Ein großes deutsches Unternehmen der Prozessindustrie, das seine Anlagen dem Stand der Technik entsprechend ausrüstet, ist auf ein bislang wenig beachtetes Risiko aufmerksam geworden: Kommt es bei Hochspannungsmotoren nach langjährigem Betrieb zu Isolationsdefekten der Nuten-Temperatursensoren, entstehen potenziell erhebliche Gefahren für nachgeschaltete Systeme und die Personen, die daran arbeiten.

Knick Elektronische Messgeräte hat sich dieses Problems angenommen und schließt diese Sicherheitslücke mit einem Temperaturmessumformer, der sich durch seine extrem hohe Isolation für den Einsatz bei Hochspannungsmotoren bis 6,6 kV bzw. 11 kV eignet.

Hochspannungsmotoren im Dauerbetrieb

Hochspannungsmotoren, wie sie in der Prozessindustrie beispielsweise für Lüfter-, Pumpen- und Verdichter-Anwendungen verwendet werden, verrichten oft Jahre und Jahrzehnte klaglos ihren Dienst. Hinsichtlich der Temperatur werden sie gemäß EN 60034-1 überwacht. Die dafür verwendeten Temperatursensoren – sogenannte Nutenthermometer –  werden zusammen mit den Wicklungen jeweils einer Motorphase in die Stator-Nuten isoliert eingebaut und dienen der Erkennung von Temperaturerhöhungen, die in Folge mangelnder Kühlung oder von Überlastungen auftreten. Ihre ordnungsgemäße Isolation wird durch eine Hochspannungsprüfung bestätigt. Doch die Isolation unterliegt im Laufe eines langjährigen Motorenbetriebs Einflüssen, die zu Verschleiß und im schlimmsten Fall zu einem Versagen führen. Auch sorgfältig ausgeführte Isolationen können durch transiente Überspannungen aus dem Versorgungsnetz, Spannungsspitzen von Umrichtern, Spannungsüberhöhungen durch Reflexionen, mechanische und thermische Dauerbelastung und andere Effekte stark belastet werden. Bei Defekten der Isolation besteht die Gefahr, dass die Temperatursensoren mit dem hohen Potential einer Phase belastet werden. Das gefährdet sowohl nachgeschaltete Systeme als auch die Personen, die an diesen Systemen arbeiten.

Geringe Versagenswahrscheinlichkeit, aber hohes Risiko

Da herkömmliche Temperatur-Transmitter keinen Schutz gegen die hohen Spannungen bieten, leiten sie im Fall eines Isolationsdefekts die anliegende Motorspannung nach außen und bis zur Steuerung weiter. Auch wenn die Auftrittswahrscheinlichkeit gering ist, so entsteht durch die mögliche Schadenshöhe, wozu auch gravierende Personenschäden zählen, ein relevantes Risiko. Aus diesem Grund fordert die EN 61140 als Schutz gegen elektrischen Schlag neben dem „Schutz unter normalen Bedingungen“ eine zweite, gleichwertige und hinreichende Isolationsbarriere als „Schutz unter Einzelfehlerbedingungen“. Diese kann sinnvollerweise durch die ohnehin benötigten Temperatur-Messumformer bereitgestellt werden, die im Anschlusskasten des Motors installiert werden. Sie muss normgerecht und entsprechend der potenziell hohen Spannungsbelastung ausgelegt werden. Angesichts von Motorspannungen im Kilovolt-Bereich liegt allerdings auf der Hand, dass dies keine triviale Herausforderung ist.

Forderungen der EN 61140 erfüllbar

Das Unternehmen, das seine Anlagen gegen das beschriebene Risiko absichern wollte, hatte marktweit vergeblich nach normgerechten Temperatur-Messumformern gesucht, die für Hochspannungsmotoren ausgelegt waren. Schließlich wandten sich die Verantwortlichen an den Messtechnikspezialisten Knick. Neben dem Bereich der Analysenmesstechnik ist das zweite angestammte Geschäftsfeld des Unternehmens die Entwicklung hochwertiger Messwandler für anspruchsvolle Anwendungen. In diesem Bereich kann das Berliner Unternehmen auf über 60 Jahre Erfahrung vorweisen. Die Produkte des Hauses werden wegen der robusten galvanischen Trennung, ihrer hohen Präzision und Zuverlässigkeit häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf höchste Ausfallsicherheit ankommt – z.B. auch in der Energieerzeugung und bei großen elektrischen Antrieben. Nun stellt das Unternehmen mit den Temperaturmessumformern der Reihe Proline P44000 erstmalig Produkte für die Überwachung von Hochspannungsmotoren vor, die extrem hohe Isolation mit hochgenauer Erfassung von Pt100-Nutenthermometer verbinden. Das Signal dieser Temperatursensoren wird vom Messumformer als standardisiertes 4..20-mA-Signal an die Steuerung weitergegeben. Dabei verhindert die besonders robust ausgeführte galvanische Trennung im Messumformer, dass das Potential der Motorphase im einfachen Fehlerfall, also bei Isolationsdefekten der Nutenthermometer, weitergeleitet werden kann: Die Basisisolation des P44000 widersteht dauerhaft Arbeitsspannungen bis zu 6,6 kV AC/DC und ist damit – je nach Versorgungsart – für Hochspannungsmotoren bis 11 kV Nenn-spannung einsetzbar. Nachgeschaltete Systeme werden geschützt und die Forderungen zum Beispiel der EN 61140 können durch geeignete System-Gestaltung erfüllt werden. Bei der Auslegung gilt es, die Höhe der Spannung zu berücksichtigen, die den Sensor im Fehlerfall belastet, also beispielsweise die Spannung der Phase gegen Erde, für 11 kV-Motoren im IT-Netz: 11 kV / √3 = 6,4 kV.

Stabilität in rauer Umgebung

Die Messumformer der Reihe Proline P44000 bieten für alle üblichen Motortemperaturen die Messbereiche 0…150 °C,   0…200 °C und 0…300 °C und erreichen die hohe Genauigkeit von typisch ± 0,5 K. Pt100-Sensoren können sowohl in 2-, 3- als auch in 4-Leiterschaltung angeschlossen werden. Die Geräte mit einer Basisisolation von 6,6 kV AC/DC werden mit Prüfspannungen von 15 kV AC getestet. Trotz der hohen Isolation verfügen die Umformer im 67,5 mm schmalen Anreihgehäuse über sehr kompakte Abmessungen. Der Vakuumverguss sorgt für mechanische Stabilität und hohe Unempfindlichkeit gegen Einflüsse von außen. Zudem lassen sich die Geräte durch ihre Beständigkeit bei Umgebungstemperaturen von -40°C…85°C auch unter extremen Bedingungen einsetzen. Auch instabile Netzversorgung oder eine irrtümlich verpolt angelegte Netzspannung beinträchtigen nicht die Funktion der Umformer. Für mittlere Isolations-Anforderungen bei Arbeitsspannungen bis 2 kV AC/DC (Motoren bis 3 kV AC) ist bei Knick zudem auch eine schmale Variante des P44000 in einem nur 22,5 mm breiten Anreihgehäuse erhältlich. Auf alle Ausführungen gibt es die Knick-typischen fünf Jahre Garantie. 

Fazit

Für die Erfassung von Temperaturen mit Pt100-Widerstandsthermometern im Umfeld hoher elektrischer Potentiale stoßen gängige Temperaturmessumformer wegen unzureichender Isolation meist an ihre Grenzen. Widerstandsthermometer können zwar hochspannungsfest isoliert werden, allerdings erfordert der zur Verfügung stehende Einbauraum häufig Kompromisse; eine normgerechte Isolation ist dann kaum möglich. Überdies kann die Isolation durch thermische und mechanische Alterung geschwächt werden. Zur Temperaturmessung an Komponenten der Leistungselektronik, insbesondere zur Überwachung der Wicklungstemperatur von Elektromotoren und Generatoren, bietet die hohe galvanische Trennung des Proline P44000 Sicherheit.