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Elektrische Komponenten in Kältekreisläufen

Industrie

Dr. Jörg Waschull

+49-351-4081-771

auf Anfrage

Hochspannungsprüfungen unter Realbedingungen

Elektrik im Kältekreislauf

In Kältekreisläufen sind elektrische Komponenten besonderen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Zusätzlich zu den normalen elektrischen Belastungen wirken Druckschwankungen, Temperaturzyklen und chemische Einflussfaktoren auf die Bauteile ein. Unter diesen Bedingungen sollen die Komponenten möglichst Jahrzehnte störungsfrei arbeiten, ohne dass eine Wartung möglich wäre.

Die Isolationssysteme von Klimakompressoren wie der Drahtlack, die Leiter-Erde-Isolierung oder Kunststoffe an den elektrischen Durchführungen unterliegen durch immer weiter steigende Betriebsspannungen und kurze Anstiegszeiten der Impulse von Frequenzumrichtern zunehmenden elektrischen Belastung. Details dazu finden sich beispielsweise in dieser GAMBICA-Publikation.

Das ILK Dresden verfügt über langjährige Erfahrungen bei der Untersuchung der Einflüsse von Kältemitteln und Kältemaschinenölen auf Elastomere und Kunststoffe unter typischen Kältekreislaufbedingungen (mehr dazu hier). Darüber hinaus werden Messungen zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Kältemaschinenölen und Kältemitteln durchgeführt (mehr dazu hier).

Der steigenden Nachfrage nach Untersuchungen möglicher Schädigungspotentiale der Kältekreisfluide auf elektrische Komponenten folgend, wurden am ILK komplexe Untersuchungsmethoden entwickelt und in neue Messtechnik eingeführten.

In den meisten Fällen von Belastungsuntersuchungen ist es erforderlich, das Verhalten von Prüflingen über den gesamten Lebenszyklus hinweg zu simulieren. Um diese Ergebnisse in vertretbaren Zeiträumen zu erzielen, werden Verfahren der beschleunigten Alterung angewandt. Die zu untersuchenden Komponenten werden erhöhten Temperaturen, Spannungen oder chemischen Konzentrationen ausgesetzt, elektrische Impulse werden verkürzt oder es werden mechanische Belastungen aufgeprägten. Auch definierte elektrische oder mechanische Vorschädigungen kommen zur Anwendung.

Die thermo-chemische Alterung elektrischer Komponenten erfolgt normalerweise in Autoklaven. In diesen Spezialbehältern können Temperaturen bis 200 °C und Drücke bis 100 bar eingestellt werden. Gleichfalls können Temperaturrampen und Druckschwankungen aufgeprägt werden. Dabei kann ein Prüflingen wahlweise der gasförmigen Kältemittelatmosphäre, flüssigem Kältemittel, einem Öl-Kältemittel-Gemisch oder anderen Substanzen, gegenüber denen das Alterungsverhalten überprüft werden soll, ausgesetzt werden.

Die gleichzeitige thermo-chemisch, elektrische Alterung erfolgt entweder in den original Verdichtergehäusen oder in speziellen Autoklaven.

Untersuchungsmethoden

Die folgenden Geräte und Untersuchungsmethoden kommen einzeln oder in Kombination zur Anwendung, um ein möglichst detailliertes Bild der ablaufenden Prozesse zu erhalten:

  • Mikroskopische Begutachtung,
  • 60kanalige Hochspannungsprüfvorrichtung mit kurzen Spannungsanstiegszeiten (Spannungsspitzen bis 1500 V, typische Impuls-Anstiegszeiten 200 - 400 ns),
  • Stoßspannungsgenerator für die Diagnose von Statorwicklungen, bei Bedarf in Kombination mit Teilentladungsmessungen,
  • Bestimmung von Durchschlagspannungen bis 12 kV Wechselspannung,
  • Messung des Isolationswiderstandes von elektrischen Komponenten in geschlossenen Systemen mit Öl und Kältemittel,
  • 18kanaliger Hochspannungsmultiplexer für automatisierte Langzeitmessungen mit freier Konfigurierbarkeit von Messzeit (z.B. 60 s), Zeitauflösung (z.B. 1 s), Wiederholrate (z.B. eine Messung täglich) in Kombination mit einem automatischen Umschalter zwischen Messphase und Hochspannungs-Belastungsphase,
  • Teilentladungsmessung bei wiederkehrenden Spannungsimpulsen mit kurzen Anstiegszeiten oder bei Wechselspannung mittels zweier Detektoren:
    • einer schmalbandigen UHF-Antenne, oder
    • einer aktiven schmalbandigen Koppeldrahschleife.
  • Hochspannungs-Impulsgenerator mit variabler Spannung (bis 2000 V), Frequenz (bis 50 kHz), Pulsdauer, Wellenform, Polarität und Anstiegsdauer (bis hinunter auf 50 ns),
  • Impedanzspektroskopie zur Messung dielektrischer Eigenschaften.

Nachfolgend werden einige Beispiele bereits entwickelter Test- und Messverfahren dargestellt.

Mikroskopie

Mikroskopische Untersuchungen sind ein wichtiger Teil der Analyse von Isolationsfehlern. Das nachfolgende Bild zeigt einen Lackdraht nach 336 h thermischer Alterung in einem Öl-Kältemittel-Gemisch.

Ölimprägnierung

Der Test elektrischer Komponenten wie beispielsweise Statoren von Kältekompressoren mittels Stoßspannung oder auf TE-Aktivität erfolgt in der Regel vor und nach einer beschleunigten Alterung. Für den Fall, dass diese Alterung in Kontakt mit einem Kältemaschinenöl erfolgt, werden die Prüflinge zunächst mit dem Öl vakuumimprägniert. Dies stellt sicher, dass die Testbedingungen vor und nach der Alterung bezüglich der inneren Ölbenetzung identisch sind.

Vorschädigung durch Teilentladungen

Eine Form der elektrischen Alterung ist die Belastung durch Teilentladungen. Das Isolationssystem wird dabei durch beschleunigte Partikel, Ozon und UV-Strahlung geschwächt. Erfolgt dies über einen längeren Zeitraum hinweg, kann ein elektrischer Durchschlag die Folge sein. Das folgende Bild zeigt eine gezielte lokale Belastung der Drahtwicklung, bevor der Stator einer beschleunigten thermo-chemischen Alterung ausgesetzt wird.

Pinholes

Wie verhalten sich sogenannte „Pinholes“ - kleine Isolationsfehlstellen - unter den in einem Kältekreislauf vorherrschenden Bedingungen? Um diese Frage zu beantworten, wurden Lackdrähte entsprechend präpariert und einer thermo-chemischen Alterung unterzogen. Das folgende Bild zeigt ein „künstliches“ Pinhole, das in den Isolationslack eingebracht wurde, bevor die Wicklung Rechteck-Spannungsimpulsen bei gleichzeitigem Kontakt mit einem Kältemittel-Öl-Gemisch ausgesetzt wurde.

Teilentladungsfestigkeit im Vergleich

Drahthersteller offerieren eine große Vielfalt an Lackdrahttypen. Viele dieser Typen tragen den Zusatz „teilentladungsfest“. Der Entwickler steht dann im Zweifel vor der Frage, welcher der Typen die besseren TE-Eigenschaften besitzt und wie sich diese während des Betriebs im Kältekreislauf ändern. Die Widerstandsfähigkeit von Lackdrähten gegen elektrische Belastungen inklusive von Teilentladungen kann mit Hilfe einer speziellen Testeinrichtung relativ zueinander verglichen werden. Dazu werden 60 Drahttwiste gleichzeitig Spannungsimpulsen ausgesetzt, die von einem Frequenzumrichter erzeugt werden. Die Impulsfrequenz beträgt 16 kHz und die Spannungsspitzen liegen bei 1500 V. Jeder einzelne Twist wird bezüglich eines Volldurchschlags überwacht. Als Ergebnis erhält man eine Statistik der Zeiten bis zum Fehler für die untersuchten Drahttypen.

Statistische Auswertung

Mit den Fehlerzeiten können Parameter für die Weibull-Verteilung bestimmt werden. Diese geben dann Auskunft über die mittlere Fehlerzeit, die Ausfallcharakteristik und ob die für die Drahttypen gefundenen Unterschiede statistisch relevant sind oder nicht.

Visuelle Bewertung

Nach einer solchen Prüfung zeigen mikroskopische Untersuchungen verschiedene Schadensbilder.

Alternative zur Durchschlagprüfung

In der Regel werden Veränderungen der Isolationsfestigkeit nach Alterungsversuchen mit Hilfe der Durchschlagspannung quantifiziert. Erfahrungen mit der 60kanaligen Testanordnung zeigen, dass im Vergleich zur Durchschlagprüfung die statistische Auswertung der Fehlerzeiten ein klareres Bild bezüglich der Frage ergibt, ob beispielsweise eine thermo-chemische Belastung mit Kältekreisfluiden die Isolationseigenschaften beeinflusst oder nicht.

Komplexe Alterung von Drahttwisten

Tests zur Isolationsfestigkeit werden normalerweise unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt. Um das Verhalten unter typischen Kältekreisbedingungen zu untersuchen, wurden Spezialautoklaven mit Hochspannungsdurchführungen entwickelt. Diese ermöglichen Hochspannungsbelastungen an Twisten, die sich entweder in Kältemitteldampf oder in einem flüssigen Kältemittel-Öl-Gemisch befinden.

Isolationswiderstand von Baugruppen

Ein Kältemittel-Öl-Gemisch ist ein Dielektrikum mit einem vergleichsweise hohen Volumenwiderstand. Diese Arbeitsstoffe sind über ihre Lebensdauer hinweg Veränderungen durch Wasseraufnahme, Abrieb und andere Verunreinigungen ausgesetzt. Zur Beantwortung der Frage, ob und wie sich diese Veränderungen auf die Isolationseigenschaften des Fluids auswirken, wurde ein 18kanaliger Test- und Messaufbau entwickelt. Dabei können beispielsweise Statoren in ihren Verdichtergehäusen über lange Zeit mit Spannungsimpulsen belastet werden. In vorgegebenen Intervallen wird die Belastung unterbrochen und der Isolationswiderstand wird gemessen. Kombiniert werden kann dieser Test beispielsweise mit den oben aufgeführten Methoden der definierten Vorschädigung.

Teilentladungsmessungen bei kurzen Spannungsimpulsen

Mit steigenden Betriebsspannungen mobiler Kältemittelverdichter steigt die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Teilentladungen während des Betriebs. Die Frage, ob diese tatsächlich auftreten, ist messtechnisch nicht einfach zu beantworten. Denn zum einen sind die Verdichtergehäuse undurchlässig für elektromagnetische Wellen, zum anderen werden die Verdichter in der Regel mit angeflanschtem Frequenzumrichter betrieben, so dass die Statoranschlüsse nicht direkt zugänglich sind. Für die Lösung des Problem bieten sich zwei Möglichkeiten an: Die Trennung des Frequenzumrichters vom Verdichtergehäuse, so dass die Statoranschlüsse von einer Drahtschlinge umschlossen werden können. Im Falle des Auftretens von Teilentladungen fließen kurzzeitig Ausgleichsströme, die Spannungsimpulse in der Drahtschlinge induzieren. Mittels geeigneter Verstärker lassen sich die Signale der Teilentladungen von anderen Signalen trennen. Alternativ ist es möglich, das Verdichtergehäuse mit einem „dielektrischem Fenster“ auszustatten und austretende elektromagnetische Wellen mit einer Antenne aufzufangen und zu analysieren.


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