Bewertung des Isolationszustandes anhand der Verteilung von Strom und Widerstand in der Messdauerfunktion

Die Messung des Isolationswiderstands beruht darauf den durch das Isoliermaterial fließende Strom bei einer für ein bestimmtes Objekt geeigneten Prüfspannung zu messen. Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes wird der Isolationswiderstand des Materials, aus dem die Isolierung besteht, berechnet. Dieser Parameter wird – dank der Möglichkeit, ihn mit den geforderten Werten zu vergleichen – im Allgemeinen als letztlich ausreichend angesehen, um zu beurteilen, ob der Zustand der Isolierung eines Objekts zufriedenstellend ist oder nicht.

Allerdings müssen die während der Prüfung auftretenden Phänomene (die sich aus der Kapazität und der Absorption ergeben) beachtet werden, insbesondere bei Objekten mit hoher Kapazität (Kabel) oder Objekten wie Motoren oder Transformatoren. In diesen Fällen kann die Beobachtung der Veränderungen des Widerstands und des Messstroms in der Zeitfunktion eine gefährliche Schwächung der Isolierung aufzeigen, auch wenn das Ergebnis der Isolationswiderstandsmessung positiv bewertet wird. In diesem Artikel werden die Grundsätze der Isolationswiderstandsmessung, die Berechnung der DAR- und PI-Koeffizienten und Beispiele für deren praktische Anwendung dargestellt.

Einführung

Jedes Isoliermaterial zeichnet sich durch eine gewisse Fähigkeit aus, Strom zu leiten, da es keine ideale Isolierung gibt, die vollständig nicht leitend ist. Diese Eigenschaft wird genutzt, um den Widerstand von Isoliermaterialien in elektrischen Geräten zu bestimmen. Die Prüfung des technischen Zustands elektrischer Anlagen, wie sie in den Bau- oder Elektrovorschriften vorgeschrieben ist und gemäß IEC 60364-6:2016 [1] durchgeführt wird, muss unter anderem die Messung des Isolationswiderstands der elektrischen Leitungen umfassen, aus denen die Anlage besteht. So werden diese Messungen in der Fachwelt der Elektriker auch allgemein wahrgenommen. Daraus ergibt sich ein bestimmtes Klischee in Bezug auf die in diesem Bereich verwendeten Messgeräte. Dieses beruht auf der Vorstellung, dass jedes Messgerät mit der richtigen Prüfspannung zur Messung des Isolationswiderstands verwendet werden kann. Im Prinzip kann man dem zustimmen – allerdings nur, wenn es um die erwähnten Messungen an elektrischen Anlagen geht.

Das einzige Problem mit welchem man zu recht kommen muss ist die Vorbereitung der Elektroinstallation für die Durchführung der Messungen. In funktionierenden Elektroinstallationen ist dies ein arbeitsintensiver Vorgang, der das Abschalten von Spannung, Verbrauchern und Steuergeräten (z. B. Stellantrieben) erfordert, was nicht immer möglich ist. Diese Unannehmlichkeit kann man sich jedoch ersparen, wenn man die Möglichkeit nutzt, stromführende Leitungen für die Dauer der Messung in bestimmten Stromkreisen kurzzuschließen, wie es die IEC 60364-6:2016 p 61.3.3 [1] Norm erlaubt.

Es sieht bei fortgeschritteneren Messungen völlig anders aus, z. B. im Falle von Elektromotoren, Transformatoren, MS-Kabeln oder Geräten, die hohe Prüfspannungen erfordern. In diesem Fall muss man sich mit Phänomenen auseinandersetzen, die während der Messung auftreten, sowie mit Messgeräten, die eine korrekte Durchführung der Prüfung ermöglichen.

Kapazitätsladestrom, Polarisationsstrom, Ableitstrom

Abb. 1. Veranschaulichendes Diagramm der Ströme bei der Isolationswiderstandsmessung

Abb. 1. zeigt eine Übersicht des Verlaufes der Ströme in der Zeitfunktion. Beim Anlegen der Prüfspannung an den zu messenden Stromkreis ist der kapazitätsbedingte Strom am höchsten und verschwindet, nachdem er aufgeladen ist, viel schneller als der Absorptionsstrom, der sich ebenfalls abbaut, was wiederum auf die Fähigkeit des Materials zur Ladungsspeicherung zurückzuführen ist. Erst nach Beendigung dieser Phänomene kann das Ergebnis des Isolationswiderstands abgelesen werden. Es ist zu beachten, dass die durch diese Ströme verursachten Änderungen der Messwerte des Messgeräts nicht wirklich eine Änderung des Isolationswiderstands darstellen, sondern lediglich das Ergebnis des Messvorgangs sind.

Die routinemäßige Prüfung beschränkt sich daher auf das Ablesen des gemessenen Isolationswiderstandswertes, nachdem sich das Ergebnis stabilisiert hat. Die Beobachtung dieses Verfahrens über die Zeit ist jedoch ein sehr wichtiges und nützliches Diagnosewerkzeug. Es kann zu einer solchen Beschädigung der Isolation kommen, welche das geprüfte Objekt disqualifiziert, obwohl es das zulässige Widerstandskriterium erfüllt. Solche Fälle treten häufig auf, wenn z. B. bei der Überholung eines Motors eine spezifische, teilweise Beschädigung der Isolation auftritt. Dies gilt nicht nur für das reine Umwickeln von Motoren, sondern auch für mechanische Reparaturen, z. B. den Austausch von Lagern (der Einbau einer Motorabdeckung kann die Isolierung der Wicklungsfläche beschädigen). Die korrekte Nutzung der Informationen, die das Prüfverfahren liefert, schützt uns vor einer falschen Einschätzung der vollen Leistungsfähigkeit des kontrollierten Objekts.

DAR und PI Koeffizienten

Bei der Messung einer guten, unbeschädigten und ungedämpften Isolierung ist zu erwarten, dass die Messwerte des Messgeräts mit der Zeit ansteigen, was auf die in Abb. 2 dargestellte Änderung des Gesamtstroms zurückzuführen ist. Aus den Zeitintervallen werden die für den Messvorgang charakteristischen Koeffizienten berechnet: DAR (dielectric absorption ratio) und PI (polarisation index).

Ein Anstieg der Messgeräteanzeigen führt natürlich dazu, dass die genannten Koeffizienten Werte größer als 1, bei einer guten Isolierung, annehmen.

Das dielektrische Absorptionsverhältnis (DAR) ist das Verhältnis zwischen dem Messergebnis in MΩ innerhalb von 1 Minute und dem Ergebnis in MΩ nach 30 Sekunden. Wenn sich der gemessene Ableitstrom innerhalb von 1 Minute stabilisiert, wird die Prüfung in der Regel nicht mehr zur Bestimmung des PI-Faktors herangezogen, da das Verhältnis der Messwerte etwa 1 beträgt. Wie die Formel schon sagt, ist der PI-Koeffizient das Verhältnis des Ergebnisses in MΩ nach 10 Minuten zu dem Ergebnis in MΩ nach 1 Minute.

Die DAR- und PI-Werte, die in der Literatur und von den Prüfgeräteherstellern üblicherweise zur Beurteilung des Isolationszustandes angegeben werden, sind in Tab. 1. aufgeführt.

Tabelle 1. Werte für DAR und PI-Koeffizienten

Lfd. Nr.	DAR	PI	Isolationszustand
1.	<1,2	1 - 2	Unklar, fraglich
2.	1,2 – 1,6	2 - 4	Gut
3.	>1,6	>4	Perfekt

Die Koeffizienten sollten keine Werte unter 1 annehmen, da die Isolationswiderstandsanzeigen während der Messung nicht abnehmen dürfen.

Es ist auch zu beachten, dass die Stromänderungen bei hohen Isolationswiderstandswerten sehr gering sein können, also ein paar oder mehrere nA betragen. Daher stellt die IEEE 43-2013 [2] Norm Folgendes fest:

„Wenn die Ablesung des Isolationswiderstandes R_iso, nach Anlegen einer Spannung für 1 Minute erlangt, größer als 5000 MΩ ist, kann der gemessene Gesamtstrom (I total), aufgrund der Größe der angelegten Dauerspannung, im Sub-Mikroampere-Bereich liegen. Auf diesem Niveau der erforderlichen Empfindlichkeit des Prüfgeräts können kleine Änderungen der Versorgungsspannung, der Umgebungsfeuchtigkeit, der Prüfanschlüsse und anderer nicht zusammenhängender Komponenten den Gesamtstrom, der während des für die PI-Prüfung erforderlichen Intervalls von 1 bis 10 Minuten gemessen wird, erheblich beeinflussen. Aufgrund dieser Phänomene, kann das PI, muss aber nicht, bei einem  R_iso von mehr als 5 000 MΩ den korrekten Isolationszustand wiedergeben und wird daher nicht als Bewertungswerkzeug empfohlen.“

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei Motoren mit keinem oder geringem Absorptionsstrom, bei denen sich der Ableitstrom innerhalb 1 Minute stabilisiert, die PI-Werte nahe oder gleich 1 sind. In diesem Fall ist PI kein geeignetes Bewertungswerkzeug. Dies ist häufig bei rotierenden Geräten mit zufälligen Wicklungen der Fall.

Bei der Bestimmung der Koeffizienten ist es nicht erforderlich, eine Temperaturkorrektur vorzunehmen, da sowohl DAR als auch PI Verhältnisse sind. Wenn die Prüfung also über den gesamten Bereich unter konstanten Bedingungen verläuft, ist dies verständlich. Es wird empfohlen, Motoren mit niedrigen Isolationswiderstandswerten nicht mit höheren Prüfspannungen als empfohlen zu messen. Dies liegt daran, dass es oft Geräte gibt, für die in polnischen Normen keine Isolationswiderstandswerte vorgeschrieben sind. In diesem Fall kann die ANSI/NETA MTS-2011 Norm verwendet werden (Tabelle 2) [3]. 

 

Tabelle 2. Prüfspannung und erforderliche Mindestwerte für den Isolationswiderstand in Abhängigkeit von der Nennspannung des zu prüfenden Objekts

Nennleistung des Geräts (Volt)	Minimale Prüfspannung (DC)	Empfohlener Mindest-Isolationswiderstand (Megohm)
250	500	25
600	1,000	100
1,000	1,000	100
2,500	1,000	500
5,000	2,500	1,000
8,000	2,500	2,000
15,000	2,500	5,000
25,000	5,000	20,000
34,500 und darüber	15,000	100,000

 

Praktisches Beispiel

Um den Isolationswiderstand und die DAR- und PI-Koeffizienten zu prüfen, stellte ein Unternehmen, das Motoren überholt, einen zufällig ausgewählten Motorstator nach dem Umwickeln zur Verfügung. Für die Messungen wurde ein Sonel MIC-10k1 Messgerät mit der Funktion der Erstellung von Diagrammen mit Strom- und Spannungsverläufen in der Zeitfunktion verwendet.

Fig. 2. Measurement result on the IMI meter and the tested 40 kW / 400 V motor stator

Der geprüfte 40kW/400V-Motorstator wurde neu gewickelt und überholt. Nach Erwärmung und Abkühlung wurde er den Messungen unterzogen. Das IMI-Messgerät zeigte eine Messbereichsüberschreitung bei einer Prüfspannung von 500 V (>300 MΩ) an. Messungen mit einem Sonel MIC-10k1 Messgerät mit höherem Messbereich ergaben einen Isolationswiderstandswert von 430 MΩ. Der DAR-Koeffizient erreichte jedoch einen Wert von 1,2. Dies ließ begründete Zweifel am Zustand der Isolierung aufkommen, obwohl das Ergebnis um ein Vielfaches über dem geforderten Grenzwert (5 MΩ oder ANSI NETA 25 MΩ) lag. Da der Motorstator mit neuen Verbindungsisolatoren aus Porzellan ausgestattet war und außerdem erwärmt und getrocknet wurde, konnte der Einfluss möglicher Feuchtigkeit ausgeschlossen werden. Die Strom- und Widerstandskurve während der Messung ist unter diesen Umständen interessant.

Abb. 3. Strom- und Widerstandskurve. Sichtbare Anomalien

Etwa in der vierzigsten Sekunde kommt es zu einem starken Anstieg des Isolationswiderstands, woraufhin der Widerstand fast sofort wieder abfällt und der Vorgang sich wiederholt. Aus den oben genannten Gründen wurden störende externe Faktoren ausgeschlossen. Das Problem musste daher in der Isolierung der im Motorstator befindlichen Wicklungen selbst gesucht werden.

Eine gründliche Sichtprüfung konnte die Ursache nicht feststellen. Dies war nur durch die sukzessive Entfernung der Wicklungen möglich. Das Problem war ein Presspanabstandshalter, der gerissen war. Beim Einlegen der Wicklungen in die Nuten des Motorstators geriet der Wickeldraht zwischen den Presspan und die Nut und lag direkt in der Nut, wobei er den von seiner Presspanisolierung befreiten Motorstator berührte. Der Wickeldraht ist emailliert, so dass die erhaltenen Anzeigen das Ergebnis eines Stromflusses an der Kontaktstelle zwischen Wickeldraht und Motorstator waren. Ein Betrieb des Motors in diesem Zustand hätte den Motor mit Sicherheit beschädigt. Der Motorstator wurde erneut gewickelt.

Abb. 4. Strom- und Widerstandsdiagramm nach dem Neuwickeln. Korrektes Diagramm

Wie aus dem Diagramm in Abb. 4 ersichtlich ist, konnte der Isolationswiderstand durch das korrekte Wiederaufwickeln erneut 12 GΩ (vorher 430 MΩ) erreichen, bei einem gleichzeitig korrekten, konstanten Widerstandsaufbau während der Messung, was auch durch den DAR-Koeffizienten = 2 angezeigt wurde.

Zusammenfassend zeigt das dargestellte Beispiel die Wirksamkeit der Methode zur Erkennung von Isolationsbeschädigungen anhand des DAR-Koeffizienten und der Diagrammform. Das Unternehmen, in dem die Prüfungen durchgeführt wurden, führte nach der Diagnose dieses Falles vollständige Prüf- und Messverfahren für die überholten Motoren ein, änderte die Methode zum Trimmen des Presspans und stattete die Werkstatt mit den entsprechenden Messgeräten aus. Seitdem hat sich ein ähnlicher Vorfall in diesem Unternehmen nicht mehr ereignet. Andererseits wurden nach mechanischen Überholungen (z. B. Austausch von Lagern) mehrfach Isolationsverletzungen festgestellt.

Abb. 5. Beschädigung des Isoliermantels durch Schneiden mit einem Deckel

In Anbetracht der Folgen der Ausfallzeiten, die – wenn auch in geringer Zahl – immerhin vermeidbar sind, erscheint eine vollständige Untersuchung nicht nur auf Isolationswiderstand besonders gerechtfertigt. Die Kosten für die Anschaffung eines geeigneten Messgeräts sind im Verhältnis zu den Schäden, die an einem Objekt mit einem verborgenen Defekt entstehen können, gering und sicherlich akzeptabel.

Die in diesem Artikel enthaltenen Informationen sollen lediglich ein Signal setzen, um den Blickwinkel zu erweitern und darauf hinzuweisen, dass bei der Prüfung des Isolationswiderstands elektrischer Geräte Routine zu vermeiden ist. Dieses Wissen soll dazu anregen, die Ursachen der bei den Messungen auftretenden Phänomene zu erforschen und sie bei der Beurteilung des Isolationszustandes der zu prüfenden Objekte praktisch zu nutzen. Im Anhang Nr. 1 befindet sich ein Beispiel für ein Motorprüfprotokoll.

Literatur

[1] Norm IEC 60364-6:2016 Low voltage electrical installations - Part 6: Verification
[2] IEEE 43-2013 IEEE Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Electric Machinery
[3] ANSI/NETA MTS-2011 Standard for Maintenance Testing Specifications for Electrical Power Equipment and Systems
SONEL S.A. Materialien und Eigenmaterialien des Autoren

 

Roman Domański
SONEL S.A.