Rechner für Isolationswiderstand: Temperaturkorrektur, PI und DAR

Was dieser Rechner leistet

Er nimmt die Messwerte eines Isolationsmessgeräts und die Maschinendaten und wendet die empfohlene Praxis IEEE Std 43-2000 für Wicklungen rotierender Maschinen ab 750 W (1 hp) an: Synchronmaschinen, Asynchronmaschinen, Gleichstrommaschinen und Synchronkompensatoren. Er liefert:

• den auf 40 °C korrigierten 1-Minuten-Widerstand (und, falls gewählt, auf 20 °C für den Vergleich mit älteren Verlaufsdaten);
• den Polarisationsindex und seinen Mindestwert für die Wärmeklasse der Isolierung;
• das DAR und das Verhältnis 5 min / 1 min als Orientierungswerte;
• den Mindestwiderstand, der der Wicklungsart und der Prüfschaltung entspricht;
• die Gesamtbewertung nach der Norm — geeignet oder nicht für den Betrieb oder für eine Überspannungsprüfung — unter Berücksichtigung der Maschinenleistung;
• die von der Norm empfohlene Prüfspannung und die Mindestdauer der Erdung nach der Prüfung;
• Warnhinweise, wenn die Messung unter Bedingungen erfolgt, bei denen das Ergebnis laut Norm täuschen kann: Wicklung unter dem Taupunkt, Temperatur weit von 40 °C entfernt, warme Wicklung, Prüfspannung außerhalb des Bereichs oder ungewöhnlich hoher PI bei einer alten Isolierung.

Die Berechnung läuft in Ihrem Browser; kein Messwert wird an einen Server gesendet.

Die vier Ströme einer Isolationsprüfung

Wird an die Wicklung eine Gleichspannung angelegt, ist der vom Isolationsmessgerät gemessene Gesamtstrom die Summe aus vier Anteilen:

• Geometrischer kapazitiver Strom. Anfangs groß und nach Sekunden abgeklungen; für den 1-Minuten-Wert spielt er keine Rolle mehr.
• Absorptionsstrom (Polarisation). Er nimmt mit der Zeit nach einem Potenzgesetz ab und überwiegt bei einer sauberen, trockenen Isolierung zwischen 30 Sekunden und den ersten Minuten.
• Leitungsstrom. Konstant. Bei gut ausgehärteten modernen Isolierungen aus Epoxid-Glimmer oder Polyester praktisch null, sofern sie nicht mit Feuchtigkeit gesättigt sind; größer bei alten Isolierungen aus Asphalt-Glimmer oder Schellack.
• Oberflächen-Ableitstrom. Konstant. Er entsteht durch Feuchtigkeit, Staub, Öl oder Kohlenstaub auf der Oberfläche der Wickelköpfe.

Bei einer sauberen, trockenen Wicklung klingt der Absorptionsstrom ab, und der gemessene Widerstand steigt mit der Zeit. Bei einer verschmutzten oder feuchten Wicklung überwiegen die konstanten Ströme, und der Messwert bewegt sich kaum. Darauf beruht der Polarisationsindex.

Die Temperaturkorrektur

Der Widerstand einer Isolierung ändert sich umgekehrt und exponentiell mit der Temperatur. IEEE 43-2000 empfiehlt, alle Messwerte auf eine gemeinsame Basis von 40 °C umzurechnen:

R(40 °C) = Kt × R(T)

Ist das tatsächliche Verhalten der Isolierung nicht bekannt, lässt die Norm zu, Kt unter der Annahme anzunähern, dass sich der Widerstand je 10 °C halbiert:

Kt = 0,5^((40 − T) / 10)

T ist die Temperatur der Wicklung, nicht die der Luft. Die Norm selbst nennt drei Grenzen, die der Rechner in seine Warnhinweise übernimmt:

• Es ist eine Näherung. Die 10-°C-Regel stammt aus Prüfungen der 1950er-Jahre; spätere Messungen ergaben Halbierungsintervalle zwischen 5 und 20 °C. Deshalb ist das Intervall ein editierbarer Wert. Wird weit entfernt von 40 °C geprüft, vervielfacht sich der Fehler; richtig ist es, die Kurve der Wicklung selbst durch Messungen bei mehreren Temperaturen oberhalb des Taupunkts zu ermitteln und im halblogarithmischen Maßstab zu extrapolieren.
• Sie gilt nicht unterhalb des Taupunkts. Ist die Wicklung kälter als der Taupunkt der Luft, kondensiert Feuchtigkeit auf ihrer Oberfläche, und die Korrektur führt zu einem für die Trendanalyse unannehmbaren Fehler. Maschinen, die außer Betrieb genommen werden, sollten geprüft werden, bevor sie unter den Taupunkt abkühlen.
• Es gibt keine Feuchtekorrektur. Es existiert kein zuverlässiges Verfahren, um einen bei einer bestimmten Luftfeuchte gemessenen Wert auf den bei einer anderen Luftfeuchte umzurechnen.

Die Option 20 °C bleibt erhalten, weil viele Verlaufsdaten von Transformatoren und Kabeln auf diese Temperatur bezogen sind; die Mindestwerte der Norm werden jedoch immer mit dem Wert bei 40 °C verglichen.

Polarisationsindex

PI = R(10 min) / R(1 min)

Eine Temperaturkorrektur ist nicht nötig, weil sich die Temperatur der Maschine in zehn Minuten kaum ändert. Die Ausnahme ist eine warme Wicklung: Kühlt sie während der Prüfung ab, steigt der Widerstand, und der PI fällt künstlich hoch aus. Liegt die Wicklung über 40 °C — und insbesondere, wenn sie über 60 °C einen niedrigen PI ergibt —, empfiehlt die Norm deshalb, die Messung bei 40 °C oder darunter zu wiederholen, stets oberhalb des Taupunkts.

Zwei Fälle, in denen der PI nicht entscheidet:

• Feldwicklungen mit blankem Kupfer, wie bei vielen Turbogeneratorläufern: Die große Fläche nicht isolierten Kupfers hat keinen Absorptionsstrom, und der Widerstand ändert sich zwischen 1 und 10 Minuten kaum. Der PI ist nicht anwendbar. Ist die Feldwicklung in Isolierung eingebettet, ist er anwendbar, mit dem Mindestwert ihrer Wärmeklasse.
• 1-Minuten-Widerstand über 5000 MΩ bei 40 °C. Der Gesamtstrom liegt im Submikroampere-Bereich, und kleine Schwankungen der Quellenspannung, der Luftfeuchte oder der Anschlüsse fallen stärker ins Gewicht als die Isolierung. Die Norm erlaubt, den PI außer Acht zu lassen.

Umgekehrt kann ein sehr hoher PI (über 8) bei einer alten Wicklung aus Lackgewebe, Schellack oder Asphalt-Glimmer auf eine thermisch gealterte, trockene und spröde Isolierung hindeuten. Bestätigt sich das bei einer Berührungsprobe, rät die Norm davon ab, sie zu reinigen oder zu prüfen: Sie kann nach der Wiederinbetriebnahme jederzeit ausfallen.

DAR und andere kurze Varianten

Bei modernen Isolierungen klingt der Absorptionsstrom in zwei bis drei Minuten ab; deshalb werden kürzere Verhältnisse verwendet, die die Prüfung und die anschließende Erdungsdauer verkürzen:

• DAR = R(1 min) / R(30 s)
• R(5 min) / R(1 min)

Anhang A von IEEE 43-2000 beschreibt sie, stellt aber klar, dass es weder eine Einigung über die zu verwendenden Intervalle noch ein allgemein anerkanntes Abnahmekriterium wie beim klassischen PI gibt. Der Rechner zeigt sie an; die DAR-Schwellen (1,25 und 1,6) sind die in der Industrie üblichen und werden als solche gekennzeichnet. Ihr eigentlicher Wert liegt im Verlauf derselben Maschine von Prüfung zu Prüfung.

Mindestwerte des 1-Minuten-Widerstands

Der auf 40 °C korrigierte 1-Minuten-Widerstand der gesamten Wicklung wird verglichen mit:

kV ist die Bemessungsspannung der Maschine zwischen den Klemmen, in kV effektiv. Wird eine Phase mit den beiden anderen geerdet geprüft, beträgt der Mindestwert etwa das Doppelte; sind die beiden anderen Phasen am Schutzring (Guard), das Dreifache. Einige Sonderkonstruktionen oder -werkstoffe lassen niedrigere Werte zu: Für sie ist der Vergleich mit ihren eigenen Verlaufsdaten maßgebend.

Geeignet oder nicht geeignet: das kombinierte Kriterium

• Bis 10 000 kVA: Es genügt, dass der PI oder der 1-Minuten-Widerstand bei 40 °C seinen Mindestwert überschreitet.
• Über 10 000 kVA: Beide müssen ihn überschreiten.

Ist der PI nicht anwendbar oder nicht aussagekräftig, wird allein anhand des Widerstands entschieden. Ein Ergebnis unter den Mindestwerten bedeutet nicht, dass die Maschine nicht betrieben werden kann, aber die Norm empfiehlt es nicht und verlangt, die Ursache anhand der Vorgeschichte der Wicklung, einer Sichtprüfung und weiterer Prüfungen zu untersuchen. Liegt die Ursache in Verschmutzung oder Feuchtigkeit, lässt sich der Zustand meist durch Reinigen und Trocknen wiederherstellen, und der PI zeigt an, wann die Trocknung als abgeschlossen gelten kann. Handelt es sich um eine Verschlechterung oder schwere Schädigung der Isolierung, wird weder der Betrieb noch eine Überspannungsprüfung empfohlen.

Prüfspannung und Erdung

Die Bemessungsspannung ist bei dreiphasigen Wechselstrommaschinen die Außenleiterspannung, bei einphasigen die Spannung gegen Erde und bei Gleichstrommaschinen und Feldwicklungen die Bemessungsgleichspannung. Eine zu hohe Prüfspannung kann die Isolierung überbeanspruchen, vor allem bei kleinen Niederspannungsmaschinen oder bei feuchter Wicklung. Die Norm bevorzugt negative Polarität wegen der Elektroendosmose in alten, feuchten Wicklungen.

Vor der Messung muss die Wicklung vollständig entladen sein. Danach muss sie mindestens viermal so lange geerdet bleiben, wie die Spannung angelegt war: 4 Minuten nach einem 1-Minuten-Messwert und 40 Minuten nach einem 10-Minuten-PI. Bis dahin ist die Prüfung nicht abgeschlossen.

Gelöste Beispiele

Motor 6,6 kV und 3500 kVA, Formspulen von 1998, Klasse F, Prüfung der gesamten Wicklung. Bei einer Wicklungstemperatur von 25 °C und einem Taupunkt von 12 °C werden 2,4 GΩ nach 1 Minute und 6,0 GΩ nach 10 Minuten gemessen.

• Kt = 0,5^((40 − 25)/10) = 0,5^1,5 = 0,354
• R(40 °C) = 2400 MΩ × 0,354 = 848,5 MΩ, über dem Mindestwert von 100 MΩ
• PI = 6000 / 2400 = 2,5, über dem Mindestwert von 2,0 für Klasse F
• Empfohlene Prüfspannung: 2500 – 5000 V. Anschließende Erdung: 40 Minuten.
• Geeignet. Der unkorrigierte Messwert von 2,4 GΩ hätte fast dreimal besser ausgesehen, als er ist.

Dieselbe Maschine, Prüfung einer Phase mit den beiden anderen geerdet, ergibt bei 25 °C 1,1 GΩ nach 1 Minute und 1,9 GΩ nach 10 Minuten. R(40 °C) = 389 MΩ gegenüber einem Mindestwert von 2 × 100 = 200 MΩ: erfüllt. Der PI beträgt 1,7 und liegt damit unter 2,0. Da die Maschine 10 000 kVA nicht überschreitet, genügt eines der beiden Kriterien, und das Ergebnis lautet geeignet; der niedrige PI sollte jedoch weiter beobachtet werden. Bei einem Turbogenerator über 10 000 kVA würde derselbe PI zum Ergebnis nicht geeignet führen.

Was dieser Rechner nicht leistet

Er ersetzt nicht das Urteil derjenigen, die die Prüfung durchführen. Der Isolationswiderstand steht nicht in direktem Zusammenhang mit der Durchschlagfestigkeit: Außer bei einem örtlich begrenzten Fehler zeigt er nicht an, bei welcher Spannung die Wicklung durchschlagen wird. Eine einzelne Messung unterscheidet nicht zwischen örtlich begrenzter und verteilter Verschmutzung; sehr große, langsam laufende Maschinen oder Maschinen mit Kommutator können niedrige Werte liefern, ohne schadhaft zu sein, und bei ihnen ist der Trend der Verlaufsdaten maßgebend. Die Gleichspannungsprüfung erkennt weder innere Hohlräume durch mangelhafte Imprägnierung, thermische Alterung oder thermische Wechselbeanspruchung bei Formspulen — dafür gibt es Wechselspannungsprüfungen, Leistungsfaktor, tan δ und Teilentladungsmessung — noch Probleme, die nur bei drehender Maschine auftreten, wie lose Spulen oder Schwingungen der Wickelköpfe.

Bei direkt wassergekühlten Wicklungen muss der Kreislauf vor der Messung entleert und getrocknet werden, sofern der Hersteller kein anderes Verfahren vorgibt; wird er nicht entleert, muss die Leitfähigkeit des Wassers sehr niedrig sein, und der zulässige Wert ist im Handbuch des Wicklungsherstellers angegeben.

Womit gemessen wird

Die Messung erfolgt mit einem Isolationswiderstandsmessgerät, das die Prüfspannung über die zehn Minuten des PI stabil hält — Schwankungen der Quelle schlagen sich direkt in Schwankungen des Messwerts nieder — und die Kurve in den üblichen Intervallen aufzeichnet (15 s, 30 s, 45 s, 1 min, 1,5 min, 2 min … 10 min). Für die Diagnose unter Wechselspannung ergänzen Teilentladungsdetektoren das, was die Gleichspannungsprüfung nicht sieht.