Stoßspannungsprüfung an Motorwicklungen: Windungsschlüsse finden, bevor der Motor ausfällt

Das Prüfgerät lädt einen Kondensator auf und entlädt ihn schlagartig über die Wicklung. Kondensator und Wicklung bilden einen Schwingkreis, es entsteht eine gedämpfte Schwingung. Ein Windungsschluss senkt die Induktivität der Wicklung, die Schwingung wird schneller und weicht von der Vergleichskurve ab.

Warum das so ist, zeigt die Frequenz des Schwingkreises:

Ein kurzgeschlossener Ring aus einer oder mehreren Windungen wirkt wie die kurzgeschlossene Sekundärwicklung eines Transformators. Der Strom, der in ihm fließt, schwächt den Fluss in der Spule. Deshalb sinkt die wirksame Induktivität deutlich, obwohl sich der Gleichstromwiderstand kaum ändert. Zusätzlich steigt die Dämpfung, die Kurve klingt schneller ab.

Verglichen wird auf drei Arten:

• Phase gegen Phase (Line to Line, L-L): Bei einem Drehstrommotor sollten alle drei Kurven fast deckungsgleich sein.
• Gegen eine Referenz: eine baugleiche, intakte Wicklung oder eine gespeicherte Kurve.
• Impuls gegen Impuls (Pulse to Pulse, P-P): Die Spannung steigt in kleinen Stufen, jede Kurve wird mit der vorigen verglichen. Ändert sie sich ab einer Spannung sprunghaft, hat die Windungsisolation dort nachgegeben.

Der Impuls belastet vor allem die Isolation zwischen den Windungen. Bei steiler Flanke liegt ein großer Teil der Spannung an den ersten Windungen der Spule an. Darum ist die Anstiegszeit für die Prüfung genauso wichtig wie der Scheitelwert.

Für einen 400-V-Motor mit Runddrahtwicklung sind 1,8 kV Scheitelwert üblich. Das ergibt die Formel aus der Instandsetzungsnorm ANSI/EASA AR100, die für Niederspannungsmotoren am weitesten verbreitet ist. Eine IEC-Norm mit festem Prüfpegel für Runddrahtwicklungen gibt es nicht.

Für Formspulenwicklungen von Hochspannungsmaschinen gibt IEEE 522 den Wert in „per unit“ an. Ein per unit ist der Scheitelwert der Spannung Leiter gegen Erde:

Die Anstiegszeit des Impulses liegt nach IEEE 522 bei 0,1 bis 0,2 µs, IEC 60034-15 nennt 0,2 µs mit einer Toleranz von 0,1 µs. Bei Motoren aus dem Bestand prüfen wir mit reduzierter Spannung und vereinbaren den Wert vorab mit Ihnen.

Eine häufige Verwechslung: Dieselbe Formel, das Doppelte der Nennspannung plus 1.000 V, gilt auch für die Hochspannungsprüfung gegen Masse. Dort ist es ein Effektivwert über eine Minute, beim Surge Test der Scheitelwert eines Impulses. Beide Prüfungen belasten die Isolation an unterschiedlichen Stellen.

Zuerst kommen Wicklungswiderstand und Isolationswiderstand, erst danach Hochspannung und Surge Test. Ist der Isolationswert zu niedrig, wird zuerst getrocknet oder instand gesetzt, denn die Stoßspannung würde die schwache Isolation zusätzlich belasten. Die eigentliche Messung je Strang ist schnell erledigt; die Vorbereitung bestimmt die Qualität.

1. Vorprüfung: Wicklungswiderstand je Strang mit Temperatur, Isolationswiderstand und bei Bedarf Polarisationsindex.
2. Prüfling vorbereiten: freischalten, Zuleitung und Umrichter abklemmen, Kaltleiter, Heizungen und Sensoren abklemmen. Bei Dreieckschaltung wenn möglich die Brücken lösen.
3. Prüfbereich sichern: Gehäuse erden, Prüfbereich absperren. Geprüft wird an einem Prüfplatz nach DIN EN 50191, nur durch eingewiesene Elektrofachkräfte.
4. Spannung anfahren: mit niedriger Spannung beginnen und in Stufen bis zur Prüfspannung steigern. Dabei läuft der Vergleich Impuls gegen Impuls mit.
5. Phasen vergleichen: die drei Stränge nacheinander prüfen, Kurven übereinanderlegen, EAR ablesen.
6. Auffälligkeiten klären: am montierten Motor den Läufer drehen und wiederholen, Muster der Impulsvergleiche ansehen, mit Referenzkurve vergleichen.
7. Abschließen: Wicklung entladen, Kurven mit Seriennummer, Spannung und Temperatur im Prüfprotokoll speichern.

Bei einer Neuwicklung empfiehlt AR100, auch die eingelegte, noch nicht verschaltete Wicklung zu prüfen. Ein Fehler, der vor dem Tränken auffällt, ist deutlich günstiger zu beheben.

Gefahren und Grenzen

Der Stoßkondensator speichert Energie, die auch nach dem Abschalten an den Klemmen anliegen kann. Berühren Sie Prüfspitzen und Klemmen erst nach der Entladung, und lassen Sie die Wicklung geerdet, bis Sie umklemmen. Ein Überschlag während der Prüfung kann die Isolation an der Fehlerstelle weiter schädigen; das ist der Preis dafür, dass der Fehler auf dem Prüfstand auftritt und nicht im Betrieb.

Grenzen hat das Verfahren bei kleinen Motoren mit stark gedämpfter Kurve, bei einphasigen Motoren ohne Vergleichsstrang und bei verschweißten Schlüssen am montierten Motor. Dann helfen der Vergleich Impuls gegen Impuls, eine Referenzkurve eines baugleichen Motors und ein Probelauf mit Vergleich der Phasenströme.

Für Motoren am Frequenzumrichter ist der Surge Test ein guter Anfang, ersetzt aber nicht die Teilentladungsprüfung. Umrichter erzeugen steile Spannungsflanken, die die Windungsisolation dauerhaft belasten. Wie Isoliersysteme für diesen Betrieb bewertet werden, beschreibt IEC 60034-18-41 über die Teilentladungs-Einsetzspannung bei wiederholten Impulsen (RPDIV).

Im Vergleich Impuls gegen Impuls zeigen sich Teilentladungen oft als viele mittlere Ausschläge kurz vor der Prüfspannung. Das ist ein Hinweis, aber keine Messung des Einsetzpunkts. Für Motoren, die nach einer Neuwicklung wieder am Umrichter laufen, lohnt sich der Surge Test besonders, weil er geschwächte Windungsisolation findet, bevor der Umrichter sie durchschlägt.