MEE Budapest 2019: Thermografische Zustandsüberwachung elektrischer Anlagen

Rahne Eric, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, Gründer der PIM Professionelle Industriemess-Technik GmbH, zertifizierter Thermografie-Experte (Level 3), gerichtlich beeidigter Sachverständiger

Thermografie ist heutzutage in nahezu allen Branchen zu finden. Gerade jetzt erleben wir die rapide Ausbreitung dieses berührungslosen Temperaturmessverfahrens, aber gleichzeitig auch die grobe fachliche Abwertung. Einige Hersteller und Händler von Wärmebildkameras sind auf ein Niveau gesunken, bei dem sie 80x60 Pixelige Smartphone-Zubehörteile ohne radiometrische Fähigkeiten als professionelle Wärmebildkameras bezeichnen (als würde man eine VGA-Webkamera als professionelle Videokamera bezeichnen). Es ist auch traurig festzustellen, dass jeder, der sich ein solches billiges Gerät kauft, sich sofort als Thermograf bezeichnet, ohne jegliche fachliche Schulung (und oft ohne Kenntnisse in Physik und Messtechnik auf Schulebene)!Der Vortrag (und Artikel) - gibt einen minimalen Einblick in die erstaunliche Vielseitigkeit und die theoretischen und praktischen Grenzen der Thermografie, basierend auf Rahne Erics Buch "THERMOGRAPHIE - Theorie und praktische Messtechnik" mit 650 Seiten. Einige Hersteller und Händler von Wärmebildkameras sind auf ein Niveau gesunken, bei dem sie 80x60 Pixelige Smartphone-Zubehörteile ohne radiometrische Fähigkeiten als professionelle Wärmebildkameras bezeichnen (als würde man eine VGA-Webkamera als professionelle Videokamera bezeichnen). Es ist auch traurig festzustellen, dass jeder, der sich ein solches billiges Gerät kauft, sich sofort als Thermograf bezeichnet, ohne jegliche fachliche Schulung (und oft ohne Kenntnisse in Physik und Messtechnik auf Schulebene)!

Einführung

Die Aufnahme von Wärmebildern, also die Thermografie, ist ein äußerst vielseitiges Messverfahren, während die benutzerfreundliche Handhabung moderner Wärmebildkameras mit der weit verbreiteten digitalen Videokamera vergleichbar ist. Diese Einfachheit sollte jedoch niemanden täuschen: Für die korrekte Aufnahme von Wärmebildern aus messtechnischer Sicht sind angemessenes theoretisches und fachliches Wissen, Erfahrung und darüber hinaus eine gründliche Messvorbereitung erforderlich. Da wir bereits in früheren Ausgaben der VL über die theoretischen Grundlagen der Thermografie geschrieben haben, werden im Folgenden nur die wichtigsten messtechnischen Anforderungen und praktischen Kenntnisse zur thermografischen Untersuchung elektrischer Anlagen detailliert beschrieben. Zu Demonstrationszwecken zeigen wir auch einige häufige Bedienfehler von Wärmebildkameras auf und deren Auswirkungen auf die Genauigkeit und Glaubwürdigkeit der Messungen.

Messschwierigkeiten und Lösungsvorschläge

Die breiten Anwendungsmöglichkeiten der Thermografie bei der Organisation der Wartung elektrischer Anlagen gehen mit vielen Schwierigkeiten bei der Durchführung der Messungen einher. Im Folgenden werden einige bedeutende Probleme vorgestellt und gleichzeitig Ratschläge zur Minimierung der auftretenden Messfehler gegeben. Das größte Problem ergibt sich aus dem Messobjekt selbst - genauer gesagt aus dem Material. Ein häufiges Fehlverhalten elektrischer Anlagen ist auf die unzureichende Leitfähigkeit der Kontakte von Schrauben-, Feder- oder Pressverbindungen zurückzuführen. Der durch eine erhöhte Übergangswiderstand entstehende Kontaktwärme ist proportional zur Belastung, aber aufgrund der geringen Emissionsfähigkeit der metallischen, meist polierten Oberflächen ist die Wärmeabstrahlung minimal. Mit Thermografiegeräten ist die Erkennung der Kontaktwärme möglich, aber eine genaue Messung ist nahezu unmöglich. Ebenso schwierig ist die Messung an schienengeführten Systemen ohne Isolierung. Auch hier führt die metallische Oberfläche des Messobjekts zu einem unvorhersehbaren Ausmaß an Messfehlern. Die geringe Emissionsfähigkeit der nicht durchsichtigen Oberfläche des Objekts führt zu einem hohen Reflexionsfaktor, sodass unsere Messaktivitäten so organisiert werden müssen, dass der dadurch verursachte Messfehler minimal ist. Es ist wichtig, dass bereits während der Messung darauf geachtet wird, da eine nachträgliche Korrektur aufgrund der inhomogenen industriellen Umgebung praktisch unmöglich ist. Unsere erste Aufgabe besteht darin, eine möglichst homogene Umgebungstemperatur für die Messanordnung anzustreben. Dafür ist eine Messanordnung erforderlich, bei der während der Messung keine starken Wärmequellen wie Heizkörper, Strahlungsheizungen, Hochtemperaturtechnologien oder andere störende punkt- oder linienförmige Strahlungsquellen in Richtung der vom Objekt reflektierten Strahlung betrieben werden. Was vorübergehend nicht außer Betrieb genommen werden kann, sollte durch Anwendung eines anderen Mess- oder Beobachtungswinkels eliminiert werden. Wenn dies keine Lösung bietet, sollte es mit einem Paravent oder einem anderen Schattierungsmittel abgedeckt werden, jedoch so, dass es nicht zur störenden Wärmequellenstrahlung gelangt und keine Brandgefahr verursacht. In dieselbe Kategorie fällt auch der oft übermäßige Eifer des lokalen Elektrikers, der den Thermografen häufig begleitet.

Während die Vermessung einer Schaltschrankreihe im Gange ist, öffnet er bereits die Türen der Schaltschrankreihe hinter dem Messenden. Von nun an wird anstelle der bisher fast homogenen Reflexionstemperatur der Schaltschranktüren die inhomogene, ortsabhängige unterschiedliche Wärmestrahlung der elektrischen Elemente in den Schränken auf dem Messobjekt reflektiert! Jetzt kommt der Gnadenstoß im Reflexionsproblem. Der Messende, sein Begleiter und die Zuschauer verursachen alle störende Strahlungsquellen, die Reflexionswärmeffekte verursachen! Wir können uns nicht aus dem Sichtfeld entfernen, aber den Begleiter und die Zuschauer schon. Wir müssen etwas anderes erfinden, um die Wärmestrahlung unseres Körpers zu eliminieren. Die Lösung besteht darin, die Messung nicht im 90°-Winkel zur Objektoberfläche durchzuführen, sondern abweichend davon, im Betrachtungswinkel von 70 ... 80° zur Objektoberfläche. Wenn bei der Messung aus diesem Winkel keine störende Wärmequelle reflektiert wird, haben wir die Aufgabe bereits gelöst.

Falls jedoch auf dem aufzunehmenden Wärmebild Wärmeeffekte entdeckt werden, die verdächtig nach Reflexion aussehen, ändern wir unsere Messposition und wiederholen die Thermografieaufnahme aus einem anderen Beobachtungswinkel. Wenn sich der vermeintliche reflektierende Wärmeeffekt durch Änderung unserer Position und Beobachtungswinkel nicht ändert, handelt es sich um einen realen - objektbezogenen - Wärmeeffekt. Aufgrund der meist polierten Oberflächen der Kontakte bereiten neben den irreführenden Reflexionen auch die schlechte Erkennbarkeit der tatsächlichen Objekttemperaturen Probleme. Glücklicherweise gibt es in der Regel irgendwelche beschrifteten, farbmarkierten oder isolierten Oberflächen, die aufgrund der Erwärmung des Fehlerorts durch die gute Wärmeleitfähigkeit der elektrischen Leiter ebenfalls erwärmt werden. Bei Stromschienen können vorhandene Löcher ebenfalls hilfreich sein. Wenn sie im Vergleich zu ihrem Durchmesser mindestens eine vierfache Tiefe haben, können wir aufgrund der in ihnen realisierten mehrfachen Reflexion eine Strahlung messen, die einem Emissionsfaktor von nahezu 100% entspricht. Dies gilt natürlich auch für Durchgangs- oder Gewindebohrungen oder für den Montagespalt zwischen zwei Stromschienen. (Bild 5-6)

Ein weiteres nicht zu unterschätzendes Problem hängt mit der geometrischen Auflösung des Thermografie-Messgeräts zusammen. Aufgrund der Bedeutung dieses Themas halte ich es für notwendig, dies hier ausführlicher zu erwähnen. Denn man hört ständig von einer umfassenden thermografischen Untersuchung eines gesamten Schaltschranks anhand einer Aufnahme, gefolgt von einer detaillierten Fehlerortaufnahme, die auf dem Überblicksbild basiert. Dies klingt natürlich nach sehr effizienter Arbeit, was jedoch nur dann zutrifft, wenn die Anforderungen an die geometrische Auflösung bei der Überblicksaufnahme eingehalten wurden. Denn bei deren Verletzung bleiben die Wärmeeffekte, die auf kleinere Drähte und Kontakte hinweisen, unbemerkt. Wahrscheinlich würden wir keine detaillierte Wärmebildaufnahme machen, und somit würden die Fehler nicht entdeckt. Zusammenfassend: die Erstellung von Überblicksthermografieaufnahmen mit unzureichender geometrischer Auflösung ist schlichtweg nicht zulässig und es gibt niemals eine Ausnahme davon. Zum Glück ist es sehr einfach, die geometrische Auflösung der Wärmebildkamera (bzw. ihrer Linse) anhand des in mrad ausgedrückten geometrischen Auflösungswerts (IFOV) in Bezug auf die Entfernung zu bestimmen, die kleinste Dimension des messbaren Objekts. Zum Beispiel bedeutet ein geometrischer Auflösungswert von 1,5 mrad, dass jede individuelle Messfläche (Messfleck auf der Objektoberfläche) bei einer Messentfernung von 2 m genau 3 mm groß ist. Jetzt müssen wir nur noch sicherstellen, dass dieser Messfleck vollständig auf dem zu messenden Objekt liegt. Wenn dies nicht eingehalten wird, kann der Messfleck auch die Strahlung der seitlichen Umgebung des Objekts enthalten. Da innerhalb des Messflecks eine Mittelung erfolgt, repräsentiert das Messergebnis aufgrund der Temperatur der seitlichen Umgebung nicht mehr die tatsächliche Temperatur des Objekts. Da die Position der individuellen Messflecken, die für jeden Bildpunkt bestimmt wurden, auf dem zu messenden Objekt nicht bekannt ist, benötigen wir mathematische Hilfe. Wenn die minimale Größe des messbaren Objekts das Doppelte der individuellen Messfläche wäre, würde eine von zwei eng nebeneinander liegenden individuellen Messflächen immer vollständig auf dem Objekt liegen.Da jedoch die Sensor-Matrix (herstellungstechnisch erforderliche) Lücken aufweist und auch das Linsensystem nicht frei von Abbildungsfehlern in der Messtechnik betrachtet werden kann, hat es sich in der Praxis bewährt, die obige Pixelgröße mit 3 zu multiplizieren, um die minimale Größe des messbaren Objekts zu bestimmen. Basierend auf der Gleichung können beispielsweise bei einem "Standard"-Objektiv mit einer geometrischen Auflösung von 2 mrad nur Objekte (oder Objektdetails) mit einer Größe von mindestens 30 mm bei einer Entfernung von 5 m mithilfe der Temperaturmessung zuverlässig und korrekt erfasst werden. Für die Messung kleinerer Objekte müssen entweder eine geringere Messdistanz oder eine andere Optik gewählt werden. Wenn das zuvor genannte "Standard"-Objektiv durch ein Teleobjektiv ersetzt wird, können beispielsweise bei einer angenommenen geometrischen Auflösung von 0,5 mrad Objekte mit einer Größe von mindestens 7,5 mm bei einer Entfernung von 5 m gemessen werden.

Die Abbildungen 1 und 2 zeigen deutlich den Fehler bei unzureichender geometrischer Auflösung und dessen Ausmaß. Während wir die tatsächliche Temperatur eines größeren Durchmessers im oberen Bild - eines Kabels - in unserem Wärmebild erkennen (angezeigter Maximalwert 125°C), erfassen wir im unteren Bild fälschlicherweise die Temperatur eines genauso heißen, aber dünnere Kabels (angezeigter Maximalwert 69°C). Die nächsten beiden Wärmebilder unterstreichen die Gefahr einer unzureichenden geometrischen Auflösung anhand eines konkreten praktischen Beispiels. Ich denke, weitere Erklärungen sind nicht mehr erforderlich. Die Bilder 5–6 verdeutlichen die Gefahr einer unzureichenden geometrischen Auflösung bei einer "Übersichtsaufnahme" anhand eines konkreten praktischen Beispiels. Während in der "Übersichtsaufnahme" im Bild 10 der lockere Kontakt gerade einmal mit 38 °C Temperatur erscheint und als Fehler nicht erkennbar ist, zeigt die detaillierte thermografische Teilansicht im Bild 11, dass die tatsächliche Temperatur bereits über 58 °C liegt (Messfehler von 20 °C)!

Unsere Lage ist auch aufgrund der Isolierungen elektrischer Anlagen nicht einfach. Da auf Kunststoffen mit einer Dicke von nur einem halben Millimeter praktisch keine Wärmestrahlung durchdringt, die die Messung elektrischer Geräte ermöglichen würde, ist es offensichtlich, dass alle Isolierungen, die die zu messenden Elemente verdecken, vor der Messung entfernt werden müssen. Dies gilt gleichermaßen für die Abdeckungen von Sicherungs- und Leistungsschalttafeln wie auch für die Plexiglasabdeckungen in Schaltschränken. Was jedoch in der Praxis sicherlich nicht entfernt werden kann, ist die vollständig geschlossene Kunststoffummantelung moderner Anlagen. Im Idealfall hat der Anlagenhersteller ein kleines Loch mit einem Durchmesser von 3 ... 4 mm gelassen, durch das - aus dem richtigen Blickwinkel - bei einem Fehler oder schlechten Kontakt in der Anlage die kritische Temperatur im Inneren beobachtet werden kann. Natürlich setzt die Fehlererkennung durch das Loch voraus, dass die maximale Messdistanz entsprechend der geometrischen Auflösung des Lochs ausgewählt wird. (Siehe das zuvor diskutierte Problem.) Wenn jedoch zur Erkennung von Problemen innerhalb der Abdeckung kein solches Loch vorhanden ist, müssen wir uns auf die gute Wärmeleitung des elektrischen Leiters verlassen. Die Beispiele in den Bildern 12-13 sind in dieser Hinsicht recht beruhigend, da in den meisten Fällen der eingehende Leiter oder der Kontaktfehler eindeutig mit der Temperatur des abgehenden Leiters verbunden werden kann, die sich mit zunehmender Entfernung vom betreffenden Gerät verringert.

Zum Abschluss noch ein weiteres aufschlussreiches Beispiel für nicht sichtbare Wärmeeffekte aufgrund von Plexiabdeckungen für den Berührungsschutz. Im Beispiel ist visuell sichtbar, aber aufgrund der Abdeckung thermisch nicht erkennbar, dass die tatsächliche Temperatur eines lockeren Kontakts 57°C beträgt. Dies würde auf jeden Fall eine Wartungsmaßnahme rechtfertigen im Gegensatz zu dem scheinbar akzeptablen Wert von 41°C. (Der Unterschied zwischen den Phasen ist dennoch ausreichend Grund für die Notwendigkeit einer Überprüfung und Wartung.)

Es ist generell eine heikle Frage, mit welcher Pixelauflösung eine Wärmebildkamera ausgestattet sein sollte. Die hochauflösenden (wirklich) professionellen Wärmebildkameras verfügen neben einem großen Sichtfeld auch über eine ausreichend gute geometrische Auflösung, sodass auch größere Schaltschränke mit wenigen Aufnahmen erfasst und dokumentiert werden können. Die Anschlusskästen oder Werkstattverteiler können typischerweise auf einem einzigen Wärmebild festgehalten werden. Allerdings ist die Investitionskosten für Wärmebildkameras mit höherer Pixelanzahl (größerem Detektor) auch deutlich höher. Welche Wärmebildkamera entspricht den Messanforderungen und ist gleichzeitig wirtschaftlich? Zur Beantwortung dieser Frage sind mehrere Aspekte zu berücksichtigen: 1. Wie oft (vielleicht wiederholt) führen wir die Messungen durch, 2. Wie viele und welche Größe haben unsere Schaltschränke, und was ist das kleinste zu beobachtende Bauteil oder Kabel darin, 3. Was und wie müssen wir dokumentieren? Basierend auf unseren Antworten auf diese Fragen kann grob abgeschätzt werden, wie viele Vor-Ort-Aufnahmen wir benötigen und anschließend wie viele Wärmebilder ausgewertet werden müssen. Bei speziellen Dokumentationsanforderungen kann es sein, dass neben der einfachen Protokollierung auch die (zeitaufwendige) Montage der Wärmebilder erforderlich wird. Mit einer Wärmebildkamera mit 1024x768 Pixeln kann (aus angemessener Entfernung) mit einer einzigen Aufnahme ein maximal 0,5x0,7 m großer Schaltschrank erfasst werden, in dem Kabel mit einem Durchmesser von über 2 mm vorhanden sind. Unter Berücksichtigung dieses Referenzwerts kann der Arbeitsaufwand wie in Tabelle 1 geschätzt werden.

Pixelformat des Wärmebildkameradetektors	1024 x 768	800 x 600	640 x 480	400 x 300	384 x 288	320 x 240	160 x 120	80 x 60
Zeitaufwand für die Vor-Ort-Datenerfassung	1x	2x	3x	8x	9x	13x	54x	225x
Protokollierungszeit (ohne Montage)	1x	2x	3x	8x	9x	13x	54x	225x
Zeitaufwand für die Montage der Wärmebilder	keine	1x	2x	3x	5x	6x	12x	96x
Gerätepreis (im Vergleich zur Referenz)	1x	0,8x	0,7x	0,5x	0,4x	0,3x	0,1x	<0,1x

Tabelle 1: Zusammenhang zwischen Wärmebild-Pixelanzahl und Arbeitsaufwand Die Auswahl der geeigneten Wärmebildkamera kann dann auf folgender Logik basieren: Die Wärmebildkamera sollte ausgewählt werden, deren Preis bei möglichst hoher Pixelanzahl gerade noch niedriger ist als das Produkt aus dem zu bewältigenden Arbeitsvolumen (Anzahl der Schaltschränke · Messhäufigkeit · oben genannte Zeitmultiplikatoren) und dem darauf bezogenen 3* jährlichen Arbeitskosten. (3 Jahre entsprechen der Hälfte der aktuellen technischen Veraltungszeit von Wärmebildkameras. Dies entspricht nicht der typischen Lebensdauer der Geräte.) Eine wesentlich teurere Wahl wäre Verschwendung, während die "billigeren" zu übermäßigen Arbeitskosten führen würden. Die mit dem oben genannten Denkansatz ausgewählte Wärmebildkamera erzielt ab dem dritten Jahr einen klaren Gewinn im Vergleich zu ihren weniger pixelreichen Wettbewerbern.

Bildaufnahme/Bildwiederholfrequenz

Auch die Bildaufnahme- / Bildwiederholfrequenz ist ein technischer Parameter, der nicht vernachlässigt werden kann. Gängige Mikrobolometer-Wärmebildkameras decken einen breiten Bereich von Bildaufnahmefrequenzen ab. Im Allgemeinen unterscheiden wir zwischen langsamen 9 ... 15 Hz und schnelleren 50 ... 60 Hz bzw. maximal 240 Hz Bildwiederholungsraten bei Wärmebildkameras. (Es gibt auch schnellere Wärmebildkameras mit Bildaufnahmefrequenzen von bis zu 9 kHz, die jedoch über Fotondetektoren verfügen, um diese Geschwindigkeit zu erreichen.) Mit wenigen Ausnahmen haben thermische Prozesse in der Regel eine große Zeitkonstante, und wenn sich das Objekt nicht bewegt, sind die oben genannten (mit Bolometer erreichbaren) Bildfrequenzen mehr als ausreichend. Es gibt jedoch sehr schnelle (transiente) Temperaturprozesse oder schnell bewegte Messobjekte, für die wesentlich höhere Bildfrequenzen erforderlich sind. Zum Beispiel können zur Aufzeichnung des Erwärmungsprozesses eines eingeschalteten elektrischen Geräts oder der Temperaturänderungen während des Abschaltens unter Last Bildwiederholungsraten von mehreren kHz erforderlich sein. Es können ernsthafte Probleme auftreten, wenn Sie mit einer handgehaltenen Wärmebildkamera detaillierte Wärmebilder oder sogar Messungen über größere Entfernungen machen möchten. Es ist bekannt, dass ein ruhiger Fotograf auch bei einer Verschlussgeschwindigkeit von 1/60 in der Lage ist, verwacklungsfreie Fotos aufzunehmen (ohne Stativ). Eine "Amateur"-Hand kann jedoch selbst bei einer Verschlussgeschwindigkeit von 1/125 gelegentlich verwackelte Bilder erzeugen. Diese Verschlusszeiten entsprechen einer Erfassungszeit von 17 ms bzw. 8 ms. Welche Fertigkeiten sind erforderlich, um mit einer nur 9 Hz Wärmebildkamera verwacklungsfreie Wärmebilder aufzunehmen, während Sie sie in der Hand halten! Dazu müssten Sie die Wärmebildkamera bis zu 30 ... 40 ms lang ruhig halten! Mit anderen Worten: Um verwacklungsfreie Wärmebilder sicher mit einer handgehaltenen Kamera aufzunehmen, müssen Sie Kameras verwenden, deren Integrationszeit kürzer als 15 ms ist, was bedeutet, dass die Bildwiederholung bei 50 Hz oder schneller liegt.

Praktische Temperaturgrenzwerte elektrischer Geräte

Es stellt sich oft die Frage, wo die Grenze gezogen werden sollte, ab wann eine festgestellte Erwärmung als fehlerhaft oder sogar gefährlich angesehen werden sollte. Diese Frage ist besonders schwierig zu beantworten, wenn die thermografische Untersuchung bei einem deutlich geringeren Strom als der maximalen Last durchgeführt wurde. Grundsätzlich ist es ratsam, um dieses Problem zu vermeiden, anzuerkennen, dass thermografische Zustandsbewertungen an elektrischen Geräten nur bei einer Last von mindestens 50% der Nennlast durchgeführt werden sollten. Nur grobe Fehler können bei einer Last von nur 30% erkannt werden. Akzeptierte Grenzwerte und Entscheidungsregeln (bei mindestens 75% Last): Allgemeine Grenzwerte im Vergleich zur Umgebungstemperatur Erwärmung 20 K ... 40 K: zu überprüfen Erwärmung 40 K ... 60 K: dringend zu überprüfen Erwärmung über 60 K: kritisch Grenzwerte für Unterschiede zwischen Phasen Abweichung 5 K ... 20 K: zu überprüfen Abweichung 20 K ... 40 K: dringend zu überprüfen Abweichung über 40 K: kritisch (** zwischen den Phasen) Grenzwerte je nach Isolationsmaterial: Gummi-isolierte Kabel: max. 60°C PVC-isolierte Kabel: max. 70°C Silikon-isolierte Kabel: max. 180°C Weitere Grenzwerte: Elektromotoren (gemessen an Kühlrippen): je nach Typ und Kühlbedingungen Klasse "A" Isolierung max. 60 ... 80°C Klasse "B" Isolierung max. 95 ... 105°C Klasse "F" Isolierung max. 115 ... 125°C Klasse "H" Isolierung max. 140 ... 150°C Kunststoffverkleidungen: je nach Material max. 50 ... 75°C Schütz: typischerweise max. 85°C Transformatoren: typischerweise max. 85°C Elektrische Schaltschränke (IEC/EN 60947-3): max. 35°C Stromschienen (DIN 43671): max. 65°C Exponierte metallische Kontakte (IEC/EN 60947-3): 80 K (im Vergleich zur Umgebung) Isolierte Kontakte (IEC/EN 60947-3): 70 K (im Vergleich zur Umgebung) Hinweis: Bei geringerer Belastung gelten niedrigere Grenzwerte als alle oben genannten.

Schätzung der zu erwartenden Erwärmung bei Nennlast

Die Erwärmung entsteht aufgrund des transienten Widerstands des untersuchten elektrischen Geräts (Kabel, Schiene usw.) oder Kontakts, der durch Energieverlust in Form von Wärme entsteht. Das Gerät gibt diese Leistung über Wärmestrahlung, Konvektion (in die Luft) und Wärmeleitung an die angeschlossenen Elemente ab. Bei einer höheren Belastung (sei es Strom oder Spannung) als zum Zeitpunkt der Messung wird die zu erwartende Erwärmung hauptsächlich durch die last- und temperaturabhängige Widerstandsänderung des betreffenden Geräts (oder Kontakts) beeinflusst. Gleichzeitig wirken sich die voraussichtlich zunehmende Wärmeleitung, Wärmestrahlung und konvektive Wärmeabgabe auf den Prozess aus. Die resultierende Erwärmung könnte nur mit sehr komplexen mathematischen Beziehungen genau bestimmt werden. Im stationären Zustand hängt die zu erwartende Temperatur in einem (als unendlich lang angenommenen) Schienen- oder Leiterabschnitt von der Umgebungstemperatur, der Spannung und dem Strom des Objekts sowie von vielen Materialparametern ab. Letztere umfassen den Stromausstoßfaktor (temperaturabhängig), den materialspezifischen Widerstand (temperaturabhängig), den strahlungsbasierten Wärmeübertragungsfaktor, den konvektiven Wärmeübertragungsfaktor sowie den Querschnitt des Leiters oder der Schiene.

Die Gleichung, die all dies umfasst, ist für die praktische Anwendung - insbesondere aufgrund schwer zugänglicher Materialeigenschaften - ziemlich kompliziert. Wir empfehlen daher, die folgende Schätzung anzuwenden. Vereinfachte Erwärmungsschätzung für Nennlastfälle Wenn wir davon ausgehen, dass zwischen der Last während der Messung und dem Nennlastzustand eine so geringe Temperaturerhöhung auftritt, dass die temperaturbedingte Änderung (Zunahme) des materialspezifischen Widerstands vernachlässigbar ist und weder der Stromverdrängungsfaktor noch die Wärmeübertragungsfaktoren sich durch die beobachtete Temperaturerhöhung signifikant ändern, können die genannten Faktoren in der obigen Gleichung als konstant angesehen werden. (Dies kann bei einer Temperaturerhöhung von einigen zehn °C angewendet werden. Bei größeren Veränderungen sind diese Vereinfachungen jedoch nicht gültig, daher können die folgenden Gleichungen nicht angewendet werden.) Durch Anwendung der obigen Vereinfachungen ergibt sich die folgende Gleichung:

Wo: θtn ... geschätzte Temperatur des Objekts bei Nennlast θtm ... Temperatur des Objekts zum Zeitpunkt der Thermografie-Messung θl ... Umgebungslufttemperatur (als konstant angenommen) Um ... Spannung zum Zeitpunkt der Thermografie-Messung Im ... Strom zum Zeitpunkt der Thermografie-Messung Un ... Nennspannung In ... Nennstrom Bei Netzwerkausrüstungen (bei konstanter Spannung) können wir zur Schätzung der zu erwartenden absoluten Temperaturen verwenden:

Die geschätzten Temperaturen können dann mit den auf der vorherigen Seite aufgeführten Grenzwerten verglichen werden. Bei Netzwerkgeräten sind Um und Un konstant, daher hängt die Objekttemperatur elektrisch nur vom I²-Verhältnis ab.

Beispielhafte Thermografieaufnahmen von Fehlern in elektrischen Geräten

Thermografiebeispiele für erwärmende Leitungen und elektrische Verbindungen abhängig von der Last

Thermografiebeispiele für Kontaktfehler / lockere Verbindungen (bei Hochleistungselementen)

Thermografiebeispiele für Kontaktfehler / lockere Verbindungen (bei Geräten mit geringer Leistung)

Thermografiebeispiele für Kontaktfehler / lockere Verbindungen (bei Schraubklemmen, Sicherungen)

Thermografiebeispiele für unterschiedliche Phasenlasten

Thermografiebeispiele für unterdimensionierte elektrische Geräte

Thermografiebeispiele für unterdimensionierte elektrische Leitungen

Thermografiebeispiele für Kabelmuffen/Kabelendhülsenfehler

Thermografiebeispiele für elektrische Rotationsmaschinen und Transformatoren

Zustandsüberwachung von elektrischen Freileitungen (Luftthermografie)

Bei der Überwachung von Freileitungen ist neben den Einschränkungen für Außenmessungen auch die geometrische Auflösung aus messtechnischer Sicht kritisch. Für die Erfassung von Überlastungen und transienten Widerstandserhöhungen von bis zu 18 mm Durchmesser und 30 m Höhe befindlichen Seilen sind 0,2 mrad oder sogar besser, also eine hohe "optische Vergrößerung" erforderlich. Einige Isolationsfehler können auch bei geringerer geometrischer Auflösung erkannt werden. Die folgenden Wärmebilder sind aufgrund der Messzeit und der sichtbaren geometrischen Auflösung nicht für die thermografische Bewertung geeignet, unabhängig davon, ob sie vom Boden oder aus der Luft (mit Hubschrauber, Flugzeug oder Drohne) aufgenommen wurden. (Diese Beispiele sind leider charakteristisch für die meisten derzeit durchgeführten Freileitungsuntersuchungen, kaum eine korrekte Messung ist zwischen Publikationen und Werbebroschüren zu finden!) Thermografiebeispiele für Fehler an elektrischen Freileitungen

Thermografische Zustandsüberwachung von Photovoltaiksystemen

Eine der jüngsten und wahrscheinlich sehr schnell wachsenden Anwendungen der Thermografie ist die Qualitätskontrolle von Solarzellen während der Herstellung und die Zustandsüberwachung installierter Module oder sogar kompletter Solaranlagen. Während beispielsweise die U-I-Kennlinienprüfungen gut zeigen, dass etwas nicht stimmt und der Wirkungsgrad sinkt, können Fehler und Fehlerarten in der Regel auf diesem Weg nicht erkannt werden, auch nicht durch Zerlegen der Module. Die Thermografie hingegen kann bei ordnungsgemäßer Durchführung Fehler lokalisieren und verschiedene, voneinander abweichende Fehlererscheinungen unterscheiden. Insbesondere bei großen Solarparks ermöglicht dies einen effizienten Betrieb und eine wirtschaftliche Wartung. Bei der Überprüfung von Solaranlagen gelten die Bewertungsvorlagen und Grenzwerte für elektrische Anlagen für Anschlüsse, Verkabelungen, Verteiler/Sammler, Regler und Konverter. Diese gelten jedoch nicht für die Zellen und Module. In diesem Abschnitt befassen wir uns daher speziell mit der theoretischen Grundlage und den praktischen Aspekten von Solarzellen. Allgemein zu Solarzellenmessungen Der größte Unterschied zu den bisher vorgestellten thermografischen Anwendungen besteht darin, dass intensive Sonneneinstrahlung für die Durchführung von Außenmessungen erforderlich ist. Dies steht im völligen Gegensatz dazu, dass wir bei fast allen anderen thermografischen Anwendungen betonen, dass Messungen nicht bei Sonnenschein und insbesondere nicht bei direkter Sonneneinstrahlung auf das zu messende Objekt durchgeführt werden sollten. Dies wird aufgrund der Reflexion der Sonnenstrahlen und der Erwärmung des Objekts vermieden. Bei der Untersuchung von Solaranlagen ist jedoch gerade die Sonneneinstrahlung erforderlich, damit die Temperaturunterschiede aufgrund von Fehlererscheinungen sichtbar werden. Deren Erkennung wird durch die Spiegelung des Sonnenlichts an der Glasoberfläche erschwert, was nur durch sorgfältig gewählte Beobachtungswinkel ausgeglichen werden kann. Übliche Anwendungsbedingungen, Messbedingungen • Betriebszustand des Solaranlagensystems während der Energieerzeugung • mindestens 600 W/m2 kontinuierliche Sonneneinstrahlung • maximal 2/8 Cumuluswolken, leichte Quellwolken • Regen- und Schneefreiheit, keine Feuchtigkeit oder Schnee auf den Zellen • maximal 4 Beaufort (20 ... 29 km/h) Windgeschwindigkeit (= mäßiger Wind) • Sicherstellung eines angemessenen Blickwinkels und geometrischer Auflösung • Dokumentation größerer Systeme mit Fotos und GPS-Koordinaten Typische Fehler, die mit Thermografie gefunden werden können

• auf der Ebene der elektrischen Systemkomponenten: • unterdimensionierte, überlastete Kabel, Verbindungen • fehlerhafte, gelockerte, korrodierte Kontakte • beschädigte oder fehlerhaft montierte Kabelmuffen, Endhülsen • fehlerhafte Regler, Konverter

• Auf Zell- und Modulniveau: • fehlerhafte Zellverbindungen • Ablösung oder erhöhter Widerstand von Oberflächen- und Zellkontakten • Überhitzung von Modulklemmdosen aufgrund von Kontaktfehlern oder funktionierenden Bypass-Dioden • Leerlauf, lastfreie, kurzgeschlossene Module oder Modulreihen • Kurzgeschlossene oder polaritätsumgekehrte Module oder Modulreihen • Wärmeeinwirkungen durch Beschattung durch Vegetation, Gebäudeteile oder Verschmutzungen • Glasrisse oder innere Mikrorisse, Zellflächenablösungen (Brüche) • PID-Schäden (spannungsinduzierte Degradation)

Thermografische Untersuchung großer Solaranlagen mit Drohnen Die Art der in der Einleitung aufgeführten Messungen, die damit verbundene Menge an Aufnahmen sowie die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit dem Sichtfeld und dem Sichtwinkel erfordern ausdrücklich den Einsatz von Luftthermografie. Typisch ist die thermografische Untersuchung aus einem Flugzeug oder Hubschrauber in den Bereichen Umweltschutz, Umweltüberwachung (zum Beispiel für Wasserwirtschaft, Landwirtschaft oder Wildzählung) sowie für großflächige archäologische und geologische Untersuchungen. Immer beliebter wird auch die Luftaufnahme von Solaranlagen, insbesondere von großen, mehrere Hektar großen Photovoltaikanlagen, für die der Einsatz von immer leistungsfähigeren und leichter einsetzbaren, sogar automatisierbaren Drohnen mit höherer Tragfähigkeit ermöglicht wird. (Natürlich dürfen wir dabei nicht vergessen, dass für den Einsatz von Drohnen strenge Vorschriften und gesetzliche Regelungen gelten, die zusätzlich zu weiteren technischen und rechtlichen Risiken führen können.)

Mit einer Wärmebildkamera mit ausreichender Auflösung und korrekten Parametereinstellungen (Messfrequenz, Beobachtungswinkel sowie Flughöhe und -geschwindigkeit) können Wärmebilder von der Qualität wie in der folgenden Abbildung gezeigt erfasst werden, die erfolgreich ausgewertet werden können. Die Komplexität der Anforderungen und Parameter (und deren Wechselwirkung) ist so vielschichtig, dass eine Diskussion darüber in diesem Vortrag (bzw. Artikel) leider nicht möglich ist.

Thermografie-Beispielaufnahmen von Fehlern in Photovoltaikanlagen

Quelle des (abgekürzten) Textes und der Wärmebilder: Rahne Eric: THERMOGRAPHIE - Theorie und praktische Messtechnik 656 Seiten (A4, farbig), 303 Diagramme, 452 Bilder, 754 Wärmebilder, 50 Tabellen ISBN 978-963-87401-6-8 (gedrucktes Buch, keine elektronische Ausgabe) Weitere Informationen: www.thermokamera.hu Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, thermokamera.hu

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