Thermografische Diagnostik: lose Verbindungen in der Schalttafel unter Last lokalisieren
Der Übergangswiderstand an einer Verbindung ist nur sichtbar, solange Strom fließt. Eine im Leerlauf am Liegeplatz geprüfte Tafel lässt eine bereits schadhafte Verbindung durchgehen. Damit entscheidet die angegebene Lastbedingung — nicht die Kamera — darüber, ob das Ergebnis eine Aussage hat.
Eine im kalten Zustand geprüfte Verteilung zeigt nichts Verwertbares. Der Übergangswiderstand an einer Verbindung äußert sich erst als Wärme, wenn Strom fließt. Damit entscheidet die Lastbedingung — nicht die Kamera — darüber, ob das Ergebnis überhaupt eine Aussage hat.
Die Wärme an einer Verbindung wächst mit dem Quadrat des Stroms
Eine lose, korrodierte oder zu gering angezogene Verbindung ist ein erhöhter Übergangswiderstand. Die an dieser Stelle umgesetzte Verlustleistung folgt P = I²R, der Temperaturanstieg wächst also mit dem Quadrat des durchfließenden Stroms. Eine Verbindung, die bei wenigen Ampere unauffällig wirkt, läuft unter voller Last messbar heiß.
Aus diesem quadratischen Zusammenhang folgt, dass eine Schalttafel unter der maximalen Dauerlast geprüft wird, die das Betriebsmuster des Schiffes zulässt, und zwar so lange, bis sich die Temperatur stabilisiert hat. Eine Messung im Leerlauf am Liegeplatz, bei der über das Landkabel lediglich ein Ladegerät versorgt wird, lässt eine bereits schadhafte Verbindung durchgehen.
Auf Yacht- und kleineren Berufsschiffstafeln treten immer wieder dieselben Stellen auf:
- Kabelschuhe an Sammelschienen und gestapelte Verbindungslaschen
- Hauptschalterklemmen, sowohl bewegliche Kontakte als auch feststehende Messer
- Anschlüsse an Sicherungsblöcken und Hochstromsicherungshaltern
- Batteriepole, Zellverbinder und Gleichstromverteilblöcke in Hochstrompfaden
Bewertet wird die Temperaturdifferenz, nicht die absolute Temperatur
Zwei Verbindungen können dieselbe absolute Temperatur aufweisen und sich in völlig unterschiedlichem Zustand befinden, denn Oberflächenbeschaffenheit, örtliche Luftströmung und Einbaugeometrie beeinflussen den Messwert. Verwertbar ist die Differenz zwischen der verdächtigen Verbindung und einer Referenz: dieselbe Verbindung auf der Nachbarphase, ein gleich belasteter Stromkreis oder die umgebenden Flächen.
Für die Elektrothermografie existieren veröffentlichte Bewertungsstufen, sie sind jedoch für landseitige Anlagen geschrieben und setzen vergleichbare Belastung, vergleichbaren Einbau und eine bekannte Referenz voraus. An Bord treffen diese Annahmen häufig nicht zu — drei Phasen sind selten gleich belastet, und eine Tafel im Maschinenraum steht in einer Luftströmung, die sich an Land nicht nachbilden lässt. Statt einen Schwellenwert anzuwenden, dessen Übertragbarkeit nicht belegt ist, wird eine verdächtige Verbindung gegen ihre eigenen Vergleichspunkte eingeordnet und durch Öffnen bestätigt.
Der Laststrom wird zu jeder Messung erfasst. Eine Temperaturdifferenz ohne den Strom, der sie erzeugt hat, lässt sich in der nächsten Saison nicht mit derselben Verbindung vergleichen, weil sich die zugrunde liegende Verlustleistung verändert hat.
Oberflächen mit geringem Emissionsgrad zeigen zu wenig an
Der häufigste Weg zu einem falsch negativen Ergebnis ist ein Fehler im Emissionsgrad. Blankes poliertes Kupfer und verzinnte Sammelschienen strahlen im Infraroten schlecht ab und reflektieren gut. Ein auf eine lackierte Oberfläche eingestelltes Gerät meldet eine heiße Verbindung deshalb als kühl. Die Reflexion eines wärmeren Gegenstandes im Raum bewirkt das Gleiche in umgekehrter Richtung.
Die Bedingungen, die einen Messwert verfälschen, sind bekannt und werden während der Messung behandelt, nicht im Nachhinein diskutiert:
| Bedingung | Wirkung auf den Messwert | Vorgehen |
|---|---|---|
| Poliertes Kupfer, verzinnte Schienen | Tatsächliche Temperatur wird zu niedrig angezeigt | Vergleich mit der Nachbarphase statt Vertrauen auf den Absolutwert |
| Reflektierte Umgebungstemperatur | Kühle Flächen erscheinen warm | Blickwinkel ändern und erneut messen |
| Abdeckung entfernt | Luftströmung ändert sich, die Verbindung kühlt ab | Erfassen, ob offen oder durch ein Infrarotfenster gemessen wurde |
| Last zu kurz gehalten | Temperaturverlauf nicht stabilisiert, Anstieg zu niedrig | Last halten, bis sich der Messwert stabilisiert |
| Messfleck zwischen Metall und Isolierung | Gemischter effektiver Emissionsgrad | Abstand verringern oder Messfleck verkleinern |
Wo der Oberflächenzustand einen Absolutwert unbrauchbar macht und keine Korrektur möglich ist, stützt sich die Prüfung vollständig auf Differenzmessungen und mechanische Kontrolle.
Die Messung findet die Verbindung, sie repariert sie nicht
Eine thermografische Prüfung grenzt einen Fehler auf eine Verbindung ein. Die Instandsetzung ist ein eigener Arbeitsschritt und erfolgt am freigeschalteten Stromkreis:
- die Verbindung wird geöffnet und die Kontaktflächen auf Pitting, Verfärbung und Oxidation geprüft
- der Leiter wird auf Schäden geprüft, durch Wärme ausgeglühte Litzen auf Sprödigkeit
- geschädigte Kabelschuhe, Messer und Leiterenden werden ersetzt statt wiederverwendet
- die angrenzende Isolierung wird geprüft, da sie mit dem Leiter erwärmt wurde
- die Verbindung wird wieder zusammengebaut und mit einem kalibrierten Werkzeug auf das Herstellermoment angezogen
Ein bloßes Nachziehen stellt eine bereits heiß gelaufene Verbindung nicht zwangsläufig wieder her. Sind die Kontaktflächen mehrfach erwärmt worden, bleiben Pitting und Oxidschicht, die den Widerstand erhöht haben, auch nach dem Anziehen bestehen, und die Verbindung fällt erneut auf. Aus diesem Grund wird eine heiße Verbindung geöffnet und geprüft, statt sie an Ort und Stelle nachzuziehen.
Gleichstromverbindungen zeigen dasselbe Problem bei niedrigerer Spannung
Der Zusammenhang der Verlustleistung ist von der Systemspannung unabhängig. In 12- und 24-V-DC-Anlagen sind die Ströme hoch genug, dass derselbe Verbindungsfehler mehr Wärme erzeugt, nicht weniger. Hauptschalter, Sammelschienen, Sicherungsblöcke, Shunts und Batteriepole werden unter der maximalen Dauerlade- und Dauerentladeleistung geprüft, die die Anlage erreicht — auf den meisten Schiffen also bei laufender Maschine oder bei voller Ladegerätleistung statt im Ruhezustand.
Zellverbindern an AGM- und geschlossenen Bleibatteriebänken gilt besondere Aufmerksamkeit, da hier hoher Strom und eine korrosive Umgebung zusammentreffen und sie bei Saisonarbeiten häufig gelöst werden.
Vergleichbarkeit über die Saisons hinweg erkennt langsame Verschlechterung
Eine Verbindung fällt selten von einer Woche auf die andere aus. Sie verschlechtert sich über Lastwechsel hinweg, und das Kennzeichen ist eine Temperaturdifferenz, die von Jahr zu Jahr wächst, während der Absolutwert in einem Bereich bleibt, den niemand als auffällig bezeichnen würde. Das zu erkennen setzt vergleichbare Messungen voraus, weshalb zu jeder Prüfung erfasst wird:
- Kennzeichnung der Tafel und Lage jeder gemessenen Verbindung
- Systemspannung und Strom in Ampere zum Zeitpunkt der Messung
- welche Verbraucher in Betrieb waren, um diese Last zu erzeugen
- Referenz der Umgebung und ob Abdeckungen geöffnet waren
- die gemessenen Temperaturdifferenzen gegenüber ihren Referenzpunkten
Schiffe in der nördlichen Adria liegen über den Winter an Land und kehren in eine kurze Saison zurück. Verbindungen stehen also monatelang unbelastet in feuchter Luft und gehen dann innerhalb weniger Wochen auf dauerhaft hohe Last. Fehler, die beim Auflegen latent waren, treten in der ersten Phase echten Betriebs auf. Deshalb liegt die Prüfung vor der Saison und nicht mitten in ihr.
Thermografische Prüfungen sind Teil der Arbeiten an Gleichstromanlagen und Ladetechnik sowie der Tafelprüfung an Landstrom- und 230-V-AC-Installationen. Diese Arbeiten werden am Liegeplatz in Istrien und im Golf von Triest ausgeführt.