Überlegungen zur Temperaturerhöhung bei Niederspannungsdurchführungen

Was ist der Temperaturanstieg in einer Niederspannungsdurchführung und warum ist er von Bedeutung?

Temperaturanstieg der LV-Durchführung ist der Temperaturanstieg über die Umgebungstemperatur hinaus, der sich im Leiter, an den Kontaktstellen und in der umgebenden Isolierung einer Niederspannungsdurchführung aufbaut, wenn Laststrom durch diese fließt. Er entsteht durch ohmsche (I²R-)Erwärmung im Leiter und im Anschlussbolzen sowie durch geringere Kontakt- und dielektrische Verluste an den Anschlussstellen – und ist der einzelne Faktor, der die Lebensdauer einer Durchführung am ehesten verkürzt, wenn er in der Auslegungsphase unterschätzt wird.

Im Gegensatz zu einem mechanischen Ausfall führt ein übermäßiger Temperaturanstieg selten zu einem sofortigen Ausfall. Stattdessen beschleunigt er die Alterung der Isolierung in einer Weise, die in der Fachliteratur zu Transformatoren und Schaltanlagen gut dokumentiert ist: Als weithin zitierte technische Faustregel gilt, dass sich die erwartete Lebensdauer der Isolierung bei jeder dauerhaften Temperaturerhöhung um 8–10 °C über der Nennklasse der Isolierung etwa halbiert. Eine Durchführung, die über Jahre hinweg 15 °C heißer als ihr Auslegungspunkt betrieben wird, versagt nicht bereits im ersten Jahr – sie versagt Jahre vor dem geplanten Zeitpunkt, was oft als “normaler Verschleiß” abgetan wird, anstatt dass dies auf eine bereits in der Angebotsanfrage getroffene Auslegungsentscheidung zurückgeführt wird.

In diesem Leitfaden wird erläutert, wodurch es zu einem Temperaturanstieg in Niederspannungsdurchführungen, wie sie geprüft und klassifiziert werden, welche Strom- und Umgebungsfaktoren Ingenieure bei der Auslegung berücksichtigen sollten, welche Anzeichen vor Ort auf ein Problem hindeuten und welche praktischen Maßnahmen zur Abhilfe ergriffen werden können. Niederspannungsdurchführungen sind Teil des umfassenderen Transformatorenzubehör Kategorie, und Käufer, die ein komplettes Zubehörpaket in Betracht ziehen, können bei der Auswahlhilfe für Transformatorenzubehör um zunächst einen übergreifenden Überblick über die Kategorie zu gewinnen, bevor man sich auf die spezifischen thermischen Leistungsmerkmale konzentriert.

Was führt zu einem Temperaturanstieg bei Niederspannungsdurchführungen?

Der Temperaturanstieg ist kein isoliertes Phänomen – er ist die Summe mehrerer unabhängiger Wärmequellen, und wenn man ihn als einen einzigen Wert betrachtet, bleibt verborgen, welche davon bei einer bestimmten Anlage tatsächlich das Problem darstellt.

Ohmsche (I²R-)Verluste im Leiter

Die vorherrschende Wärmequelle in den meisten Niederspannungsdurchführungen ist der I²R-Verlust im stromführenden Bolzen oder Leiter: Die erzeugte Wärme ist proportional zum Quadrat des Stroms, sodass eine Erhöhung des Laststroms um 20% die ohmsche Erwärmung um etwa 44% erhöhen kann, nicht um 20%. Leiterquerschnitt, Material (Kupfer vs. Aluminium) und Länge bestimmen den Basiswiderstand, auf dessen Grundlage dieser Verlust berechnet wird.

Kontakt- und dielektrische Verluste

Der Kontaktwiderstand an geschraubten oder gecrimpten Anschlussstellen führt zu einer lokalen Erwärmung, die bei einer Temperaturmessung am Leiterkörper nicht erfasst wird – eine lose oder nicht mit dem richtigen Drehmoment angezogene Verbindung kann 20–30 °C heißer werden als der umgebende Leiterkörper, selbst wenn der Leiter selbst noch deutlich innerhalb der Nennwerte liegt. Die dielektrischen Verluste in der umgebenden Isolierung sind bei Niederspannungswerten in der Regel gering, steigen jedoch mit zunehmender Alterung der Isolierung oder beim Eindringen von Feuchtigkeit an und verstärken so die ohnehin bereits vorhandene Widerstandswärme.

[Expertenmeinung: Wo sich die Hitze tatsächlich konzentriert]

• Anschlussklemmen – und nicht der Leitungsmittelpunkt – sind der häufigste Ort für Hotspots bei der Thermografie vor Ort.
• Für Anschlussstellen zwischen Aluminium und Kupfer sind bimetallische Bauteile oder eine Antioxidationsmasse erforderlich, um eine langfristige Drift des Kontaktwiderstands zu vermeiden.
• Schon eine einzige zu schwach angezogene Schraube kann eine Überlaststelle verursachen, die selbst ein Leiter mit den richtigen Abmessungen nicht ausgleichen kann.

Wie wird der Temperaturanstieg geprüft und bewertet?

Der Temperaturanstieg wird durch eine Typprüfung nachgewiesen und nicht anhand einer Berechnung aus dem Datenblatt angenommen: Die Durchführung wird mit Nennstrom belastet, bis sie das thermische Gleichgewicht erreicht (in der Regel, wenn die Temperaturanstiegsrate unter etwa 1 °C pro Stunde fällt), und der daraus resultierende Anstieg über die Umgebungstemperatur wird am Leiter, an der Klemme und an allen eingebetteten Isolationsreferenzpunkten gemessen.

Die entsprechende Norm ist IEC 60137:2017, Abschnitt 4.8 (Maximalwerte für Temperatur und Temperaturanstieg gegenüber der Umgebungsluft), das den Rahmen dafür vorgibt, wie der Temperaturanstieg je nach Isolations- und Bauart gemessen und angegeben wird. Die konkreten zulässigen Grenzwerte für den Temperaturanstieg variieren je nach Isolationsklasse und Bauart, daher sollten Käufer den geprüften Temperaturanstiegswert für genau ihre Durchführungsbauart erfragen, anstatt davon auszugehen, dass für alle Klassen ein einheitlicher Wert gilt &mdash.

Ein Routinetest bei Nennstrom gibt die Betriebsbedingungen nicht immer exakt wieder – die Umgebungstemperatur im Gehäuse, der Luftstrom und benachbarte Wärmequellen (wie beispielsweise in der Nähe befindliche Sicherungsschalter oder Stufenschalter) können dazu führen, dass die tatsächliche Betriebstemperatur über den Wert der Typprüfung steigt. Aus diesem Grund ist die Leistungsreduzierung unter realen Installationsbedingungen ebenso wichtig wie die Nennleistung selbst.

Welche Nennströme und Umgebungsfaktoren sollten Ingenieure berücksichtigen?

Die ausschließliche Festlegung des Nennlaststroms ohne Berücksichtigung von Umgebungs- und Gehäusebedingungen ist der häufigste Grund dafür, dass Probleme mit der Temperaturerhöhung bereits in einem Projekt verankert werden, noch bevor die Durchführung überhaupt bestellt wurde.

Auswirkungen der Umgebungstemperatur und des Gehäuses

Eine Buchse, die für eine Umgebungstemperatur von 40 °C ausgelegt ist, wird in einem unbelüfteten Kioskgehäuse, das direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, messbar heißer werden, da die Lufttemperatur im Inneren dort die Außenumgebungstemperatur um 10–15 °C übersteigen kann. Käufer sollten ihre Auswahl anhand der zu erwartenden Innentemperatur des Gehäuses treffen und nicht anhand der regionalen Wetterdurchschnittswerte.

Lastanstieg und Einschaltdauer

Die Nennstromstärke sollte das prognostizierte Lastwachstum über die gesamte Lebensdauer des Transformators widerspiegeln und nicht nur die derzeit angeschlossene Last – eine Durchführung, die ohne Sicherheitsreserve für den aktuellen Spitzenbedarf ausgelegt ist, lässt keinen thermischen Spielraum, sobald die Last auch nur geringfügig ansteigt. Wenn der Betriebszyklus regelmäßige Kurzzeitüberlastungen umfasst (wie sie in Verteilungsnetzen mit saisonalen Nachfrageschwankungen üblich sind), spielt die thermische Zeitkonstante der Durchführung eine Rolle: Eine Durchführung mit kurzer thermischer Zeitkonstante erwärmt sich bei einer Überlastung schneller, kühlt aber auch schneller ab, sobald die Last sinkt, während eine größere, massereichere Durchführung in beide Richtungen langsamer reagiert.

[Expertenmeinung: Gewinnspanne jenseits der Nennleistung]

• Die Nennstromstärke sollte anhand der prognostizierten Spitzenlast und nicht anhand der heutigen Nennleistung auf der Typenschildangabe ausgelegt werden
• Bei der Angabe der Temperaturklasse ist die Innentemperatur des Gehäuses und nicht die Außenumgebungstemperatur zu berücksichtigen.
• Fordern Sie die Leistungsreduzierungskurve des Herstellers für die kombinierten Werte von Höhe und Umgebungstemperatur an, nicht für jeden Wert einzeln.

Was sind die Anzeichen für einen übermäßigen Temperaturanstieg vor Ort?

Probleme mit Temperaturanstieg treten selten unbemerkt auf. Verfärbungen der Isolierung in der Nähe der Klemme, ein schwacher, aber anhaltender Geruch an der Durchführungsstelle oder eine Klemme, die sich auch lange nach dem Abfallen der Last noch warm anfühlt, sind alles Anzeichen, die es zu untersuchen gilt, bevor sie zu einem Ausfall führen. Bei Felduntersuchungen an Niederspannungsdurchführungen wurde als häufigste Ursache eine Anschlussverbindung festgestellt, die nach der Inbetriebnahme nie nachgezogen wurde – und nicht ein Herstellungsfehler an der Durchführung selbst.

Diagnose-Checkliste

• Infrarot-Thermografie während der Spitzenlast, Vergleich der Anschlussklemmentemperatur mit der Temperatur des Leiterkörpers und der benachbarten Phasen
• Drehmomentprüfung an Schraubverbindungen – eine Verbindung, die sich durch Temperaturwechsel gelockert hat, ist die häufigste Ursache für lokale Überhitzungsstellen, die sich beheben lässt
• Sichtprüfung auf Verfärbungen, Rissbildung an der Oberfläche oder kreidartige Rückstände an der Isolierung in der Nähe der Klemme
• Überprüfung der bisherigen Belastungshistorie im Vergleich zur ursprünglichen Nennstromstärke der Durchführung, um sicherzustellen, dass noch eine Sicherheitsreserve vorhanden ist

Außendienstteams, die eine umfassendere Diagnoseabfolge durchlaufen und sich nicht nur auf thermische Symptome beschränken, können auf ZeeyiElecs Arbeitsablauf der Fehlerdiagnose im Feld für einen strukturierten Ansatz, bei dem thermische, dielektrische und mechanische Ausfallindikatoren gemeinsam berücksichtigt werden, anstatt jeden einzelnen isoliert zu untersuchen. Bei Installationen, bei denen dieselbe Klemme auch als Kabelanschluss dient, sollten die thermischen und mechanischen Belastungen an dieser Verbindungsstelle gemeinsam mit der zugehörigen Kabelzubehör, da eine schlecht sitzende Kabelschuhe die eigentliche Ursache für einen „Hot Spot“ sein kann, der der Durchführungsmuffe zugeschrieben wird.

Wie lässt sich der Temperaturanstieg bei der Planung und Installation mindern?

Die meisten Probleme mit überhöhter Temperatur lassen sich auf eine von drei Ursachen zurückführen: einen für die tatsächliche Belastung zu kleinen Leiterquerschnitt, eine Anschlussverbindung, die nicht ordnungsgemäß angezogen oder gewartet wurde, oder ein Gehäuse, in dem sich Wärme staut, was in der ursprünglichen Spezifikation nicht berücksichtigt wurde.

Maßnahmen zur Risikominderung in der Entwurfsphase

• Den Leiterquerschnitt mit einer Sicherheitsmarge oberhalb des berechneten Nennstroms festlegen, nicht auf dem berechneten Mindestwert.
• Vergewissern Sie sich vor der endgültigen Festlegung einer gemischten Kupfer/Aluminium-Schnittstelle, dass die Beschichtung der Anschlüsse und die bimetallischen Bauteile miteinander kompatibel sind.
• Fordern Sie die vom Hersteller geprüfte Anstiegskurve an, anstatt sich auf einen einzigen Datenpunkt zum Nennstrom zu verlassen.

Maßnahmen zur Risikominderung bei Installation und Wartung

• Ziehen Sie alle Anschlussverbindungen mit dem vom Hersteller angegebenen Drehmoment fest und überprüfen Sie diese nach dem ersten Temperaturwechselzyklus erneut.
• Stellen Sie sicher, dass die Belüftung des Gehäuses den Auslegungsannahmen entspricht, die für die Umgebungsbedingungen der Durchführung zugrunde gelegt wurden.
• Führen Sie regelmäßig Infrarot-Thermografieuntersuchungen an kritischen Verbindungsstellen durch, anstatt auf sichtbare Anzeichen zu warten.

Häufig gestellte Fragen

Was ist ein normaler Temperaturanstieg bei einer Niederspannungsdurchführung?

Der zulässige Temperaturanstieg hängt von der Isolationsklasse und der Bauart der Durchführung ab, daher gibt es keinen einheitlichen Wert; Käufer sollten den vom Hersteller ermittelten Temperaturanstiegswert für die jeweilige Bauart erfragen, anstatt von einem allgemeinen Wert auszugehen.

Inwieweit beeinflusst die Umgebungstemperatur die sichere Strombelastbarkeit einer Buchse?

Die Umgebungstemperatur verringert direkt die sichere Betriebsreserve – bei einem Gehäuse, dessen Temperatur 10–15 °C über der Außenumgebungstemperatur liegt, verringert sich der Abstand zwischen der Betriebstemperatur und dem Nenngrenzwert der Isolierung erheblich. Aus diesem Grund sollten neben der Spannungs- und Stromklasse auch die Gehäusebedingungen angegeben werden.

Kann eine lockere Anschlussverbindung zu einem Temperaturanstieg führen, selbst wenn der Leiter die richtige Querschnittsgröße hat?

Ja – Kontaktwiderstand an einer lockeren oder zu schwach angezogenen Klemme kann zu einer lokalen Überhitzung führen, die 20–30 °C über der Temperatur des umgebenden Leiters liegt, unabhängig davon, ob der Leiter selbst für die Last ausreichend dimensioniert ist.

Wie oft sollte der Temperaturanstieg nach der Installation überprüft werden?

Die meisten Betreiber kombinieren die Infrarot-Thermografie während der Spitzenlastzeiten mit regelmäßigen Wartungsinspektionen; die genauen Intervalle variieren je nach Kritikalität der Anlage und den lokalen Wartungsrichtlinien des Energieversorgers, sodass die konkrete Planung im Einklang mit dem betriebseigenen Anlagenmanagementprogramm erfolgen sollte.

Erhöht die Übergangsstelle zwischen Aluminium- und Kupferanschluss das Risiko eines Temperaturanstiegs?

Dies ist möglich, sofern keine bimetallischen Bauteile oder Antioxidationsmittel verwendet werden – an Schnittstellen zwischen unterschiedlichen Metallen kommt es häufiger zu einer langfristigen Drift des Kontaktwiderstands als bei Verbindungen aus demselben Metall, was sich bei wiederholten Temperaturwechseln noch verstärkt.

Ist eine höhere Nennstromstärke bei der Auswahl einer Durchführung immer die sicherere Wahl?

Nicht unbedingt unter Kosten- oder Passformgesichtspunkten, aber die Auslegung mit einer Sicherheitsmarge über der prognostizierten Spitzenlast – anstatt auf das berechnete Minimum – ist im Hinblick auf die langfristige thermische Leistung in der Regel der sicherere Ansatz, da so ein Spielraum erhalten bleibt, wenn die Last während der Lebensdauer des Transformators ansteigt.