Ultraschalltechniken zur Beurteilung von Teilentladungen in elektrischen Betriebsmitteln.
Teilentladungen sind kleine elektrische Funken, die in der Isolierung von Verbindungen, Leitungen, Transformatoren und Wicklungen großer Elektromotoren und Generatoren auftreten. Die Teilentladungsanalyse ist ein proaktives Diagnoseverfahren, das Teilentladungsmessungen (TE) nutzt, um den Zustand dieser Betriebsmittel zu beurteilen. Dieser Artikel beschreibt, wie sich Teilentladungen in elektrischen Betriebsmitteln mit luftgetragenem Ultraschall nachweisen und bewerten lassen.
Teilentladungen
Teilentladungen sind kleine elektrische Funken, die in der Isolierung von Verbindungen, Kabeln, Transformatoren und Wicklungen großer Elektromotoren und Generatoren auftreten. Die Teilentladungsanalyse ist ein proaktives Diagnoseverfahren, das Teilentladungsmessungen (TE) nutzt, um den Zustand dieser Betriebsmittel zu beurteilen. Jede Teilentladung ist das Ergebnis eines elektrischen Durchschlags in einem Lufteinschluss der Isolierung. TE-Messungen lassen sich kontinuierlich oder in Intervallen durchführen und online oder offline erfassen. Aus den Ergebnissen lässt sich zuverlässig ableiten, dass ein Betriebsmittel instand gesetzt werden muss.
So wie jeder Werkstoff eine charakteristische Zugfestigkeitsgrenze besitzt, hat jeder Werkstoff auch eine elektrische (dielektrische) Durchschlaggrenze. Sie beschreibt die Feldstärke, die erforderlich ist, damit ein Strom fließt und eine elektrische Entladung entsteht. Übliche Isolierstoffe wie Epoxidharz, Polyester und Polyethylen haben eine sehr hohe Durchschlagfestigkeit. Luft dagegen hat eine relativ geringe Durchschlagfestigkeit. Der elektrische Durchschlag in Luft führt zu einem sehr kurzen Stromfluss durch den Lufteinschluss, der nur Bruchteile einer Nanosekunde dauert. Die Messung von Teilentladungen ist damit im Grunde die Messung dieser Durchschlagströme.
Elektrische Betriebsmittel können unterschiedliche Fertigungsfehler oder Betriebsprobleme aufweisen, die ihre Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Die Isolierung von Motoren und Generatoren ist anfällig für:
Thermische Schwankungen Chemischen Angriff Abrasion durch übermäßige Bewegung der Wicklung. In allen Fällen schwächen diese Beanspruchungen die Haftungseigenschaften der Polyester- oder Epoxidharze, die die Wicklungen schützen und isolieren. In der Folge bildet sich ein Lufteinschluss in der Wicklung.
Die Höhe der Teilentladungen liefert nicht nur eine frühe Warnung vor einem bevorstehenden Ausfall des Betriebsmittels, sondern beschleunigt auch den Alterungsprozess.
Ultraschall- und Schallemission
Alle elektrischen Betriebsmittel erzeugen im Betrieb ein breites Spektrum an Geräuschen. Die hochfrequenten Ultraschallanteile dieser Geräusche sind sehr kurze Wellen, und kurzwellige Signale sind stark richtungsabhängig. Sie lassen sich daher relativ leicht vom Hintergrundgeräusch trennen und exakt orten. Sobald sich zudem geringste Veränderungen an elektrischen und mechanischen Betriebsmitteln einstellen, sind diese Gefahrensignale per Ultraschall sehr früh erkennbar, lange vor dem wahrscheinlichen Durchschlag.
Luftgetragene Ultraschallgeräte, häufig als „Ultraschallwandler“ bezeichnet, liefern Informationen auf zwei Wegen: qualitativ, weil der Ultraschall durch die Trennung vom Störgeräusch „hörbar“ wird, und quantitativ über die schrittweise ansteigenden Messwerte. Bei den meisten dieser Geräte geschieht dies durch ein elektronisches Verfahren, das Heterodyn-Verfahren. Es setzt den vom Gerät aufgenommenen Ultraschall exakt in Töne im hörbaren Bereich um, die der Anwender über Kopfhörer erkennen und zuordnen kann.
Die Fähigkeit, Schallpegel zu messen und Muster zu erkennen, ist wichtig. Ebenso wichtig ist es, den von verschiedenen Betriebsmitteln erzeugten Ultraschall „hören“ zu können. Genau das macht diese Geräte nützlich: Der Auswerter kann eine Diagnose vor Ort bestätigen und die Geräusche unterschiedlicher Betriebsmittel voneinander unterscheiden.
Dass die Lage eines Ultraschallsignals an einer Maschine genau bestimmt werden kann, liegt an dessen hoher Frequenz und damit kurzer Wellenlänge. Die meisten für den Menschen hörbaren Geräusche liegen zwischen 20 Hz und 20 kHz, also zwischen 20 und 20.000 Schwingungen pro Sekunde. Niederfrequente Geräusche im hörbaren Bereich haben Wellenlängen von etwa 1,9 cm bis 17 Metern, während der von diesen Geräten erfasste Ultraschall nur 0,3 bis 1,6 cm lang ist. Da die Wellenlängen des Ultraschalls um Größenordnungen kürzer sind, ist der Ultraschallbereich am besten geeignet, um Störquellen in Umgebungen mit hohem Grundgeräuschpegel zu orten und einzugrenzen.
Ultraschall bei der Analyse von Teilentladungen
Ultraschallprüfungen werden häufig zur Beurteilung von Spannungen über 1000 V eingesetzt, besonders in geschlossenen Anlagen. Nützlich sind sie vor allem beim Erkennen von Tracking. In geschlossenen Anlagen tritt Tracking deutlich häufiger auf als schwere Fehler, die sich mit Verfahren wie der Thermografie erkennen lassen.
Wenn Strom an Leitungen austritt oder einen Spalt in einer elektrischen Verbindung überspringt, regt er die umgebenden Luftmoleküle an und erzeugt Ultraschall. Häufig wird dies als Brutzeln oder Knistern wahrgenommen, in anderen Fällen als Brummen.
Mit Ultraschall lassen sich folgende grundlegende Probleme erkennen:
Korona: Übersteigt die Spannung an einem elektrischen Leiter, etwa einer Hochspannungsantenne oder einer Übertragungsleitung, einen Schwellenwert, beginnt die umgebende Luft zu ionisieren und bildet ein blaues oder violettes Leuchten. Mehr über den Koronaeffekt und Koronaeffekt-Kameras Tracking: oft als „beginnender Lichtbogen“ bezeichnet, folgt es dem Pfad der beschädigten Isolierung. Lichtbögen: Ein Lichtbogen entsteht, wenn Strom durch den Raum fließt. Ein Blitz ist ein gutes Beispiel. Zu den Hochspannungsanwendungen gehören Isolatoren, Kabel, Schalter, Sammelschienen, Relais, Schütze und Abzweigkästen. In Schaltanlagen lassen sich auch Bauteile wie Isolatoren, Transformatoren und Durchführungen erfassen.
Das Verfahren zum Nachweis von Lichtbögen und Korona entspricht dem Vorgehen beim Nachweis von Schallemissionen mechanischer Quellen. Statt eines Zirpens hört der Anwender ein Knistern oder Brummen. In manchen Fällen, etwa beim Orten von Störungen aus Rundfunk- und Fernsehquellen oder aus Schaltanlagen, lässt sich der Störbereich mit einem Transistorradio oder einem Breitband-Störungssucher eingrenzen.
Ob ein Problem vorliegt, ist relativ einfach festzustellen. Vergleicht man Klangbild und Schallpegel ähnlicher Betriebsmittel, fällt der Unterschied meist deutlich aus. Alternativ kann der Verlauf der Signalamplituden über einen längeren Zeitraum auf Defekte hinweisen.