Prüfungen und Messungen im Rahmen des Brandschutzes

06-20-2013 | Elektrik

Grundlegende Ursachen der Überhitzung

Die meisten elektrischen Systeme in Industrie und Gewerbe werden immer sicherer und zuverlässiger. In ihrem jüngsten Bericht (Analyse von Daten aus dem Jahr 2001) schätzt die US-amerikanische Brandschutzbehörde, dass 8,7 % der 47.785 Feuer in Nichtwohngebieten in den USA durch Geräte des elektrischen Verteilungsnetzes verursacht wurden. Das sind 32 % weniger als im Jahr 1998.

Strenge Bauvorschriften, hochwertige Geräte, gute Systemkonstruktionen, kompetente Installation und professionelle Wartungen spielen bei diesem positiven Trend eine Rolle. Dennoch wurden 2001 immer noch 4.157 gewerbliche, industrielle und öffentliche Gebäude von elektrischen Bränden getroffen.

Gewerbliche Niederspannungssysteme umfassen viele Subsysteme, darunter Schaltanlagen, Transformatoren, Schaltschränke, Steckdosen, Motorsteuerungen und -beleuchtungen. Alle diese Komponenten verfügen über Anschlüsse, Isolierungen und Überspannungsschutz. Viele elektrische Brände entstehen, wenn diese grundlegenden Mechanismen ausfallen. Sie sind daher Gegenstand vieler elektrischer Wartungsverfahren.

Die NETA-Spezifikationen für Wartungen und Prüfungen und die NFPA-Norm 70B mit Empfehlungen zur Instandhaltung von elektrischen Geräten beinhalten Verfahren zur Prüfung der verschiedenen Komponenten eines elektrischen Verteilungssystems. Thermografische Prüfungen sind Gegenstand des Standard-Leitfadens zur Prüfung elektrischer und mechanischer Gerät mittels Infrarotthermografie ASTM E 1934.

Viele dieser Prüfungen dienen der Verhinderung elektrischer Brände sowie der Zuverlässigkeit und Sicherheit. Mit einem guten Prüfprogramm kann allen drei Aspekten Rechnung getragen werden. Viele Versicherungsunternehmen in der Industrie verlangen daher einen Nachweis eines regulären elektrischen Prüfprogramms.

In diesem Artikel werden die grundlegenden Ursachen von Überhitzung sowie die häufig verwendeten Werkzeuge bei der Aufdeckung von Überhitzungsproblemen beschrieben.

Verwenden Sie zur Prüfung stromführender Komponenten auf Phasen-, lose oder korrodierte Klemmen Wärmebildkameras. Wärmebild einer lockeren Kontaktklemme

Grundursachen der Überhitzung in elektrischen Systemen

Für eine Verbrennung sind Wärme und Brennstoff erforderlich. Hersteller von Elektrogeräten achten sehr auf den Einsatz brandsicherer Materialien, damit das elektrische System kaum Brennstoff bereitstellt. Der Brennstoff stammt meist aus Material aus der Umgebung. Das elektrische System verfügt wiederum über die erforderliche Hitze zur Entzündung.

Wärme ist ein normales Nebenprodukt eines elektrischen Stroms. Im NEC findet das Thema Wärme Berücksichtigung; und es enthält Vorschriften zum Aufbau eines sicheren elektrischen Systems. Wie kann dann ein elektrisches System, das dem NEC entsprechend konzipiert und konstruiert wurde, einen Brand verursachen?

Mangelhafte Anschlüsse

Schwingungen oder thermische Belastungen können zur Lockerung der Anschlüsse in Energieverteilungssystemen führen. Die Anschlüsse können durch Verunreinigungen korrodieren. Der Widerstand des Anschlusses wird durch beide Faktoren erhöht. Sämtliche Klemmen und Spleiße können potenziell überhitzen. Je mehr Strom ein Anschluss führt, desto wichtiger ist es, den Widerstand niedrig zu halten. Bedenken Sie, dass bei einem Steckverbinder mit einem Widerstand von nur 0,1 Ohm in einem 50-Ampere-System 250 Watt an der Schnittstelle des Anschlusses verbreitet wird. Wenn der Zustand länger andauert, lagern sich zudem Oxide an der Anschlussschnittstelle an, wodurch der Widerstand steigt. Dies kann leider zu einer „glühenden Verbindung“ führen, bei der im erheblichen Umfang Wärme erzeugt, aber kein Schutzgerät ausgelöst wird.

Lockere Anschlüsse, die regelmäßig eingeschaltet und unterbrochen werden, können auch Lichtbögen hervorrufen. Bögen sind elektrische Entladungen über einer Luftspalte. In diesem Fall wird der Bogen über einer engen Spalte zwischen Leitern erzeugt, wenn die Verbindung wiederholt geöffnet wird. Die dadurch entstehende Wärme ist sehr konzentriert und kann zum Ausfall der Isolierung oder einem Brand führen, wenn sich eine Kraftstoffquelle in der Nähe befindet. Schalter, Relais und Leistungsschalter sind auch Verbindungsarten. Sie sind so konstruiert, dass sie sich ohne Überhitzung wiederholt öffnen und schließen, unterliegen aber, wie andere Verbindungen auch, dem Einfluss von Schwingungen, Hitze und Verunreinigungen.

Defekte Isolierungen

Dass elektrische Brände nicht mehr so häufig auftreten wie früher, liegt u. a. an der höheren Qualität der Isolierung. Dennoch werden Isolierungssysteme durch Alter, Hitze und Verunreinigungen fehleranfälliger.

Die extremste Form eines Isolierungsfehlers ist der Kurzschluss. In diesem Fall berühren sich zwei Leiter dauerhaft. Die dadurch entstehende Spannung führt dazu, dass sich eine Sicherung oder ein Leistungsschalter öffnet. Wenn sich das Überspannungsschutzgerät jedoch nicht öffnet, wird der Stromkreis aufwärts des Kurzschlusses der Überhitzung ausgesetzt.

Bei einem Erdungsfehler (einem Kurzschluss unter Beteiligung einer Geräteerde) sollte sich der Unterbrecher ebenfalls öffnen. Geschieht dies nicht, kommt es zur gleichen Überhitzung. Wenn im Potenzialausgleichssystem eine ohmsche Verbindung vorhanden ist, die den Strom begrenzt, reicht der entstehende Strom u. U. nicht aus, um die Schutzgeräte stromaufwärts auszulösen, kann aber dennoch eine Erhitzung im Potenzialausgleichssystem verursachen.

Parallele Lichtbögen treten dann auf, wenn zwei Steckverbinder zu nah beieinander liegen oder sich zwischenzeitlich berühren. Sie haben ähnliche Eigenschaften wie die Serien-Lichtbögen (siehe oben), weisen aber meist höhere Spannungswerte auf. Dadurch kann sich eine naheliegende Kraftstoffquelle entzünden und die Isolierung zusätzlich beschädigt werden. Durch Lichtbögen können sich heiße Metallfunken entladen, die eine nahegelegene Kraftstoffquelle entzünden können.

Wenn die Isolierung der Erwärmung durch weitere Ausfälle ausgesetzt wird, kann die Oberfläche der Isolierung verkohlen und leitfähig werden. Dadurch können Störlichtbögen entstehen, die eine intensive lokale Erhitzung im ähnlichen Umfang wie andere Lichtbögen verursachen.

Blitzeinschlag

Eine der Funktionen des Erdungssystems besteht darin, eine niedrige Impedanz Pfad zur Erdung bereitzustellen, damit ein Blitzschlag mit so wenig Schaden wie möglich hindurchgeleitet werden kann. Um gut zu funktionieren, müssen Überspannungsableiter über eine zuverlässige Erdungsleitung verfügen. Durch regelmäßige Überprüfung des Erdungssystems und des Widerstands zwischen Erder und Erde wird zusätzlich dafür gesorgt, dass das System funktioniert, wenn man darauf angewiesen ist.

Oberschwingungen

Der meiste Strom in den USA fließt bei 60 Hz durch die Stromkreise. Oberschwingungsströme enthalten hochfrequente Komponenten, die im gesamten System zur Wärmebildung beitragen. Der Klirrfaktor ist in allen elektrischen Systemen gegeben, die elektrische Lasten wie Motorantriebe, Computer, Steuersysteme oder Produktionsgeräte mit Strom versorgen. Eine starke Verzerrung und Aufladung kann bei elektrischen Geräten, insbesondere bei Stromverteilungssystemen, zu Überhitzung führen.

Die dritte Oberschwingung wird von einphasigen Lasten wie Computern und anderen Büromaschinen verursacht. Diese Oberschwingung wirkt sich auf die Neutralleitung in einem dreiphasigen System aus und kann bei einem zu kleinen Leiter zur Überhitzung führen.

Vermeiden Sie Kurzschlüsse, indem Sie den Isolationswiderstand auf der Verkabelung überprüfen. Prüfen Sie die Netzqualität regelmäßig auf Spannungseinbrüche, Oberschwingungen und sonstige Ursachen von Überhitzung.

Überlast

Wenn eine Last zu viel Strom bezieht, müssen die Systemkomponenten aufwärts der Last diesen Strom transportieren. Der Hauptüberlastungsschutz ist das Überspannungsschutzgerät, das sich öffnen sollte. Öffnet es sich nicht, so verursacht die hohe Stromstärke eine Überhitzung, die im stromaufwärts der übermäßigen Last befindlichen Teil des Systems verteilt wird.

Verkabelungsfehler

Ein elektrisches System in gewerblichen Gebäuden bildet eine dynamische Einheit. Im Laufe der Zeit wechseln die Mieter und Produktionslinien, und es werden neue Geräte installiert. Wenn die Zeit knapp ist, sind Fehler keine Seltenheit. Auch wenn ein System dann möglicherweise eine Weile lang weiter gut funktioniert, können latente Probleme entstehen.

Eine potenzielle Brandgefährdung liegt dann vor, wenn ein Schutzgerät „aufgerüstet“ wird, ohne die Kabelgröße anzupassen. Wenn beispielsweise ein 20-Ampere-Leistungsschalter einfach durch einen 30-Ampere-Leistungsschalter ersetzt wird, könnte in der 12 AWG-Verkabelung ein zu hoher Strom fließen. Ähnlich verhält es sich, wenn ein Kabel mit einem kleineren Querschnitt an einen Stromkreis mit einem höheren Nennstrom angeschlossen wird.

Durch den Einsatz eines Neutralleiters als Rückleiter für mehrere Phasenleiter können Lasten zwar funktionieren, jedoch kann der „gemeinsame“ Neutralleiter leicht überhitzen.

Prüfungen und Messungen zur Erkennung von Wärme und ausgefallenen Komponenten

Bei der Erkennung elektrischer Brandgefahr kommt es darauf an, zu wissen, wie ein abweichender Messwert aussieht. Am besten ist es, Grundwerte für besonders wichtige Komponenten und Geräte zu erfassen: So erhalten Sie eine Vergleichsgrundlage. Gewöhnen Sie sich an, solche Prüfungen jährlich durchzuführen. So können Sie in den Werksanlagen auch Fehler anderer Art erkennen, Kosten durch vorausschauende Instandhaltung einsparen und Brände verhindern.

Es folgen die gängigsten Werkzeuge und Messungen, die professionelle Prüfer verwenden, um Überhitzungen oder entsprechende Tendenzen zu erkennen.

Sichtprüfung

Strom ist unsichtbar, seine Auswirkungen durch Erwärmung von Metall und Isolierungen hingegen nicht. Verfärbungen und Verkohlungen an Komponenten sind sichere Anzeichen von Überhitzung. Achten Sie auch auf Gerüche, die bei der Überhitzung von Komponenten entstehen.

Thermografie

Wärmebildkameras können die von einem Objekt abgegebene Infrarotenergie messen und eine optische Darstellung der Oberflächentemperatur des Objektes erstellen. Auf diesen Wärmebildern treten heiße, lose Steckverbinder stark hervor, insbesondere im Vergleich zu kühleren, festen Steckverbindern. Diese berührungslose Technik ist ideal – und sicherer – zum Prüfen energiegeladener Komponenten und zum Scannen von Betriebsgeräten, versiegelte (thermisch isolierte) Isolierungen und Anschlüsse lassen sich damit hingegen nicht messen. Elektrische Verteilungen müssen daher offen sein, damit die Komponenten durch die Wärmebildkamera gemessen werden können. Halten Sie sich an die Sicherheitsvorschriften von NFPA 70E und tragen Sie in solchen Fällen angemessene persönliche Schutzausrüstung (PSA).

Anschluss-/Schalterwiderstand

Eine weitere Methode zum Prüfen von Anschlüssen ist die elektrische Messung des Anschlusswiderstands. In einem stromführenden System führt eine ohmsche Verbindung zu einem messbaren Spannungsabfall entlang der Verbindung. Mit einem genauen und spezifikationskonformen Handvoltmeter sind Sie auf der sicheren Seite. Dieser Test umfasst jedoch Probemessungen an einem stromführenden System, daher kommt es auf die Sicherheit an. Der Techniker muss die PSA-Anforderungen und OSHA-Protokolle genau befolgen.

An einem abgeschalteten System lassen sich mit einem Mikro-Ohmmeter wesentlich genauere Ergebnisse erzielen. Das Werkzeug legt über einen Steckverbinder einen Gleichstrom von mindestens 10 Ampere an und misst präzise den Spannungsabfall. In der Prüfung wird der Widerstand eines Anschlusses bis auf einen Bruchteil eines Mikroohm angezeigt, damit sichergestellt ist, dass der Anschluss keine übermäßige Wärme streut und potenziell gefährdende Steckverbinder erkannt werden.

Prüfung der Isolierung

Der Isolationswiderstand wird zwischen Phasenleitern und zwischen Phasenleitern und Erdleitern gemessen. Eine gute Isolierung hat einen sehr hohen Widerstand. Mit einem Isolationsmessgerät wird eine hohe Gleichspannung auf spannungsfreie isolierte Komponenten übertragen. Das Instrument misst anschließend den Widerstand zwischen den beiden Punkten. Der Test eignet sich zum Prüfen großer Abschnitte der Isolierung, darunter der großen Längen von Kabeln, Transformatorwicklungen und Motorwicklungen. Geringe Isolationswiderstandsmesswerte können darauf hindeuten, dass an irgendeinem Punkt auf der Länge das Kabel defekt ist und einen Kurzschluss verursachen kann.

Erdwiderstandsmessungen

Mit periodischen Erdmessungen können wir sicherstellen, dass der Schaden durch Blitzschlag im Ernstfall auf ein Minimum begrenzt wird. Der Bedarf an solchen Messungen ist natürlich in besonders blitzschlaggefährdeten Bereichen noch höher. Eine Erdwiderstandsmessung erfolgt meist am abgeschalteten System, da der Erder vorübergehend getrennt werden muss.

Transformator-Wicklungsverhältnis

Isolierungsausfälle in Transformatoren können zu kurzgeschlossenen Wicklungen führen, wodurch die Anzahl der Wicklungen an der betroffenen Seite erheblich reduziert wird. Ein Transformator mit kurzgeschlossenen Wicklungen neigt zur Überhitzung. Sie können das Verhältnis auf einem Niederspannungs-Transformator prüfen, indem Sie das Ersatzmodul von Lasten trennen und mit einem Spannungsmessgerät die primäre Spannung mit der sekundären vergleichen. Ein präziseres Ergebnis erhalten Sie, wenn Sie mit einem speziellen Wicklungsprüfungs-Satz eine Transformator-Wicklungsprüfung durchführen. So erhalten Sie das genaue Verhältnis und eine genaue Vorstellung von den magnetischen Eigenschaften.

Leistungsschalterprüfung

Leistungsschalter sind für den Elektro-Brandschutz entscheidend. Für die ordnungsgemäße Prüfung von Leistungsschaltern sind spezielle Geräte und ein spezielles Wissen erforderlich. Die Prüfung erfolgt über den aus dem Stromkreis entnommenen Leistungsschalter, und die Tests diesen der Prüfung von Auslösestrom und -verzögerung.

Messung der Netzqualität

Durch Untersuchung der Netzqualität können Anzeichen für eine potenzielle Überhitzung erkannt werden. Durch eine regelmäßige Messung des Klirrfaktors können potenzielle Heizprobleme aufgrund übermäßigen Oberschwingungsstroms erkannt werden. Spannungseinbrüche können ärgerlich sein, aber bei Systemen, die eine konsistente Last haben, können sie auch durch beschädigte Verbindungen entstehen. Viele Verkabelungsprobleme werden bei einer umfassenden Untersuchung der Netzqualität sichtbar.