Temperaturüberwachung schützt vor niedrigen Temperaturen

Jul 19, 2023

Durch die frühzeitige Erkennung erhöhter Temperaturen können Ausfälle und ungeplante Abschaltungen im Zusammenhang mit der Stromverteilung vermieden werden. Drahtlose Technologien machen die Implementierung dieser vorausschauenden Wartungslösung praktisch und wirtschaftlich.

Die Stromerzeugung und die damit verbundenen Hochspannungs- (HV) und Mittelspannungs- (MV) Verteilungssysteme sind kritische Infrastrukturen in Kraftwerken und anderen Einrichtungen. Die entscheidende Rolle dieser Infrastruktur hat viel Aufmerksamkeit und Investitionen für eine verbesserte Überwachung auf sich gezogen (siehe „Facilitating Predictive Maintenance of Electrical Assets with Pervasive Sensing Strategies“ in der April-Ausgabe 2017 von POWER).

Was bis zu einem gewissen Grad übersehen wurde, ist die Niederspannungs-Stromverteilung (LV) bei 600 V und darunter, zu der Schaltanlagen, Stromverteilungseinheiten, Motorsteuerzentren und andere wichtige elektrische Niederspannungsanlagen gehören. Diese sind praktisch an jedem Industrie- und Gewerbestandort vorhanden.

In der NS-Stromverteilung wird in der Vergangenheit zu wenig investiert, wodurch Unternehmen einem immer größeren Risiko von Ausfällen und ungeplanten Ausfällen ausgesetzt sind – Ereignisse, die mit verfügbaren Überwachungstechnologien verhindert werden könnten. Anlagenausfälle erweisen sich für Betreiber immer als kostspielig und sind weitaus kostspieliger als die Implementierung von Technologie zur kontinuierlichen Überwachung.

Eigentümer und Betreiber sind sich der harten und weichen Kosten bewusst, die mit ungeplanten Ausfällen einhergehen. Über die finanziellen Kosten hinaus stellen Ausfälle ernsthafte Sicherheitsbedenken und unnötige Risiken für Mitarbeiter und Anlagenbetreiber dar und verursachen intrinsische Kosten, die zwar nicht messbar, aber sehr erheblich sind.

Wenn man die große Vielfalt an NS-Anlagentypen berücksichtigt, können die Grundausfallarten der meisten Geräte oft vorhergesagt und verhindert werden, indem ein Frühindikator überwacht wird, bei dem es sich um einen unerwarteten Temperaturanstieg handelt, der meist durch lose oder fehlerhafte Verbindungen, Überlastung und Korrosion verursacht wird.

Obwohl unentdeckte und unbehandelte Probleme mit LV-Anlagen zu einem endgültigen und plötzlichen Ausfall in Form eines Flashovers oder eines Brandes führen können, schreitet die zugrunde liegende Ursache im Laufe der Zeit in der Regel allmählich voran. Eine herkömmliche Überwachung erfolgt, wenn überhaupt, regelmäßig und erfasst oft nicht den langsamen Fortschritt bis zum Ausfall.

Dieser Artikel unterstreicht die Bedeutung der kontinuierlichen Überwachung dieser Anlagen, erklärt, warum die Temperatur die besorgniserregende Variable ist, und beschreibt, wie drahtlose Technologien die besten Lösungen für die Temperaturüberwachung bieten können.

Elektrische Anlagen werden gemäß den strengen Spezifikationen des American National Standards Institute (ANSI) oder der International Electrotechnical Commission (IEC) mit spezifischen Betriebsparametern entworfen und bewertet. Lose Verbindungen, falsche Kontakte und Korrosion reduzieren die stromführende Oberfläche und erhöhen die Wärmeentwicklung dort, wo der Kontakt verbleibt. Wenn dieser Wärmestau die zulässige Temperatur der Anlage überschreitet, kommt es zu größeren Ausfällen.

Im unkritischsten Fall schmilzt ein Übertemperaturzustand einfach durch, ohne andere Elemente zu beschädigen. Allerdings wird die betroffene Phase effektiv abgeschaltet, was zu einem einphasigen Verlust nachgeschaltet führt. Besonders besorgniserregend ist es, wenn übermäßige Wärme in die Leiter eindringt und schließlich Isolationsschäden verursacht, die zu einem Kurzschluss zwischen Phase und Erde oder zwischen Phase und Erde führen.

Eine sich lösende Verbindung kann sporadisch auftreten und einen Lichtbogen erzeugen, der so stark ist, dass er benachbarte Phasen oder geerdete Strukturen beeinträchtigt und einen Kurzschluss auslöst. Störlichtbögen können einen äußerst gefährlichen Lichtbogen aus hochleitfähigem Plasma erzeugen, wenn Metallleiter verdampfen und so eine sich schnell ausdehnende Explosion entsteht. Die resultierende Stoßwelle enthält geschmolzenes Metall und Fragmente, die andere Teile der Ausrüstung beschädigen und in der Nähe befindliches Personal verletzen können.

Die Temperatur ist eindeutig eine Schlüsselvariable für die Vorhersage drohender Ausfälle. Aus diesem Grund verfügen einige nachgeschaltete Geräte wie Motoren, USVs, Netzwerkgeräte und Bedienfelder möglicherweise bereits über Temperaturüberwachung, Alarmierung und Verriegelung.

Aber was macht eine „gute“ Temperatur im Vergleich zu einer „schlechten“ Temperatur aus? Das bloße Messen einiger Temperaturwerte während eines vorbeugenden Wartungszyklus liefert weder ein vollständiges Bild noch stellt es Informationen in einem nützlichen Kontext dar. Stattdessen ist es viel besser, die Temperaturen an wahrscheinlichen Fehlerpunkten zu kennen, wenn die Ausrüstung unter Strom steht und voll belastet ist.

Aus diesen Gründen müssen die Temperaturen nicht nur bei Spitzenlast, sondern kontinuierlich überwacht werden. Der Belastungszustand zeigt an, ob das Gerät innerhalb sicherer Parameter arbeitet oder nicht. Bei kontinuierlicher Überwachung können diese Informationen gespeichert und als Trend dargestellt werden. Dies ist die einzige Möglichkeit, eine langsame Verschlechterung im Laufe der Zeit zuverlässig zu erkennen.

Manuelle Inspektionen von LV-Anlagen sind trotz einiger Schwierigkeiten immer noch wertvoll und notwendig. Bei einer manuellen Inspektion können offensichtliche Symptome wie Brandflecken beobachtet werden, zugrunde liegende Probleme bleiben jedoch häufig unentdeckt, da sie nicht den Schweregrad erreicht haben, der offensichtliche körperliche Anzeichen zeigt. Dies bedeutet keineswegs, dass es weniger wichtig ist, sich mit ihnen zu befassen.

Infrarot-(IR)-Inspektion wurde verwendet, um zugrunde liegende Probleme in NS-Anlagen zu identifizieren, selbst bei unter Spannung stehenden Geräten. Allerdings funktioniert die IR-Inspektion nur bei direkter Sichtverbindung und stellt für Techniker ein Risiko dar, da sie sich in der Nähe von spannungsführenden Geräten befinden. Darüber hinaus misst die IR-Inspektion nur den Emissionsgrad und nicht die tatsächliche kritische Kontaktpunkttemperatur und zeigt nicht an, wie sich die Temperatur entwickelt.

Angesichts dieser Einschränkungen bietet die kontinuierliche Überwachung eine überlegene Lösung. Durch die kontinuierliche Überwachung können Temperaturtrends unter allen Bedingungen ermittelt werden, nicht nur der elektrischen Last und der Umgebungsbedingungen am Tag der Durchführung einer Inspektion. Ein kontinuierliches Überwachungssystem kann einen Alarm auslösen, wenn ein hoher Schwellenwert überschritten wird, und die Daten des Systems können offline analysiert werden, um den Gerätezustand im Laufe der Zeit zu bewerten.

Die Umgebungstemperatur kann neben der Kontakttemperatur unter Spannung in NS-Getrieben überwacht werden, und die Temperaturdifferenz kann verwendet werden, um den normalen Temperaturanstieg aufgrund von elektrischem Strom besser zu verstehen. Um noch einen Schritt weiter zu gehen, können die Ladedaten selbst einbezogen werden, um ein viel genaueres Bild des Anlagenzustands zu erhalten. Durch die gemeinsame Überwachung von Temperatur, Spannungen und Strömen können Benutzer besser verstehen, ob Geräte über Erweiterungsmöglichkeiten verfügen.

Das Ermitteln der Temperatur einer unter Spannung stehenden elektrischen Komponente ist nicht so einfach wie die Verwendung eines herkömmlichen Thermoelements oder Widerstandstemperaturdetektors, da der Sensor eine elektrische Isolierung von bis zu 600 V gemäß Kategorie IV oder 1.000 V gemäß IEC 610101-1 erreichen muss. Diese Standards fordern außerdem, dass Geräte wesentlich höheren Kurzzeit- und Stoßspannungen standhalten müssen, was bei kabelgebundenen Kontaktsensoren nur schwer oder gar nicht möglich ist. Eine alternative Technologie namens Oberflächenwellentechnologie (SAW) bietet jedoch eine praktikable Lösung. SAW-Sensoren nutzen akustische Wellensignale, die durch Änderungen der physikalischen Umgebungsbedingungen moduliert werden, und bieten so ein Mittel zur genauen und passiven Überwachung lokaler Bedingungen.

Emerson Automation Solutions hat unter der Marke IntelliSAW ein Portfolio kompakter SAW-basierter Sensoren entwickelt, die speziell auf die sehr anspruchsvolle und dichte Niederspannungsanlagenumgebung ausgerichtet sind. Diese Technologie nutzt integrierte Nahfeldkopplung (iNFC), um diese Anwendungen zu bewältigen. Signale werden drahtlos über iNFC über eine isolierte Lücke übertragen und so die erforderliche Isolierung erreicht. Das Produkt ist kabellos und passiv, erfordert also keine Wartung in Form eines Batteriewechsels und enthält im stromführenden Fach keine elektronischen Komponenten, die ausfallen könnten.

1. Die hier gezeigten Clip-on-Sensor-Formfaktoren ermöglichen die Temperaturüberwachung kritischer Hotspots an Sammelschienen. Mit freundlicher Genehmigung: Emerson

Für maximale Flexibilität stehen mehrere Formfaktoren zur Verfügung. Zwei Größen von Clip-on-Sensoren sind für Busse geeignet (Abbildung 1), zwei Größen von dreipoligen Sensoren passen für eine Vielzahl von Unterbrecher- und Trennklemmen (Abbildung 2) und eine Doppelkabelversion funktioniert mit gängigen parallelen Leiterkonfigurationen. Clip-, Kabelbinder- und Schrauboptionen erleichtern die Installation sowohl bei Neu- als auch bei Nachrüstanwendungen (Abbildung 3).

2. Der hier gezeigte dreipolige Sensorformfaktor bietet Platz für Leistungsschalter und Trennklemmen verschiedener Größen und lässt sich mithilfe von Kabelbindern problemlos nachrüsten. Mit freundlicher Genehmigung: Emerson

3. Verschraubte drahtlose Temperatursensoren, wie die hier gezeigten, sind eine weitere Option sowohl für neue als auch für Nachrüstanwendungen. Mit freundlicher Genehmigung: Emerson

Die Verwendung von Koaxialkabeln zur Übertragung der Hochfrequenzsignale (RF) kann zwar den Eindruck erwecken, dass diese Sensoren verkabelt sind, es ist jedoch wichtig zu bedenken, dass sie tatsächlich mit drahtlosen Frequenzen über eine elektrisch isolierte physische Barriere hinweg arbeiten. HF-Kabelstrecken sind nur erforderlich, um ein starkes Übertragungssignal zu fördern und Bedenken hinsichtlich elektrischer Interferenzen zu vermeiden. Sie betragen typischerweise weniger als neun Meter, basierend auf der Geometrie der Niederspannungsanlage und der Dichte der Sensoren.

Innerhalb eines LV-Assets können bis zu 12 IntelliSAW-Sensoren an eine IRM-48-Reader-Überwachungseinheit und bis zu 10 Reader an eine CAM-5-Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) angeschlossen werden. Sowohl die Lesegeräte als auch das HMI verwenden branchenübliche Kommunikationsprotokolle und können so in übergeordnete Steuerungssysteme und Historien integriert werden.

Ein großes Finanzinstitut betreibt landesweit mehrere Rechenzentren, die täglich zahlreiche Finanztransaktionen und Kundeninteraktionen abwickeln. Diese Rechenzentren gelten als geschäftskritisch und sind auf zahlreiche, vollständig redundante Niederspannungsanlagen angewiesen, um eine zuverlässige und konditionierte Stromversorgung für Tausende von Servern sicherzustellen.

Bei einer kürzlichen manuellen Inspektion bemerkten die Bediener Rauch aufgrund einer elektrischen Überhitzung und empfahlen eine Notabschaltung und reagierten damit auf ein Problem, das bereits ein ernstes Ausmaß angenommen hatte. Der außerplanmäßige Stillstand dauerte länger, da die Betreiber Schwierigkeiten hatten, den genauen Ort des Problems zu ermitteln.

Nach diesem Vorfall beschloss der Kunde, eine kontinuierliche Überwachung aller seiner kritischen Stromverteilungsanlagen zu installieren. IntelliSAW-Sensorsysteme wurden an der primären und sekundären Stromversorgung ihrer geschäftskritischen Server installiert, um rund um die Uhr Daten über den Anlagenzustand bereitzustellen.

Dieses Rechenzentrum verfügt nun über eine kontinuierliche Überwachung des Mittelspannungsnetzes im Gebäude, der Abwärtstransformatoren, der Niederspannungsschaltanlagen, der Stromverteilungseinheiten und der automatischen Übertragungsschalter. Die Standortbetreiber verwenden Echtzeitdaten, um zu überprüfen, ob elektrische Anlagen normal funktionieren, und um Wartungsarbeiten zu planen.

Die HV- und MV-Stromverteilung profitiert von der Einführung kontinuierlicher Anlagenüberwachungstechnologien, die es Benutzern ermöglichen, drohende Probleme schnell zu erkennen. Für LV-Vermögenswerte gelten dieselben Geschäftsfaktoren und Überlegungen, und die Technologie ist leicht verfügbar und kommerziell erprobt. Ein wichtiger Indikator für Störungen sind unerwartet hohe oder ansteigende Temperaturen, die frühzeitig erkannt und behoben werden können, wenn ein kontinuierliches Überwachungssystem vorhanden ist.

Benutzer von NS-Verteilungsanlagen in Gewerbe- und Industrieanlagen haben sich in der Regel auf regelmäßige manuelle Inspektionen verlassen. Aber es gibt jetzt eine kostengünstige, bequeme und sichere Möglichkeit, kontinuierliche Überwachungslösungen in diesen Anlagen mithilfe von SAW-basierten Systemen zu implementieren. Anlageneigentümer/-betreiber, die dies tun, können sicher sein, dass sie alles in ihrer Macht Stehende getan haben, um die Betriebszeit und Zuverlässigkeit für ihre Kunden zu maximieren. ■

—Jay Ganson ist Direktor für IntelliSAW-Produkte bei Emerson Automation Solutions.

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