RMM

Praktischer Leitfaden zur Ermittlung der Fehlerursache in Motoren und Generatoren der Mittel- und Hochspannung.

Kurzfassung. Teilentladungen (TE) zu erkennen ist relativ einfach; zu wissen, wo der Defekt sitzt und welcher Art er ist, nicht. Dieser Artikel erläutert das geometrische Ortungsverfahren, das der Monitor für rotierende Maschinen (RMM) mit dem Modul RTD-PD ermöglicht: wie sich die Sensoren über die Wicklung verteilen, was jeder einzelne beiträgt, wie Phasenmuster und Polarität gelesen werden und wie die Diagnose über den zeitlichen Trend bestätigt wird. Zwei reale Fallstudien von Dynamic Ratings veranschaulichen dies; in einer von ihnen wurde ein ungeplanter Stillstand vermieden und eine geschätzte Einsparung von 70.000 USD erzielt.

Was geortet wird und warum

Teilentladungen sind kleine elektrische Entladungen, die die Isolierung zwischen Leitern nicht vollständig überbrücken. Sie entstehen in der Regel in Hohlräumen (voids), Rissen oder Einschlüssen innerhalb eines festen Dielektrikums oder an den Grenzflächen zwischen Leiter und Dielektrikum. Ihr Niveau wächst mit der Alterung der Isolierung fortschreitend an. Die kontinuierliche Überwachung erlaubt es daher, die Verschlechterung zu erkennen, bevor sie zu einem Ausfall führt, und einen geplanten Stillstand einzuplanen — weit günstiger als ein ungeplanter.

Den Fehler zu orten bedeutet, drei Fragen aus den TE-Daten zu beantworten:

• Wo sitzt der Defekt? Welcher Bereich der Wicklung, welche Nut, welche Phase.
• Welcher Art ist er? Innerer Hohlraum, lockere Wicklung oder ein Problem am Nutaustritt.
• Wie entwickelt er sich? Ob die Aktivität wächst, stabil bleibt oder auf eine Reparatur reagiert.

Kein einzelner Messwert löst das. Die Ortung ergibt sich aus der Verknüpfung von physischer Sensorposition, Phasenmuster, Polarität und Korrelation mit den Betriebsbedingungen. Wer die Grundlagen zuvor auffrischen möchte, findet eigene Artikel zu den Arten von Teilentladungen und zu den Erkennungsmethoden für Teilentladungen.

Wie die Ursache Schritt für Schritt geortet wird

Die räumliche Verteilung der Sensoren nutzen

Der Schlüssel zur Ortung liegt darin, dass verschiedene Sensoren verschiedene Bereiche der Wicklung abdecken. Ihre Kombination grenzt den Problembereich ein:

• Koppelkondensatoren (coupling capacitors, CC): an den Netzanschlussklemmen installiert. Wegen der Signaldämpfung erfassen sie TE nur in etwa 10–15 % der Wicklung (dem Teil, der der Klemme am nächsten liegt). Tiefer liegende Defekte bleiben ihnen verborgen.
• RTD als TE-Sensoren: in den Nuten und über die Wicklung verteilt angeordnet. Sie wirken „wie ein Fernglas“ und lassen einen viel größeren Teil der Wicklung erkennen als die CC allein.
• Nutkoppler (stator slot couplers, SSC): sie haben eine begrenzte „Empfindlichkeitszone“ und erfassen TE nur in der Nut, in der sie eingebaut sind.

Da bei der Installation des Systems nicht im Voraus bekannt ist, welcher Sensor die meisten TE aufnimmt, wird empfohlen, RTD und Koppelkondensatoren komplementär einzusetzen. Der Vergleich, welcher Sensor — und an welcher Position — die größte Magnitude aufzeichnet, weist den betroffenen Bereich aus.

Feststellen, welcher nummerierte Sensor die höchste Aktivität zeigt

Der praktische Schritt besteht darin, die Aktivität Kanal für Kanal zu prüfen. Jeder CC und jeder RTD hat eine bekannte physische Position; der Sensor mit dem höchsten Qmax (maximale TE-Magnitude) weist unmittelbar auf den Bereich der Wicklung oder auf die Nut, in der sich das Problem konzentriert. Der monatliche Trend jedes Kanals zeigt zudem, welcher Sensor im Zeitverlauf „ausbricht“.

Phasenmuster und Polarität deuten

Die Phasendiagramme (PD plots, mit dem Winkel von 0 bis 360°) zeigen die Art des Defekts:

• Ausgeglichene Polaritäten + Korrelation mit den Betriebsparametern → deuten auf Defekte vom Typ Hohlraum (void) innerhalb der Isolierstruktur hin.
• Abweichende Muster können auf lockere Wicklungen oder auf Probleme an den Nutaustritten (slot exit) hindeuten.

Für die Ortung in der Tiefe gibt es einen sehr nützlichen Symmetrieaspekt: die RTD nehmen eine symmetrische Position zwischen den Statorstäben ein, während der SSC asymmetrisch sitzt. Zudem wird die TE des unteren Stabes durch den oberen Stab abgeschirmt, sodass der SSC für Entladungen des unteren Stabes weniger empfindlich ist. Der Vergleich beider Sensoren hilft zu unterscheiden, ob der Defekt im oberen oder im unteren Stab der Nut liegt.

Mit dem Betrieb und dem zeitlichen Trend korrelieren

• Die Überwachung während eines Motoranlaufs zeigt, ob die Wicklung fest sitzt: bleibt die TE von den Anlaufkräften unbeeinflusst, ist die Wicklung fest und die Ursache eher ein innerer Hohlraum als eine mechanische Lockerung.
• Die Verfolgung des Trends über Monate oder Jahre bestätigt, ob die Aktivität wächst und ob eine Reparatur gewirkt hat. Sinkt die TE nach einem Eingriff nicht, lag die Ursache nicht dort, wo gearbeitet wurde.

Das Vorgehen im Überblick

1. Komplementäre Sensoren installieren: RTD in den Nuten und Koppelkondensatoren an den Klemmen, um die gesamte Wicklung abzudecken.
2. Die TE-Magnitude je nummeriertem Sensor prüfen, um den physischen Bereich des Defekts einzugrenzen.
3. Phasenmuster und Polarität analysieren, um die Defektart zu klassifizieren (Hohlraum, Lockerung, Nutaustritt).
4. Die Symmetrie RTD/SSC und die Abschirmung zwischen den Stäben nutzen, um oberen und unteren Stab zu unterscheiden.
5. Mit den Betriebsparametern korrelieren (z. B. einem Anlauf) und mit dem historischen Trend, um die Ursache zu bestätigen und Reparaturen zu validieren.

Praxisfall: Motor mit 13,8 kV

Ein Motor einer Großmaschinenanlage zeigte bei periodischen Messungen über mehrere Jahre eine erhebliche und wachsende TE-Aktivität. Die höchsten Werte wurden an den RTD Nummer 3, 4 und 6 gemeldet. Wegen der ausgeglichenen Polaritäten und der Korrelation mit den Betriebsparametern schloss Dynamic Ratings auf Defekte vom Typ Hohlraum (void) in der Isolierstruktur. Da die TE während eines Anlaufs ohne nachteilige Wirkung überwacht wurde, ließ sich ableiten, dass die Wicklung fest saß.

Nach periodischen Prüfungen kam ein Lieferant zu dem Schluss, die meisten Defekte seien auf lockere Wicklungen oder auf Nutaustritte zurückzuführen. Angesichts der wirtschaftlichen Bedeutung der Maschine und der langen Wiederbeschaffungszeit holte der Kunde eine zweite Meinung ein. Beim Stillstand im März 2010 fand eine externe Inspektion die Wicklung fest und ohne Anzeichen von TE am Nutaustritt; der Berater brachte zusätzliche Gradientenlackierung auf, in der Hoffnung, die Aktivität zu senken.

Dynamic Ratings wurde hinzugezogen. Mit dem Monitor für rotierende Maschinen wurden Daten erfasst und ausgewertet: nach dem Stillstand war die TE-Aktivität nicht zurückgegangen und stieg weiter an. Das belegte, dass die Gradientenlackierung keine Wirkung hatte und die Ursache somit nicht am Nutaustritt lag, sondern im Inneren der Isolierung (Hohlräume) — genau wie die Phasenmuster angezeigt hatten.

Ergebnis. Die kontinuierliche Überwachung ermöglichte die richtige Entscheidung über die Maschine, und der Kunde dokumentierte eine geschätzte Einsparung von 70.000 USD als Differenz zwischen einem geplanten und einem ungeplanten Stillstand. Die Lehre für die Ortung ist eindeutig: die Sensoren mit der größten Magnitude (RTD 3, 4 und 6) wiesen auf den Bereich, das Phasenmuster auf die Art des Defekts (Hohlraum) — und korrigierten damit die ursprüngliche Diagnose „lockere Wicklung“.

Ergänzender Fall: warum die Kombination der Sensoren die Ortung verbessert

In einem Generator mit 300 MW und 20 kV, der mit SSC ausgestattet ist, wurden RTD in derselben Nut installiert, direkt unter dem SSC, zwischen oberem und unterem Stab. Gleichzeitige Messungen zeigten, dass beide Sensortypen eine nahezu identische Empfindlichkeit und praktisch gleiche TE-Muster aufweisen; die geringen Unterschiede erklären sich aus der symmetrischen Position des RTD gegenüber der asymmetrischen des SSC.

Die Magnitudenverteilung je Sensor belegt den Nutzen der Kombination: je nach Messung treten einmal die Koppelkondensatoren und einmal die RTD hervor. Da die CC nur die 10–15 % der Wicklung „sehen“, die der Klemme am nächsten liegen, erlauben die in den Nuten verteilten RTD, tief liegende Defekte zu orten, die die CC nicht erfassen würden.

Fazit zur Ortung: RTD und Koppelkondensatoren sind komplementär, nicht alternativ. Beide zusammen ergeben ein tieferes und lückenloses Bild der TE-Aktivität — notwendig, um den Defekt im richtigen Bereich der Wicklung zu verorten und seine Natur nicht falsch zu diagnostizieren.

Häufige Fragen

Lässt sich eine Teilentladung allein mit Koppelkondensatoren orten?

Nur teilweise. Koppelkondensatoren werden an den Netzanschlussklemmen installiert, und die Dämpfung begrenzt ihre Reichweite auf die 10–15 % der Wicklung, die der Klemme am nächsten liegen. Sie eignen sich zum Erkennen von Aktivität, doch ein tief in der Wicklung liegender Defekt kann ihnen entgehen. Zum Orten müssen Sensoren hinzukommen, die über die Nuten verteilt sind.

Warum die bereits installierten RTD als Teilentladungssensoren nutzen?

Weil sie in den Nuten sitzen und über die Wicklung verteilt sind — genau dort, wo man hinsehen muss. Mit dem Modul RTD-PD des RMM werden die vorhandenen Temperatur-RTD als TE-Sensoren mitgenutzt. Das erweitert die Abdeckung der Wicklung erheblich, ohne die Maschine neu zu wickeln oder an jeder Position einen Nutkoppler einzubauen.

Wie unterscheidet man einen inneren Hohlraum von einer lockeren Wicklung?

Am Phasenmuster und an der Reaktion auf den Betrieb. Ausgeglichene Polaritäten und eine gute Korrelation mit den Betriebsparametern sprechen für innere Hohlräume in der Isolierung. Eine lockere Wicklung reagiert hingegen auf mechanische Kräfte: bleibt die TE-Aktivität während der Überwachung eines Anlaufs unverändert, sitzt die Wicklung fest und die Ursache ist eher ein Hohlraum.

Worin unterscheiden sich ein RTD und ein Nutkoppler (SSC)?

Die Empfindlichkeit ist nahezu identisch und die Muster stimmen praktisch überein, wie Abbildung 4 zeigt. Der maßgebliche Unterschied ist geometrisch: der RTD nimmt eine symmetrische Position zwischen den Stäben ein, der SSC eine asymmetrische, und der obere Stab schirmt die TE des unteren gegenüber dem SSC teilweise ab. Der Vergleich beider hilft bei der Entscheidung, ob der Defekt im oberen oder im unteren Stab liegt.

Wann ist kontinuierliche Überwachung periodischen Messungen vorzuziehen?

Wenn die Maschine kritisch ist, ihre Wiederbeschaffungszeit lang ist oder die Kosten eines ungeplanten Stillstands hoch sind. Der Fall des Motors mit 13,8 kV zeigt es: erst der kontinuierliche Trend nach dem Stillstand belegte, dass die Reparatur die eigentliche Ursache nicht behoben hatte — etwas, das eine Einzelmessung nicht offenbart hätte.

Geräte und Beratung

Der Monitor für rotierende Maschinen (RMM) überwacht Teilentladungen kontinuierlich und erfasst und korreliert darüber hinaus die Betriebsdynamik des Motors oder Generators, einschließlich Anwendungen mit Frequenzumrichter (VFD). Ebenfalls verfügbar sind die übrigen Geräte zur Teilentladungserkennung sowie der allgemeiner gehaltene Artikel zur Teilentladungsanalyse.

Haben Sie einen Motor oder Generator mit steigender TE-Aktivität und müssen wissen, wo der Defekt sitzt? Kontaktieren Sie unsere Ingenieure — wir beraten Sie zur passenden Messtechnik und zum geeigneten Messplan.

Quellen

Dynamic Ratings — „Partial Discharge Monitoring Saves 13.8 kV Motor“ und „Use of Stator Slot Couplers and RTDs with Coupling Capacitors for Thorough Partial Discharge Activity Sensing“. Bilder aus diesen Fallstudien reproduziert.