Thermografiekamera-Systeme ermöglichen frühzeitige Erkennung von Fehlfunktionen in Umspannwerken

  • Die Abbildung zeigt eine typische Szene, die von einem Kamerasystem vermessen wird.  Die Kamera nimmt im Rahmen der Datenerfassung sowohl ein thermisches als auch ein visuelles Bild der zu überwachenden Anlage auf. Bei jeder Messung gibt es spezifische, vom Benutzer definierte Bereiche (Regions Of Interest - ROI), die ausgewertet werden. Die Kamera ist über ein Standard-Ethernet-Netzwerk mit einer Steuerung verbunden. Die Übertragung kann auch mit Glasfaserkabeln realisiert werden, um die EMV-Störfestigkeit im Umspannwerk sicherzustellen. Die Steuerung befindet sich im Betriebsgebäude der Station, von dort werden alle Kameras zentral überwacht und die Daten werden auch hier analysiert und gespeichert.

Die zustandsorientierte Instandhaltung kritischer Anlagen ist für Stromversorger aus Sicherheitsgründen unerlässlich. Aufgrund der Genauigkeit, Geschwindigkeit und Sicherheit verfügt die Infrarot-Thermografie über besondere Vorteile.

Tragbare Wärmebildkameras sind seit Jahren ein bewährtes Werkzeug für die zustandsorientierte und vorbeugende Instandhaltung an elektrischen Verteilungen in Nieder-, Mittel- und Hochspannungsanlagen, sie werden oftmals in periodischen Zeitabständen eingesetzt. Optimierte Instandhaltungskonzepte in der Industrie erfordern jedoch immer mehr die kontinuierliche Überwachung von kritischen Anlagen wie Transformatoren, Verteilereinrichtungen und Umspannwerken mittels automatisierter Frühwarnsysteme.
Die erhöhten Energiebelastungen an zum Teil altem Equipment sind Hauptursache für Störungen oder komplettes Bauteilversagen. Um dies zu verhindern, werden stationäre Thermografiesysteme permanent an kritischen Stellen und Gesamtanlagen eingesetzt. So werden Wartungsarbeiten und Materialbeschaffung planbar. Zudem wird die Sicherheit von ganzen Anlagen erhöht bzw. ein kompletter Produktionsausfall oder ein Totalverlust von Anlagen durch ein Brandereignis vermieden.
Automatisierte Kamerasysteme der neusten Generation werden bereits von großen Energieversorgern zur Fernüberwachung von Umspannwerken eingesetzt. Die Systeme umfassen festinstallierte, robuste Infrarotkameras als Messgeräte zur Erkennung elektrischer Störungen und Verschleiß. Intelligente Software ermöglicht den Kameras, sichtbare Anlagenteile im Umspannwerk automatisiert zu erfassen und genau zu vermessen. Hierfür sind jedoch einige kritische Parameter zu berücksichtigen.

Grundlagen der Infrarot-thermischen Messung

Jedes Objekt, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt, emittiert Strahlung. Diese Strahlung wird Wärmestrahlung genannt und hängt vor allem von der Temperatur ab. Man spricht von Infrarotstrahlung, weil sich die Wellenlängen dieser Strahlung vorrangig im elektro-magnetischen Spektrum oberhalb des sichtbaren roten Lichts befinden, das heißt im infraroten Bereich. Die Temperatur ist der entscheidende Faktor für Strahlung und Energie.

Infrarote Strahlung transportiert Energie. Diese abgestrahlte Energie wird zur Bestimmung der Temperatur von Objekten, zum Beispiel einem elektrischen Kontakt oder einer Transformatordurchführung verwendet.
Die heutigen thermischen Kameras verfügen über hochentwickelte 2D-Detektoren, die als Focal Plane Arrays (FPA) bezeichnet werden und das vom Objekt abgestrahlte Infrarotspektrum detektieren. So werden Pixel für Pixel elektrische Signale erzeugt, die, entsprechend kalibriert, in Temperaturwerte umgewandelt werden, was dem Bild des Objekts entspricht. Mit Hilfe von Software können diese thermischen Bilder analysiert und dokumentiert werden, um die Temperaturen einzelner Objekte einer Szene zu messen und zu bewerten. Ein kritischer Parameter, der bei der Infrarotmessung berücksichtigt werden muss ist der Emissionsgrad des zu messenden Objekts.

Berücksichtigung des Emissionsgrads

Der Emissionsgrad eines Objekts ist eine Eigenschaft des Objektmaterials und beschreibt das Verhältnis der Energie, die von der Oberfläche des Materials abgestrahlt wird im Vergleich zur Energie, die ein theoretisch perfekter Strahler (ein sogenannter schwarzer Körper) emittieren würde. Der Emissionsgrad von blanken, nicht oxidierten oder beschichteten Metalloberflächen ist bei kurzen Wellenlängen hoch und nimmt mit zunehmender Wellenlänge ab. Bei oxidierten oder verschmutzten Metalloberflächen muss kein einheitliches Verhalten vorliegen, der Emissionsgrad kann stark temperatur- und/oder wellenlängenabhängig sein.
In Umspannwerken wird beispielsweise lackierter Stahl, im Vergleich mit oxidiertem Aluminium, einen relativ hohen Emissionsgrad aufweisen. Ein weiteres Beispiel ist, dass die Emissionsgrade von keramischen Transformatordurchführungen verglichen mit solchen aus Polymeren sehr unterschiedlich sind. Um Auffälligkeiten aufzuspüren, vergleicht man daher einzelne Bauteile miteinander, die aus gleichen Materialien bestehen.

Fernüberwachung von Anlagen

ThermalSpection 724DV ist ein Wärmebildkamera-System zur thermografischen und visuellen Darstellung bzw. zur Identifikation von thermischen Abnormitäten in Umspannwerken und in anderen Bereichen der Prozessindustrie. Mit einer erweiterten, wartungsfreien Elektronik und einem speziell entwickelten Schutzgehäuse für Industrieanwendungen sowie durch die schnelle, berührungslose Temperaturmessung auch in rauen Umgebungen bietet das ThermalSpection-724DV-System ein hohes Maß an Genauigkeit, um den Anforderungen an Industrie- und Energieunternehmen gerecht zu werden.
Das System beinhaltet Software zur kontinuierlichen Erfassung und vollständigen Speicherung radiometrischer (thermischer) Bilder in einem SQL-Archiv. Mit Hilfe dieser wird die Alarmauslösung gesteuert und entsprechende Fehler können analysiert werden. Dieses Überwachungssystem ist in der Lage, mehrere Technologien (stationäre Kameras, Schwenkkameras und Pyrometrie eingeschlossen), für eine kostengünstige und umfassende Schlüssellösung zu kombinieren.
Das ThermalSpection-724DV-System ermöglicht eine erweiterte Fernüberwachung durch eine Kommunikationsverbindung von jeder Kamera zu einem lokalen Verteilerpunkt auf dem Gelände. Dadurch wird ein schneller Zugriff auf die thermischen Messwerte und Konfigurationsoptionen der Kamera gewährt. Eine sekundäre Verbindung verläuft vom Controller jeder Anlage an einen zentralen Rechner, der eine Überwachung, Steuerung und Konfiguration aller Kameras innerhalb des gesamten Netzwerkes zulässt.
Aufgrund des IP 66 zertifizierten Schutzgehäuses ist das System zum Einsatz im Außenbereich für alle Witterungsverhältnisse konzipiert und EMV-fest. Jedes System wird gezielt auf Zuverlässigkeit für den Einsatz in Umspannwerken hin untersucht, indem es speziellen Tests gemäß der IEC-Norm für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) für Umspannwerke unterzogen wird. Die Systeme sind so ausgelegt, dass sie bei minimaler Wartung im Dauerbetrieb im Feld eingesetzt werden können.
Das Anlagenelement mit der höchsten Priorität bei der Überwachung in einem Umspannwerk ist typischerweise der Transformator, gefolgt von den Leistungsschaltern. Neben den Transformatoren überwachen die Energieversorger im allgemeinen auch Isolatoren (Phasen L1, L2, L3), Kondensatorbänke, Stromwandler, Strom-Spannungs-Kombiwandler, Orts-Netztransformatoren, Sammelschienen und andere Anlagen. Bei den Transformatoren werden auch die Transformatordurchführungen, die Temperaturen der Öltanks sowie Kühlkörper und Lüfter überwacht.

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