Kaum ein Messverfahren gibt so schnell Aussagen zur Zustandsanalyse von elektrischen Schaltanlagen in allen Spannungsebenen. Werden diese Überprüfungen nicht rechtzeitig und turnusmäßig durchgeführt, so wird man durch diese Versäumnisse meistens im Nachhinein bestraft.

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Das Foto zeigt das modernste auf dem Mark erhältliche Infrarot- System P660. Mit einer Auflösung von 640x480 Bildpunkten (entspricht 307.200 Messpunkten) und einer thermischen Auflösung von 0,03°C, gepaart mit mehreren Objektiven, sind somit Infrarotaufnahmen in einer bisher unerreichbaren Auflösung und Genauigkeit möglich.

Die Thermografie kann die vorgenannten wiederkehrenden Prüfungen nicht ersetzen. Sie ist auch kein Ersatz für die notwendigen Sichtkontrollen, Funktionsprüfungen, Strommessungen usw., die im Rahmen der vorgenannten wiederkehrenden Prüfungen durchgeführt werden müssen. Sie stellt jedoch eine hilfreiche, ergänzende Messmethode dar und ermöglicht insbesondere Untersuchungen und Bewertungen des Anlagenzustandes, die bislang nur schwer oder mit hohem Aufwand möglich waren. Ein großer Vorteil ist, dass die Messungen bei laufendem Betrieb, also unter Spannung durchgeführt werden können. Thermografie gehört heute zum Stand der Sicherheitstechnik.

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Quelle: www.feuerwehr-erfurt.de/

Die beiden unteren Bilder zeigen einen 110 / 10 kV Transformator. Im linken Infrarotbild (mit einer älteren nicht so hoch auflösenden Kameratechnik aufgenommen) kann man an der linken Trafodurchführung eine Temperatur von 80,9°C messen. Als erstes wurde vermutet, dass die Schraubverbindung auf der Trafodurchführung fehlerhaft war. Genauere Untersuchungen, wie die Öl - Gasanalyse ergaben, dass die Verbindung innerhalb des Trafos fehlerhaft war und ausgewechselt werden musste.
Die größte, von uns gemessene Temperatur an 110kV Anlagen, betrug bisher 530°C bei einer Belastung von nur 27%. Die Hochrechnung ergab, dass bei Nennbelastung (Engpassstrom) die davon betroffene Schraubverbindung der 110kV - Leitung eine Temperatur von ca. 3.000°C aufweisen würde. Diese hohe Temperatur würde allerdings nie erreicht werden, da das Aluminium bereits bei ca. 660°C schmilzt und damit die Stromversorgung unterbricht. Die Kosten, besonders durch den Stromausfall, können wenn viele Industriebetriebe davon betroffen sind, für die Energieversorgungsunternehmen sehr hoch werden.

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Leiter

:

L1

L2

L3

Nennlast

(A)

:

1.375

1.375

1.375

Belastung während der Messung

(A)

:

920

920

920

Belastung in Prozent

(%)

:

67

67

67

maximale Objekttemperatur

(°C)

:

43

43

81

gemessene Übertemperatur

(D T in K)

:

-

-

38

Temperatur bei Nennlast

(°C) ca.

:

-

-

180

Fehlergruppe

(1 - 4)

:

-

-

4

In Auswertung des oberen Infrarotbildes von der Trafodurchführung gibt die Tabelle einen Überblick über die Belastung der einzelnen Leiter während der Messung. Bei einer Belastung von 67% der Nennlast betrug die Temperatur am Oberteil der Kerze +81°C. Wenn man diese Temperatur auf Nennlast (Engpassstrom) hochrechnet, würde sich eine Temperatur von ca. +180°C ergeben.
Nach dem Öffnen des Transformators war der große Schaden entsprechend des nebenstehenden Fotos zu erkennen. Es ist sehr gut zu erkennen, dass das erste Dehnungsband schon weggebrannt ist und von einer Schraubverbindung kaum noch gesprochen werden kann. Lange hätte es nicht mehr gedauert, und das Dehnungsband zur Durchführung im inneren des Transformators wäre durch die hohen Temperaturen völlig durchgebrannt. In diesem Fall wäre die Stromversorgung eines größeren Stadtteils unterbrochen worden. Die Reparaturkosten belief sich auf 85.000,- EUR. Bei einem unerwarteten längeren Stromausfall wären die Kosten noch viel höher geworden.

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Da die untere Fehlerstelle aus betrieblichen Gründen nicht gleich beseitigt werden konnte, wurde ein Jahr später nach erneuter turnusmäßiger Kontrolle der gesamten elektrischen Anlage die Fehlerstelle natürlich erneut lokalisiert. Nach einem Jahr ist die Temperatur bei gleichbleibender Belastung auf über das Doppelte angestiegen. Auch diese beiden Infrarotbilder sind älteren Datums und in ihrer Auflösung nicht mit den jetzigen Infrarotbildern zu vergleichen.
In der darunter liegenden Tabelle ist die Hochrechnung auf Nennlast für diesen thermischen Fehler ersichtlich.

maximale Temperatur 68°C am 22.03.1996

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maximale Temperatur 136°C am 26.02.1997

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Leiter

:

L1

L2

L3

Nennlast

(A)

:

1.000

1.000

1.000

Belastung während der Messung

(A)

:

500

500

500

Belastung in Prozent

(%)

:

50

50

50

maximale Objekttemperatur

(°C)

:

136

35

35

gemessene Übertemperatur

(D T in K)

:

101

-

-

Temperatur bei Nennlast

(°C) ca.

:

300

-

-

Fehlergruppe

(1 - 4)

:

4

-

-

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Originalfoto der im Infrarotbild dargestellten Schwachstelle im Jahre 1997. An dem Aluminium, dem Kupfer oder auch an den Schrauben ist keine Erwärmung oder Verfärbung zu erkennen.
Kupfer und Aluminium direkt miteinander verbinden sollte man nicht, da durch das so entstehende galvanische Element (liegen in der Spannungsreihe sehr weit auseinander) stets mit Problemen zu rechnen ist. Wenn dann auch noch Feuchtigkeit erwartet wird, sind derartige Fehler sicher. Wenn eine derartige Verbindung nicht zu umgehen ist, so können sogenannten AlCu- Scheiben eingesetzt werden. Diese besitzen auf der einen Seite eine Kupfer- und auf der anderen Seite eine Aluminium- Fläche.

Oft sind es nur Kleinigkeiten, welche Maschinenausfälle oder im schlimmsten Fall Brände verursachen. Das untere Foto mit dem dazugehörigen Infrarotbild zeigen lose Kabel an einem 0,4kV Hauptschalter. Mit dem Auge ist noch keine Verfärbung der Isolierung wahrzunehmen. Ein Zeichen dafür, dass die Fehlerstelle noch nicht lange vorhanden ist. Oft sind es lose Klemmstellen, welche den Übergangswiderstand ansteigen lassen und es somit zu der Erwärmung kommt. Ein Nachziehen der Verbindungsstellen behebt, bei diesem meist Kupferkabel und den geringen Temperaturen, den Fehler im Regelfall. Ist die Temperatur höher, so müssen die Anschlusskabel nachgesetzt oder ausgetauscht werden. Auch ein Austausch, wie in diesem Beispiel der Schalter kann sich dann erforderlich machen.

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Am unteren Schraubsicherungselement der Lichtverteilung ist bei einer Umgebungstemperatur von nur 13°C eine Temperatur von fast 400°C zu messen. Äußerlich ist die hohe Temperatur der Sicherung nicht zu erkennen. Womöglich war die Schraubsicherung nicht fest genug angezogen. Diese Schraubsicherungen neigen sehr schnell dazu heiß zu werden, wenn der Kontaktdruck nicht hoch genug ist. Manchmal ist auch der Kabelanschluss für die Erwärmung verantwortlich. Ein Austausch des gesamten Sicherungselementes mit der Halterung ist hier notwendig. Auch der Kabelanschluss ist zu kontrollieren und ggf. das Kabel auszutauschen oder nachzusetzen.

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An dieser 0,4kV NH- Sicherung (Leiter L2) wurden an der oberen Kontaktzunge +403°C gemessen. Ein unzureichender Federkontakt wird hier die Ursache für diese starke Erwärmung sein. Im Originalbild ist bereits eine starke Verfärbung der Kontakte zu erkennen. Der Kunststoffschutzschlauch über der Sicherung fängt bereits an sich aufzulösen. Hier muss unverzüglich gehandelt werden, um einem Brand vorzubeugen und Produktionsausfall entgegenzuwirken. Ein unzureichender Federkontakt am Sicherungshalter ist hier die Ursache für die Erwärmung. Ein Austausch von Sicherungshalter, Sicherung und auch dem Zuleitungskabel ist notwendig.

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An diesem BD - System ist die Schienenverbindung unter der Verkleidung nicht in Ordnung. 48,2°C ist zwar noch nicht sehr warm, eine Schwachstelle liegt jedoch eindeutig vor. Da eine Erwärmung mit Sicherheit auf die Dauer immer größer wird (siehe die Erwärmung einer Fehlerstelle innerhalb eines Jahres um das Doppelte - auf dieser Seite) besteht auch hier Handlungsbedarf.

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Die Zuleitung zu einem Kompressor ist am Abgang dieses Leistungsschalters (Leiter L2) mit +423°C so heiß, dass ein Brand nicht mehr lange zu vermeiden gewesen wäre. Der Abgang war erst vor einem Jahr in Betrieb genommen worden. Ein entstandener Grat beim Aufbohren des Kabelschuhes wurde bei diesem Beispiel nicht entfernt. Ein gleichmäßiges, flächenhaftes Aufeinanderliegen der Kontaktflächen wurde somit verhindert. Die so entstandene Querschnittsschwächung hat die starke Erwärmung hervorgerufen. Eine fast 100 %ige Einschaltdauer bei einer gleichbleibenden Belastung von ca. 210A hat die Schraube der eigentlichen Verbindung zum Glühen gebracht. Dieser Schraubenkopf ist nicht direkt einsehbar, da er an der abgewandten Seite des Kabelschuhes liegt. Der glühende Schraubenkopf spiegelte sich allerdings schon, bereits mit dem bloßen Auge sichtbar, im verzinkten Blech des Schaltschrankes wieder. Durch die hohe Temperatur am Anschluß des Leistungsschalters ist hier anzuraten den gesamten Leistungsschalter auszutauschen.

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An diesem 110kV Leistungsschalter ist die obere Verschraubung Richtung Leitung an der Phase L3 fehlerhaft. Ein Öffnung der Kontaktstelle mit anschließendem Säubern und Fetten der Kontaktflächen und einem erneute Verschrauben mittels Drehmomentschlüssel beseitigt die Schwachstelle in der Regel. Ein reines Nachziehen der Schrauben bringt in den seltensten Fällen den Erfolg.

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Die Feder für den Anpressdruck der Einfahrkontakte dieses 110kV pantographen Sammelschienentrenners ist gebrochen. An der Einschlagseite, direkt am Kontakt werden Temperaturen von 235°C gemessen. Auf der Rückseite sind es sogar 336°C. Hier ist schon die verbrannte Farbe zu erkennen. Bei einer Belastung von 67% der Nennlast ergibt sich bei Hochrechnung eine Temperatur von ungefähr 700°C. Dieser Trenner wurde sofort außer Betrieb genommen und Teile ausgetauscht.

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Bei diesem 380kV Überspannungsableiter liegt nur die Spannung an. Einen Stromfluß gibt es hier im Regelfall nicht. Trotzdem kommt es am Leiter L3 zu einer Erwärmung des Kopfes. Die vergrößerte Darstellung mit dem 7° Infrarot- Teleobjektiv bestätigt diese Erwärmung nochmals. Obwohl die Temperaturerhöhung nur 4°C beträgt, wird diese mit geeigneter Infrarottechnik sicher lokalisiert. Mit billigen Infrarotkameras sind derartige Fehlerstellen nicht zu finden.

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Im unteren Infrarotbild ist ein Flachanschluss an einer 380kV Leistungsschalterverbindung dargestellt. Durch die große Entfernung wäre diese detaillierte Aufnahme ohne Teleobjektiv nicht möglich und eine genaue Zuordnung der Schwachstelle könnte nicht erfolgen. Die thermische Schwachstelle besaß, zum Zeitpunkt der Messung, eine Temperatur von +230°C bei nur 14% der Nennlast. Rechnet man diese Temperatur auf den Grenzstrom hoch, so ergäbe sich eine theoretische Temperatur von ungefähr +2.600°C. Diese hohe Temperatur würde jedoch nie erreicht, da das Aluminium des Flachanschlusses bereits bei ca. 600°C (Schmelzpunkt hängt von der Legierung ab) schmelzen würde. Durch den Einsatz ungeeigneter Messtechnik wäre es hier zu Fehlmessungen gekommen. Mit einer Kamera, welche keine hohen Temperaturen erfassen kann, könnte die Temperatur gar nicht erst gemessen werden und ohne geeignetes Teleobjektiv oder nur mit einem kleinen Bildschirm bei starker Sonneneinstrahlung (wie bei den jetzt billig angebotenen Infrarotkameras) hätte man den Fehler auch nicht erkannt. Das hätte in der Folge zu schwerwiegenden Schäden und großflächigen Stromausfällen führen können. Bei allen Messungen in den Umspannwerken, aber auch in Industriebetrieben, lastet eine sehr hohe Verantwortung auf dem Messingenieur und das beauftragende Energieversorgungsunternehmen oder die technischen Leiter in den Industriebetrieben müssen sich stets voll auf die Messungen verlassen können. Aus diesem Grund ist eine, dem Verwendungszweck angemessene Kameratechnik genau so wichtig, wie eine ausreichende Qualifizierung und Zertifizierung der mit den Messaufgaben beauftragten Messingenieure. Der Prüfingenieur zur Überprüfung von Elektroanlagen sollte Berufserfahrungen aufweisen und muss eine Elektrofachkraft nach DIN VDE 0105-100 sein. Er sollte die Zertifizierung zur Untersuchung von Elektroanlagen Stufe 2 nach DIN EN 473 besitzen, da nur diese zum selbständigen Arbeiten ohne Anleitung berechtigt. Weiterhin ist ein Nachweis zum VdS anerkannten Sachverständigen für Elektrothermografie zur Untersuchung elektrischer Anlagen anzustreben und wird von Versicherungen gefordert. Nur diese Voraussetzungen führen zu einer hohen Fachkompetenz bei der Messung und Beurteilung thermischer Erwärmungen, welche oft auch bauteilbedingt und normal sind.

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Durch einen ungenügenden Kontaktdruck an diesem 380kV Scherentrenner kommt es hier zu einer Erwärmung von über 104°C, wie es das untere Infrarotbild zeigt. Durch den großen Messabstand von 380kV Anlagen ist auch hier eine detaillierte Aufnahmen nur mit einem 7° Infrarot- Teleobjektiv möglich. Die weitere Ursache für die Erwärmung kann neben dem ungenügenden Kontaktdruck auch die Oberflächenbeschaffenheit der Kontaktstellen sein. Einbrennstellen oder Oxidschichten können den Übergangswiderstand so stark erhöhen, dass es zu einer solchen Erwärmung der Bauteile kommt. Durch die Messung in die Atmosphäre kommt es in diesem Infrarotbild zu der tiefen Temperatur von über -60°C (wolkenloser Himmel).

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Da Teleobjektive sehr preisintensiv ist, haben nur wenige gleichgelagerte Büros diese Objektive zur Verfügung. Gerade bei 110kV, 220kV und 380kV Anlagen sind die Betrachtungsabstände sehr groß und Teleobjektive sind nach unseren Erfahrungen unumgänglich.

Infrarotaufnahme einer 110kV T- Klemme mit 24° Normalobjektiv

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Infrarotaufnahme einer 110kV T- Klemme mit 7° Teleobjektiv

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Schon sehr geringe Temperaturunterschiede können mittels der Thermografie selbst auf großen Entfernungen gemessen werden. In den unteren Bildern sind nochmals eine defekte Rohraufsteckung eines 380kV Sammelschienen- Scherentrenners in ca. 14m Höhe abgebildet. 16°C sind an der fehlerhaften Verschraubung der Rohraufsteckung zu messen. Dies entsprechen nur 8K über der übrigen Trennertemperatur. Das unteren Infrarotbild zeigt die selbe Verbindung nochmals mit dem Teleobjektiv aufgenommen.

Infrarotaufnahme eines 380kV SS- Trenners mit 24° Normalobjektiv (defekte Verschraubung der Rohraufsteckung)

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Infrarotaufnahme eines 380kV SS- Trenners mit 7° Teleobjektiv (defekte Verschraubung der Rohraufsteckung)

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Werden ungeeignete Objektive verwendet, so kann es zu gravierenden Fehlmessungen kommen, wie die beiden unteren Infrarotbilder belegen. An dieser T- Klemme einer Hochspannungs- Überspannungsverbindung ist mit einem Teleobjektiv eine von ihren Ausmaßen sehr kleine aber prägnante Übertemperatur von +320°C zu messen. Mit einem Normalobjektiv ist diese Fehlerstelle entsprechend des linken Infrarotbildes auch zu erkennen. Die Temperatur wird durch die große Messentfernung und die geringen Ausmaße des Übertemperaturbereiches um 124°C zu niedrig angezeigt. Der Grund dafür ist in der eingangs erwähnten geometrischen Auflösung (IFOV) der Infrarotkameras zu suchen. Man kann also nicht kleine Objekte in großen Entfernungen mit ungeeigneten Objektiven messen wollen. Weitere solcher Beispiele finden Sie in dem Zeitungsartikel "Hochspannungsanlagen durch Infrarot- Thermografie optimal untersuchen" (430 KB).

Infrarotaufnahme einer T- Klemme einer Überspannungsverbindung mit einem Normalobjektiv. Die größte gemessene Temperatur wir mit +196°C gemessen.

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Infrarotaufnahme einer T- Klemme mit einem Teleobjektiv. Die größte gemessene Temperatur wir mit +320°C gemessen, obwohl die beiden dargestellten IR- Bilder die selbe Klemme zeigen.

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Die Übertemperaturen D T werden somit in nachfolgende 4 Fehlergruppen unterteilt:

Fehlergruppe 1 - 0 K < D T < 10 K
(keine Maßnahme erforderlich, aber beobachten)

Fehlergruppe 2 - 10 K < D T < 35 K
(Beseitigung der Schwachstelle bei nächster Abschaltung - bei Gelegenheit nachbessern)

Fehlergruppe 3 - 35 K < D T < 70 K
(Beseitigung der Schwachstelle bei nächster geplanter Instandhaltung, aber innerhalb 6 Monaten)

Fehlergruppe 4 - D T > 70 K
(Beseitigung der Schwachstelle bei nächstmöglichster Abschaltung - d.h. sofort, keine hohen Belastungen fahren) 

Die pdf- Datei eines Zeitungsartikels zum Einsatz der Infrarotmessungen in Nieder- und Mittelspannungsanlagen, wie er in einigen Fachzeitungen wie "building & automation" Heft 5/2003 - VDE Verlag, "Krankenhaus Technik + Management" Heft 10/2003 - pn verlag, "Elektropraktiker" Heft 11/2003 - Verlag Technik Berlin, "eb Elektrische Bahnen" Heft 1-2/2004 - Oldenbourg Industrieverlag, "de - Der Elektro- und Gebäudetechniker" Heft 6+7/2007 - Hüthig & Pflaum Verlag oder "instandhaltung" Heft 2+3/2007 - verlag moderne industrie GmbH erschienen sind, können Sie sich hier als pdf- Datei herunterladen: Nieder- und Mittelspannungsanlagen durch Infrarot- Thermografie richtig untersuchen (481 KB).

Eine weitere pdf- Datei eines Artikels für die Zeitschrift "netzpraxis" Heft 12/2006 und Heft 1/2007 - VWEW Energieverlag zum Thema "Hochspannungsanlagen durch Infrarot- Thermografie optimal untersuchen" (430 KB) können Sie sich ebenfalls herunterladen.

Durch die z.T. billig gewordene Kameratechniken und massiver Werbekampagnen der Herstellerfirmen wird seitens der Betriebe oder Energieversorgungsunternehmen immer öfters überlegt, ob eine eigene Kameratechnik nicht eine wirtschaftlichere Lösung darstellt, als externe Dienstleister heranzuziehen. Bei diesen Überlegungen geht man jedoch meist nur von der billigen Kameratechnik aus, von der man aus Unwissenheit glaubt, damit selbst Untersuchungen durchführen zu können. Was nicht bedacht wird ist, dass eine Kameratechnik für komplexe Untersuchungen nicht mit billigen Geräten vorgenommen werden kann. Hochspannungsanlagen mit diesen Geräten untersuchen zu wollen ist unmöglich. Will man z.B. Elektroanlagen fachgerecht, entsprechend den Forderungen der Versicherungswirtschaft untersuchen, so finden Sie im Nachfolgenden eine Kostenaufstellung: Messungen mit eigener Kameratechnik.pdf (98 KB)

Leitungsbefliegungen:

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Mit einem  4- Achsen stabilisierten Kreiselsystem führen wir sehr effektiv die Inspektion von vielen hundert Kilomentern Freileitungen durch. Eine hochauflösende Infrarotkamera (640x480 Pixel) und eine hochauflösende Kamera im sichtbaren Bereich speichern kontinuierlich die Infrarot- und die Sichtbilder auf Festplatte. Die GPS- Daten werden ebenfalls mit aufgezeichnet, wodurch die später einlesbaren Daten in Google Earth ein genaues Bild der geflogenen Strecke wiedergeben. Das untere Bild zeigt einen kleinen Teil der abgeflogenen Strecke, welche in Google Earth eingeladen wurde. Die Bedienung erfolgt mittels Tastatur und Joystick aus dem Helikopter.

Sichtbild mit Uhrzeit und GPS- Koordinaten und das Infrarotbild werden bei den Befliegungen der Freileitungen kontinuierlich auf Festplatte gespeichert. Die spätere Auswertung erlaubt dann eine parallele Abspielung beider Bilder im Rechner mit spezieller Software. Die unteren beiden Bilder zeigen ein Sichtbild mit dem Infrarotbild von einer 220kV Freileitung.

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