DE10024809B4 - Verfahren und Einrichtung zur Detektion von Schäden in der Isolation von elektrischen Leitungen und Kabelbäumen - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Detektion von Schäden in der Isolation von elektrischen Leitungen und Kabelbäumen Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Detektion von Schäden in der Isolierung von elektrischen Leitungen und Kabelbäumen, bei dem zwischen mindestens einem Leiter einer Leitung und einer äußeren Gegenelektrode oder einem weiteren Leiter des Kabelbaumes eine Prüfspannung angelegt und Vorentladungen oder Entladungen elektrisch, optisch, akustisch oder chemisch erfasst werden, wobei die Detektion in einem Prüfraum vorgenommen wird, der vor der Detektion abgeschlossen und dessen Atmosphäre mittels mindestens teilweisen Gasaustausches durch ein Prüfgas oder Prüfgasgemisch mit einer geringeren Durchschlagspannung als der von Luft ersetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zu detektierende Bereich der Leitung oder des Kabelbaumes von einem einen Prüfraum bildenden Prüfgefäß zangenartig umfasst wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zugehörige Einrichtung zur Detektion von Schäden in der Isolierung von elektrischen Leitungen und Kabelbäumen, bei dem zwischen mindestens einem Leiter einer Leitung und einer äußeren Gegenelektrode oder einem weiteren Leiter des Kabelbaumes eine Prüfspannung angelegt und Vorentladungen oder Entladungen elektrisch, optisch, akustisch oder chemisch erfasst werden, wobei die Detektion in einem Prüfraum vorgenommen wird, der vor der Detektion abgeschlossen und dessen Atmosphäre mittels mindestens teilweisen Gasaustausches durch ein Prüfgas oder Prüfgasgemisch mit einer geringeren Durchschlagspannung als der von Luft ersetzt wird.
  • Elektrische Leitungen bestehen aus einem Leiter und einer Isolierung und können gegebenenfalls noch mit einer Hülle, einem Schirm und einem Mantel versehen sein. Der Leiter ist der leitende Teil einer elektrischen Leitung. Die Schutzhülle (Umhüllung) einer Leitung verbessert die mechanische Widerstandsfähigkeit oder die Beständigkeit gegen Flüssigkeiten. Ein Schirm ist eine leitende Umhüllung der Leitung zur Minderung elektrostatischer oder elektromagnetischer Störungen. Ein Mantel ist die äußere Hülle einer oder mehrerer geschirmter oder ungeschirmter Leitungen.
  • Für den Einsatz in Fahrzeugen, elektrischen Anlagen und Geräten können Leitungen zu einem vorgefertigten Kabelbaum zusammengefasst sein. Kabelbäume sind individuell konfektionierte, mit Steckern versehene Leitungsbündel, die hauptsächlich von Hand aus mehreren Leitungen gefertigt werden. Je nach Anwendung werden diese mit einer Umhüllung zum Schutz gegen physikalische oder chemische Einflüsse versehen.
  • An Kabelbäume werden hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit hohe Anforderungen gestellt. Insbesondere gilt das für die Luft- und Raumfahrt. Das Bordnetz von Luft- und Raumfahrzeugen besteht aus Stromquellen, Verbrauchern, Sicherheitseinrichtungen und Kabelbäumen. Letztere dienen der Verbindung der Verbraucher mit den Erzeugern elektrischer Energie und zur leitungsgebundenen Übertragung elektrischer Signale.
  • Die Anzahl der benötigten Stromkreise von Bordnetzen ist hoch, wodurch eine hohe Packungsdichte in jedem einzelnen Bündel notwendig wird. Moderne, speziell für die Luft- und Raumfahrt entwickelte Isoliermaterialien ermöglichen zwar extrem dünne Isolierschichtdicken, diese sind jedoch gegen mechanische Einwirkungen sehr empfindlich. Um Fehler in der Isolierung und ein dadurch verursachtes Versagen der Isolierfähigkeit zu vermeiden, wird die Herstellung der Leitungen auf einem hohen Qualitätsniveau durchgeführt. Inhomogenitäten im Aufbau, Risse, Quetschungen und Abschürfungen der Isolierung, die oft auf mangelnde Sorgfalt während der Vormontage und der Installation der Kabelbäume zurückzuführen sind, dürfen nicht zugelassen werden.
  • Um eine hohe Zuverlässigkeit der verwendeten Kabelbäume zu erreichen, werden bereits während der Fertigung des Kabelbaums Sicherheitsanalysen (Produktionstests) durchgeführt. Um gefährliche Schwachstellen durch montagebedingte Fehler in den Kabelbäumen an einzelnen Leitungen zu erkennen, sind dabei vergleichsweise hohe Prüfspannungen erforderlich. Um mögliche, in die Verkabelung eingebaute elektrische und elektronische Bauelemente oder an das Leitungssystem angeschlossene und zum Teil gegen Überspannungen sehr empfindliche Betriebsmittel nicht zu beschädigen, muss der Energieeintrag am Prüfling aber begrenzt werden. Dies schränkt die Anwendbarkeit bisher bekannter Prüfverfahren ein. Die verwendeten Prüfspannungen haben nur eine kurze Einwirkzeit, um Vorentladungen in unkritischen Bereichen zu vermeiden, und eine begrenzte Amplitude, so dass ein Überschlag nur an einer Schwachstelle stattfinden kann (Prüfung nach DIN EN 2283; Ausgabe: 1996-03, Luft- und Raumfahrt; Prüfung der Verkabelung von Luftfahrzeugen; identisch mit europäischer Norm EN 2283 1996). Daher können auf diese Weise nur bestimmte fehlerhafte Anordnungen mit nicht zu großem Abstand zwischen der fehlerhaften Leitung, der Prüfelektrode, und der entsprechenden Gegenelektrode detektiert werden.
  • Bei einer Vor-Ort-Prüfung, das heißt der Prüfung einer Leitung oder eines Kabelbaumes im eingebauten Zustand nach Instandsetzung, Wartung oder Änderung an dem Einbauobjekt, in dem ein Kabelbaum verlegt ist, kommt hinzu, dass man hinsichtlich der zu verwendeten Prüfspannung ohnehin begrenzt ist.
  • Die hier betrachteten Entladungsvorgänge zur Feststellung eines Fehlers der Isolierung beruhen auf dem Effekt von Gasentladungen, so dass die notwendige Durchschlagspannung Ud vom Produkt aus Elektrodenabstand a und Druck p der vorherrschenden Gasatmosphäre abhängig ist. Da letztere Einflussgröße aber durch die umgebende Luft und den Atmosphärendruck weitgehend konstant ist, gilt in dem hier relevanten Bereich Ud ∼ a. Da Ud, wie oben erwähnt, begrenzt wird, versagt bei ungünstiger Lage des Fehlers, z. B. an der einer Gegenelektrode abgewandten Seite, das Konzept des "Herausprüfens" schadhafter Isolierungen, so dass bisher keine zuverlässige messtechnische Erfassung derartiger Schwachstellen möglich ist.
  • Die DE 28 01 649 C3 zeigt bereits eine Lösung, bei der ein Kabel durch ein rohrförmiges Teil hindurchgeführt wird. Der Raum zwischen der Kabelhülle und dem Rohr soll ionisiert werden. Die Ionisierung erfolgt durch Anlegen einer Festspannung (bis 3000 V) an die beiden koaxialen, von einander isoliert angeordneten Elemente des rohrförmigen Teils, wobei zur Herstellung einer Spitze-Platte-Anordnung am äußeren Element Stacheln angeordnet sind. Es erfolgt eine Ionisierung des vorhandenen Gases, womit bezweckt wird, einen elektrischen Kontakt zwischen Kabelhülle und Rohr über die Gasstrecke herzustellen.
  • Die Anordnung erfordert das Durchführen des Kabels in Rohrmitte, dass heißt in gespanntem Zustand, da es die Rohrwände nicht berühren darf, und ist deshalb ausschließlich für das produktionsbegleitende Prüfen von nicht vorgeschädigten Kabeln vorgesehen. Es wird die Trockendurchschlagsfestigkeit der Isolierhülle geprüft, was eine hohe Prüfspannung voraussetzt. Die Isolierung einzelner Leiter gegeneinander kann nicht geprüft werden.
  • Eine weitere, in DE 33 09 658 C2 gezeigte Vorrichtung ist speziell nur für vergossene Wicklungen anwendbar. Die Vorrichtung hat eine umlaufende Dichtung, so dass sie vakuumdicht auf eine Prüflingsoberfläche aufgesetzt werden kann. Sie eignet sich somit nur für einen Prüfling mit einer glatten, ebenen Oberfläche. Die Prüfung erfolgt dann auch unter Vakuum.
  • Der Versuch, mit einer mobilen Einrichtung bei Leitungen ebenfalls unter Vakuum zu arbeiten, würde zu aufwendigen Maßnahmen führen.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für eine mobile Einrichtung sowie eine solche Einrichtung anzugeben, mit denen unter Aufwendung minimaler elektrischer Energie eine zerstörungsfreie Prüfung ermöglicht wird, um montage- sowie betriebsbedingte Schwachstellen in der Isolierung einzelner separater Leitungen oder Leitungen innerhalb eines Kabelbaumes zu detektieren.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Danach wird der zu detektierende Bereich der Leitung oder des Kabelbaumes von einem einen Prüfraum bildenden Prüfgefäß zangenartig umfasst.
  • Die Erfindung nutzt dabei das Prinzip vollständiger oder teilweiser Substitution des gasförmigen Dielektrikums Luft im Bereich des Prüflings durch ein Prüfgas mit gegenüber Luft verringerter Durchschlagspannung. Durch Gasbeimischungen (z.B. Edelgase: Helium, Argon,...) zum Hauptgas (Luft) oder dessen vollständiger Ersatz beginnt die Volumenionisierung bereits bei erniedrigter Feldstärke. Im Vergleich zu reiner Luft entsteht bei gleicher Spannung eine größere Anzahl von Ladungsträgern. Dies begünstigt bereits bei vergleichsweise kleinen Prüfspannungen einen erhöhten Stromfluss, wodurch eine Absenkung der Durchschlagspannung Ud erreicht wird. Dieses Prinzip wird zur "energiearmen" Feststellung eines Isolationsfehlers verwendet. Hierzu kann z.B. der erhöhte Stromfluss während der einsetzenden Entladung oder das frühzeitige Einbrechen der Prüfspannung, z.B. im Bereich ihres Maximums, ausgewertet werden.
  • Eine Prüfung nach dem Verfahren bezieht sich bei einem Kabelbaum auf verschiedene Phasen in seinem Lebenszyklus:
    • (a) Nach Fertigung der Leitungsbündel vor dem Einbau in das Einbauobjekt,
    • (b) nach dem Einbau der Leitungsbündel in das Einbauobjekt,
    • (c) nach Instandsetzung, Wartung oder Änderung am Leitungsbündel oder an dem Einbauobjekt.
  • Das Prinzip der Substitution von Luft durch ein Prüfgas ermöglicht die Reduzierung der zur Fehlererkennung notwendigen Prüfspannung (Gleich- oder Wechselspannung), so dass:
    • – auch ungünstige Fehlerkonfigurationen mit einer vergleichsweise niedrigen Spannungsamplitude detektiert werden können,
    • – die für die Entladungsvorgänge an der Fehlerstelle notwendige Energie gesenkt werden kann,
    • – eine Gefahr von Überspannungen an eventuell vorhandenen spannungsempfindlichen Bauteilen vermieden werden kann,
    • – durch die verringerte Entladungsenergie an der Fehlerstelle die Gefahr der Schädigung benachbarter "gesunder" Isolierungen verringert wird,
    • – in zunehmendem Maße auf die Durchführung subjektiver Sichtprüfungen nach DIN EN 3475-201, Ausgabe: 1993-02 (Luft- und Raumfahrt; Elektrische Leitungen für Luftfahrzeuge – Prüfverfahren, Teil 201: Sichtprüfung der Prüflinge) zugunsten einer objektiven messtechnischen Erfassung schadhafter Stellen in der Isolierung verzichtet und damit die Zuverlässigkeit erheblich erhöht werden kann.
  • Um elektrische Entladungsvorgänge an dem durch Schädigung der Isolierung oder des Mantels schadhaft "freigelegten" Leiter oder Schirm durchführen zu können, wird die normalerweise zwischen Prüf- und Gegenelektrode vorhandene Umgebungsluft durch ein Prüfgas mit einer niedrigeren Durchschlagspannung verdrängt oder ersetzt. Hierfür eignen sich zweckmäßig Edelgase. Eine wirtschaftliche Lösung kann z. B. durch die Verwendung von Helium oder dem billigeren verunreinigten Helium ("Ballongas", ca. 98 Vol.-% He) erreicht werden.
  • Zum Herausprüfen von Fehlstellen in der schadhaften Isolierung oder am Mantel in einem Leitungsbündel sind folgende Prüfschritte und Prüfbedingungen notwendig:
    • – Der entsprechende Leiter oder Schirm ist mit einer Seite der Prüfquelle zu kontaktieren. Er stellt die Prüfelektrode dar (Prüfbedingung).
    • – Die Gegenelektrode ist entweder Teil des Prüflings oder Teil des Prüfgefäßes (Einrichtung) und ist mit entgegengesetzter Polarität zum Leiter oder Schirm an die Prüfquelle anzuschließen (Prüfbedingung).
    • – Substitution der atmosphärischen Luft durch das Prüfgas (Prüfbedingung).
    • – Zuschalten der Prüfquelle und Erhöhung der Prüfspannung bis zu einem vorgegebenen Grenzwert oder solange, bis durch einsetzende Entladungsvorgänge eine Schwachstelle in der Isolierung gefunden wird (Prüfbedingung).
    • – Ortung der Fehlerstelle durch detektierbare Signale (optisch, elektrisch, chemisch oder akustisch).
    • – Kennzeichnung der fehlerhaften Stelle im Kabelbaum.
    • – Abschalten der Prüfspannung.
    • – Substitution des Prüfgases mit atmosphärischer Luft.
  • Abhängig von der Geometrie des zu prüfenden Kabelbaums und vom Zeitpunkt der Prüfung, bezogen auf die verschiedenen Phasen im Lebenszyklus eines Kabelbaums, ist prinzipiell zwischen unterschiedlichen Prüfkonfigurationen zu unterscheiden:
    • 1. Der Kabelbaum (Prüfling) ist fest in ein Einbauobjekt (Flugzeug, Automobil,...) installiert. Er ist damit ortsgebunden, aber frei zugänglich: Eine Prüfung kann mit der Einrichtung durchgeführt werden, indem diese am Prüfling entlang bewegt wird.
    • 2. Der Kabelbaum (Prüfling) ist unabhängig von dem Einbauobjekt und kann beliebig positioniert werden. Er ist damit nicht ortsgebunden und frei zugänglich: Eine Prüfung kann mit der Einrichtung durchgeführt werden, indem der Prüfling durch diese hindurch geführt wird.
  • Der Kabelbaum wird in einem örtlich begrenzten Bereich von einer "Prüfzange" umfasst. Dieser Bereich entspricht der effektiven Prüfzone der Prüfzange. Da die Prüfzange nur einen kleinen Teil des Prüflings abdeckt, muss diese am Prüfling unter Prüfbedingungen entlang geführt werden. Der Prüfling kann so kontaktiert werden, dass dieser nur "Prüfelektrode" oder auch Teil der Gegenelektrode ist. Dabei sind folgende Prüfabläufe möglich:
    • – Schrittweise Abdeckung des Prüflings (effektive Prüfzone). Die Prüfspannung wird bei jedem Schritt gleichmäßig bis zu einem vorbestimmten Maximum oder einer Fehlerdetektierung erhöht, sofern diese vor Erreichen des Maximums erfolgt.
    • – Bei konstanter Prüfspannung wird die Prüfzange mit geringer, gleichmäßiger Geschwindigkeit entlang der Prüflingsachse bewegt.
  • Die Prüfzange weist zweckmäßig folgende konstruktive Merkmale auf
    • – Die Prüfzange weist zwei Gehäuseteile auf, die durch ein Scharnier verbunden sind.
    • – Die Gehäuseteile haben einen Gasein- und -auslass für das Prüfgas, beispielsweise in Form einer Ein- und Austrittsdüse.
    • – Die Prüfzange ist als Gegenelektrode ausgeführt.
    • – Die Prüfzange ist an den Seiten so abgedichtet, dass das Prüfgas mit leichtem Überdruck in deren Inneren gehalten wird bzw. durch das Innere der Prüfzange strömen kann.
    • – Die Gegenelektrode ist zweckmäßg lamelliert (z.B. mit leitfähigen, flexiblen Kunststofflamellen), so dass der sich normalerweise zwischen Gegenelektrode und Prüflingsoberfläche befindliche Hohlraum elektrisch kurzgeschlossen wird. Auf diese Weise können Prüflinge mit unterschiedlichem Querschnitt geprüft werden, ohne dass der Hohlraum elektrisch beansprucht wird.
  • Das während der Prüfung mit leichtem Überdruck durch die Prüfeinrichtung geleitete Prüfgas kann in einem geeigneten Behälter gesammelt werden. Nach entsprechender Aufbereitung kann es dem Prüfkreis wieder zugeführt werden.
    •
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine erfindungsgemäße mobile Prüfeinrichtung nach Art einer Prüfzange im Querschnitt,
  • 2 die Prüfeinrichtung nach 1 in geschnittener Seitenansicht.
  • 1 zeigt eine Prüfzange 1, mit der die mobile Detektion ermöglicht wird. Zwei Gehäuseschenkel 2, 3 sind mit einem Scharnier 4 federnd miteinander verbunden. Der Gehäuseschenkel 2 ist mit einem Gasauslass 6, der Gehäuseschenkel 3 mit einem Gaseinlass 5 versehen.
  • In die Prüfzange 1 wird ein Kabelbaum 7 eingelegt, dessen Leiter mit einem Pol einer Prüfspannungsquelle, hier dem Negativpol, verbunden sind. Die Gegenelektrode wird durch leitfähige Gehäuseinnenwandungen 8, 9 gebildet sowie durch mit letzteren verbundenen flexiblen und leitfähigen Lamellen 10, z.B. aus leitfähigem Kunststoff, Gummi oder Metall, die auf den Außenmantel des Kabelbaumes 7 aufsetzen und so den Innenraum der Prüfzange 1 überbrücken. Die Gasströmung ist durch Pfeile angedeutet.
  • Das Prüfgas, z. B. Helium, wird innerhalb des Gehäuses der Prüfzange 1 durch Gasverteiler 11, 12 verteilt, wie 2 zeigt. Gasverteiler 11, 12 und Lamellen 10 bilden den Bereich einer Prüfzone 13. Die Stirnseiten der Gehäuseschenkel 2, 3 sind mit Dichtungen 14 bis 17 versehen, die auf den Kabelbaum 7 aufsetzen und so einen relativ abgeschlossenen Prüfraum schaffen. Das Prüfgas muss unter einem gewissen Überdruck gehalten werden, allein schon weil Gasverluste bei dieser Anordnung nicht völlig zu vermeiden sind.
  • Die Prüfzange 1 wird nach Befüllen mit dem Prüfgas schrittweise oder kontinuierlich entlang dem Kabelbaum 7 geführt. Bei schrittweiser Führung muss die Prüfspannung jeweils erneut hochgefahren werden.
  • Das während der Prüfung mit leichtem Überdruck durch die Prüfzange 1 geleitete Prüfgas kann in einem hier nicht gezeigten Behälter gesammelt und gegebenenfalls dem Prüfkreis wieder zugeführt werden.
    • 1
    Prüfzange
    2
    Gehäuseschenkel
    3
    Gehäuseschenkel
    4
    Scharnier
    5
    Gasauslass
    6
    Gaseinlass
    7
    Kabelbaum
    8
    Gehäuseinnenwandung (Elektrode)
    9
    Gehäuseinnenwandung (Elektrode)
    10
    Lamellen
    11
    Gasverteiler
    12
    Gasverteiler
    13
    Prüfzone
    14
    Dichtung
    15
    Dichtung
    16
    Dichtung
    17
    Dichtung

Claims (8)

  1. Verfahren zur Detektion von Schäden in der Isolierung von elektrischen Leitungen und Kabelbäumen, bei dem zwischen mindestens einem Leiter einer Leitung und einer äußeren Gegenelektrode oder einem weiteren Leiter des Kabelbaumes eine Prüfspannung angelegt und Vorentladungen oder Entladungen elektrisch, optisch, akustisch oder chemisch erfasst werden, wobei die Detektion in einem Prüfraum vorgenommen wird, der vor der Detektion abgeschlossen und dessen Atmosphäre mittels mindestens teilweisen Gasaustausches durch ein Prüfgas oder Prüfgasgemisch mit einer geringeren Durchschlagspannung als der von Luft ersetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zu detektierende Bereich der Leitung oder des Kabelbaumes von einem einen Prüfraum bildenden Prüfgefäß zangenartig umfasst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prüfgas ein Edelgas verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft im Prüfraum durch das Prüfgas ausgespült wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung oder der Kabelbaum unter schrittweiser Bewegung des Prüfgefäßes geprüft wird, wobei die Prüfspannung bei jedem Schritt bis zu einem vorbestimmten Maximum oder einer Fehlerdetektierung erhöht wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfgefäß bei konstanter Prüfspannung kontinuierlich entlang der Leitung oder des Kabelbaumes bewegt wird.
  6. Einrichtung zur Detektion von Schäden in der Isolierung von elektrischen Leitungen und Kabelbäumen mittels eines abschließbaren Prüfraumes, durch dessen Gehäuse eine Prüfspannung hindurchführbar ist und dessen Atmosphäre mittels mindestens teilweisen Gasaustausches durch ein Prüfgas oder Prüfgasgemisch mit einer geringeren Durchschlagspannung als der von Luft ersetzbar ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfraum durch zwei dichtend verbindbare, eine Leitung oder einen Kabelbaum (7) zwischen sich aufnehmende, an ihren Stirnseiten mit auf die Leitung oder den Kabelbaum (7) aufsetzenden Dichtungen (14–17) versehene Gehäuseteile (2, 3) gebildet ist, die in ihrer Längserstreckung mit einem Scharnier (4) und mit einem Gasein- (5) und -auslass (6) und an ihren Innenwandungen mit einer Elektrode (8, 9), die mit der Prüfspannung verbindbar ist, versehen sind.
  7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseteile (2, 3) innen mit auf die Leitung oder den Kabelbaum (7) aufsetzenden leitfähigen, flexiblen, durch die Elektroden (8, 9) an den Innenwandungen der Gehäuseteile (2, 3) elektrisch verbundenen Lamellen (10) versehen sind.
  8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseteile (2, 3) innen mit jeweils einem Gasverteiler (12, 11) ausgerüstet sind, die mit dem Gasein- (5) oder -auslass (6) verbunden sind.
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