Integration thermografischer Diagnostik in der Instandhaltung von Elektroanlagen

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1 Integration thermografischer Diagnostik in der Instandhaltung von Elektroanlagen Referent: Dipl.-Ing. Dieter Blaschke Geschäftsführer VATh Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 1

2 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. Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 2

3 Was ist Infrarot (IR)-Thermografie (IT) IR-Thermografie ist die berührungslose, bildhafte Darstellung der Temperaturverteilung auf Oberflächen Es ist eine Bild gebende Temperaturmessung zur Ortung und Quantifizierung thermischer Fehlstellen (hot spots) oder zur Erfassung von prozessbedingten Temperaturverteilungen bei laufendem Betrieb der Anlage, d.h. ohne Betriebsunterbrechung und ohne Beeinflussung des Messobjekts. Das Wärmebild gibt die Temperaturverteilung an der untersuchten Objektoberfläche 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 von potentiellen Schäden, macht industrielle Anlagen sicherer und trägt zur Kostensenkung bei. Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 3

4 IR-Thermografie in der technischen Diagnostik Mit Hilfe der IR-Thermografie werden überhitzten Stellen (hot spots) an elektrischen und mechanischen Einrichtungen aufgespürt oder prozessbedingte 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. Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 4

5 Neben der Qualitätssicherung, Prozessüberwachung, Prozesssteuerung und Prozessoptimierung kommt der thermografischen Diagnostik in der Instandhaltung besondere Bedeutung zu. Anwendungsgebiete Energieversorgung (Kraftwerke, Umspannanlagen) Raffineriewesen, Petrochemie, Chemische Industrie Erdgas und Erdöl fördernde Industrie Hüttentechnik Metall und Nichtmetall verarbeitende Industrie Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 5

6 IR-Thermografie an elektrischen Betriebsmitteln Die thermografische Untersuchung elektrischer Bauteile und deren Verbindungselementen erfolgt unter Strombelastung (I b 0,3 I n ) in allen Spannungsebenen meist im Rahmen der vorbeugenden Inspektion zur Erkennung thermischer Auffälligkeiten. Im Wesentlichen nutzt man zwei Effekte: Stromwärme Hohe Übergangswiderstände führen durch Umsetzung elektrischer Leistung in Wärme (Verlustleistung) zu Temperaturerhöhungen Induktionswärme Entsteht 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) Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 6

7 Kostenkurve Instandhaltung 1. Anlaufphase Frühausfälle (Planung, Konstruktion), Störungen bei Neuanläufen, Garantieansprüche 2. Normalbetrieb Nutzungs-, Betriebsdauer, Abbau des Abnutzungsvorrats, Phase kann durch Früherkennung von beginnenden Schäden und Wartungsmaßnahmen verlängert werden Quelle: Kniel 3. Verschleißphase Alterungsbedingte Ausfälle durch erhöhten Verschleiß, Erhöhter Instandhaltungsaufwand Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 7

8 Instandhaltungsstrategien Zur Anwendung kommen derzeit drei grundsätzlich verschiedene Instandhaltungsstrategien, die sich in ihrem Bedarf an technischer Diagnostik deutlich voneinander unterscheiden. Ereignisorientierte (ausfallabhängige) Instandhaltung Nutzung der Betriebsmittel bis zu ihrem Ausfall, nicht geplantes Ereignis, Höheren Kosten, technische Diagnostik ist bedeutungslos Zeitorientierte (vorbeugende) Instandhaltung Strategie 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 höchste Ausnutzungsgrad erreicht, geplantes Ereignis mit hoher Wirtschaftlichkeit, Technische Diagnostik nimmt eine Schlüsselstellung ein Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 8

9 Tangierende Strategie Die wirtschaftlichste Instandhaltungsstrategie besteht aus der Kombination Vorbeugende Inspektion Charakterisierung des Anlagen- und Bauteilzustands durch - wiederkehrende Inspektionen und Messaufgaben, auch unter Berücksichtigung von Ergebnissen aus Voruntersuchungen - kontinuierliche Messwertaufnahmen im Dauerbetrieb (online) Zustandsorientierte Instandhaltung Wartung und zustandsabhängige Teilerneuerung (Instandsetzung) der Betriebsmittel im Stillstand Fazit: Die Einleitung von richtigen Instandhaltungsmaßnahmen zur richtigen Zeit setzt eine vorbeugende Inspektion voraus. Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 9

10 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 Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 10

11 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 Stillstandsplanung 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 Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 11

12 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 Betriebszuständen. 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. Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 12

13 Grenztemperaturen Bei der qualifizierten Zustandsanalyse von Betriebsmitteln durch IR-Inspektion sind bauteilspezifische Grenztemperaturen zu berücksichtigen. Diese Grenztemperaturen 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 Fehlerklassifizierung kundenspezifisch zu betrachten und zwischen Thermograf und Auftraggeber zu vereinbaren. Die der praxisorientierten Fehlerklassifizierung zugrunde liegenden Grenztemperaturen 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. Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 13

14 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 dem angeschlossenen Leiter in einer bestimmten Entfernung vom Anschluss Temperaturdifferenzen sind Übertemperaturen ( θ in K) und sind in Relation zu setzen zur Umgebungstemperatur. Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 14

15 Erwärmung von elektrischen Betriebsmitteln Bei der Erwärmung von elektrischen Betriebsmitteln muss zunächst zwischen betrieblichen Umgebungstemperaturen und Übertemperaturen (Grenzübertemperaturen) unterschieden werden. Bei der Beurteilung der Grenzübertemperatur ist die Umgebungstemperatur zu berücksichtigen. VDE 0660 Teil 500 (DIN EN ) 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 C betragen. Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 15

16 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. Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 16

17 Grenztemperaturen von elektrischen Betriebsmitteln nach VDE Einige elektrische Objekte: Leiter-Isolierung nach VDE 0207 Teil 4 und 5 PVC-Isolierung 70 C Für Leiter, die sich nicht gegenseitig berühren, sind höhere Temperaturen zulässig. Leiter aus Kupfer oder Cu-Zn-Legierung vernickelt Übertemperatur 70K Umgebungstemperatur 40 C Reihenklemmen Metallischer Teil, geschraubt 70 C Steckklemme, Anschluss Klemme/Leiter, Federzug 95 C Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 17

18 Kupfer-Schienen nach DIN Stromschienen (Anschlussschienen von Betriebsmitteln) bei offenen Anlagen mit festgelegter Umgebungstemperatur von 35 C (kurzzeitig 40 C) Eigenerwärmung 30 C Sammelschienen nach VDE 0660 Teil 500 Blanke Kupfersammelschienen Grenzübertemperatur 105K Umgebungstemperatur 40 C Steckkontakte nach VDE 0660 Teil 500 Herausnehmbare Teile oder Einschübe zum Anschluss an Sammelschienen Grenzübertemperatur 105K Umgebungstemperatur 40 C Kleintransformatoren und Drosseln nach VDE 0570 Teil 1 Gehäuse ortsfest 100 C Wicklungen, Kernbleche, thermische Klasse F, Schützspulen 140 C Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 18

19 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 Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 19

20 Grenztemperaturen von elektrischen Betriebsmitteln nach betriebsinternen Standards Abweichend von den an Normen und Richtlinien gebundenen Grenztemperaturen empfiehlt es sich, thermische Auffälligkeiten in Fehlerklassen (Gefährdungsklassen) einzuordnen und eine Fehlerbewertung vorzunehmen. Die Kriterien sind vom Sicherheits- und Qualitätsstandard des Betriebs abhängig. Nachfolgend ein Beispiel für eine praxisbewährte Kundenvereinbarung: Fehlerdefinition θ Objekt : 65 C θ Objekt - θ Vergleich ( θ) : 10K Ausnahmen, u. a. Schütz- und Trafospulen : 85 C Schutzrelais : 85 C Schutzschalter : 70 C Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 20

21 Fehlerklassifizierung und Handlungsvorschläge Klasse 0 Keine Massnahmen erforderlich Klasse 1 Beobachtung, Kontrolle Klasse 2 Instandsetzung ist notwendig, jedoch zeitnah Klasse 3 Instandsetzung sollte sofort durchgeführt werden : θ < 65 C und θ < 10K : θ < 65 C und 10K θ < 25K : 65 C θ < 120 C oder 25K θ < 50K : θ 120 C oder θ 50K Temperaturwerte bei Nennstrom Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 21

22 Temperatureckwerte 60 C : verstärkte Alterung der elektrischen Bauelemente 70 C : zulässige Leitertemperatur, Verdrahtung H07V-K, gemäß DIN VDE 0100, Teil C : Kunststoffisolierung wird weich, Kabel und Leiter werden brüchig Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 22

23 Belastungsabhängige Temperaturveränderungen Die bei der Messdatenerfassung ermittelten Temperaturwerte sind stets im Zusammenhang zu sehen mit der Strombelastung. Näherungsweise gilt folgende Beziehung: θ 1 / θ 2 = I 1 ²/I 2 ² ; θ 2 = θ 2 + θ Umgebungsluft θ = Temperaturdifferenz (K) I = Strombelastung (I B /I N, %) Diese Formel kann herangezogen werden, um Temperaturveränderungen bis etwa 150 C Endtemperatur bei unterschiedlicher Strombelastung abzuschätzen. Nachfolgend einige Fallbeispiele: Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 23

24 65,0 C ,5 C 20 Trafo 20 kv/0,4 kv Sekundärseite 0,4 kv Schadhafter Schienenanschluss L3 T 70 C ( T 46K) I b = 73 A (50% I n ), Fehlerklasse 3 Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 24

25 110,0 C ,0 C Trafo 20 kv/0,4 kv Sekundärseite 0,4 kv Schadhafter Schienenanschluss L1 (gelb) T 115 C (ΔT 54K) I b = 470 A (52% I n ), Fehlerklasse 3 Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 25

26 93,0 C ,0 C 500 V-Hauptverteilung Einspeisung Schadhafter Schienenanschluss L3 T 90 C (ΔT 57K) I b = 160 A gleichmäßig Fehlerklasse 3 Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 26

27 390,0 C ,0 C 500 V-Hauptverteilung Schütz Schadhafter Anschluss Klemme 2 (L1) T 389 C ( T 334K) I b = 29 A (73% I n ), Fehlerklasse 3 Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 27

28 128,0 C ,0 C 500 V-Hauptverteilung NH-Sicherungsblock Schadhafter unterer Sicherungskontakt L2 T 129 C ( T 72K) I b = 112 A (90% I n ), Fehlerklasse 3 Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 28

29 141,0 C SP ,0 C NS-Schaltraum Kondensatorblock Kompensation Schadhafter Leiteranschluss T 141 C (ΔT 90K) Fehlerklasse 3 Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 29

30 135,0 C ,0 C Staplerladestation Reihenklemmen Ladegerät Schadhafter Leiteranschluss Klemme 17 T 135 C (ΔT 74K) Fehlerklasse 3 Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 30

31 97,0 C ,0 C EMSR-Schaltraum Steuerkarte Dioden überhitzt T 97 C Fehlerklasse 2 Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 31

32 68,0 C ,5 C 6 kv-schaltanlage Wandler Fehlerhafter hinterer Schienenanschluss L3 T 69 C ( T 38K) I b = 170 A, Fehlerklasse 2 Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 32

33 81,0 C ,0 C 20 Umspannanlage 380/220 kv Scherentrenner Abzweig 220 kv Schadhafter Trennerkontakt T 81 C (ΔT 65K) I b = 510 A (43% I n ), Fehlerklasse 3 Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 33

34 60,0 C ,0 C Umspannanlage 110/20 kv Drehtrenner Abzweig 110 kv Schadhafte AlCu-Klemme L3 T 60 C ( T 46K) I b = 155 A (26% I n ), Fehlerklasse 3 Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 34

35 60,0 C ,0 C HS-Motor 1,25 MW/6 kv Generatorbetrieb über Dampfturbine Antriebsseite: T 60 C (ΔT 14K) Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 35

36 57,0 C ,0 C HS-Motor 1,5 MW/6 kv Motor für Turboverdichter Antriebsseite: T 57 C (ΔT 15K) Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 36

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Sie erreichen uns: Stand Instandhaltung - Quelle: BLASCHKE Ing. GmbH 37