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Erkennen von Unsymmetrien und Überlastungen

Mit Wärmebildern können offensichtliche Temperaturunterschiede im Vergleich zu den normalen Betriebsbedingungen in industriellen Drehstromkreisen leicht erkannt werden.

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Techniker müssen Temperaturdifferenzen zwischen den drei Phasen betrachten, um Unsymmetrien oder Überlast in einem einzelnen Leitungszweig schnell zu erkennen.

Unsymmetrie kann verschiedene Gründe haben: Probleme bei der Stromverteilung, niedrige Spannung auf einem Leitungszweig oder einen Isolationsdurchschlag in den Motorwicklungen. Schon eine kleine Spannungsunsymmetrie kann zu einer Verschlechterung der Verbindung und damit einem Abfall der Versorgungsspannung 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 Strom durch die Unsymmetrie 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) drückt die Unsymmetrie als Prozentsatz aus:

% Unsymmetrie = [(100)(maximale Abweichung vom durchschnittlichen Spannungswert)] ÷ durchschnittlicher Spannungswert

Die NEMA hat Spezifikationen für zahlreiche Gerate formuliert, die Technikern bei der Bestimmung akzeptabler Werte für Unsymmetrie helfen. Diese Spezifikationen können als Bezugswerte bei Instandhaltung und Fehlersuche verwendet werden.

Was ist zu prüfen?

Nehmen Sie Wärmebilder aller elektrischen Verteilungen und anderer stark belasteter Anschlusspunkte auf, z.B. an 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 Verbindungsstellen bei geöffneter Abdeckung. Idealerweise sollten Sie Messungen nur an warmgelaufenen Geraten im eingeschwungenen Zustand bei mindestens 40 % der normalen Last vornehmen. So können Sie Messwerte richtig einschätzen und mit den normalen Betriebsbedingungen vergleichen.

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Auswertung

Phasen mit gleicher Last sollten gleiche Temperaturen aufweisen. Bei einer Unsymmetrie haben die Phasen mit der höheren Last eine höhere Temperatur, da höhere Ströme in den Widerständen mehr Wärmeenergie erzeugen. Unsymmetrische Last, Überlast, fehlerhafte Verbindungen und Oberschwingungen erzeugen jedoch ein ähnliches Bild. Daher muss bei der Problemdiagnose die elektrische Last gemessen werden.

Ein Hinweis: Ein ungewöhnlich kalter Stromkreis oder Leitungszweig kann auf den Ausfall eines Bauteils hinweisen.

Die Einführung regelmäßiger Inspektionswege, in die alle wichtigen elektrischen Verbindungen einbezogen werden, hat sich bewährt. Speichern Sie alle aufgenommenen Bilder mit der beiliegenden Software auf einem Computer und verfolgen Sie die Messwerte über einen längeren Zeitraum. So hat man Bezugsbilder für einen späteren Vergleich. Mit dieser Vorgehensweise lässt sich bestimmen, ob ein heißer oder kalter Bereich ungewöhnlich ist. Nach der Instandhaltung oder einer Reparatur können Sie mit neuen Bildern feststellen, ob Ihre Arbeiten erfolgreich waren.

Handlungsbedarf

Die Reihenfolge der Reparaturen sollte zuerst nach Sicherheitsaspekten und dann nach der Bedeutung der Anlage und dem Ausmaß des Temperaturanstiegs bestimmt werden. Nach den Richtlinien der NETA (InterNational Electrical Testing Association) besteht sofortiger Handlungsbedarf, wenn die Temperaturdifferenz (ΔT) bei gleichen Komponenten und gleicher Last mehr als 15° C betragt oder wenn die Temperaturdifferenz (∆T) zwischen einem Bauteil und der Umgebungstemperatur mehr als 40° C betragt. Die NEMA-Normen (NEMA MG1-12.45) raten vom Betrieb eines Motors bei einer Spannungsunsymmetrie von mehr als 1 % ab. Die NEMA empfiehlt, Motoren bei größeren Unsymmetrien geringer zu belasten. Für andere Gerate gelten eigene Grenzwerte.

Potenzielle Ausfallkosten

Der Ausfall eines Motors ist häufig eine Folge von Spannungsunsymmetrie. Die Gesamtkosten setzen sich wie folgt zusammen: Motorkosten, Arbeitskosten für den Motorwechsel, Ausschuss infolge ungleichmäßiger Produktion bzw. Anlagenbetrieb und durch Stillstandzeiten entgangene Erträge. Nehmen wir einmal an, die Kosten für den Austausch eines 50-PS-Motors pro Jahr betragen 5.000 Euro einschließlich Arbeitskosten. Annahme: 4 Stunden Ausfallzeit pro Jahr, wobei der Einkommensverlust 6.000 Euro pro Stunde beträgt. Gesamtkosten: 5.000 Euro + (4 x 6.000 Euro) = 29.000 Euro pro Jahr

Wärmebildkameras von Fluke sind mit IR-Fusion® ausgestattet, einer Technologie, die ein Sichtbild mit dem Wärmebild überlagert und so die Erkennung von Problemstellen, die Analyse und die Verwaltung der Bilder erleichtert. Auf den präzise ausgerichteten, überlagerten Bildern lassen sich in jeder Entfernung Details viel leichter erkennen. Bilder: Fluke
Weitere Maßnahmen

Wenn ein Leiter laut Wärmebild über einen größeren Bereich hinweg heißer als andere Stromkreiskomponenten ist, konnte er überlastet sein oder einen zu geringen Querschnitt aufweisen. Prüfen Sie die Bemessung des Leiters und die momentane Last, um den Grund zu bestimmen. Prüfen Sie die Stromsymmetrie und Belastung aller Phasen mit einem Multimeter mit Stromzange, einer Strommesszange oder einem Netz- und Stromversorgungsanalysator. Prüfen Sie Schutzeinrichtungen und Schaltanlagen auf der Spannungsseite auf Spannungsabfalle.

Im Allgemeinen sollte die Netzspannung 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 betragt, 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 Sicherungen und Schaltern können ebenfalls als Unsymmetrie am Motor und übermäßige Wärme an der eigentlichen Problemstelle erscheinen. Bevor Sie annehmen, dass Sie die Ursache gefunden haben, nehmen Sie ein Wärmebild auf und führen Sie zur Sicherheit Strommessungen mit einem Multimeter oder einer Strommesszange durch.

Weder der Einspeisekreis noch die Abzweigkreise sollten bis zum maximal zulässigen Grenzwert belastet sein. In den Lastberechnungen sollten Oberschwingungen berücksichtigt werden. Eine weit verbreitete Lösung für Überlast besteht darin, die Lasten über die Stromkreise zu verteilen oder sie zu regeln, falls während des Vorgangs Lasten angelegt werden.

Erstellen Sie mit der beiliegenden Software zu jedem Problem, das Sie mithilfe einer Wärmebildkamera festgestellt haben, einen Bericht mit einem Wärmebild und einem Digitalbild der Anlage. So können Sie die Probleme am besten vermitteln und Reparaturen vorschlagen.

Thermografie-Tipp

Thermografie wird überwiegend zum Aufspüren elektrischer und mechanischer Anomalien eingesetzt. Allerdings ist die Temperatur eines Geräts, auch die relative Temperatur, nicht der einzige Anhaltspunkt für einen bevorstehenden Ausfall. Eine Reihe weiterer Faktoren sollte berücksichtigt werden, z.B. Änderungen der Umgebungstemperatur und mechanische oder elektrische Lasten, optische Anzeichen, die Bedeutung eines Bauteils, Erfahrungen mit ähnlichen Bauteilen, Ergebnisse anderer Messungen usw. Kurz gesagt entfaltet Thermografie den größten Nutzen in einem umfassenden Programm zur Zustandsüberwachung und vorbeugenden Instandhaltung.

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