Diagnostische Isolationsprüfung Teil 3: Isolationsprüfgeräte

Strommessung
Alle Isolationsprüfgeräte messen in Wirklichkeit den durch Anlegen der Isolationsmessspannung fließenden Strom und verwenden diesen zum Berechnen des Widerstands. Das Prüfergebnis wird vom Gerät umgerechnet und als Widerstandswert angezeigt. Das ist praktisch, weil es einfach zu interpretieren ist – hohe Widerstandswerte weisen auf eine gute Isolation hin, während niedrige Werte anzeigen, dass die Isolation in schlechtem Zustand ist. Ferner ist eine gute Isolation ohmsch! Das bedeutet, dass das Erhöhen der Prüfspannung zwar den Stromfluss vergrößert, der Widerstand bleibt aber stets stabil.

Manche Fehler können jedoch viel einfacher interpretiert werden, wenn die Ergebnisse der Isolationsprüfung in Form von Strom angezeigt werden. Gute Isolationsprüfgeräte bieten daher dem Anwender die Möglichkeit, die Ergebnisse entweder als Widerstand oder als Strom anzuzeigen. Ein Beispiel, bei dem die Ergebnisse besser als Strom angezeigt werden sollten, ist bei Verwendung des Guard-Anschlusses, weil es bei solchen Messungen sinnvoll ist, den gesamten Kriechstrom zu kennen. Auf das Thema „Guard-Anschluss“ gingen wir ja bereits im zweiten Teil dieser Serie genauer ein.

Brennmodus
In einigen Situationen ist es nützlich einen, wenn auch kleinen, Lichtbogen zu erzeugen und aufrecht zu halten. Auf diese Weise hilft die Ionisierung mit, den Fehler optisch zu lokalisieren. Geräte, die die Erzeugung und Aufrechthaltung von Lichtbögen unterstützen, verfügen über das Leistungsmerkmal „Brennmodus“.

Kurzschlussstrom
Ein gutes Isolationsprüfgerät sollte bei einem Kurzschluss einen Prüfstrom von mindestens 3 mA treiben können. Das ist besonders hilfreich, wenn kapazitive Lasten wie z.B. lange Stromversorgungskabel geladen werden sollen. Ein Gerät mit einem Kurzschlussstrom von 3 mA kann z.B. das kapazitive Element von einem 15 km langen 33-kV-Verteilerkabel in ca.15 Sekunden laden. Unter Berücksichtigung von Kriech- und Absorptionsströmen kann für ein solches Kabel eine Gesamtladezeit von ungefähr 1 Minute erwartet werden. Bei Prüfgeräten mit weniger Ausgangsleistungsvermögen verlängert sich die Ladezeit erheblich! Das Prüfen wird, wenn überhaupt noch möglich, dann entsprechend langsamer – und umständlicher.

Ein hoher Kurzschlussstrom eines Isolationsprüfgeräts bietet aber noch einen anderen großen Vorteil, der nicht so offensichtlich ist: Die Auswirkungen auf Messungen mit Guard-Anschluss bei hohem Oberflächenkriechstrom. Um diesen Punkt zu verdeutlichen, zeigt Abbildung 19 das Ersatzschaltbild für eine Messung, bei der der Isolationswiderstand 800 M Ohm und der Oberflächenkriechstrom 4 M Ohm beträgt. Als Ergebnis zeigt sich, dass die Last auf den Ausgang des Geräts 2,0 MΩ beträgt.

Bei einer Prüfspannung von 5 kV wird daher vom Gerät gefordert, dass es einen Strom von ca. 2,5 mA liefert. Dies liegt also problemlos innerhalb der Leistungsfähigkeiten eines Prüfgerätes mit 3 mA Ausgangsleistung. Bei einem Gerät mit nur 1 mA Ausgangsleistung wäre folglich eine deutliche Verringerung der Prüfspannung zur Folge. In der Praxis würden solche Ergebnisse stark von Umgebungsbedingungen beeinflusst werden – z.B. dann, wenn sich der Oberflächenkriechstrom durch Feuchtigkeit erhöht. Diese Werte wären für die Trendermittlung als Hilfe für die vorausschauende Instandhaltung von geringem Wert. Daraus folgt: Je höher die Ausgangsleistung, desto früher erkennen Sie die Verschlechterung einer Isolation, desto zuverlässiger treffen Sie Aussagen als Basis für Investitionen.

Eine begrenzte Prüfstromfähigkeit kann aber auch noch in einem anderen Zusammenhang Probleme verursachen: wenn das Prüfobjekt einen niedrigen Isolationswiderstand hat. Dann nämlich produziert das Gerät ebenfalls ungenügend Ausgangsstrom und die Prüfspannung wird, wie in den Kurven von Abbildung 20 dargestellt, fallen. Diese Prüfergebnisse sind dann ebenfalls unzuverlässig.

Anzeige der Prüfspannung
Die Auswahl der Prüfspannung an einem Gerät bietet übrigens keine Garantie dafür, dass die gewählte Spannung am Prüfobjekt auch angewandt wird. Es gibt nur eine einzige Möglichkeit, der angewandten Spannung sicher zu sein: wenn Sie ein Gerät verwenden, das permanent misst und die Prüfspannung während der Durchführung der Prüfung anzeigt. Diese Funktion ist besonders dort wertvoll, wo starke Oberflächenkriechströme vorhanden sind oder wo Prüfobjekte einen niedrigen Isolationswiderstand aufweisen.

Technische Daten des Guard-Anschlusses
Es gibt viele Gerätehersteller, die Hochspannungs-Isolationsprüfgeräte mit Guard-Anschlüssen liefern, doch es gibt wenige, die auch die technischen Daten für deren Leistungsfähigkeit dazu angeben. Genau die haben jedoch einen großen Einfluss auf die Genauigkeit der Ergebnisse. Vereinfacht ausgedrückt, je mehr Kriechstrom vom Messkreis über den Guard-Anschluss abgeleitet wird, desto weniger Strom gibt es zu messen. Schwach konzipierte Geräte haben große Schwierigkeiten, den verbleibenden Strom hinreichend genau zu messen und so einen aussagekräftigen Wert für den Isolationswiderstand zu liefern.

Nur wenn der Gerätehersteller eine detaillierte Spezifikation für den Guard-Anschluss bietet, kann der Anwender sicher sein, dass das Gerät in der Lage ist, mit nachteiligen Prüfbedingungen klarzukommen – und den tatsächlichen Zustand der Isolation anzuzeigen. Es lohnt sich daran zu denken, dass die Effizienz der Isolationsprüfung und vorausschauende Instandhaltung von zuverlässig wiederholbaren Ergebnissen abhängt, also von deren Reproduzierbarkeit. Auch ist es verlorene Zeit auf Schwankungen bei Prüfbedingungen zu achten, wenn das Gerät aufgrund der schlechten Leistungsfähigkeit des Guard-Anschlusses schon an sich nicht in der Lage ist, genaue Ergebnisse zu liefern.

Messbereich
"Unendlich" ist kein zufriedenstellendes Messergebnis, denn solche Messwerte können nicht beurteilt werden! Daher ist es immens wichtig, dass Isolationsprüfgeräte auch für sehr hohe Widerstandswerte aussagekräftige und numerische Messwerte liefern können. Abbildung 21 zeigt einen Vergleich von Ergebnissen, die von einem Prüfgerät gewonnen wurden, das Messungen bei Werten höher als 1 T durchführen kann und von einem Prüfgerät, das „unendlich“ für alle Werte über 500 G ausgibt. Es ist leicht zu erkennen, dass das erste Gerät viel früher eine Warnung für einen möglichen Fehler anzeigt als das zweite Gerät.

Genauigkeit
Hohe Genauigkeit ist immer von Vorteil – und für aussagekräftigere Trendermittlung besonders wichtig. Besonders bei digitalen Geräten sollte die Interpretation der Genauigkeitsangaben des Herstellers mit großer Sorgfalt erfolgen. Eine Genauigkeit von ±5 % des Messwertes unterscheidet sich z.B. sehr von einer Genauigkeit von ±5 % ±3 Digits. In Abhängigkeit von der Geräteauflösung können diese drei Digits einen zusätzlichen Fehler von 3 G bedeuten oder sogar 30 G für ein Gerät, das bis zu 1 T misst.

Hohe Prüfspannung
Für viele Anwendungen sind 5 kV Standardgeräte vollkommen zufrieden stellend. In einigen Fällen ist jedoch einen höherer Prüfstrom von Vorteil. Erwartungsgemäß erzeugt das Prüfen bei 10 kV einen höheren Prüfstrom durch die Isolation und ermöglicht das Messen höherer Isolationswiderstandswerte.

Die Norm IEEE 42-2000 regelt die „Empfohlene Vorgehensweise für das Prüfen des Isolationswiderstandes bei Rotationsmaschinen“. Sie empfiehlt, dass Wicklungen mit einer Nennspannung von 12 kV oder mehr mit bis zu 10 kV geprüft werden sollten.

Sicherheit
Sicherheit steht beim Prüfen immer an erster Stelle. Sicheres Prüfen hängt natürlich weitgehend von korrekten Arbeitspraktiken ab. Aber auch das Isolationsprüfgerät selbst spielt naturgemäß eine enorm wichtige Rolle. Hochspannungsisolationsprüfgeräte werden meist auch in einer Niederspannungsumgebung eingesetzt. Das ist gut so, denn Geräte mit einer CATIV 600 V Bemessung, wie in IEC 61010 festgelegt, sind auch für diese Prüfungen die beste Wahl. Und das aus gutem Grund: Geräte mit einer hohen Sicherheitskategorie halten Hochspannungs-Transienten besser stand! Ein auf CATIII 300 V ausgelegtes Prüfgerät widersteht einem Transienten bis zu 4 kV. Ein CATIV 600 V Gerät hält Transienten bis zu 8 kV aus.

Hohe Störfestigkeit
Ein Gerät mit hoher Störfestigkeit ist die beste Möglichkeit, Auswirkungen von elektrischer Störbeeinflussung zu minimieren und homogene, vergleichbare Ergebnisse für die Trendermittlung zu erstellen. Leider erheben viele Geräte auf dem Markt den Anspruch auf eine gute Störfestigkeit. Sie versäumen es aber oft, genau das mit einer Spezifikation sicherzustellen. Achten Sie darauf! Störfestigkeitsspezifikationen müssen klar festhalten, wie viel Störstrom in den Prüfkreis induziert werden kann, ohne das Prüfergebnis zu beeinflussen. Für die meisten Anwendungen reicht eine 2 mA Störfestigkeit aus, aber für besondere Störumgebungen, wie z.B. in elektrischen Umspannanlagen und Schaltstationen, die bei 300 kV und mehr arbeiten, werden bis zu 4 mA benötigt. Um das zu erreichen, müssen die Geräte entsprechend ausgelegte, kapazitive Filter enthalten. Diese sind bei hohen Frequenzen am wirkungsvollsten.

Es ist gut möglich, dass die in den Prüfkreis induzierte Störbeeinflussung 4 mA überschreitet. Ein bekanntes Beispiel dafür ist das Anschließen an die Spitzen der Durchführungen im obersten Teil des Transformators. Die langen Prüfkabel, die hierfür benötigt werden, funktionieren wie Antennen und nehmen deshalb leicht Störbeeinflussung auf. In diesen Fällen kann selbst das beste Gerät die Lage kaum meistern, es sei denn, es werden spezielle Hochqualitäts-Prüfkabel verwendet.

DIE VORTEILE PERIODISCHER WARTUNG
Periodische Wartung, die auf Hochspannungs-Isolationsprüfung basiert, ist sehr wertvoll. Indem es rechtzeitig auf einsetzende Fehler hinweist und überbeanspruchte Geräte erkennt, bietet es für Ihren Betrieb große Vorteile – natürlich auch finanzielle! Aber nur, wenn es fachgerecht ein- und umgesetzt wird.

Eine korrekte Umsetzung umfasst auch die Auswahl geeigneter Prüfmethoden sowie geeignete Prüfeinrichtung. Alle wichtigen Punkte wurden in diesem und den vorangegangenen Artikeln diskutiert. Ein Punkt bleibt noch offen – die Verwaltung solcher Wartungsarbeiten.

Glücklicherweise gibt es eine Fülle Software, die speziell für die Durchführung solcher Projekte entwickelt wurde. Solche Software bietet normalerweise fertig formatierte Prüfformulare und eine effiziente Verwaltung der Prüfergebnisse. Darüber hinaus bietet sie Funktionen, die automatisch analysieren und identifizierte Änderung des Isolationsverhaltens klar hervorheben.