Mit Elektrothermografie Gefahren erkennen und Anlagenwerte sichern

Mängel an elektrischen Anlagen, beispielsweise aufgrund nicht fachgerechter Planung oder Montage, Verschleiß durch Schaltvorgänge oder kurzen Überlastungen, sind Untersuchungen der deutschen Versicherungswirtschaft zufolge eine häufige Ursache für Brände.

Wiederkehrende Prüfungen, beispielsweise mit einer Wärmebildkamera, können Brandrisiken verringern und kostspielige Anlagenstillstände vermeiden. Im laufenden Anlagenbetrieb lassen sich damit thermische Schwachstellen dank des berührungslosen Messprinzips aus sicherer Entfernung in einem Arbeitsschritt lokalisieren und zugleich dokumentieren.

Probleme können einfacher und schneller erkannt, Brand- und Unfallgefahren minimiert, Folgeschäden und Produktionsausfälle vermieden werden. Die Lokalisierung potenzieller Risiken und die Dokumentation von Anlagenzuständen sichern Werte, steigern die Zuverlässigkeit elektrischer Anlagen und schaffen mehr Rechtssicherheit für Anlagenbetreiber.

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Vorteile und Möglichkeiten der Elektrothermografie

Die Elektrothermografie beruht im Wesentlichen auf der ohmschen Verlustleistung Strom durchflossener Leiter und dem Widerstand, den der Stromfluss in der Leitung, an Material- oder Bauteilübergängen erfährt. Dieser bewirkt eine Erwärmung und Temperaturerhöhung, die proportional zum Übergangswiderstand und dem Quadrat der Strombelastung ist. Erhöhte Übergangswiderstände können durch zu geringe Leitungs- und Verbindungsquerschnitte, Korrosion, Alterung und Ermüdung etc. auftreten.

Da Fehler und Probleme als untypische ­Erwärmungen (sogenannte Hotspots) in Erscheinung treten, eignet sich die Thermografie für alle Anlagen, die Strom durchflossene Leiter enthalten. Deshalb können Nieder-, Mittel- und Hochspannungsanlagen, Mess-, Steuer- und Regeltechnikschränke oder Sicherungskästen mit IR-Kameras ebenso kontrolliert werden, wie Kabeltrassen, Transformatoren, elektrisch betriebene Maschinen oder Photovoltaik(PV)-Anlagen.

Überhitzte Anlagenbauteile können nicht nur Schäden verursachen, Nutzer oder das Bedienpersonal gefährden und Brände auslösen. Auch Leistungseinbußen, die einen wirtschaftlichen Anlagenbetrieb beeinträchtigen können, sind eine mögliche Folge. Bereits geringe Teilausfälle von 10 bis 15 % können zu Mindererträgen führen, die beispielsweise eine PV-Anlage während ihrer Betriebslaufzeit unrentabel machen.

Da Fehler frühzeitig erkannt und behoben werden können, lassen sich auch Betriebsausfallzeiten minimieren. Durch eine kontinuierliche thermografische Überwachung lassen sich Wartungs- und Instandhaltungsintervalle optimieren, was hilft, Betriebskosten zu senken und die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von Anlagen zu steigern.

Anforderungen an die IR-Kamera

In der professionellen Elektrothermografie spielt die Qualität der Wärmebilder eine wichtige Rolle. Eine zu geringe Detektorauflösung kann nämlich zu Fehlmessungen führen, die fatale Folgen haben können (7). Deshalb sind die Anforderungen an die Auflösung des Infrarotdetektors, die thermische und geometrische Auflösung oder an die Qualität der Objektive in der Elektro-Thermografie besonders hoch.

Für einfache Messaufgaben im Elektro-Handwerk, etwa für die Kontrolle von Kabeltrassen, können zwar eine Detektorauflösung ab 160 × 120 Pixel und eine thermische Auflösung (NETD) ≤ 0,15 K bereits ausreichen.

Für qualifizierte Elektrothermografie-Anwendungen muss eine Wärmebildkamera deutlich höhere Anforderungen erfüllen (siehe auch DIN 54 191 [1], VdS 2859 [7] und VATh-Richtlinie für Elektrothermografie [11]): Der Detektor sollte über eine IR-Auflösung von mindestens 320 × 240 Pixel und einen NETD ≤  0,08 K verfügen. Die geometrische Auflösung (IFOV) sollte ≤ 2 mrad bei Verwendung eines Normalobjektivs sein.

Noch bessere Wärmebildqualitäten ermöglichen aktuelle High-End-Kameras mit Detektorauflösungen ab 640 × 480 Pixel, einem NETD ≤ 0,05 K und einem IFOV ≤ 1 („Wärmebilder in Fotoqualität“, TGA 11-2018).

Zu den weiteren Anforderungen zählen der Temperatur-Messbereich, der zwischen – 20 bis + 500 °C liegen sollte, das messbare LW-Spektrum sollte 7,5 bis 14 μm und die Bildfrequenz ≥ 20 Hz betragen.

Abhängig von der Messaufgabe sollte wahlweise ein Normal-, Weitwinkel- oder Teleobjektiv verwendet werden können. Empfohlen wird ein externes oder schwenkbares Display, weil es Messungen in beengten räumlichen Verhältnissen erleichtert.

Sowohl der Emissionsgrad (materialspezifischer Wärmeabstrahl-Kennwert) als auch die reflektierte Temperatur und die Umgebungstemperatur sollten individuell einstellbar sein. Zu den Messfunktionen sollten eine Temperatur-Bereichsskala, eine Messpunkt(Spot)-, Isothermen-, Messflächen- und eine automatische Hotspot-Suchfunktion gehören.

Darüber hinaus ist eine jährliche Kalibrierung der Kameratechnik erforderlich (Kosten: ca. 1500 Euro/a je nach Kamera und Objektivanzahl).

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Anforderungen an den Thermografen

Da Elektroanlagen besonderen Brandrisiken ausgesetzt sind und sich beauftragende Unternehmen auf entsprechende Messungen verlassen müssen, werden an einen qualifizierten Elektrothermografie-Dienstleister besondere Anforderungen gestellt.

Er muss nicht nur die IR-Kamera bedienen, sondern bei der Aufnahme auch mögliche Fehlerquellen und Grenzen der Thermografie kennen und Messergebnisse bei der Auswertung korrekt bewerten können. Das setzt Fachwissen aus den Bereichen Optik, Wärmestrahlung, Wärmeleitung, Messtechnik und Materialkunde voraus. Kenntnisse über die Funktionsweise, den technischen Aufbau oder verwendete Materialien des jeweiligen Messobjekts sind ebenso eine wichtige Voraussetzung für eine korrekte Bewertung thermischer Auffälligkeiten elektrischer Anlagen.

Deshalb sollten thermografische Untersuchungen an Elektroanlagen nur von Elektrofachkräften oder elektrotechnisch unterwiesenen Personen durchgeführt werden. Zu den Qualifikationsnachweisen gehören neben einer Ausbildung als Elektrofachkraft auch Zertifizierungs-Nachweise. Elektroanlagen sollte nur Fachpersonal untersuchen, das entsprechend den Forderungen der deutschen Versicherungswirtschaft das Zertifikat „Sachverständiger für Elektrothermografie“„ (IT 2 Elektro) oder „VdS anerkannter Sachverständiger für Elektrothermografie“ gemäß VdS-Richtlinie 2859 vorweisen können.

Die Zertifizierungen beinhaltet einen fünftägigen Lehrgang mit anschließender Prüfung und kosten rund 3000 Euro. Für die IT-2-Elektro- und VdS-Zertifizierung ist eine Rezertifizierung nach vier, respektive fünf Jahren erforderlich, um die fachliche Qualifikation auf einem hohen Niveau zu halten. Elektrothermografen ohne diese Qualifikationsnachweise sollten zumindest nach DIN EN ISO 9712 Stufe 1 und als Elektrofachkraft nach DIN VDE 1000-10 qualifiziert sein.

Thermografie-Messung vorbereiten und durchführen

Bei Thermografie-Messungen und Anlagen-Inspektionen sollte man Normen, Richtlinien und Vorschriften, beispielsweise DIN 54 191, die DGUV-Vorschrift 3 [10] oder die VATh-Richtlinie Elektrothermografie sowie folgende Punkte beachten:

Zusammen mit dem Auftraggeber, respektive Anlagenbetreiber sollten zunächst organisatorische Abläufe, Prüfvorgaben und Kriterien zur Beurteilung thermischer Auffälligkeiten festgelegt und schriftlich fixiert werden.

Bei der Festlegung des Messtermins sollten beispielsweise aufgrund der unterschiedlichen Temperatureinflüsse Jahreszeiten, Produktionszyklen, Inspektionen, Instandhaltungsmaßnahmen oder Anlagenstillstände berücksichtigt werden. Letztere können gegebenenfalls gleichzeitig zur Beseitigung der festgestellten Fehler genutzt werden.

Mit der Messung sollte der Thermograf erst nach einer Sicherheitsbelehrung durch den Anlagenbetreiber und nur in seiner Begleitung erfolgen. Er öffnet Schaltschränke, entfernt Abdeckungen, schließt und bringt diese nach der Messung wieder an. Bei der IR-Messung müssen stets Sicherheitsabstände gemäß DGUV berücksichtigt werden.

Damit die Wärmeemission Strom durchflossener Leiter auf dem IR-Kameradisplay gut erkennbar ist, sollte die auf die Nennbelastung bezogene Strombelastung der Anlage bei mindestens 30 % liegen.

Thermische Auffälligkeiten sollten stets mit einem Wärmebild und einem Foto dokumentiert werden, gegebenenfalls ergänzt durch eine Strommessung. Parallel sollte ein Messprotokoll geführt werden, das alle Auffälligkeiten wie Verunreinigungen, defekte Isolierungen, nicht geöffnete Elektroschränke, nicht entfernte Abdeckungen etc. erfasst.

Untersucht werden sollten alle relevanten Anlagenteile: Anschlussbereiche, Kontakte, Klemmvorrichtungen, Stromkabel oder Kabelbündel etc. Auffälligkeiten, welche die Betriebssicherheit gefährden, müssen Verantwortlichen sofort mitgeteilt und in der schriftlichen Dokumentation (siehe unten) besonders hervorgehoben werden.

Wann und wie häufig elektrische Anlagen thermografisch untersucht werden sollten, hängt von der Anlage und unterschiedlichen Faktoren ab. Bestehende Anlagen sollten regelmäßig, in der Regel jährlich untersucht werden. Je nach Alter, Zustand, Strombelastung oder Wichtigkeit der Anlage sind auch kürzere oder längere Intervalle sinnvoll. Neue Anlagen sollten vor dem Vollbetrieb unter Last untersucht werden, um mögliche Installationsfehler zu entdecken.

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Thermografie-Berichte erstellen

Die Auswertung und Berichterstellung erfolgt in der Regel im Büro mit der zum Kamera-Lieferumfang gehörenden Auswertungssoftware. Mit ihr lassen sich Wärmebilder anzeigen, modifizieren, optimieren, organisieren, analysieren, Fotos gegenüberstellen oder mit diesen überlagern und in Verbindung mit erläuternden Texten zu Thermografie-Berichten zusammenstellen („IR-Bilder analy­sieren und Berichte erstellen“, TGA 10-2015).

In Thermografie-Berichten werden alle Messergebnisse dargestellt, erläutert und zusammenfassend beurteilt. Sie dienen als Entscheidungshilfe für eventuelle Maßnahmen und für eine Optimierung von Instandsetzungs- und Instandhaltungsarbeiten. Außerdem schaffen sie mehr Sicherheit, denn sie ermöglichen rechtssichere Nachweise. Deshalb sollten sie sorgfältig erstellt und zeitnah dem Auftraggeber in gedruckter Form oder als PDF-Datei übergeben werden.

Thermografie-Berichte sollten auch für Laien verständlich, nachvollziehbar und vollständig sein sowie alle relevanten Angaben gemäß VdS 2860 [8] und VATh-Richtlinie Elektrothermografie enthalten. Dazu gehören Basisdaten wie

·          Auftraggeber/Auftragnehmer,

·          untersuchte Objekte, 

·          Zielsetzung,

·          Name des Thermografen und beteiligter Personen, 

·          Prüftermin

·           eingesetzte Wärmebildkamera samt Optiken sowie

·          eventuell ergänzend verwendete Messgeräte.

Der Auswertungsteil sollte Wärmebilder und Fotos aus möglichst identischem Aufnahmewinkel enthalten, inklusive Angaben zu Aufnahmeort, -datum und -uhrzeit sowie den Dateinamen. Wichtig sind auch eine hierarchisch strukturierte Objektbeschreibung (Gebäude, Halle, Schaltschrank, Schaltfeld, Bauteil, etc.) sowie der Belastungszustand der Anlage zum Messzeitpunkt in Ampere und / oder in Prozent zur Maximalbelastung.

Zu den weiteren Angaben gehören die Temperaturen der Fehlerstelle und / oder Temperaturdifferenzen zwischen Fehlerstellen und baugleichen, thermisch unauffälligen Bauteilen mit identischer Belastung sowie eine Fehlerklassifikation thermischer und nichtthermischer Auffälligkeiten gemäß DIN 54 191. Da diese Norm keine Temperaturkriterien enthält, ist es sinnvoll, für die Auswertung zusätzlich individuelle Vereinbarungen mit dem Auftraggeber zu treffen oder VdS-Kriterien zu berücksichtigen.

Bewerten und interpretieren von Wärmebildern: Herausforderungen  in der Praxis

Bei der Bewertung und Interpretation der Wärmebilder sind elektrotechnisches Fachwissen und Erfahrung ebenso wichtig, wie beispielsweise das Wissen über unterschiedliche Betriebsbedingungen oder die Alterung von Bauteilen und Verbindungen.

Auffällige Temperaturwerte müssen nicht prinzipiell ein Problem darstellen, umgekehrt können auch kleine Temperaturdifferenzen auf gravierende Mängel hindeuten. In der Praxis kommt es vor allem aufgrund mangelnder Erfahrung deshalb immer wieder zu Fehlmessungen und Fehlinterpretationen, beispielsweise weil thermische Auffälligkeiten nicht hinterfragt werden oder weil Temperaturen auf Materialien, z. B. blanken Metallen, ohne entsprechende Vorbereitung gemessen werden. Das führt zu Messfehlern, weil die Wärmeabstrahlung umliegender Objekte auf der Metalloberfläche reflektiert und die Objekttemperatur dadurch überlagert wird.

Problematisch sind auch Staubablagerungen, die auf blanken Bauteilen zu einem höheren Emissionsgrad mit höherer Wärmeabstrahlung führen. Auch Sicherheitsabdeckungen aus Glas oder durchsichtigen Kunststoffen verhindern korrekte IR-Messungen. Sie sind für die Wärmebildkamera undurchsichtig, sodass nur die Oberflächentemperatur der Abdeckung gemessen wird.

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Sind ferner Funktionsweisen, mögliche Belastungen, Betriebstemperaturen, Einbausituationen oder thermische Charakteristiken oder mögliche Störungen einer Anlage nicht bekannt und werden diese nicht adäquat berücksichtigt, kann das ebenfalls zu Fehlmessungen und Fehlinterpretationen führen.

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Thermografie: Ein ergänzendes Kontrollwerkzeug

Die Thermografie hat sich in der Elektrobranche als zeitsparende und wirtschaftliche Messmethode etabliert und bewährt. Allerdings sollte man berücksichtigen, dass sicherheitsrelevante Probleme womöglich erst bei hohen Belastungen auftreten. Läuft eine Anlage deutlich unter Volllast, werden Gefahren beim Thermografieren unter Umständen nicht erkannt.

Außerdem sind Mängel und potenzielle Gefahren mit einer einzigen thermografischen Untersuchung nicht immer sofort erkennbar. Beispielsweise können Erwärmungen erst bei einer höheren Anlagenauslastung oder Kriechströme erst bei starker Verschmutzung gefährlich werden.

Thermografie-Untersuchungen können deshalb kein Ersatz für wiederkehrende Sichtkontrollen, Funktionsprüfungen oder Strommessungen sein, sondern nur eine Ergänzung. Wärmebilder sind immer nur eine Momentaufnahme – deshalb sind wiederholte thermografische Überprüfungen notwendig.

Dieser Artikel erschien zuerst in der Heftausgabe 09-2020 des TGA Fachplaners unter dem Titel „Gefahren erkennen, Anlagenwerte sichern
„von Marian Behaneck.

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