Elektrische Wiederholungsprüfungen an EuK

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Elektrische Wiederholungsprüfungen an EuK-Vorrichtungen
Ralf-Dieter Rogler
Das Arbeiten an elektrotechnischen Anlagen und Betriebsmitteln erfordert Maßnahmen,
die die Sicherheit der Elektrofachkraft gewährleisten sollen.
Aus diesem Grund sind folgende fünf Sicherheitsregeln einzuhalten:
• Freischalten,
• gegen Wiedereinschalten sichern,
• Spannungsfreiheit feststellen,
• Erden und Kurzschließen* und
• benachbarte, unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschranken*.
Eine Sicherheitsregel ist das Erden und Kurzschließen, das die Spannungsfreiheit für
die Dauer der Arbeit gewährleistet und dadurch die Elektrofachkraft vor ungewollten
Netzrückwirkungen sowie beim unbeabsichtigten Wiedereinschalten der Anlage
schützt. Zu diesem Zweck werden gemäß DIN VDE 0105-100 bei Arbeiten an elektrotechnischen Anlagen und Betriebsmitteln Erdungs- und Kurzschließvorrichtungen
(EuK-Vorrichtungen) nach DIN EN 61230 eingesetzt.
Die Schutzfunktion der EuK-Vorrichtung wird von der Gewährleistung der Eigenschaften der Vorrichtung und der sachgerechten Montage der Vorrichtung vor Ort bestimmt.
In /1/ wird explizit auf den Wunsch hingewiesen, durch ein zerstörungsfreies Messverfahren die Einsatzbereitschaft der EuK-Vorrichtung nicht mehr wie bisher ausschließlich optisch, sondern durch eine objektive Messung zu beurteilen. In /2/ wurden die zur
Verfügung stehenden Ansätze grundsätzlich diskutiert.
Für die Beurteilung einer Erdungs- und Kurzschließvorrichtung sind grundsätzlich mehrere Verfahren denkbar:
• Thermographische Untersuchung,
• Computertomographie,
• Ultraschall-Untersuchung,
*
Nicht zwingend erforderlich bei Spannungen unter 1000 V.
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• Widerstandsmessung.
Der hier gewählte grundsätzliche Ansatz zur Beurteilung soll die Widerstandsmessung
sein, da sie folgende Vorteile bietet:
• primäres Verfahren (Widerstand entscheidend),
• Verfahren der Elektrotechnik (Vorbildung),
• etabliert (z. B. Schutzleiterprüfung VDE 0100-100,
• angelehnt an ASTM F2249-3,
• reproduzierbar und transportierbar und
• finanzierbar.
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Typische Schadensbilder von EuK-Vorrichtungen
Aus praktischen Messungen an EuK-Vorrichtungen aus der betrieblichen Praxis können
folgende Schadensbilder und deren Wahrscheinlichkeit an EuK-Vorrichtungen benannt
werden (s. Tab. 1) /3/.
Schaden
Anteil an
Mögliche Ursache
Gesamt-
Optisches
Er-
Elektrischer Diagno-
scheinungsbild
seansatz
Biegewechselbeanspru-
Bruch
Widerstandsmessung
chung
Drähte schwer zu
beim manuellen Be-
erkennen
wegen des Leiters
Starke Verfärbung
Widerstandsmessung
leicht zu erkennen
am ruhenden Leiter
Unerkennbar
Widerstandsmessung
schäden
Lokaler
Seilschaden
7 %*
Globaler
Seilschaden
Chemische Beanspruchung
7 %*
Verbinderschaden
(Korrosion und Oxidation)
Montagefehler
93 %*
einzelner
Materialermüdung
beim manuellen Bewegen der
Verbin-
dung
Tabelle 1. Schadensbilder an EuK-Vorrichtungen
Mit der Messung des absoluten Widerstandes können globale Seilschäden, sowie
schwerwiegend defekte Pressverbindungen erfasst werden. Es wurde untersucht, ab
*
An den EuK-Vorrichtungen können mehr als eine Fehlerursache auftreten.
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welchem Widerstand eine EuK-Vorrichtung als defekt anzusehen ist. Mit einer relativen
Widerstandsänderung beim Bewegen der EuK-Vorrichtung können durchtrennte Adern,
schlechte Pressverbindungen und lockere Schraubverbindungen erkannt werden. Es
wurde untersucht, ab welcher Widerstandsänderung eine EuK-Vorrichtung als defekt
anzusehen ist (s. Bild 1).
Zur elektrischen Messung wird es also notwendig, neben dem Gesamtwiderstand (absolut) auch die Widerstandsänderung beim Bewegen der EuK (relativ) zu erfassen. Theoretische und experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß die Genauigkeit der
Messung ausreichend ist, um EuK-Schäden sicher erkennen zu können.
Bild 1. Beurteilungsschema
Für die Untersuchungen wurden bisher 300 neue und gebrauchte EuK-Vorrichtungen
vermessen und davon ca. 50 bis zur Zerstörung geprüft.
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Beurteilung von lokalen Seilschäden
Bild 2. Starker lokaler Seilschaden
Wird ein lokal beschädigtes Leiterseil (s. Bild 2) an der Fehlstelle bewegt, ändert sich
der Widerstand, da sich das Strömungsfeld verändert (s. Bild 3).
Bild 3. Einfluss der Leiterbewegung auf das Strömungsfeld bei perforierten EuKVorrichtungen
Das Strömungsfeld kehrt in Leiterrichtung exponentiell auf den Gesamtquerschnitt zurück. Damit ist vor allem bei der Bewegung nicht die vernachlässigbare Widerstandsänderung durch die Einschnürung selbst, sondern vor allem der Einfluss auf das Strömungsfeld, abweichend wie in /3/ vermutet, erfassbar. Dieser Effekt wird bei alten
EuK-Vorrichtungen sogar noch größer sein, da die einzelnen Litzen stärker oxidiert sein
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werden als im Neuzustand. Zum Erfassen der Widerstandsänderung wird ein spezielles
Mikroohmmeter eingesetzt /4/. Mit diesem Messgerät ist es möglich, während einer
Messzeit von ca. 30 s den Widerstand in Echtzeit (Abtastfrequenz 10 Hz) zu messen.
Am Ende der Messzeit wird auf dem Display der gemessene Widerstandswert (R) sowie
die resultierende Widerstandsänderung (ΔR) angezeigt (s. Bild 4).
Bild 4. Modifiziertes Mikroohmmeter LoRe EuK
Eine systematische Messung an fabrikneuen und im Einsatz befindlichen EuKVorrichtungen der Leiterquerschnitte 16… 150 mm² führt zu zulässigen Grenzwerten (s.
Tab. 2) /5/, die die Stromstärken nach DIN 57683 Teil 1 / VDE 0683 Teil 1 als Nennwerte
unterstellen (s. Tab 3).
Tabelle 3. Nennwerte von EuK-Vorrichtungen
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Beurteilung von Verbinderschäden
Bild 5. Verbinderschaden nach zerstörender Prüfung
Im Gegensatz zum Leiterseilschaden tritt beim Verbinderschaden (s. Bild 5) zwar ein
erhöhter Widerstand auf, die lokale Wärmekapazität ist aber nicht erniedrigt, sondern
sogar durch den größeren Querschnitt des Verbinders gegenüber dem Leiter erhöht.
Deshalb sind grundsätzlich deutlich höhere Grenzwerte zulässig, die zur Zerstörung
führen. Der Grenzwert liegt ca. eine Größenordnung größer als der Grenzwert bei Seilschäden. Dieser Zusammenhang kann unter Annahme gleicher Endtemperaturen nach
der Beanspruchung hergeleitet werden (s. Tab. 3) /5/.
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Beurteilung von globalen Seilschäden
Bild 6. Starker globaler Seilschaden
Unter den Annahmen eines zulässigen Grenzwertes von S² tk = const. kann der globale
Einfluss durch Oxidation (s. Bild 6), also die Gesamtwiderstandserhöhung unter der
Annahme gleicher Endtemperaturen abgeleitet werden. Diese tritt auf, wenn ein Leiterseil über weite Abschnitte hinweg massiv oxidiert wurde.
Der Widerstandsbelag r kann für Kupferseile errechnet werden (s. Tab. 3) /5/.
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Gesamtbeurteilung
Eine EuK-Vorrichtung kann als einsatzbereit gelten, wenn folgende Bedingungen erfüllt
sind:
• Beim Bewegen des Leiterseils treten Widerstandsänderungen auf, die kleiner als
ΔRS sind. Dabei wird unterschieden, ob die EuK-Vorrichtungen neu oder gebraucht sind.
• Beim Bewegen der Verbinder treten Widerstandsänderungen auf, die kleiner als
ΔRV sind.
• Am ruhenden Prüfling werden der Widerstand und die Länge gemessen. Vom
gemessenen Gesamtwiderstand werden pauschal 60 µΩ für die Kugelfixpunkte,
wenn vorhanden, abgezogen. Der verbleibende Widerstand wird auf die Länge
bezogen. Der Widerstandsbelag ist kleiner als Rꞌ = r.
• Die Grenzwerte können folgender Tabelle entnommen werden (s. Tab. 3), wobei
diese abhängig von der Temperatur der EuK-Vorrichtung korrigiert werden.
Tabelle 2. Grenzwerte für EuK-Vorrichtungen
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Zusammenfassung
Die Sichtprüfungen ohne technische Hilfsmittel sind nicht objektiv, so dass davon auszugehen ist, dass in den Anlagen viele alte und augenscheinlich defekte EuKVorrichtungen im Einsatz sind. Aus den Erfahrungen kann man erkennen, dass eine
Kombination aus vorgelagerter, optischer Sichtprüfung und nachgelagerter technischer
Überprüfung durch Messung eine deutliche Erhöhung der Sicherheit bedeutet. Die Ergebnisse belegen, dass sich auch vor Ort zerstörungsfrei und eindeutig Fehler finden
lassen, die bei alleiniger Sichtprüfung nicht gefunden worden wären (s. Bild 7).
Es lässt sich ableiten, dass man durch die das Vermessen der EuK-Vorrichtungen Erkenntnisse zur Instandhaltungsstrategie ableiten kann, bei der eine Ampelfunktion hilfreich ist (s. Bild 8). Das von der Auswertesoftware automatisch erzeugte Protokoll dient
als Nachweis für die erfolgte technische Überprüfung, die in regelmäßigen Abständen
erfolgen sollte.
Bild 7. Mit dem Verfahren gefundener Fehler
Bild 8. Ampelfunktion
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Im Laufe der Praxiserprobung /3/, /5/ wurde der Messablauf, das Mikroohmmeter LoRe
EuK und die verwendete Software kontinuierlich weiterentwickelt, um eine praktikablen und effektiven Einsatz zu gewährleisten. Gegenüber den bisher beschriebenen zerstörungsfreien Prüfverfahren (Thermografie, 3D–Röntgenuntersuchung, Ultraschalluntersuchung) ist die Widerstandsmessung sowohl im Labor, aber auch beim Kunden direkt vor Ort durchführbar. Weiterhin werden nach einer Unterweisung vom Prüfenden
keine speziellen Kenntnisse außerhalb der Elektrotechnik benötigt.
Das Prüfverfahren liefert eine ideale Ergänzung zur visuellen Kontrolle.
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Quellenverzeichnis
Leonhardi, H.:
Wiederholungsprüfungen von EuK-Vorrichtungen
BG Energie Textil Elektro. Brücke. Ausgabe Elektro Feinmechanik. 4/2009
S. 10-12
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Brocke, R.:
Bewertung von Verfahren zur Wiederholungsprüfung an EuK-Vorrichtungen
Np. 48(2009), Heft 12
S. 20-24
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Rogler, R.-D.:
Verfahren zur Prüfung von Erdungs- und Kurzschließvorrichtungen
16. Vortragsveranstaltung Elektrotechnik der BG ETEM am 30./31.05.2012 in Kassel
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www.theta-dresden.de
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Meier, W.:
Praxiserprobung der Prüfung von ortsveränderlichen Erdungs- und Kurzschließvorrichtungen
17. Vortragsveranstaltung Elektrotechnik der BG ETEM am 20./21.05.2014 in Kassel