Kontinuierliche und flächendeckende Temperaturüberwachung von Schaltschränken
Predictive Maintenance und smarte Brandvorsorge in der Galvanik
In Deutschland kommt es jährlich zu etwa 70 bis 80 Bränden in Galvanikbetrieben, die unter anderem durch Schaltschränke ausgelöst werden. Rund 10 bis 15 dieser Brände verursachen Großschäden mit Verlusten von weit über 500.000 Euro. Umso wichtiger ist es, thermische Anomalien frühzeitig zu erkennen, bevor sie zu ungeplanten Stillständen, erheblichen Sachschäden oder Sicherheitsrisiken führen. (Quelle: Gen Re)
Temperaturüberwachung Schaltschrank: Warum in der Galvanik so wichtig?
In der Galvanik fließen täglich hohe elektrische Ströme, die Anlagen und ihre Komponenten dauerhaft beanspruchen. Gleichrichter, Pumpen und zahlreiche weitere Anlagenkomponenten sind auf eine zuverlässige Stromversorgung angewiesen. Das Herzstück der elektrischen Infrastruktur ist dabei der Schaltschrank: Hier laufen die Fäden der Energieversorgung und Steuerung zusammen.
Doch genau dort steckt ein oft unterschätztes Risiko: Übergangswiderstände. Sie entstehen beispielsweise durch lockere Verbindungen, Korrosion oder verschlissene Kontakte. Wo elektrischer Strom auf erhöhten Widerstand trifft, entsteht Wärme. Bleiben solche Temperaturentwicklungen unentdeckt, können Komponenten überhitzen. Im schlimmsten Fall drohen Anlagenschäden, kostspielige Produktionsausfälle oder sogar Brände.
Wer die elektrischen Komponenten im Schaltschrank zuverlässig überwacht und kritische Temperaturentwicklungen frühzeitig erkennt, kann Risiken reduzieren, Ausfälle vermeiden und die Betriebssicherheit der gesamten Galvanikanlage unterstützen.
Temperatursensorfolien von Aera-X im Schrankinneren
Die flächendeckende und kontinuierliche Temperaturüberwachung von Flexora erfasst Temperaturen an zahlreichen, räumlich verteilten Messpunkten. Dadurch wird sichtbar, wo Wärme entsteht, wie sich die Temperatur im Laufe der Zeit verändert und ob Abweichungen vom üblichen Betriebsverhalten auftreten. So leisten die Flexora-Sensorfolien einen wichtigen Beitrag zum Predictive Maintenance und zur Brandfrüherkennung im Schaltschrank.
Temperaturüberwachung Schaltschrank: Von der punktuellen Thermografie zum kontinuierlichen und flächendeckenden Monitoring
Elektrische Anlagen und Betriebsmittel müssen entsprechend den jeweils geltenden rechtlichen und technischen Anforderungen regelmäßig geprüft werden. Je nach Anwendung kommen unter anderem wiederkehrende Prüfungen nach der Betriebssicherheitsverordnung und der DGUV Vorschrift 3 sowie ergänzende thermografische Prüfungen nach DIN 54191 zum Einsatz. Diese Maßnahmen sind essenziell für die elektrische Sicherheit. Sie haben jedoch eine zentrale Einschränkung: Sie bilden den Zustand einer Anlage zu einem bestimmten Zeitpunkt ab.
Predictive Maintenance verfolgt einen grundlegenden Perspektivwechsel: Anlagen sollen nicht ausschließlich in festen Intervallen überprüft oder erst nach einem Ausfall instandgesetzt werden. Stattdessen werden kontinuierlich Zustandsdaten erfasst und ausgewertet, um Veränderungen des Anlagenzustands frühzeitig zu erkennen und daraus geeignete Instandhaltungsmaßnahmen abzuleiten.
Messkampagne in drei Galvanikbetrieben
Temperatursensorfolien zur Überwachung der Temperatur an den Hutschienen der Schaltschranktür
Welchen zusätzlichen Erkenntnisgewinn bietet eine räumlich verteilte und kontinuierliche Temperaturüberwachung im Vergleich zu punktuellen Einzelmessungen? In einer mehrwöchigen Messkampagne untersuchte Flexora gemeinsam mit drei Galvanikbetrieben den Mehrwert für die Brandfrüherkennung in Schaltschränken.
Zum Einsatz kam das Temperaturmesssystem Aera-X der Flexora GmbH. Es besteht aus einer Auswertebox zur Erfassung und Übertragung der Messdaten sowie flexiblen Aera-One-Temperatursensorfolien, die Temperaturen mit 7 Sensoren erfassen. Eine Messbox kann bis zu zehn Sensorfolien gleichzeitig anschließen.
Zur Temperaturerfassung wurden an den untersuchten Schaltschränken acht bis zehn Temperaturmessfolien mit insgesamt 137 Messpunkten eingesetzt. Für die Temperaturüberwachung der Schaltschränke wurden Flexora-Sensorfolien entsprechend der Geometrie der jeweiligen Schaltschränke horizontal und vertikal im Schrankinneren sowie auf den Schaltschranktüren angebracht (siehe Bild). Dadurch konnten sowohl zentrale Bereiche als auch Randbereiche überwacht werden.
Über einen Zeitraum von rund vier Wochen wurden dabei etwa 60.500 Messzyklen erfasst. Dadurch entstand eine kontinuierliche Zeitreihe, mit der sich sowohl längerfristige Temperaturverläufe als auch kurzfristige thermische Ereignisse untersuchen ließen. Gleichzeitig lässt sich anhand der räumlich verteilten Messpunkte erkennen, ob sich eine Erwärmung über den gesamten Schaltschrank erstreckt oder auf einen bestimmten Bereich konzentriert.
Gegenüber klassischen Messverfahren ergeben sich daraus zwei wesentliche Vorteile: eine hohe räumliche und eine hohe zeitliche Auflösung. Die Vielzahl an Messpunkten ermöglicht eine deutlich detailliertere Erfassung der Temperaturverteilung als bei punktuellen Einzelsensoren. Durch die sekundengenaue Datenerfassung lassen sich thermische Veränderungen lückenlos dokumentieren, während klassische Wärmebildkameras lediglich eine Momentaufnahme bieten.
Erkenntnisgewinn durch kontinuierliche Temperaturüberwachung für die Galvanik
Die Messkampagne zeigte zunächst überwiegend unauffällige, mit den betrieblichen Lastgängen korrelierende Temperaturverläufe: Die mittleren Schaltschranktemperaturen folgten erkennbaren Tages- und Wochenmustern und bewegten sich überwiegend innerhalb eines durch Produktionszyklen und Umgebungsbedingungen erklärbaren Temperaturbereichs.
Erst die kontinuierliche Temperaturüberwachung der Schaltschränke über mehrere Wochen machte jedoch sichtbar, dass sich an einem einzelnen Messpunkt zusätzlich zu diesen erwartbaren Schwankungen ein eigenständiger, sich verstärkender Trend abzeichnete. Bei einer punktuellen Prüfung zu nur einem Zeitpunkt wäre diese Entwicklung mit hoher Wahrscheinlichkeit unbemerkt geblieben, da die absolute Temperatur zu vielen Zeitpunkten noch im unauffälligen Bereich lag.
Lokale Hotspots im Schaltschrank sichtbar machen
Besonders deutlich zeigte sich der Vorteil der kontinuierlichen Messung an einem lokalen Messpunkt eines der untersuchten Galvanikbetriebe. Am Messpunkt „blau 3“ identifizierte die Auswertung der Spitzentemperaturen einen lokal begrenzten Bereich mit Temperaturen von bis zu 55,2 °C, während das übrige Temperaturniveau des Schaltschranks deutlich niedriger lag. Der Median der Temperaturverteilung über den gesamten Schaltschrank erreichte im Messzeitraum maximal rund 34,6 °C.
Die räumliche Darstellung des interpolierten Temperaturfeldes machte dabei nicht nur die Position des Hotspots, sondern auch dessen unmittelbare Umgebung sichtbar. Die Erwärmung konzentrierte sich deutlich auf die obere Schrankebene, während die darunterliegenden Bereiche spürbar kühler blieben. Dadurch wurde nicht nur erkennbar, dass eine erhöhte Temperatur auftrat, sondern auch, wo sie lokalisiert war und wie sich die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung verteilte. Diese räumliche Information ergänzt die Betrachtung reiner Zeitreihen um eine zusätzliche Ebene, die für die technische Ursachenbewertung relevant sein kann, beispielsweise bei der Untersuchung einer möglicherweise thermisch auffälligen elektrischen Verbindungsstelle oder Komponente.
Räumliche Darstellung des lokalen Hotspots im Schaltschrank
Schleichende Temperaturveränderungen frühzeitig erkennen
Neben der räumlichen Verteilung ist die zeitliche Entwicklung entscheidend. Für die betrachteten kurzen Ereignisse ergab die lineare Trendanalyse eine Zunahme der Temperatur von etwa 0,17 °C pro Tag. Über den vierwöchigen Messzeitraum entspricht dies einer Veränderung von rund 5,2 K. Da sich dieser Trend auch gegenüber dem lokalen Ausgangsniveau zeigte, lässt sich die beobachtete Veränderung nicht ohne Weiteres allein auf einen allgemeinen Anstieg der Umgebungstemperatur zurückführen. Angesichts des vergleichsweise kurzen Beobachtungszeitraums lässt sich aus diesem Ergebnis jedoch noch keine technische Verschlechterung der Anlage ableiten.
Zwei Ansätze zur Bewertung thermischer Auffälligkeiten
Zur Einordnung der Messdaten kamen zwei sich ergänzende Verfahren zum Einsatz: Feste Temperaturgrenzen und adaptive Zustandsüberwachung.
Überwachung mit festen Temperaturgrenzen
Bei der grenzwertbasierten Überwachung wird für einen Messpunkt oder einen definierten Anlagenbereich eine Temperaturschwelle festgelegt. Wird diese überschritten, kann eine Warnung ausgelöst werden. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere dazu, eindeutig definierte Temperaturbereiche zu überwachen.
In der Untersuchung wurden beispielhaft 50 °C für einzelne Messpunkte und 35 °C für den Schaltschrankmedian betrachtet. Solche Grenzwerte können insbesondere im Rahmen einer Brandfrüherkennung im Schaltschrank als zusätzliche Überwachungsebene eingesetzt werden.
Damit kann die kontinuierliche Temperaturüberwachung auch die Brandvorsorge in der Galvanik unterstützen: Ungewöhnliche Temperaturanstiege werden sichtbar, sodass Verantwortliche Auffälligkeiten untersuchen und bei Bedarf geeignete Maßnahmen einleiten können.
An einem der untersuchten Galvanikstandorte wurden dabei 16 getrennte Zeiträume mit insgesamt rund 575 Minuten oberhalb von 50 °C erfasst. Eine kritische Abschaltstufe wurde dabei weder lokal noch für den Schaltschrankmedian erreicht. An den übrigen untersuchten Galvanikstandorten lagen die beobachteten Höchstwerte dagegen bei rund 40 °C.
Adaptive Zustandsüberwachung
Die adaptive Zustandsüberwachung ergänzt die festen Temperaturgrenzen um eine zeitabhängige Betrachtung des individuellen Temperaturverhaltens und der Temperaturdynamik. Bei der adaptiven Analyse wird betrachtet, wie sich ein Messpunkt im Vergleich zu seinem eigenen bisherigen Verhalten entwickelt. Dazu wurde ein rollierendes Normalmodell auf Basis von Median und Interquartilsabstand der vorausgehenden Messhistorie verwendet. So lässt sich beispielsweise erkennen, wenn sich ein normalerweise relativ kühler Messpunkt plötzlich deutlich stärker oder schneller erwärmt als bisher.
Die Auswertung des Untersuchungszeitraums klassifizierte:
- 96,3 % der lokalen Zustände als unauffällig,
- 3,0 % als beobachtungswürdig,
- 0,7 % als deutlich vom erlernten Verhalten abweichend.
Dabei zeigte sich der bereits identifizierte Messbereich besonders deutlich. Gleichzeitig wurden auch an anderen Positionen zeitlich begrenzte Abweichungen sichtbar, obwohl deren absolute Temperaturen unterhalb der festen Warnstufe lagen.
Mehr Transparenz für Predictive Maintenance und Brandfrüherkennung
Die Messuntersuchung in den drei Galvanikbetrieben zeigt deutlich, welchen zusätzlichen Erkenntnisgewinn eine räumlich und zeitlich hochaufgelöste Temperaturüberwachung in der Galvanik bietet.
Statt nur einzelne Messpunkte oder Momentaufnahmen zu betrachten, wird sichtbar, wo thermische Auffälligkeiten entstehen, wie lange sie bestehen und wie sie sich im Zeitverlauf entwickeln. Durch die Kombination aus räumlich verteilten Messpunkten und kontinuierlicher Datenerfassung entsteht ein deutlich umfassenderes Bild des thermischen Anlagenzustands als bei punktuellen Messungen oder einzelnen Wärmebildaufnahmen. Die Sensorfolie lässt sich dabei schnell und nicht-invasiv in bestehende Anlagen integrieren – auch an schwer zugänglichen Stellen und ohne Eingriff in den laufenden Betrieb.
Für Galvanikbetriebe bedeutet das konkret mehr Transparenz, erhöhte Sicherheit, eine verbesserte Anlagenverfügbarkeit und eine deutlich bessere Planbarkeit im Betrieb. Thermische Auffälligkeiten können frühzeitig erkannt und bewertet, Wartungsmaßnahmen gezielter geplant und Zustandsverläufe langfristig dokumentiert werden. So unterstützt Flexora dabei, potenzielle Risiken frühzeitig zu erkennen, ungeplante Stillstände und daraus entstehende Folgekosten zu reduzieren und die Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen. Gleichzeitig entsteht durch die kontinuierliche Datenerfassung ein wertvoller Datenbestand, der sowohl für interne Zustandsbewertungen und Optimierungen als auch für externe Nachweise, beispielsweise gegenüber Versicherungen, genutzt werden kann.
Nutzen Sie vorausschauenden Brandschutz für Ihren Betrieb und erkennen Sie lokale Hotspots sowie kritische Temperaturverläufe mit den Flexora-Sensorfolien, bevor daraus ein akuter Schaden entsteht.
