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Prüfung der ( Nach ) Umhüllung mit Hochspannung
Fachbeitrag, erschienen August 1998 in „BBR“

Warum wird grundsätzlich ein abschließender Test des Umhüllungsmaterials durchgeführt?

Primär um eine möglichst lange wartungsfreie Lebensdauer des verlegten Rohres zu erreichen. Dies hat neben der Einsparung kostspieliger Reparaturarbeiten - Schäden in Höhe von vielen Millionen DM entstehen der Wirtschaft jährlich durch Korrosion - auch Gründe, die

den Umweltschutz,
die Sicherheit und
das Qualitätsbewußtsein der ausführenden Firma ansprechen.
Ziel der abschließenden Prüfung von Umhüllungen mit Hochspannung ist

das Erkennen von Poren, Rissen oder
sonstigen mechanischen Beschädigungen, auch der Werksumhüllung sowie von
Fehlern beim Aufbringen des Umhüllungsmaterials.
Bei der Prüfung mit Hochspannung handelt es sich um eine „zerstörungsfreie Werkstoffprüfung“ . D.h. das Material wird durch den Prüfvorgang nicht beschädigt.

In der Praxis bzw. auf der Baustelle sind vorwiegend netzunabhängige, tragbare Prüfgeräte mit zwei unterschiedlichen Verfahren im Einsatz:
Die Prüfung des Umhüllungsmaterials

mit Gleichspannung oder
mit sehr kurzen unipolaren Hochspannungsimpulsen (genaue Definition. s. Anhang)
Prüfgeräte mit Wechselspannung finden im Rohrleitungsbau praktisch keine Anwendung mehr.

Die Prüfung der Umhüllung mit kurzen Hochspannungsimpulsen s.o. hat viele Vorteile, die häufig nur der informierte Fachmann richtig einschätzen kann. An dieser Stelle die wichtigsten Unterschiede zwischen den beiden Verfahren.

1. Stabilität der Prüfspannung auch bei hoher Belastung z.B. Feuchtigkeit)
Rohre mit großem Durchmesser, Feuchtigkeit oder Schmutz auf dem Rohr stellen für das Prüfgerät ein große Belastung dar.
Um die eingestellte Prüfspannung zu erzeugen wird in einem solchen Fall wesentlich mehr Energie benötigt als beim Einsatz auf trockenen oder kleineren Rohren.
Vergleichbar ist diese Situation mit einem beladenen LKW, der sicher einen stärkeren Motor bei der Überwindung einer Steigung benötigt als ein Kleinwagen mit nichts als dem Fahrer an Bord.
Prüfgeräte mit Gleichspannung kommen bei den oben genannten Belastungen leicht an ihre Grenze.
Die Belastung ist zu hoch und die Spannung bricht zusammen.; der „Motor geht in die Knie“.
Vielleicht erscheint auf der Anzeige des Prüfgerätes noch der eingestellte Spannungswert, die Prüfspannung am Rohr beträgt im Extremfall jedoch nur noch einen Bruchteil des angezeigten Wertes.
Eine zusätzliche Verstärkung der Spannungserzeugung ist aus sicherheitstechnischen Gründen nicht möglich. VDE 0104 gibt für Gleichspannung exakte Grenzwerte für den Fall einer Berührung der Hochspannung vor (12 mA) und schließt diese Möglichkeit somit aus.
Prüfgeräte, die mit Hochspannungsimpulsen arbeiten, verfügen aufgrund ihrer andersartigen Technik über die notwendigen Reserven, um auch im Fall größerer Belastung die eingestellte Prüfspannung zu garantieren - und das, ohne die Sicherheit des Bedieners in Frage zu stellen.
Hochspannungsimpuls - Prüfgeräte fallen nicht unter die begrenzenden VDE Bestimmungen. s.o.
Dies ist einleuchtend, da die Hochspannungsimpulse bei guten Geräten nur Bruchteile von Sekunden 1/1000000 lang sind ,d.h .nur für sehr kurze Zeit wirken, im Gegensatz zur Gleichspannung die permanent ansteht.

Zwei Komponenten sind in diesem Zusammenhang besonders wichtig:

a. Die eingebaute Kugelfunkenstrecke, mit der die Hochspannung im Gerät permanent stabilisiert wird..
b. Die automatische Regelung der Prüfspannung, die garantiert, daß bei starker Belastung des Prüfgerätes z.B. durch feuchte Rohre, die Spannung in Bruchteilen von Sekunden auf ihren eingestellten Wert nachgeregelt werden kann.

2. Werkstoffbelastung
Beim Vergleich der beiden Prüfverfahren (Gleichspannung und Hochspannungsimpulse) liegt auch bei Berücksichtigung der Materialbelastung der Vorteil bei einer Prüfung mit Hochspannungsimpulsen
Dem sog, Stoßfaktor kommt in diesem Zusammenhang eine besondere Bedeutung zu.
Der Stoßfaktor besagt nicht anderes, als daß bei kurzer Einwirkzeit einer hohen Spannung, wie z.B. bei Spannungsimpulsen , das jeweilige Material das 2-3 fache an Spannung vertragen kann ohne Schaden zu nehmen. Die Hochspannungsimpulstechnik gibt die doppelte bis dreifache Sicherheit
z.B. bei der Prüfung von Materialien, deren Schichtdicke stark schwankt oder wenn versehentlich eine zu hohe Spannung eingestellt wurde.

Während beim Prüfen mit Gleichspannung das Material über den gesamten Prüfzeitraums durch die Spannung belastet wird, kann beim Einsatz von Hochspannungsimpulsen die Dauer der Einwirkung auf wenige Mikrosekungen d.h. Millionstel Sekunden reduziert werden,
Ein weiterer Pluspunkt der Hochspannungsimpulsmethode:

3. Sicherheit einer korrekten Prüfung
An einem einfachen Beispiel läßt sich erläutern, warum man bei der Prüfung mit Hochspannungsimpulsen in jedem Fall „auf der sicheren Seite“ ist. wenn es darum geht ein fehlerfrei umhülltes Rohr zu erhalten
Ein ganz alltägliches Beispiel macht dies deutlich.
Führt man seinen Finger oder ein anderes Material rasch durch eine Kerzenflamme passiert nichts.
Anders sieht es aus, wenn man ihn für längere Zeit dem Feuer aussetzt....
Auf die Hochspannungsprüfung bezogen heißt das:
Bei nur kurzer Einwirkzeit (Impulsspannung) kann ein Material wesentlich stärker belastet werden als bei dauernder Einwirkung.(Gleichspannung).

Dieser Zusammenhang gibt beim Einsatz von Prüfgeräten mit Impulstechnik die Gewißheit einer einwandfreien, zerstörungsfreien Prüfung s.o., auch wenn die Schichtdicke einmal unter den Angaben des Herstellers liegt, oder versehentlich der falsche Spannungswert eingestellt wurde. s. auch Punkt 5 ; Einstellen der richtigen Prüfspannung.

Aber auch wenn die Prüfspannung zu knapp ausgefallen ist, oder extrem starke Schichtdicken zu testen sind. z.B. mehrlagige Bitumenbinden hat die Impulstechnik entscheidende Vorteile.
Hier helfen die sogenannten Gleitentladungen.

Gleitentladungen sind bis zu mehreren Zentimetern lange Funken, die, wie bei Dunkelheit leicht zu erkennen, rings um die auf dem Rohr aufgesetzte Prüfelektrode in alle Richtungen über die Oberfläche gleiten. In allen Richtungen heißt, daß hierdurch eine besonders sichere da überlappenden Prüfung realisiert wird.
- zweitens, daß Fehlstellen nicht nur direkt unterhalb der Prüfelektode festgestellt werden, können sondern auch in einem bis zu mehreren Zentimetern umfassenden Bereich um die Elektrode herum, also auch in die Tiefe!!.
( Bild: schräg verlaufende Pore etc. )
Überlappende Umhüllungsmaterialen stellen daher im üblichen Rahmen kein Problem dar.
Gleitentladungen wirken wie der verlängerte Arm der Elektrode. Es können auch Poren in größerer Entfernung von der Prüfelektrode gefunden werden, als die der Wert der eingestellten Prüfspannung eigentlich zuläßt.

Die Entstehung der so nützlichen Gleitentladungen hängt von verschiedenen Faktoren ab.

Material,
Feuchtigkeit der Oberfläche,
Luftfeuchtigkeit
von der Spannungshöhe
und, ganz wichtig,
von der Spannungsform
Gleichspannung hat im Gegensatz zur Impulsspannung nur geringe Tendenz zur Bildung von Gleitendladung.
Bei gleicher eingestellter Prüfspannung bieten Geräte mit Impulsspannung also aus geschilderten Gründen eine wesentlich höhere Sicherheit z.B.

bei dicken Schichten,
einer versehentlich zu gering gewählten Spannung und
zu raschen Bewegungen > 30 cm / s während des Prüfvorgangs.
An dieser Stelle sollte auch der bereist unter Punkt 2) Werkstoffbelastung ausführlich beschriebene Stoßfaktor noch einmal erwähnt werden. Hierdurch entsteht zusammen mit der Gleitentladung eine große Fehlertoleranz bei der Spannungswahl . Ein weiterer wesentlicher Beitrag der Impulstechnik zur allgemeinen Prüfsicherheit.

4. Sicherheit des Prüfers

Prüfgeräte dürfen bei einer versehentlichen Berührung der Hochspannung führenden Teile, kein Gesundheitsrisiko für den Bediener darstellen. Diese Bedingung wird bei Gleichspannungs- und Impulsgeräte auf unterschiedliche Weise erfüllt.

Für Gleichspannungsgeräte schreibt VDE einen exakten Grenzwert für den Strom vor, der bei einer Berührung maximal fließen darf. s.o.
Am Beispiel der Kerze erläutert darf die Hitze der Flamme nur so gering sein, daß sie keine Verletzung hervorruft.
Da sich die aus dem Gerät verfügbare Energie aus den Größen Strom und Spannung zusammensetzt, ist hierdurch im gleichen Zuge die Energie, die für die Prüfung zur Verfügung steht, festgelegt.
Der Strom ist durch VDE 0104 begrenzt, die Spannung durch die Prüfvorschriften z.B. DIN 30672 festgelegt.
m Gegensatz hierzu sind Prüfgeräte, die die Hochspannungsimpulstechnik einsetzen, nicht den oben genannten Grenzwerten unterworfen. Bei entsprechend kurzer Einwirkung (Dauer der Impulse 1/100000s) kann der menschliche Körper im Falle einer unbeabsichtigten Berührung wesentlich höhere Ströme ohne Schaden überstehen.

Ein weiterer wichtiger Punkt in diesem Zusammenhang ist das Auftreten von Restladungen.
Bei der Prüfung mit Gleichspannung können sich das Rohr oder sonstige Teile durch die permanente Spannungseinwirkung leicht aufladen.
Das Rohr verhält in diesem Fall sich wie ein Energiespeicher (Kondensator), der sich über eine mögliche Verbindung zur Erde entladen möchte. Diese Verbindung kann bei fehlender oder schlechter Erdung auch der Prüfer sein.
Diese Gefahr eines elektrischen Schlages ist aufgrund der wesentlich kürzeren Einwirkzeit bei Anwendung der Hochspannungstechnik auszuschließen. Voraussetzung ist jedoch immer die einwandfreie Erdung.
Hiermit ist eines der wichtigsten Kapitel in Verbindung mit der Hochspannungsprüfung angesprochen:

Die Erdung - Verbindung zur Erde (Masseverbindung)

Eine ordnungsgemäße Erdung des Hochspannungsprüfgerätes ist Voraussetzung für jede Hochspannungsprüfung .
Durch die Erdung ( Verbindung mit dem leitenden Teil des Rohres o.ä.) wird der Stromkreislauf geschlossen , ohne den keine elektrisches Gerät funktionieren kann. Gleichzeitig wird ein Bezugspunkt für die Messung geschaffen.
Was bedeutet in diesem Zusammenhang Bezugspunkt:
Wie bei einer Höhenangabe z.B. Höhe der Zugspitze ????  m " über dem Meeresspiegel" gilt die Spannungsangabe des Hochspannnungsmeßgerätes in Bezug auf die Erde, die mit Spannung Null gleichgesetzt wird.
Die Verbindung des zu prüfenden Objektes mit dem Erdreich kann im Rohrleitungsbau in der Regel vernachlässigt werden. Durch Ablage des Rohres z.B. auf dem Erdreich im Graben ist das Rohr auf Erdpotential d.h. Spannung Null.
Von der Qualität der Erdung des Prüfgerätes hängt die Sicherheit der Hochspannungsprüfung und die Sicherheit des Bedieners maßgeblich ab.
Für die Praxis hat sich der alte Spruch aus der Meßtechnik bewährt:
 „Erde vergessen , Mist gemessen“!!

Grundsätzlich werden drei Erdungsformen unterschieden:
a. die direkte Erdung
b. die indirekte Erdung
c. die sogenannte kapazitive Erdung
.
zu a)
Die direkte Erdung, d.h. die direkte leitende Verbindung zwischen dem Prüfgerät und dem nicht isolierten Teil des zu kontrollierenden Rohr o.a. ist die zuverlässigste Form der Erdung. und allen anderen Möglichkeiten immer vorzuziehen.
Hierzu wird das mit dem Gerät ordnungsgemäß verbundene Erdungskabel z.B. mit einer Klemmzange mit dem nichtisolierten Teil des Rohres verbunden.
Manche Hochspannungsprüfgeräte verfügen über einen zusätzlichen Sicherheitsmechanismus, der einen Betrieb ohne eingestecktes Erdkabel unmöglich macht und auf diese Weise auch Prüfungen ohne verwendbares Ergebnis verhindert.
Abb.

zu b)
Leider ist eine direkte Erdung in der Praxis nicht immer möglich.
Die nächste Verbindung zum leitenden Teil des Rohres o.a. Schieber, Hausanschluß etc . ist für den Anschluß des normalen Erdkabels zu weit entfernt.
Als Lösung bietet sich die sogenannte Schlepperde an.
Hiermit besteht die Möglichkeit das Erdreich mit seinen leitenden Eigenschaften als „Verlängerungskabel“ einzusetzen.
Die Verbindung zur Erde wird an der nächstmöglichen Stelle ( Hausanschluß etc.) mittels Klemmzange und Erdstab hergestellt. Mit einer gut leidenden , flexiblen Schlepperde wird diese Verbindung am Ort der Prüfung wieder vom Erdreich aufgenommen und der Stromkreis so geschlossen.

zu c)
Was aber, wenn nirgends eine leitende Verbindung zum Rohr o.ä. erreichbar ist.
Das Rohr, wie z.B. bei Wasserrohren zu finden ohne Unterbrechung vollständig isoliert sind,
Oder der Ort der Prüfung sich auf extrem trockenem oder durch Bauschutt verunreinigtem Boden.
befindet.
Für diesen Fall hat sich der Einsatz einer sogenannten Erdungsmanschette bewährt.
Die Manschette Sie besteht aus einem gut leitenden Spezialgummi und stellt eine Form der sog. kapazitiven Erdung dar.
In der passenden Größe um das zu prüfende Rohr gewickelt und festgezogen wird die Manschette auf der einen Seite mit dem Erdreich ( kurzes Erdkabel mit Erdstab ) auf der anderen Seite mit dem Prüfgerät verbunden. Anschließend kann wie gewohnt geprüft werden.

Die richtige Prüfspannung
Die Wahl der Prüfspannung richtet sich nach zwei Faktoren:
- der Art des zu prüfenden Umhüllungsmaterials und
- der Schichtdicke.

Für den Rohrleitungsbau mit Schichtdicken zwischen 3-4 mm gilt DIN 30672.
Die hierin beschriebene Berechnungsformel gibt als Prüfspannung ;
     5 kV + 5 kV / mm an.
Bei einer PE Umhüllung von 3 mm ergibt sich z.B. aus der obigen Formel ;
     5 kV + 3 x 5 kV =20 kV

Dies gilt für die im Rohrleitungsbau üblichen Umhüllungsstärken mit PE, Bitumen den verschiedenen Nachumhüllungsmaterialien etc. als Ausgangsmaterial. Bei wesentlich dünneren Schichten sind in jedem Fall die Herstellerangaben bzw. die hierfür relevanten Normen zu beachten.
Grundsätzlich sollte man stets bemüht sein, die für das jeweilige Material korrekte Prüfhochspannung einzustellen. Speziell bei schwankenden Materialstärken sind bei der Prüfung mit Impulshochspannung durch die Neigung zur Gleitentladung s. Punkt 2 sowie den bei Impulsspannung so wichtigen Stoßfaktor Toleranzreserven im Sinne der Prüfsicherheit eingebaut.

Wahl der richtigen Prüfelektrode
Die Wahl der richtigen Prüfelektrode ist im Rohrleitungsbau in erster Linie vom Durchmesser des zu prüfenden Rohres abhängig und vom konkreten Einsatz.
- Liegt oder hängt das Rohr noch frei ,kann mit einer den kompletten Rohrumfang prüfenden Spiralelektrode gearbeitet werden. Der einfachste Weg auch längere Rohrstrecken zu prüfen.
- Ist das Rohr bereits in den Graben abgesenkt stellt die Halbrundbürste eine auf diesen Fall abgestimmte Alternative dar.
- Für ungleichmaßige Flächen, Abgänge, Schieber bietet sich die Flachbürste an.
Alle Prüfelektroden gibt es jeweils passend für alle Rohrdurchmesser bzw in verschiedenen Breiten. ( Flachbürste ).

In jedem Fall sollte die Prüfelektrode in ihrer vollen Länge bündig auf dem Rohr aufliegen.

Zwischenräume z.B. bei Halbrundbürsten mit Büschelborsten, oder durch stark verschmutzte, verbogene Borsten gefährden die gesamte Prüfung. Um dies auszuschließen sollte auf den Einsatz von Bürsten mit vollen Besatz Wert gelegt werden. Sie sind wesentlich robuster, formbeständiger als Büschelbürsten und können bei den auf der Baustelle unvermeidlichen Verschmutzungen leicht mit einer Stahlbürste gereinigt werden.

Das gleiche gilt für durchhängende oder zu eng gewählte Spiralen. Letztere rollen schlecht ab, klemmen oder schnellen unkontrolliert nach. Ergebnis sind stellenweise ungeprüfte Rohre.

Neben den Prüfelektroden für die Prüfung der äußeren Umhüllung im Rohrleitungsbau gibt es weitere Elektroden für dünne bzw. empfindliche Beschichtungen (Lacke etc) wobei hier der Borstenbesatz durch ein leitendes Spezialgummi ersetzt ist.
Gleiches gilt für Elektroden zur Kontrolle von Innenbeschichtungen .

leitende Materialien
Rußbrücken bei Stoßfaktor.
Prüfgeschwindigkeit
Kugelfunkenstrecke / Regelautomatik

Glossar:
Definitionen der wichtigsten technische Fachbegriffe.

Gleitentladung:
Bei der Prüfung mit Hochspannung entsteht ein elektrisches Feld. Ein Teil dieses Feldes bildet sich an der Oberfläche des geprüften Rohres aus. Dort ist es durch dünne, bei Dunkelheit gut sichtbare Funken zu erkennen, die über das Rohr gleiten.

Kugelfunkenstrecke:
Vorrichtung aus der Hochspannungstechnik zur Stabilisierung von hohen Spannungen.

Beschädigung z.B. Pore : ( Bild)

Stoßfaktor:
Der Stoßfaktor ist das Verhältnis der Durchschlagsspannung von kurzen Hochspannungsimpulsen zur Höhe der Durchschlagsspannung bei sinusförmigen Wechselspannungen.
          U( impuls)
Stoßfaktor = -----------------
          U ac

z.B. der Stoßfaktor von Pe = 2,5 - 3,8

Durchschlagsfestigkeit: Maß für die Höhe der Durchschlagsspannung eines Materials.

Durchschlagsspannung : Die elektrische Durchschlagsspannung ist der (Effektiv) Wert einer sinusförmigen Wechselspannung, bei der ein Stoff durchschlagen wird.

Hochspannung:
Die Definition von Hochspannung , also hoher Spannung ist nicht eindeutig festgelegt.
Häufig findet man die Einstufung von Spannungen über 1 kV als Hochspannung.

Spannungsformen:
Weitere Unterscheidungsmerkmale ist die Form der Spannung.
Grundsätzlich unterscheidet man Wechselspannung und Gleichspannung. Wechselspannung ist die Spannungsform, die auch bei der üblichen Netzspannung anzutreffen ist. Der Name weißt auf den ständigen Wechsle zwischen dem Plus- und Minuspol hin. Man spricht auch von wechselnder Polarität dieser Spannung.

Gleichspannung behält ihre in der Regel positive Polarität. Batterien und Akkus liefern Gleichspannung, z.B. + 9V Blockbatterie.

unipolare Impulshochspannung:
Aus den oben beschriebenen Definitionen „Hochspannung“ und „Spannungsform“ läßt sich der Begriff unipolare Impulshochspannung leicht ableiten. Es handelt sich hierbei um kurze Spannungsspitzen, die sich stets auf einer festen Seite der Null Linie befinden, also ihre Polarität nicht wechseln.