Mit Wärmebildern können offensichtliche Temperaturunterschiede im Vergleich zu den normalen Betriebsbedingungen in industriellen Drehstromkreisen leicht erkannt werden. Techniker müssen Temperaturdifferenzen zwischen den drei Phasen nebeneinander betrachten, um Unsymmetrien oder Überlast in einem einzelnen Leitungszweig schnell zu erkennen.
Unsymmetrie in Drehstromsystemen kann verschiedene Gründe haben: ein Problem in der Energieverteilung, niedrige Spannung auf einer Phase oder einen Durchschlag der Isolierung in den Motorwicklungen.
Schon eine kleine Spannungsunsymmetrie kann zu einer Verschlechterung der Verbindung und damit einem Abfall der Spannungsversorgung führen. Somit ziehen Motoren und andere Lasten übermäßig viel Strom, liefern weniger Drehmoment (wobei die mechanische Belastung zunimmt) und fallen früher aus. Bei einer starken Unsymmetrie kann eine Sicherung durchbrennen, wodurch nur noch einphasiger Betrieb möglich ist. Währenddessen fließt der unsymmetrische Strom auf dem Neutralleiter zurück, und der Betrieb muss zusätzliche Gebühren für Spitzenleistung an das Energieversorgungsunternehmen entrichten.
In der Praxis ist es so gut wie unmöglich, den Strom über drei Phasen perfekt auszugleichen. Die National Electrical Manufacturers Association (NEMA) definiert Unsymmetrien als Prozentsatz: % Unsymmetrie – [(100)(maximale Abweichung vom Mittelwert der Spannung)] / Mittelwert der Spannung. Um Gerätebetreiber bei der Bestimmung akzeptabler Unsymmetriewerte zu unterstützen, hat NEMA Spezifikationen für mehrere Geräte erstellt. Diese Ausgangswerte bieten nützliche Vergleichspunkte bei der Instandhaltung und Störungsbehebung.
Häufig inspizierte Komponenten
Wärmebilder aller Schaltschränke und anderer stark belasteter Anschlusspunkte sind aufzunehmen, z. B. von Frequenzumrichtern, Trennschaltern, Bedienelementen usw. Wenn Sie ungewöhnlich hohe Temperaturen feststellen, folgen Sie dem betreffenden Stromkreis und prüfen die zugehörigen Abzweigleitungen und Lasten.
Prüfen Sie Schalttafeln und andere Verbindungsstellen bei geöffneten Abdeckungen. Idealerweise sollten Sie Messungen nur an vollständig aufgewärmten Anlagen im eingeschwungenen Zustand bei mindestens 40 % der normalen Last vornehmen. Dadurch können Messungen richtig ausgewertet und mit normalen Betriebsbedingungen verglichen werden.
Abnormale Erwärmung verbunden mit hohem Widerstand oder übermäßigem Stromfluss ist die Hauptursache für viele Probleme in elektrischen Systemen. Thermografie ermöglicht es, Temperaturverteilungen zu erkennen, die auf drohende Schäden hindeuten, bevor die Schäden eintreten. Wenn Strom durch einen Stromkreis fließt, wird ein Teil der elektrischen Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Das ist normal. Wenn jedoch ein ungewöhnlich hoher Widerstand im Stromkreis oder ein ungewöhnlich hoher Strom vorhanden ist, wird abnormal hohe Wärme erzeugt, die Energieverschwendung hervorruft und möglicherweise schädlich ist.
Das Ohmsche Gesetz (P=I2R) beschreibt den Zusammenhang zwischen Strom, elektrischem Widerstand und der erzeugten Leistung bzw. Wärmeenergie. Wir verwenden einen hohen elektrischen Widerstand, um Hitze in einem Toaster oder Licht in einer Glühbirne zu erzeugen. Manchmal wird jedoch unerwünschte Wärme erzeugt, die zu kostspieligen Schäden führt. Unterdimensionierte Leiter, lockere Verbindungen oder übermäßiger Stromfluss können eine ungewöhnlich hohe unerwünschte Erwärmung verursachen, die zu gefährlich heißen Stromkreisen führt. Bauteile können buchstäblich heiß genug werden, um zu schmelzen.
Wärmebildkameras ermöglichen es uns, Temperaturverteilungen zu sehen, die durch einen hohen elektrischen Widerstand hervorgerufen werden, lange bevor der Stromkreis heiß genug wird, um einen Ausfall oder eine Explosion zu verursachen. Beachten Sie zwei grundlegende thermische Muster, die durch elektrische Fehler hervorgerufen werden: 1) ein hoher Widerstand durch schlechten Oberflächenkontakt und 2) ein überlasteter Stromkreis oder eine Unsymmetrie in Mehrphasensystemen.
Worauf zu achten ist
Phasen mit gleicher Last sollten gleiche Temperaturen aufweisen. Bei Unsymmetrien haben die Phasen mit der höheren Last eine höhere Temperatur, da höhere Ströme an den Widerständen mehr Wärme erzeugen. Eine unsymmetrische Last, eine Überlastung, eine schlechte Verbindung und eine Unsymmetrie durch Oberschwingungen können jedoch alle ein ähnliches Muster erzeugen. Daher muss bei der Problemdiagnose die elektrische Last gemessen werden.
Die Einführung regelmäßiger Inspektionswege, in die alle wichtigen elektrischen Verbindungen einbezogen werden, hat sich bewährt. Speichern Sie mit der Software, die mit Ihrer Fluke Wärmebildkamera geliefert wird, jedes aufgenommene Bild auf einem Computer und verfolgen Sie Ihre Messungen über einen längeren Zeitraum. Auf diese Weise können Sie Bilder mit Basiswerten erstellen, um sie mit Bildern zu vergleichen, die zu einem späteren Zeitpunkt aufgenommen wurden. Mit dieser Vorgehensweise können Sie außerdem bestimmen, ob ein heißer oder kalter Bereich ungewöhnlich ist. Nach der Korrekturmaßnahme helfen Ihnen neue Bilder zu bestimmen, ob die Reparaturen erfolgreich waren.
Wärme entsteht durch Stromfluss durch einen Kontakt mit hohem elektrischem Widerstand. Diese Art von Problemen ist typischerweise mit Schaltkontakten und Steckverbindern verbunden. Der tatsächliche Erwärmungspunkt kann oft sehr klein sein, weniger als 1,5 mm, wenn die Veränderung beginnt. Nachfolgend finden Sie einige Beispiele, die bei Kundendemonstrationen mit der IR SnapShot-Wärmebildkamera gefunden wurden.
Thermogramm A) zeigt eine Motorsteuerung für einen Aufzug in einem großen Hotel. Einer der drei Phasenanschlüsse war locker, was einen erhöhten Widerstand am Stecker verursachte. Die übermäßige Erwärmung erzeugte einen Temperaturanstieg von 50 °C. Thermogramm B) zeigt eine 3-Phasen-Sicherungsinstallation, bei der ein Ende einer Sicherung einen schlechten elektrischen Kontakt zum Stromkreis hat. Der erhöhte Kontaktwiderstand verursachte an dieser Verbindung eine um 45 °C höhere Temperatur als an den anderen Sicherungsverbindungen. Thermogramm C) zeigt eine Sicherungsklemme, bei der ein Kontakt 55 °C heißer ist als die anderen. Und Thermogramm D) zeigt eine Wandsteckdose, bei der die Kabelverbindungen locker waren, was dazu führte, dass die Klemmen um 55 °C heißer als die Umgebung wurden.
Alle vier Beispiele waren ernste Fälle und erforderten sofortige Aufmerksamkeit. Thermogramm B) zeigt ein interessantes Prinzip, das bei der Interpretation thermischer Muster elektrischer Stromkreise verwendet wird. Die Sicherung ist nur an einem Ende heiß. Wenn die Sicherung an beiden Enden heiß wäre, würde das Problem anders interpretiert werden. Ein überlasteter Stromkreis, eine Phasenunsymmetrie oder eine zu gering dimensionierte Sicherung würden zu einer Überhitzung beider Enden der Sicherung führen. Nur ein heißes Ende deutet nur darauf hin, dass das Problem am hohen Kontaktwiderstand am erhitzten Ende liegt.
Die Steckdose in Thermogramm D) war ernsthaft beschädigt, wie in der Abbildung unten zu sehen, sie funktionierte jedoch weiter, bis sie ersetzt wurde.
Was definiert einen „Handlungsbedarf“?
Die Reihenfolge der Reparaturen sollte zuerst nach Sicherheitsrisiken und dann nach der Bedeutung der Anlage und dem Ausmaß des Temperaturanstiegs bestimmt werden. NETA-Richtlinien schreiben sofortige Maßnahmen vor, wenn der Temperaturunterschied zwischen ähnlichen elektrischen Komponenten unter ähnlicher Last 15 °C überschreitet oder wenn der Temperaturunterschied zwischen einem elektrischen Bauteil und der Umgebungslufttemperatur 40 °C überschreitet.
Die NEMA-Normen warnen davor, einen Motor mit einer Spannungsunsymmetrie von mehr als einem Prozent zu betreiben. Tatsächlich empfiehlt NEMA, Motoren herunterzufahren, wenn im Betrieb eine höhere Unsymmetrie auftritt. Der Prozentsatz einer sicheren Unsymmetrie variiert bei anderen Geräten.
Die folgenden Thermogramme zeigen überlastete Stromkreise. Thermogramm E) zeigt eine Schalttafel, bei der der Trennschalter oben sich auf 75 °C über der Umgebungstemperatur überhitzt hat. Diese gesamte Schalttafel ist überlastet und bedarf sofortiger Aufmerksamkeit. Die Thermogramme E) und F) zeigen, dass alle Leistungsschalter überhitzt sind. Ihre Temperaturen lagen 60 °C über der Umgebungstemperatur. Obwohl die Leiter im Thermogramm blau sind, sind sie auch heiß, 45 bis 50 °C. Dieses gesamte elektrische System muss erneuert werden.
Thermogramm G) zeigt eine Leitung eines Controllers, die etwa 20 °C über den anderen liegt. Dies erfordert weitere Untersuchungen, um festzustellen, warum ein Leiter so viel heißer ist als die anderen, und um die erforderliche Reparatur zu bestimmen. Thermogramm H) zeigt einen Stromwandler, der 14 °C wärmer ist als die anderen beiden Transformatoren in einer 3-Phasen-Installation. Dies weist auf eine ernsthafte Unsymmetrie des Systems oder einen defekten Stromwandler hin, was sich signifikant auf die Stromrechnung des Kunden auswirken könnte.
Lastanforderungen
Bei einer Inspektion ist es wichtig, dass das System unter Last steht. Warten Sie mit der Inspektion auf den „Worst Case“ oder Spitzenlasten, oder wenn die Last mindestens 40 % beträgt (nach NFPA 70B). Die durch eine lose Verbindung erzeugte Wärme steigt mit dem Quadrat des Laststroms; Je höher der Laststrom, desto einfacher ist es, Probleme zu finden.
Vergessen Sie nicht, die kühlende Wirkung von Wind oder anderen Luftbewegungen zu berücksichtigen.
Nur Oberflächentemperaturen sind erfassbar
Wärmebildkameras können keine Bilder durch elektrische Gehäuse oder metallische Abdeckungen von Stromschienen aufnehmen. Öffnen Sie nach Möglichkeit Gehäuse, damit die Kamera die Bilder der Stromkreise und Komponenten direkt aufnehmen kann. Wenn Sie eine ungewöhnlich hohe Temperatur an der Außenfläche eines Gehäuses feststellen, können Sie sicher sein, dass die Temperatur im Inneren des Gehäuses noch höher und oft sogar deutlich höher ist. Nachfolgend sind einige Thermogramme einer Abdeckung von Stromschienen aufgeführt, die auf ein ernsthaftes Problem mit den Stromschienen im Gehäuse hinweisen. Die Hotspots waren in der Größenordnung von 10 °C heißer als die Umgebung und 6 °C heißer als andere Teile des Gehäuses.
Abdeckungen von Stromschienen:
Elektrische Verteilung
In einem elektrischen System können sich Hunderte von verschiedenen Geräten befinden. Das beginnt bei der Energieerzeugung und -verteilung, Schaltanlagen und Umspannwerken und endet bei Betriebstransformatoren, Schaltanlagen, Leistungsschaltern, Zählern, lokalen Verteilungen und Schalttafeln. Viele Versorgungsunternehmen haben zur Unterstützung ihrer Instandhaltungsarbeiten FlexCam® oder SnapShot® erworben. Und fast jede Branche hat Lösungen mit Wärmebildkameras eingeführt, um bei der Instandhaltung in ihrem Teil des elektrischen Verteilungssystems zu helfen.
Thermogramm M) zeigt einen Betriebstransformator, bei dem etwas Kühlöl ausgetreten ist, was zu gefährlich überhitzten Spulen im oberen Bereich führte. Eine Verbindung war 160 °C wärmer als die Umgebungstemperatur. Dieser Transformator musste sofort ersetzt werden, aber das Unternehmen wollte die Reparatur um einen Monat verschieben, damit sie während eines geplanten vollständigen Anlagenstillstands durchgeführt werden konnte. Sie nutzten eine IR-SnapShot-Kamera zur Überwachung des Zustands des Transformators, und die Reparatur konnte erfolgreich verzögert werden. Thermogramm N) zeigt einen mastmontierten Betriebstransformator, dessen Anschluss 30 °C heißer als die Umgebungstemperatur ist. Ein solcher Zustand erforderte eine Instandhaltung bei der nächsten günstigen Gelegenheit. Thermogramm O) zeigt einen Hauptanschluss an einem Unterbrecher in einem Umspannwerk in
Mexico. Es wurde festgestellt, dass die Verbindung 14 °C heißer war als die anderen Verbindungen. Es wurde angenommen, dass dies ein Problem ist, das einen Eingriff erforderte. Thermogramm P) zeigt eine Freileitung in einem Umspannwerk in Peru. Ihre Temperatur lag weniger als 10 °C über der Umgebungstemperatur und war nicht unmittelbar besorgniserregend.
Wie hoch sind die potenziellen Kosten eines Ausfalls?
Ein Motorausfall ist eine häufige Folge von Spannungsunsymmetrien. Die Gesamtkosten beinhalten die Kosten eines Motors, den Arbeitsaufwand für den Austausch eines Motors, die Kosten des Produkts, das aufgrund einer ungleichmäßigen Produktion nicht ausgeliefert werden kann, den Betrieb der Produktionslinie und die Einnahmen, die während des Stillstands einer Produktionslinie verloren gehen.
Angenommen, die Kosten für den Austausch eines 40 kW-Motors pro Jahr belaufen sich auf 5000 €, einschließlich Arbeitsaufwand. Angenommen, es treten 4 Stunden Ausfallzeit pro Jahr mit einem Einkommensverlust von 6000 € pro Stunde auf. Gesamtkosten: 5000 € + (4 x 6000 €) = 29.000 € jährlich.
Weitere Maßnahmen
Wenn ein Leiter laut Wärmebild über einen größeren Bereich hinweg heißer als andere Stromkreiskomponenten ist, könnte er überlastet sein oder einen zu geringen Querschnitt aufweisen. Prüfen Sie die Bemessung des Leiters und die momentane Last, um den Grund zu ermitteln.
Prüfen Sie die Symmetrie und Lasten auf allen Phasen mit einem Multimeter mit Stromzange, einer Strommesszange oder einem Netzqualitätsanalysator.
Prüfen Sie Schutzeinrichtungen und Schaltanlagen auf der Spannungsseite auf Spannungsabfälle. Im Allgemeinen sollte die Spannung nicht mehr als 10 % vom Nennwert abweichen. Die Spannung zwischen Neutralleiter und Schutzleiter zeigt an, wie stark das System belastet ist, und hilft beim Verfolgen von Oberschwingungsströmen. Wenn die Spannung zwischen Neutralleiter und Schutzleiter mehr als 3 % der Nennspannung beträgt, sollten weitere Untersuchungen vorgenommen werden.
Lasten können schwanken. Die Spannung kann an einem Leitungszweig völlig unerwartet um 5 % abfallen, wenn eine ausreichend starke einphasige Last angelegt wird. Spannungsabfälle an den Sicherungen und Schaltern können ebenfalls als Unsymmetrie am Motor und übermäßige Wärme an der eigentlichen Problemstelle auftreten. Bevor Sie annehmen, dass Sie die Ursache gefunden haben, nehmen Sie ein Wärmebild auf und führen Sie zur Sicherheit Strommessungen mit Multimeter oder Strommesszange durch.
Weder der Einspeisekreis noch die Abzweigkreise sollten bis zum maximal zulässigen Grenzwert belastet werden. In den Berechnungsgleichungen der Lasten für die Stromkreise sollten Oberschwingungen berücksichtigt werden. Eine weit verbreitete Lösung gegen Überlastung besteht darin, die Lasten über die Stromkreise zu verteilen oder sie zu regeln, falls während des Vorgangs Lasten angelegt werden.
Mit der dazugehörigen Software kann jedes vermutete Problem, das mit einer Wärmebildkamera entdeckt wurde, in einem Bericht dokumentiert werden, der ein Wärmebild und ein digitales Bild des Geräts enthält. So können Sie die Probleme am besten kommunizieren und Reparaturen vorschlagen.