschermen tegen overbelasting en oververhitting, vereist hun onjuiste werking – die in werking treedt bij afwezigheid van een reële dreiging – een diepgaande technische analyse. Deze analyse moet systematisch en op bewijs gebaseerd zijn en gericht zijn op de grondoorzaken, niet alleen op de symptomen. Typische gevolgen zijn onder meer: ​​verlies van werktijd tot 3 uur per incident, diagnose- en herstartkosten tot € 500,- per incident en mogelijke productschade in procesketens.

2. Componentenoverzicht: Thermisch relais en zijn functie

Het thermische relais is een sleutelelement van het beveiligingssysteem van laagspannings-elektromotoren, dat hun betrouwbaarheid op lange termijn garandeert door de stroom uit te schakelen wanneer de toegestane stromen worden overschreden. Beveiliging tegen overbelasting is van cruciaal belang omdat overmatige stroom leidt tot oververhitting van de motorwikkelingen, verslechtering van de isolatie en, als gevolg daarvan, volledige uitval. Door de motor te laten draaien bij een temperatuur van de wikkelingen die 10°C boven de nominale waarde ligt, wordt de levensduur met ongeveer de helft verkort. De gemiddelde tijd tot falen (MTBF) voor een hoogwaardige driefasige motor bedraagt ​​50.000 tot 70.000 uur, maar dit cijfer daalt sterk bij frequente overbelasting.

Er zijn twee hoofdtypen thermische relais:

• Bimetaalrelais: ze werken volgens het principe van vervorming van bimetaalplaten onder invloed van warmte die vrijkomt wanneer er stroom vloeit. Relatief eenvoudig, zuinig, maar gevoelig voor omgevingstemperatuur.
• Elektronische relais: Gebruik thermistors of stroomtransformatoren voor metingen, microprocessors voor analyse en precisiebescherming. Bied een hogere nauwkeurigheid, minder gevoeligheid voor externe temperaturen en geavanceerde functies, waaronder bewaking van de wikkelingstemperatuur (met behulp van PT100-sensoren) en communicatiemogelijkheden.

De selectie en instelling van het thermische relais wordt geregeld door internationale en nationale normen, in het bijzonder ДСТУ EN IEC 60947-4-1:2020 "Complete laagspanningsschakelaars. Deel 4-1: Schakelaars en starters van elektromotoren. Elektromechanische schakelaars en starters", waarin de eisen voor het ontwerp, de kenmerken en de tests hiervan worden gedefinieerd apparaten.

3. Bewijs van een storing: wat de technicus waarneemt

In het geval van valse activering van het thermische relais wordt een ervaren technicus geconfronteerd met een paradoxale situatie: de motor stopt, maar er zijn geen visuele en instrumentele tekenen van overbelasting. Typisch bewijs van weigering omvat:

• Invoer in logboeken: Systematische activering van relais op bepaalde tijdstippen van de dag of tijdens bepaalde productiecycli, die niet correleren met piekbelastingen. Activering bijvoorbeeld om 14:00 uur. elke dag, wanneer de zon de werkplaats maximaal verwarmt.
• Meting van stroom: De stroomtang geeft een stroom weer die tussen 70-90% van de nominale waarde van de motor ligt, terwijl het relais is ingesteld op 110-120% van die waarde. De afwezigheid van asymmetrie van stromen in fasen (afwijking <5%) duidt op een belastingsevenwicht.
• Thermografisch onderzoek: Het gebruik van een warmtebeeldcamera (bijvoorbeeld Fluke TiS60+) detecteert geen abnormale verwarming van de motorwikkelingen (temperatuur lichaamsoppervlak <60°C, temperatuur uitgangsterminal <70°C). Er kan echter een verhoogde temperatuur in de schakelkast, waar het relais zich bevindt, worden gedetecteerd tot boven de +35°C.
• Trillingsanalyse: Draagbare vibrometers (bijv. SKF Microlog Analyzer) registreren trillingsniveaus die overeenkomen met klasse A of B volgens DSTU ISO 10816-3 (doorgaans <4,5 mm/s RMS voor motoren tot 300 kW), wat aangeeft dat er geen mechanische problemen zijn die overbelasting kunnen veroorzaken
• Visuele inspectie: Afwezigheid van rook, brandgeur, donker worden van draden of contacten. De motor loopt soepel, zonder ongebruikelijke geluiden of intermitterende trillingen.

Voorbeeld: Een thermisch relais met een bereik van 23-32 A, ingesteld op 31 A, wordt geïnstalleerd op een transportband met een elektromotor van 15 kW, nominale stroom 29 A (400 V). In de zomer werkt hij systematisch bij een werkplaatstemperatuur van +38°C. Stroommeting toont 27 A, motorthermografie +55°C, schakelkast +45°C. Dit duidt duidelijk op de invloed van externe factoren, en niet op een overbelasting van de motor.

4. Onderzoek naar de oorzaken: systematische analyse

Een systematische aanpak, zoals de "5 Whys"-analyse of het Ishikawa-diagram (visgraatdiagram), wordt gebruikt om de grondoorzaken van verkeerde bediening van thermische relais te identificeren. Hierdoor kunt u het probleem diepgaand onderzoeken, rekening houdend met alle mogelijke factoren.

4.1. De ‘5 Waarom’-methode

1. Probleem: thermisch relais schakelt uit, motor slaat af zonder duidelijke overbelasting.
2. Waarom? Het relais beschouwt de normale bedrijfsstroom als een overbelasting.
3. Waarom?
   • A. De omgevingstemperatuur waar het relais is geïnstalleerd, is verhoogd.
   • B. De motorbelastingsstroom heeft ongebruikelijke pieken die de bedrijfsklasse van het relais overschrijden.
   • A. Het relais is verkeerd geselecteerd of geconfigureerd.
   • D. Relaiselementen zijn verslechterd of hebben een verhoogde transiënte weerstand.
4. Waarom (voor elk van de punten A, B, C, D)?
   • A. Waarom de verhoogde temperatuur? - Onvoldoende ventilatie van de kast, directe blootstelling aan zonlicht, nabijheid van warmtebronnen (kachels, compressoren).
   • B. Waarom ongebruikelijke stroompieken? - Technologische overbelastingen op korte termijn (vastlopen van materiaal), hoge startstromen, veranderingen in de kenmerken van de werkomgeving (vloeistofdichtheid).
   • V. Waarom is het verkeerd geselecteerd/geconfigureerd? - Onvoldoende technische kwalificaties, gebrek aan nauwkeurige gegevens over het motorbelastingsprofiel, het niet in aanmerking nemen van de bedrijfsklasse van de motor.
   • D. Waarom zijn de elementen afgebroken? - Natuurlijke veroudering van materialen, corrosie van contacten, trillingen, vervuiling, blootstelling aan agressieve omgevingen.
5. Waarom (voor verdere factoren)? Waarom is de kwalificatie bijvoorbeeld onvoldoende? - Gebrek aan regelmatige training, verwaarlozing van de instructies van de fabrikant.

4.2. Ishikawa-diagramfactoren

• Man: Personeelsfouten tijdens selectie, installatie, aanpassing en onderhoud.
• Methode: gebrek aan gestandaardiseerde controle-, diagnostische en preventieve onderhoudsprocedures.
• Machine: Slijtage of uitval van het relais zelf, verkeerd type relais voor de toepassing.
• Materiaal (Materiaal): Degradatie van bedrading, contactoppervlakken, relaiscomponenten van lage kwaliteit.
• Omgeving: Hoge omgevingstemperatuur, hoge luchtvochtigheid, stofvervuiling, agressieve chemische dampen.
• Meting: gebruik van niet-gekalibreerde instrumenten, gebrek aan nauwkeurige gegevens over motorparameters en belastingsprofiel.

5. Geïdentificeerde grondoorzaken

Op basis van een systematische analyse is het mogelijk om de belangrijkste oorzaken van onjuiste werking van thermische relais te identificeren, gerangschikt op waarschijnlijkheid en bevestigd door bewijsmateriaal:

1. Verhoogde omgevingstemperatuur (waarschijnlijkheid 40%)

   Samenvatting: Thermische relais, vooral bimetaal, zijn gekalibreerd om te werken bij een standaardtemperatuur van +20°C. Wanneer de omgevingstemperatuur stijgt, warmt het relais snel op tot een kritisch punt, zelfs als de motorstroom normaal is. Elke stijging van de temperatuur in de schakelkast met 10°C boven de nominale bedrijfstemperatuur van het relais (meestal +20°C) kan leiden tot een verlaging van de toegestane stroom met 5-10%. Een relais dat is geconfigureerd voor 30 A bij +20°C kan bijvoorbeeld werken op 27 A als de kasttemperatuur +40°C bereikt.

   Bewijs: Thermografisch onderzoek van schakelkasten brengt temperaturen van +40°C...+55°C aan het licht. Historische gegevens laten een toename zien van het aantal ritten tijdens de warme periode van het jaar of in bepaalde winkels (bijvoorbeeld gieterij, thermisch).

2. Mismatch tussen het belastingsprofiel en de klasse van relaiswerking (waarschijnlijkheid 30%)

   Samenvatting: Sommige technologische processen worden gekenmerkt door piekbelastingen op korte termijn (bijvoorbeeld het starten van een zware transportband, de cyclische werking van een pers, het laden van een breker). Deze pieken kunnen aanzienlijk zijn (150-200% van de nominale stroom), maar de duur ervan is te kort om de motor oververhit te laten raken. Als het thermische relais echter een lage uitschakelklasse heeft (bijvoorbeeld klasse 10A, wat betekent dat DSTU EN IEC 60947-4-1:2020 gedurende 2-10 seconden uitschakelt bij 7,2 maal de stroom), kan het de motor tijdens deze pieken uitschakelen.

   Bewijs: Analyse van de stroomgolfvormen met een Power Quality Recorder (zoals een Fluke 435 Series II) laat regelmatige stroompieken op korte termijn zien die de relaisinstelling overschrijden, maar geen aanhoudende overbelasting zijn. De motor vertoont geen tekenen van oververhitting.

3. Fouten in relaisselectie en -configuratie (waarschijnlijkheid 20%)

   Essentie: Een onjuiste selectie van het thermische relais op basis van het huidige bereik of een onjuiste instelling van de instelling is een directe oorzaak van vals alarm. Het relais moet zo worden geselecteerd dat het instelbereik de nominale stroom van de motor omvat, en de instelling wordt ingesteld op 1,05-1,15 van de nominale stroom van de motor (afhankelijk van de servicefactor van de motor). Er doet zich vaak een situatie voor wanneer het relais is ontworpen voor 100% van de nominale stroom, waardoor er geen marge overblijft voor normale bedrijfsschommelingen.

   Bewijs: het controleren van het typeplaatje van de motor en het vergelijken ervan met de relaisinstellingen brengt een discrepantie aan het licht. De nominale stroom van de motor is bijvoorbeeld 40 A en het relais is ingesteld op 38 A. Gebrek aan duidelijke documentatie over de selectie en configuratie van de apparatuur.

4. Degradatie van isolatie en tijdelijke weerstanden (waarschijnlijkheid 10%)

   Samenvatting: Na verloop van tijd, vooral in omstandigheden van trillingen, hoge luchtvochtigheid of chemisch agressieve omgevingen, kunnen relaiscontacten en aansluitingen oxideren, wat leidt tot een toename van de transiënte weerstand. Een toename van de weerstand veroorzaakt lokale verwarming op het contactpunt, wat bovendien de bimetaalelementen van het relais beïnvloedt, waardoor het eerder moet werken. Verslechtering van de isolatie in de bedrading naar de motor kan ook leiden tot lekstromen of plaatselijke verwarming.

   Bewijs: Het meten van de weerstand van de relaiscontacten (micro-ohmmeter) geeft >100 µΩ aan, terwijl de nieuwe contacten <50 µΩ zijn. Een visuele inspectie onthult sporen van oxidatie of oververhitting op de aansluitingen. Isolatiemetingen met een megohmmeter (bijvoorbeeld Fluke 1587 FC) kunnen defecten of een afname van de isolatieweerstand tot 1-5 MΩ (normaal >100 MΩ) aan het licht brengen.

6. Corrigerende maatregelen: onmiddellijke en langetermijnoplossingen

Om valse activeringen van het thermische relais effectief te elimineren, is het noodzakelijk om een reeks corrigerende maatregelen toe te passen:

6.1. Voor verhoogde omgevingstemperatuur:

• Onmiddellijk: Openen van de schakelkastdeur (tijdelijke oplossing die de veiligheid schendt), installeren van een tijdelijke ventilator.
• Lange termijn: Installatie van industriële airconditioningsystemen voor schakelkasten (bijv. Rittal Blue e+), gebruik van ventilatoren met filters voor geforceerde luchtcirculatie. Kasten uit de buurt van warmtebronnen verplaatsen. Gebruik van thermische relais met temperatuurcompensatie.

6.2. Voor niet-overeenkomende belastingsprofielen:

• Onmiddellijk: Tijdelijke verhoging van de relaisstroominstelling (met verplichte daaropvolgende aanpassing), stroombewaking.
• Lange termijn: gebruik van thermische relais met een hogere uitschakelklasse (bijv. klasse 20 of 30 voor zwaar startende motoren). Installatie van softstarters of frequentieomvormers om de startstromen te verminderen. Optimalisatie van het technologische proces om piekbelastingen af ​​te vlakken.

6.3. Voor selectie- en configuratiefouten:

• Onmiddellijk: Controleer en pas de instelling van de relaisstroom aan op basis van de nominale motorstroom en de servicefactor (meestal instelling = nominale motorstroom * 1,1).
• Lange termijn: Ontwikkeling van gestandaardiseerde instructies voor de selectie en aanpassing van thermische relais voor verschillende soorten motoren en belastingen. Regelmatige opleiding van technisch en technisch personeel. Het uitvoeren van een energieaudit om het werkelijke verbruiksprofiel nauwkeurig te bepalen.

6.4. Voor degradatie van isolatie en transiënte weerstanden:

• Onmiddellijk: Grondige reiniging van contactgroepen, aanhalen van klemverbindingen met inachtneming van het aanhaalmoment (bijvoorbeeld 2,5 Nm voor klemmen tot 2,5 mm²).
• Lange termijn: Opname in het PPR-plan van regelmatige controles van de staat van de contacten, isolatie en vervanging van versleten relais. Gebruik van klemmen met veerklemmen voor verhoogde betrouwbaarheid.

7. Snelle diagnostische checklist voor veldtechnici

Deze checklist is bedoeld voor een snelle en effectieve diagnose van de oorzaken van valse activeringen van het thermische relais direct op de plaats van gebruik. Het wordt aanbevolen om een ​​draagbare tablet te gebruiken voor gegevensinvoer.

1. Visuele inspectie: Controleer de schakelkast en motor op zichtbare schade, vervuiling, sporen van oververhitting, defecte indicatoren.
2. Omgevingstemperatuur: Meet de temperatuur in de schakelkast en de omgevingslucht nabij de motor (infraroodthermometer).
3. Belastingsstroom: Meet de werkelijke bedrijfsstroom van de motor op alle drie de fasen (stroomtang, bijv. Fluke 376 FC). Noteer de maximale en minimale waarden voor een volledige werkcyclus (minimaal 30 minuten).
4. Relaisinstelling: Controleer de huidige stroominstelling op het thermische relais.
5. Geschatte motorgegevens: Lees de nominale stroom en isolatieklasse af van het typeplaatje van de motor. Bereken de aanbevolen relaisinstelling.
6. Voedingsspanning: Meet de spanning tussen fasen en tussen fasen en nul (multimeter). Controleer op verkeerde fase-uitlijning (<2%).
7. Status van de contacten: Schakel de stroom uit! Controleer de betrouwbaarheid van de terminalverbindingen, de afwezigheid van oxidatie of verzwakking. Draai indien nodig alle aansluitingen vast.
8. Thermisch patroon: Voer thermografie uit van de motor (behuizing, lagers), klemmenkast, voedingskabels en het thermische relais zelf onder belasting. Zoek naar ‘hotspots’.
9. Triggergeschiedenis: verzamel informatie over eerdere triggers (datum, tijd, bedrijfsomstandigheden, veranderingen in het technologische proces).
10. Trillingen: Meet het algemene trillingsniveau van de motor (vibrometer) om mechanische oorzaken van overbelasting uit te sluiten.
11. Ventilatiecontrole: Beoordeel de effectiviteit van de ventilatie van de schakelkast en de motorkoeling.
12. Harmonische vervorming: meet bij vermoeden de huidige niet-lineaire vervormingsfactor (THDi) met behulp van een Power Quality Analyzer (moet <10%) zijn.

8. Preventiestrategie: Vergroten van de systeembetrouwbaarheid

Een effectieve strategie voor het voorkomen van valse activering van thermische relais omvat een reeks maatregelen gericht op het optimaliseren van ontwerp, installatie, bediening en onderhoud:

• Ontwerp en selectie:
  • Stroommarge: Kies altijd een thermisch relais met een kleine marge op de bovengrens van het regelbereik, zodat de nominale motorstroom 85-95% van de bovengrens bedraagt.
  • Bedrijfsklasse: houd rekening met de bedrijfsklasse van de motor en de specifieke belasting. Gebruik klasse 20- of klasse 30-relais voor motoren met moeilijke start of cyclische piekbelastingen.
  • Temperatuurcompensatie: geef de voorkeur aan bimetaalrelais met ingebouwde temperatuurcompensatie, of gebruik elektronische relais in omstandigheden met aanzienlijke schommelingen in de omgevingstemperatuur.
• Montage en installatie:
  • Kastventilatie: Zorg voor een goede luchtcirculatie in de schakelkasten. Installeer industriële ventilatoren met filters of airconditioningsystemen om een ​​temperatuur van niet hoger dan +30°C te handhaven.
  • Scheiding van warmtebronnen: plaats thermische relais uit de buurt van andere componenten die aanzienlijke warmte genereren (bijv. transformatoren, weerstanden).
  • Kwaliteit van verbindingen: Gebruik kabeluiteinden van hoge kwaliteit, gebruik momentschroevendraaiers om de aansluitingen vast te draaien volgens de aanbevelingen van de fabrikant.
• Conditiebewaking:
  • SCADA-systemen: Implementatie van SCADA-systemen of industriële controllers (PLC) voor constante monitoring van motorstroom, wikkelingstemperatuur (via PT100-sensoren), schakelkasttemperatuur.
  • Thermografische onderzoeken: Regelmatig geplande thermografische onderzoeken van alle schakelkasten en elektromotoren (eens per 6-12 maanden) voor vroegtijdige detectie van oververhitting.
  • Analyse van de stroomkwaliteit: Controleer periodiek de aanwezigheid van harmonische vervormingen in het netwerk, die extra verwarming kunnen veroorzaken.
• Onderhoud en training:
  • MRP: Neem in het MRP-plan regelmatige inspectie, reiniging en, indien nodig, vervanging van thermische relais op (elke 5-7 jaar voor bimetaal, afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden).
  • Kalibratie: Controle van de kalibratie van de meetinstrumenten die worden gebruikt om het relais in te stellen.
  • Training van het personeel: Het geven van regelmatige trainingen aan technici en ingenieurs over de werkingsprincipes van thermische relais, diagnostische methoden en corrigerende maatregelen.

9. Conclusie

De efficiënte werking van thermische relais is van cruciaal belang voor het garanderen van een ononderbroken en veilige werking van industriële apparatuur. Een systematische aanpak voor de analyse van de grondoorzaken van valse positieven, die grondige diagnostiek, corrigerende maatregelen en een preventiestrategie omvat, stelt u in staat de betrouwbaarheid van productieprocessen aanzienlijk te vergroten. Investeren in de juiste selectie van apparatuur, optimalisatie van bedrijfsomstandigheden en gekwalificeerd onderhoud loont door de uitvaltijd te verminderen en de levensduur van dure apparatuur te verlengen.

Ga voor meer informatie over beveiligingsapparatuur, elektromotoren en industriële automatiseringscomponenten naar de UNITEC-D E-Catalog.

10. Koppelingen

• DSTU EN IEC 60947-4-1:2020. Laagspanningsdistributieapparaten zijn voltooid. Deel 4-1: Schakelaars en starters van elektromotoren. Elektromechanische schakelaars en starters.
• DSTU ISO 10816-3:2006. Trillingen zijn mechanisch. Evaluatie van machinetrillingen op basis van meetresultaten op stationaire onderdelen. Deel 3: Industriële machines met een nominaal vermogen van meer dan 15 kW, werkend met snelheden tussen 120 tpm en 15.000 tpm, geplaatst op flexibele of stijve funderingen.
• Handleidingen voor bediening en onderhoud van elektromotoren en thermische relais van toonaangevende fabrikanten (bijvoorbeeld Siemens, Schneider Electric, Eaton).
• Mankis, SE (2012). Gids voor bediening en reparatie van elektromotoren. Moskou: Energoatomizdat.