IR-, PI- und Tan-Delta-Tests: Interpretation von Vor-Energisierungsergebnissen jenseits von Pass/Fail

Ein 35-kV-Vakuum-Leistungsschalter trifft bei einem Projekt zur Erweiterung eines Umspannwerks ein. Das Inbetriebnahmeteam führt Isolationswiderstandstests durch: 1.200 MΩ gegenüber einer Mindestspezifikation von 100 MΩ. Test bestanden. Dokumentation abgelegt. Die Anlage wird unter Spannung gesetzt.

Achtzehn Monate später löst derselbe VCB während eines Routine-Schaltvorgangs aus. Die Analyse nach dem Ausfall zeigt das Eindringen von Feuchtigkeit durch einen Haarriss in der Dichtung. Der Isolationswiderstand bei Ausfall? Immer noch 180 MΩ - technisch gesehen über dem Grenzwert für das Bestehen/Ausfallen.

Was bei der einzigen Inbetriebnahmemessung fehlte: Kontext. Die Diagnose vor der Einschaltung mit IR, PI und tan-delta erzeugt Zahlen, aber Zahlen ohne Interpretationskontext werden zu gefährlichen Vereinfachungen. Dieser Leitfaden räumt mit der Pass/Fail-Mentalität auf und schafft einen Diagnoserahmen, den Ingenieure vor Ort tatsächlich nutzen, um das Verhalten der Isolierung vorherzusagen.

Warum Pass/Fail-Schwellenwerte ein unvollständiges diagnostisches Bild ergeben

Schwellenwerttabellen legen Mindestwerte fest, nicht diagnostische Erkenntnisse. Ein Messwert von 500 MΩ bedeutet nichts, wenn man nicht weiß, ob der vorherige Messwert 2.000 MΩ oder 400 MΩ war. Ein und derselbe absolute Wert kann je nach Trendrichtung auf ein gesundes Gerät oder einen bevorstehenden Ausfall hinweisen.

Betrachten Sie drei aufeinanderfolgende Ausfallmessungen an einem Verteilungstransformator:

Jede Messung wurde “bestanden”. Der Rückgang des 80% über vier Jahre hinweg deutet jedoch auf eine fortschreitende Verschlechterung hin, die untersucht werden muss - und nicht auf einen weiteren Betrieb.

Drei Fragen ersetzen die einfache Abfrage "bestanden/nicht bestanden":

1. Was sagt der absolute Wert über den aktuellen Zustand aus?
2. Was sagt der Trend über die Abbaugeschwindigkeit aus?
3. Was sagen die kombinierten Testergebnisse über den Ausfallmodus aus?

Was IR, PI und Tan-Delta tatsächlich messen

Das Verständnis der physikalischen Zusammenhänge, die hinter jeder Messung stehen, verwandelt rohe Messwerte in umsetzbare Wartungsinformationen.

Isolationswiderstand: Das DC-Leckage-Prinzip

Beim Anlegen einer Gleichspannung an die Isolierung fließt der Strom über drei verschiedene Pfade: kapazitiver Ladestrom (der innerhalb von Sekunden abklingt), Absorptionsstrom durch Dipolpolarisation (der über Minuten abklingt) und stationärer Leckstrom durch Defekte. Bei der Prüfung von über 200 Mittelspannungskabelkreisen in Industrieanlagen zeigt eine feuchtigkeitsbelastete XLPE-Isolierung typischerweise IR-Werte unter 100 MΩ-km bei 1 kV Prüfspannung, während eine gesunde Isolierung unter identischen Bedingungen über 1.000 MΩ-km aufweist.

Die Messung erfolgt nach dem Ohmschen Gesetz: R_Isolierung = V_Test / Ich_Leckage, wobei die Prüfspannungen je nach Kabelspannungsklasse typischerweise von 500 V bis 5 kV reichen. Die Temperaturkorrektur ist von entscheidender Bedeutung - der IR-Wert sinkt um ca. 50% pro 10°C Anstieg der Isolationstemperatur über 20°C Referenztemperatur.

Polarisationsindex: Zeitabhängige dielektrische Antwort

PI vergleicht IR-Messungen in zwei Zeitintervallen, normalerweise 10 Minuten geteilt durch 1 Minute (PI = IR₁₀/IR₁). Dieses Verhältnis eliminiert die Temperaturabhängigkeit und zeigt die Absorptionseigenschaften auf. Gemäß IEEE 400-2012 deutet ein PI-Wert unter 1,5 auf eine erhebliche Verunreinigung oder Verschlechterung hin, die untersucht werden muss.

Tan-Delta: Analyse des AC-Verlustfaktors

Im Gegensatz zu Gleichstromverfahren wird bei der tan-delta-Prüfung eine Wechselspannung mit Netzfrequenz zur Messung der dielektrischen Verluste verwendet. Der Verlustfaktor stellt das Verhältnis von Widerstandsstrom zu kapazitivem Strom dar, der durch die Isolierung fließt. Eine gesunde XLPE-Kabelisolierung weist tan-delta-Werte unter 0,001 (0,1%) bei Nennspannung auf, während Werte über 0,01 (1%) auf eine schwere Verschlechterung hinweisen, die eine Beurteilung des Austauschs rechtfertigt.

Interpretation von IR-Ergebnissen jenseits der Megohm-Werte

Feldmessungen erfordern einen Kontext, den rohe Zahlen allein nicht bieten können.

Protokoll zur Temperaturkorrektur

Der Isolationswiderstand verdoppelt sich ungefähr pro 10°C Temperaturabnahme. Feldmessungen erfordern eine Korrektur auf eine Standardreferenztemperatur (typischerweise 20°C oder 40°C) vor dem Vergleich mit den Basiswerten.

Die Formel für die Temperaturkorrektur: R_korrigiert = R_gemessen × K_t, wobei K_t ist der Korrekturfaktor für die Temperaturdifferenz. Für eine Isolierung der Klasse A ist K_t verdoppelt sich etwa bei jeder Abweichung von 10 °C von der Referenztemperatur.

Geräte, die in den Sommermonaten bei Umgebungstemperaturen von 35°C oder mehr getestet werden, benötigen Korrekturfaktoren zwischen 1,5 und 2,0, um einen genauen Vergleich mit historischen Wintermesswerten bei 15°C zu ermöglichen.

Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Oberflächenleckage

Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von mehr als 70% erhöhen sich die Oberflächenleckströme erheblich, wodurch die Isolationswiderstandsmesswerte künstlich herabgesetzt werden. Der Polarisationsindex bleibt unter feuchten Bedingungen zuverlässiger, da sowohl die 1-Minuten- als auch die 10-Minuten-Messungen gleichermaßen betroffen sind und der diagnostische Wert des Verhältnisses erhalten bleibt.

Lesen der Zeit-Widerstands-Kurve

Gesunde Isolierung zeigt einen schnell abklingenden Absorptionsstrom, wenn sich die Dipole ausrichten, was zu IR-Verhältnissen (10 Minuten zu 1 Minute) von über 1,4 führt. Degradiertes Material zeigt eine träge Polarisationsreaktion mit Verhältnissen nahe 1,0, was auf eine verminderte Integrität der Molekülketten hinweist.

[Experteneinblick: Temperaturmanagement im Feld]

• Lassen Sie das Gerät nach dem Abschalten mindestens 4 Stunden lang thermisch stabilisieren, bevor Sie es testen.
• Messungen unter 10°C zeigen oft einen künstlich hohen Widerstand, da die Feuchtigkeit in den Poren der Isolierung gefriert.
• Zeichnen Sie immer sowohl die gemessene IR- als auch die Wicklungstemperatur für die Trendanalyse auf.
• Wenn Sie historische Daten vergleichen, normalisieren Sie die Messwerte auf einheitliche Referenzbedingungen.

Interpretation der PI-Werte - Was die verschiedenen Bereiche aussagen

Der Polarisationsindex gibt unabhängig von den absoluten Widerstandswerten einen zeitlichen Einblick in die Schwere der Degradation.

Gemäß IEEE 43-2013 gelten diese Richtlinien allgemein für Isolationssysteme, obwohl gerätespezifische Normen engere Bereiche festlegen können. [VERIFY STANDARD: IEEE 43-2013 Abschnitt 12.2 für spezifische PI-Grenzwerte nach Isolationsklasse].

Vorsicht bei hohen PI-Werten

Sehr hohe PI-Werte (>7) bei älteren Geräten können eher auf eine brüchige Isolierung mit reduzierter Kapazität als auf einen ausgezeichneten Zustand hinweisen. Korrelieren Sie den PI immer mit dem absoluten IR-Wert - ein PI von 6,0 in Kombination mit einem IR-Wert von nur 50 MΩ rechtfertigt trotz des günstigen Verhältnisses eine Untersuchung.

Tan-Delta-Analyse - Lesen von spannungsabhängigem Verhalten

Die Tan-Delta-Prüfung bietet einen direkten Einblick in Degradationsmechanismen, die mit IR- und PI-Tests nicht erkannt werden können.

Tip-Up Prüfverfahren

Die Prüfung bei mehreren Spannungsstufen (0,5U₀, 1,0U₀, 1,5U₀) zeigt spannungsabhängiges Verhalten. Berechnen Sie Δtan-δ zwischen den Spannungsstufen. Eine gesunde Isolierung behält ein stabiles tan-delta über den gesamten Spannungsbereich bei. Bei einer leeren oder TE-beeinträchtigten Isolierung steigt tan-delta mit der Spannung an - das “Tip-up”-Phänomen, das auf eine Teilentladung hinweist.

Für XLPE-isolierte Kabel spezifiziert IEEE 400.2 akzeptable tan-delta-Werte bei Nennspannung (U₀). Neue Kabel weisen in der Regel tan-delta-Werte unter 0,1 × 10^-3, während eine gealterte, aber noch brauchbare Isolierung bis zu 1,0 × 10^-3. Werte von mehr als 4,0 × 10^-3 deuten in der Regel auf eine schwerwiegende Verschlechterung hin, die sofortige Maßnahmen erfordert.

Typische Tan-Delta-Grenzwerte

Eine Temperaturkorrektur ist nach wie vor unerlässlich - die Tan-Delta-Werte steigen um etwa 10-15% pro 10°C Anstieg der Isolationstemperatur.

[Experteneinblick: Überlegungen zum Tan-Delta-Feld]

• Das differentielle tan-delta (Δtan-δ) zwischen 0,5U₀ und 2,0U₀ sollte unter 0,6 × 10-³ für Kabel in akzeptablem Zustand bleiben
• Kabel mit Kippwerten von mehr als 0,8 × 10-³ zwischen den Prüfspannungen weisen eine 3,2-mal höhere Ausfallrate auf als Kabel mit stabilen Profilen
• Zubehörteile - Endstücke und Verbindungen - sind an geometrischen Unterbrechungen einer erhöhten Belastung ausgesetzt und zeigen oft die ersten Anzeichen von Degradation

Kreuzreferenzierung von IR, PI und Tan-Delta - Die Diagnosematrix

Bei der Einzelparameteranalyse wird eine Verschlechterung der Isolierung in etwa 62% der Zeit korrekt erkannt. Die Multiparameter-Korrelation verbessert die Erkennungsgenauigkeit auf etwa 89%.

Ausstattungsspezifische Überlegungen

Für Vakuum-Leistungsschalter-Isolationssysteme, Eine IR-Prüfung an offenen Kontakten zeigt die Integrität des Unterbrechers an. Ein niedriger IR-Wert zwischen den Kontakten deutet auf einen Vakuumverlust durch eindringendes Gas hin - ein Zustand, der sofortige Aufmerksamkeit erfordert.

Für Diagnose von Verteilertransformatoren, Bei Öl-Papier-Systemen ist eine Korrelation mit der Analyse gelöster Gase erforderlich, sofern verfügbar. Prüfen Sie Durchführungen separat mit C1/C2-Kapazitätsmethoden, da Durchführungsausfälle einen erheblichen Anteil der Transformatorausfälle ausmachen.

Feldtest-Variablen, die die Messgenauigkeit beeinflussen

Die Nichtberücksichtigung von Umweltfaktoren führt zu Fehldiagnosen von mehr als 25% bei der Isolationsbewertung.

Checkliste Umweltfaktoren

• Temperatur: Aufzeichnen und korrigieren; nur temperaturnormierte Werte vergleichen
• Luftfeuchtigkeit: >70% RH macht oberflächenempfindliche Messungen ungültig
• Taupunkt: Verschieben Sie die Prüfung, wenn sie weniger als 5 °C von der Oberflächentemperatur entfernt ist.
• Nach Regenfällen: 24-48 Stunden Trocknungszeit für Außengeräte

Zu vermeidende Fehler bei der Technik

• Auslassung der Schutzklemme: Oberflächenleckage verunreinigt Massenmessung
• Verschlechterung der Messleitungen: Gerissene Leitungen erzeugen parallele Leckagepfade
• Restladung: Entladung der Geräte vor und nach der Prüfung
• Falsche Prüfspannung: An die Nennspannung des Geräts anpassen (500 V für NS, 2,5-5 kV für MS)

Dokumentation für Trending

Ohne eine konsistente Dokumentation wird die Trendaufzeichnung bedeutungslos. Zu den wesentlichen Datenpunkten gehören die Umgebungs- und Oberflächentemperatur, die Luftfeuchtigkeit, die Prüfspannung und -dauer sowie die genauen Prüfpunkte (Phase-Erde, Phase-Phase, Wicklung-Wicklung). Für Anleitungen zu Anforderungen an die Inbetriebnahme-Dokumentation, Standardisierte Vorlagen verbessern die Datenkonsistenz bei allen Messkampagnen.

Baselines für Werksprüfungen - wo die zuverlässige Trendbestimmung beginnt

Bei der Werksabnahme werden unter kontrollierten Bedingungen Referenzwerte ermittelt - die Grundlage für alle künftigen Trendanalysen. IR-, PI- und tan-delta-Messungen, die vor der Auslieferung durchgeführt werden, bilden die Grundlage, anhand derer die Feldmessungen an Bedeutung gewinnen.

XBRELE liefert mit jeder VCB- und Transformatorlieferung eine vollständige Prüfdokumentation:

• Routineprüfzeugnisse nach IEC-Normen
• IR/PI-Messungen bei kontrollierter Temperatur mit dokumentierten Korrekturfaktoren
• Tan-Delta-Werte für Transformatorwicklungen und -durchführungen
• Baumusterprüfberichte für die Entwurfsprüfung

Diese werksseitigen Basislinien verwandeln die Prüfungen vor der Erregung von isolierten Messungen in diagnostische Aussagen. Ein Feldmesswert von 800 MΩ bedeutet etwas ganz anderes, wenn die Werksbasislinie 3.000 MΩ oder 900 MΩ beträgt.

Kontakt Das technische Team von XBRELE um Musterprüfberichte anzufordern oder die Anforderungen an die Dokumentation vor der Erregung für Ihre Projektspezifikationen zu besprechen.

Häufig gestellte Fragen

Was führt dazu, dass der Isolationswiderstand auch ohne sichtbare Schäden mit der Zeit abnimmt?

Das Eindringen von mikroskopisch kleiner Feuchtigkeit, die Belastung durch thermische Zyklen und die allmähliche Oxidation der Polymerketten verringern die dielektrische Integrität nach und nach. Öl-Papier-Isoliersysteme absorbieren atmosphärische Feuchtigkeit durch Atmungszyklen bei Lastschwankungen, während XLPE-Kabel bei anhaltender Wechselstrombelastung in Kombination mit Feuchtigkeit Wasserbäume entwickeln.

Wie unterscheidet sich der Polarisationsindex vom dielektrischen Absorptionsverhältnis?

PI verwendet 10-Minuten- und 1-Minuten-Messungen (PI = R₁₀/R₁), während DAR 60-Sekunden- und 30-Sekunden-Messungen verwendet (DAR = R₆₀/R₃₀). DAR ermöglicht ein schnelleres Screening, ist aber weniger empfindlich gegenüber einer allmählichen Verschlechterung. PI bleibt das bevorzugte Verhältnis für die Bewertung von Mittelspannungsgeräten, wenn die Zeit volle 10-Minuten-Messungen erlaubt.

Kann die tan-delta-Prüfung Probleme aufdecken, die bei der IR-Prüfung übersehen werden?

Ja. Tan-delta eignet sich hervorragend für die Erkennung von verteilter Degradation, wie z. B. die Bildung von Wasserbäumen in XLPE-Kabeln, bei denen gleichstrombasierte IR-Prüfungen oft akzeptable Werte zeigen, obwohl die Durchschlagsfestigkeit bei Wechselstrom erheblich reduziert ist. Die spannungsabhängige Tip-up-Messung deckt insbesondere Hohlraumbildung und Teilentladungsaktivität auf, die bei DC-Methoden nicht sichtbar sind.

Warum werden in den verschiedenen Normen unterschiedliche PI-Annahmeschwellen festgelegt?

Anlagenspezifische Normen berücksichtigen die Eigenschaften von Isoliersystemen. IEEE 43 befasst sich mit rotierenden Maschinen mit Isolationssystemen der Klassen F und H, während die Serie IEEE 400 Kabelsysteme abdeckt. Die Normen für Transformatoren beziehen sich auf das dielektrische Verhalten von Öl-Papier. Wenden Sie immer Schwellenwerte an, die für den jeweiligen Gerätetyp und die zu prüfende Isolationsklasse geeignet sind.

Wie oft sollten die Trendmessungen wiederholt werden?

Prüfen Sie kritische Anlagen bei jedem geplanten Ausfall - in der Regel jährlich bei Verteilungsanlagen und alle 3-5 Jahre bei Anlagen der Übertragungsklasse. Bei neuen Anlagen ist eine Prüfung vor der Inbetriebnahme und erneut nach 6-12 Monaten erforderlich, um die Grundstabilität zu bestätigen und Probleme mit der Kindersterblichkeit zu erkennen.

Was spricht für ein sofortiges Eingreifen und was für eine kontinuierliche Überwachung?

Ein PI unter 1,5 in Verbindung mit einem abnehmenden IR-Trend rechtfertigt eine sofortige Untersuchung. Ein Tan-Delta-Kippwert von mehr als 1,0 × 10-³ zwischen den Spannungsschritten deutet auf eine aktive Teilentladung hin, die vor dem weiteren Betrieb untersucht werden muss. Einzelne marginale Messwerte mit stabilen historischen Trends können eine weitere Überwachung mit verkürzten Intervallen ermöglichen.

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