Integration thermografischer Diagnostik in der ... · Kupfer-Schienen nach DIN 43671 Stromschienen...

Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 1

Thermografische Diagnostik

Geschäftsführung VAThD-44267 Dortmund

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Integrationthermografischer Diagnostik

in derInstandhaltung von Elektroanlagen

Referent:Dipl.-Ing. Dieter BlaschkeGeschäftsführer VATh




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Diagnosemethoden

Ein reibungsloser Betriebsablauf erfordert ein hohes Maß an Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit von Maschinen und Anlagen bei hohem Sicherheitsstandard. Erreicht werden diese Ziele in zunehmenden Maße durch Verfahren der technischen Diagnostik, durch die der Bauteil- und Anlagenzustand charakterisiert wird. Neben den traditionellen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung

▪ Schwingungsmessung▪ Ultraschallprüfung▪ Durchstrahlungsprüfung▪ Oberflächenrissprüfung▪ Dichtheitsprüfung

hat sich seit etwa zwei Jahrzehnten auch die

▪ Infrarotthermografie

als Messmethode durch ihre Vielseitigkeit und Wirtschaftlichkeit etabliert.




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Was ist Infrarot (IR)-Thermografie (IT)

▪ IR-Thermografie ist die berührungslose, bildhafte Darstellung der Temperatur-verteilung auf Oberflächen

▪ Es ist eine Bild gebende Temperaturmessung zur Ortung und Quantifizierung thermischer Fehlstellen (hot spots) oder zur Erfassung von prozessbedingtenTemperaturverteilungen bei laufendem Betrieb der Anlage, d.h. ohne Betriebs-unterbrechung und ohne Beeinflussung des Messobjekts.

▪ Das Wärmebild gibt die Temperaturverteilung an der untersuchten Objekt-oberfläche wieder. Durch Analyse und Dokumentation der flächigen Temperaturinformation werden nicht sichtbare Strukturen erkannt.

▪ Die Erfassung des Anlagen- und Bauteilzustands erfolgt unter thermischer, elektrischer und mechanischer Belastung.

▪ IR-Thermografie leistet einen wichtigen Beitrag zur Früherkennung vonpotentiellen Schäden, macht industrielle Anlagen sicherer und trägt zur Kostensenkung bei.




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IR-Thermografie in der technischen Diagnostik

Mit Hilfe der IR-Thermografie werden überhitzten Stellen (hot spots) an elektrischen und mechanischen Einrichtungen aufgespürt oder prozess-bedingte Temperaturverteilungen erfasst.

Dabei sind die Grenztemperaturen der Betriebsmittel zu berücksichtigen.

Abweichend von Normen und Richtlinien empfiehlt es sich, thermische Auffälligkeiten nach betriebinternen Sicherheits- und Qualitätsstandards einzuordnen.




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Neben der Qualitätssicherung, Prozessüberwachung, Prozesssteuerung undProzessoptimierung kommt der thermografischen Diagnostik in derInstandhaltung besondere Bedeutung zu.

Anwendungsgebiete

▪ Energieversorgung (Kraftwerke, Umspannanlagen)▪ Raffineriewesen, Petrochemie, Chemische Industrie▪ Erdgas und Erdöl fördernde Industrie▪ Hüttentechnik▪ Metall und Nichtmetall verarbeitende Industrie




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IR-Thermografie an elektrischen Betriebsmitteln

Die thermografische Untersuchung elektrischer Bauteile und deren Verbindungs-elementen erfolgt unter Strombelastung (Ib ≥ 0,3·In) in allen Spannungsebenen meist im Rahmen der vorbeugenden Inspektion zur Erkennung thermischerAuffälligkeiten.

Im Wesentlichen nutzt man zwei Effekte:

▪ StromwärmeHohe Übergangswiderstände führen durch Umsetzung elektrischer Leistung in Wärme (Verlustleistung) zu Temperaturerhöhungen

▪ InduktionswärmeEntsteht in Eisenteilen, die sich in starken Magnetfeldern befinden

IR-Inspektion von elektrischen Schalt- und Verteilanlagen:

▪ Betriebsmittel in NS-Anlagen (≤ 1000 V, 1 kV) und EMSR-Anlagen (24 V)▪ Betriebsmittel in Mittel-, Hoch- und Höchstspannungsanlagen (> 1000 V)




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Quelle: Kniel

Kostenkurve Instandhaltung

1. AnlaufphaseFrühausfälle (Planung, Konstruktion),Störungen bei Neuanläufen,Garantieansprüche

2. NormalbetriebNutzungs-, Betriebsdauer,Abbau des Abnutzungsvorrats,Phase kann durch Früherkennung von beginnenden Schäden und Wartungs-maßnahmen verlängert werden

3. VerschleißphaseAlterungsbedingte Ausfälle durch erhöhten Verschleiß, Erhöhter Instandhaltungsaufwand




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Instandhaltungsstrategien

Zur Anwendung kommen derzeit drei grundsätzlich verschiedene Instandhaltungs-strategien, die sich in ihrem Bedarf an technischer Diagnostik deutlichvoneinander unterscheiden.

▪ Ereignisorientierte (ausfallabhängige) Instandhaltung Nutzung der Betriebsmittel bis zu ihrem Ausfall, nicht geplantes Ereignis,Höheren Kosten, technische Diagnostik ist bedeutungslos

▪ Zeitorientierte (vorbeugende) InstandhaltungStrategie ohne Berücksichtigung des Betriebsmittelzustands,Technische Diagnostik wird in der Regel zur nachträglichen Zustandsbewertung der Betriebsmittel nach deren Ausbau eingesetzt

▪ Zustandsorientierte Instandhaltung Durch genaue Zustandsanalyse der Betriebsmittel wird der höchsteAusnutzungsgrad erreicht, geplantes Ereignis mit hoher Wirtschaftlichkeit,Technische Diagnostik nimmt eine Schlüsselstellung ein




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Tangierende Strategie

Die wirtschaftlichste Instandhaltungsstrategie besteht aus der Kombination

▪ Vorbeugende InspektionCharakterisierung des Anlagen- und Bauteilzustands durch - wiederkehrende Inspektionen und Messaufgaben, auch unter

Berücksichtigung von Ergebnissen aus Voruntersuchungen - kontinuierliche Messwertaufnahmen im Dauerbetrieb (online)

▪ Zustandsorientierte InstandhaltungWartung und zustandsabhängige Teilerneuerung (Instandsetzung) der Betriebsmittel im Stillstand

Fazit:Die Einleitung von richtigen Instandhaltungsmaßnahmen zur richtigen Zeit setzt eine vorbeugende Inspektion voraus.




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Vorbeugende IR-Inspektion

Bei der Analyse des elektrischen Bauteil- und Anlagenzustands durch IR-Inspektion ergeben sich folgende Vorteile:

▪ Früherkennung von nicht sichtbaren thermischen Fehlstellen

▪ Einleiten von schadensvorbeugenden Maßnahmen zur Verlängerung der Anlagenlaufzeit bis zur planmäßigen Abschaltung- Umschalten auf elektrische Reserveantriebe- ggf. Änderung der Anlagenfahrweise

▪ Zeitgewinnung bis zum günstigsten Abstellzeitpunkt, bzw. bis zur planmäßigen Abschaltung der Anlage, d. h. die Instandhaltung wird besser planbar




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IR-Messungen im Vorfeld des Instandsetzungsereignisses liefern umfassende Informationen. Daher werden thermografische Komplettinspektionen als Entscheidungshilfe für die Stillstandsplanung, d. h. für die zustandsabhängige Einplanung von Stillstandszeiten, Materialien und Personal, empfohlen.

Thermische Auffälligkeiten werden dokumentiert, quantifiziert, in Fehlerklassen eingeordnet und anschließend bewertet. Die Ergebnisse fließen in die Stillstands-planung ein. Die Unterlagen können für die Ausschreibung der geplanten Sanierungsarbeiten eingebunden werden.

Diese tangierende Instandhaltungsstrategie erzielt sicherheitsrelevante und wirtschaftliche Nutzeffekte, z.B.

▪ Schonung der Ressourcen und Umwelt ▪ Erhöhung der Anlagensicherheit, -verfügbarkeit und -zuverlässigkeit▪ Verbesserung des Brand- und Personenschutzes, Schadenverhütung▪ Reduzierung von Betriebsstörungen, Instandhaltungskosten und Folgeschäden




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Häufigkeit thermografischer Untersuchungen

▪ Die Häufigkeit thermografischer Untersuchungen hängt vom Sicherheits- und Qualitätsstandard des Betriebs ab

▪ Turnusmäßige Thermovisionskontrollen werden je nach Gefährdungspotential der elektrischen Betriebsmittel halbjährlich bis jährlich durchgeführt

▪ Thermografische Erstprüfungen sind Nullmessungen bei bestimmten Betriebs-zuständen.

▪ Nullmessungen werden auch zeitnah nach Neuinstallationen empfohlen, um mögliche Montagefehler frühzeitig aufzudecken. Anhand des IR-Messbefunds können Gewährleistungsansprüche geltend gemacht werden.

Bevor ich Ihnen einige Anwendungsbeispiele aus der Elektrothermografie vorstelle, möchte ich auf Grenztemperaturen zu sprechen kommen, die bei der Messdatenerfassung und Auswertung zu beachten sind.




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Grenztemperaturen

Bei der qualifizierten Zustandsanalyse von Betriebsmitteln durch IR-Inspektion sind bauteilspezifische Grenztemperaturen zu berücksichtigen. Diese Grenz-temperaturen sind in einschlägigen Normen, Werknormen, Richtlinien und technischen Spezifikationen festgelegt.

Zur Abschätzung von thermischen Auffälligkeiten und damit des Schadensrisikos müssen Beurteilungskriterien festgelegt werden. Es empfiehlt sich, thermische Schwachstellen zu definieren, diese in Fehlerklassen einzuordnen, eine Fehlerbewertung vorzunehmen und daraus Handlungsvorschläge abzuleiten. Da es diesbezüglich keine allgemein gültigen Regelungen gibt, ist die Fehler-klassifizierung kundenspezifisch zu betrachten und zwischen Thermograf und Auftraggeber zu vereinbaren.

Die der praxisorientierten Fehlerklassifizierung zugrunde liegenden Grenz-temperaturen können je nach Sicherheits- und Qualitätsstandard von Betrieb zu Betrieb unterschiedlich sein. Sie sind jedoch im Allgemeinen enger gefasst als die in den Normen und Richtlinien spezifizierten Grenztemperaturen.




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Kriterien zur Feststellung von thermischen Auffälligkeiten in Elektroanlagen

Folgende Kriterien sind geeignet:

▪ Zulässige Temperaturen gemäß der betreffenden Produktnormen

▪ Visuell erkennbare Schwach- oder Schadstellen

▪ Temperaturdifferenz zwischen den Phasen bei dreiphasigen Betriebsmitteln

▪ Temperaturdifferenz zwischen dem oberen und unteren Anschluss eines Betriebsmittels

▪ Temperaturdifferenz entlang eines Leiters

▪ Temperaturdifferenz zwischen dem Anschluss eines Betriebsmittels und demangeschlossenen Leiter in einer bestimmten Entfernung vom Anschluss

Temperaturdifferenzen sind Übertemperaturen (∆θ in K) und sind in Relation zu setzen zur Umgebungstemperatur.




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Erwärmung von elektrischen Betriebsmitteln

Bei der Erwärmung von elektrischen Betriebsmitteln muss zunächst zwischen betrieblichen Umgebungstemperaturen und Übertemperaturen (Grenzüber-temperaturen) unterschieden werden.

Bei der Beurteilung der Grenzübertemperatur ist die Umgebungstemperatur zu berücksichtigen.

VDE 0660 Teil 500 (DIN EN 60439-1) legt fest:

▪ Umgebungstemperatur des Verteilers

Die Umgebungstemperatur bei Innenraumaufstellung ist die Raumtemperatur.Sie beträgt max. 40°C.

▪ Umgebungstemperatur der Betriebsmittel im Verteiler

Darunter versteht man die Innenraumtemperatur im Elektroverteiler.Nach Norm darf die übliche Innenraumtemperatur 35°C, jedoch max. 55°Cbetragen.




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▪ Übertemperatur der Betriebsmittel im Verteiler

Das ist Temperaturdifferenz in Kelvin (K) zwischen der Temperatur einer Komponente im Verteiler und der Umgebungstemperatur (Raumtemperatur) außerhalb des Verteilers.




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Grenztemperaturen von elektrischen Betriebsmitteln nach VDE

Einige elektrische Objekte:

Leiter-Isolierung nach VDE 0207 Teil 4 und 5PVC-Isolierung ≤ 70°C

Für Leiter, die sich nicht gegenseitig berühren, sind höhere Temperaturen zulässig. Leiter aus Kupfer oder Cu-Zn-Legierung vernickelt Übertemperatur ≤ 70KUmgebungstemperatur 40°C

ReihenklemmenMetallischer Teil, geschraubt ≤ 70°CSteckklemme, Anschluss Klemme/Leiter, Federzug ≤ 95°C




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Kupfer-Schienen nach DIN 43671Stromschienen (Anschlussschienen von Betriebsmitteln) bei offenen Anlagen mit festgelegter Umgebungstemperatur von 35°C (kurzzeitig 40°C) Eigenerwärmung ≤ 30°C

Sammelschienen nach VDE 0660 Teil 500Blanke Kupfersammelschienen Grenzübertemperatur ≤ 105K Umgebungstemperatur ≤ 40°C

Steckkontakte nach VDE 0660 Teil 500Herausnehmbare Teile oder Einschübe zum Anschluss an SammelschienenGrenzübertemperatur ≤ 105KUmgebungstemperatur ≤ 40°C

Kleintransformatoren und Drosseln nach VDE 0570 Teil 1Gehäuse ortsfest ≤ 100°CWicklungen, Kernbleche, thermische Klasse F, Schützspulen ≤ 140°C




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NS-Schaltgeräte nach VDE 0660 Teil 100

Leistungs-, Trennschalter, Schütz, Motorschutzschalter u. a.Anschlüsse aus Kupfer oder Cu-Zn-Legierung vernickelt Übertemperatur ≤ 70K

Gehäuse aus Nichtmetall Übertemperatur ≤ 50 K Umgebungstemperatur 40°C

NS-Sicherungen nach VDE 0636 Teil 1

Schraubsicherungen, Kontakte vernickelt offen Übertemperatur ≤ 80K

NH-Sicherungen (fremdgefedert), Kontakte vernickelt offen Übertemperatur ≤ 70K Umgebungstemperatur 40°C




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Grenztemperaturen von elektrischen Betriebsmittelnnach betriebsinternen Standards

Abweichend von den an Normen und Richtlinien gebundenen Grenztemperaturen empfiehlt es sich, thermische Auffälligkeiten in Fehlerklassen (Gefährdungs-klassen) einzuordnen und eine Fehlerbewertung vorzunehmen.

Die Kriterien sind vom Sicherheits- und Qualitätsstandard des Betriebs abhängig.

Nachfolgend ein Beispiel für eine praxisbewährte Kundenvereinbarung:

FehlerdefinitionθObjekt : ≥ 65°CθObjekt - θVergleich (∆θ) : ≥ 10K

Ausnahmen, u. a.Schütz- und Trafospulen : ≥ 85°CSchutzrelais : ≥ 85°CSchutzschalter : ≥ 70°C




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Fehlerklassifizierung und Handlungsvorschläge

Klasse 0 : θ < 65°C undKeine Massnahmen erforderlich ∆θ < 10K

Klasse 1 : θ < 65°C undBeobachtung, Kontrolle 10K ≤ ∆θ < 25K

Klasse 2 : 65°C ≤ θ < 120°C oderInstandsetzung ist notwendig, 25K ≤ ∆θ < 50Kjedoch zeitnah

Klasse 3 : θ ≥ 120°C oderInstandsetzung sollte sofort ∆θ ≥ 50Kdurchgeführt werden

Temperaturwerte bei Nennstrom




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Temperatureckwerte

≥ 60°C : verstärkte Alterung der elektrischen Bauelemente

≤ 70°C : zulässige Leitertemperatur, Verdrahtung H07V-K,gemäß DIN VDE 0100, Teil 430

≥ 120°C : Kunststoffisolierung wird weich, Kabel und Leiter werden brüchig




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Belastungsabhängige Temperaturveränderungen

Die bei der Messdatenerfassung ermittelten Temperaturwerte sind stets imZusammenhang zu sehen mit der Strombelastung.

Näherungsweise gilt folgende Beziehung:

∆θ1/∆θ2 = I1²/I2² ; θ2 = ∆θ2 + θUmgebungsluft

∆θ = Temperaturdifferenz (K)I = Strombelastung (IB/IN, %)

Diese Formel kann herangezogen werden, um Temperaturveränderungen bis etwa150°C Endtemperatur bei unterschiedlicher Strombelastung abzuschätzen.

Nachfolgend einige Fallbeispiele:




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13,5°C

65,0°C

20

40

60

Trafo 20 kV/0,4 kV

Sekundärseite 0,4 kVSchadhafter Schienenanschluss L3T ≤ 70°C (∆T ≤ 46K)Ib = 73 A (50% In), Fehlerklasse 3




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26,0°C

110,0°C

40

60

80

100

Trafo 20 kV/0,4 kV

Sekundärseite 0,4 kVSchadhafter Schienenanschluss L1 (gelb)T ≤ 115°C (ΔT ≤ 54K)Ib = 470 A (52% In), Fehlerklasse 3




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27,0°C

93,0°C

40

60

80

500 V-Hauptverteilung

EinspeisungSchadhafter Schienenanschluss L3T ≤ 90°C (ΔT ≤ 57K)Ib = 160 A gleichmäßigFehlerklasse 3




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35,0°C

390,0°C

200


SchützSchadhafter Anschluss Klemme 2 (L1)T ≤ 389°C (∆T ≤ 334K)Ib = 29 A (73% In), Fehlerklasse 3




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48,0°C

128,0°C

60

80

100

120


NH-SicherungsblockSchadhafter unterer Sicherungskontakt L2T ≤ 129°C (∆T ≤ 72K)Ib = 112 A (90% In), Fehlerklasse 3




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28,0°C

141,0°C

50

100SP01

NS-Schaltraum

Kondensatorblock KompensationSchadhafter LeiteranschlussT ≤ 141°C (ΔT ≤ 90K)Fehlerklasse 3




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50,0°C

135,0°C

50

100

Staplerladestation

Reihenklemmen Ladegerät Schadhafter Leiteranschluss Klemme 17T ≤ 135°C (ΔT ≤ 74K)Fehlerklasse 3




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51,0°C

97,0°C

60

80

EMSR-Schaltraum

SteuerkarteDioden überhitztT ≤ 97°CFehlerklasse 2




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26,5°C

68,0°C

40

60

6 kV-Schaltanlage

WandlerFehlerhafter hinterer Schienenanschluss L3T ≤ 69°C (∆T ≤ 38K)Ib = 170 A, Fehlerklasse 2




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10,0°C

81,0°C

20

40

60

80

Umspannanlage 380/220 kV

Scherentrenner Abzweig 220 kVSchadhafter TrennerkontaktT ≤ 81°C (ΔT ≤ 65K)Ib = 510 A (43% In), Fehlerklasse 3




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7,0°C

60,0°C

20

40

60

Umspannanlage 110/20 kV

Drehtrenner Abzweig 110 kVSchadhafte AlCu-Klemme L3T ≤ 60°C (∆T ≤ 46K)Ib = 155 A (26% In), Fehlerklasse 3




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31,0°C

60,0°C

40

50

60

HS-Motor 1,25 MW/6 kV

Generatorbetrieb über DampfturbineAntriebsseite:T ≤ 60°C (ΔT ≤ 14K)




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31,0°C

57,0°C

40

50

HS-Motor 1,5 MW/6 kV

Motor für TurboverdichterAntriebsseite:T ≤ 57°C (ΔT ≤ 15K)




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