Elektrische Komponenten in Kältekreisläufen

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Nach einer solchen Prüfung zeigen mikroskopische Untersuchungen verschiedene Schadensbilder.

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.

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.

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.