Erfassung, Ortung und Bewertung

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1 Wichtiges Werkzeug im Asset Management Vor-Ort-TE-Diagnose an Energiekabeln mit Oscillating Voltage Erfassung, Ortung und Bewertung von Teilentladungen (TE) in der Isolierung und den Garnituren von Mittelspannungskabeln bietet die Möglichkeit einer Qualitätskontrolle nach Installation sowie einer Früherkennung von Betriebsstörungen der Kabelanlagen. Um eine möglichst genaue Beurteilung des Gefährdungsgrades von TE-Fehlstellen vornehmen zu können, sollte die Belastungsspannung bei einer TE-Diagnose im Bereich der Netzfrequenz liegen. Aus diesem Grund sind vor allem Resonanz-Testsysteme mit variabler oder fest eingestellter Frequenz sowie oszillierende Schaltspannungen (OSV) als Prüfspannungen zu empfehlen, da die Beanspruchung mit dem normalen Betrieb vergleichbar ist. Im Folgenden wird ein Oscillating-Wave-Testsystem (OWTS) vorgestellt, das den beschriebenen Anforderungen für TE-Messsysteme gut entspricht. Das portable Design, die Funktionalität sowie speziell die anwenderfreundliche Software sind vor allem für Feldmessungen sehr gut geeignet. Eine Reihe von Feldmessungen und Ergebnisse eines Erfahrungsberichts werden diskutiert. TE- Fehlstellen in Kabelanlagen Schaltbild U 1 k 0,7 H DC-Quelle 0 36 kv 150 M IGBT Unter Teilentladung ist allgemein der elektrische Teildurchschlag eines Isoliersystems zu verstehen, d. h., es wird dabei nur ein begrenzter Bereich der gesamten Isolierstrecke überbrückt. In Kabeln sind TE-Fehlstellen i. d. R. ionisierungsfähige gasgefüllte Hohlräume, die entweder bereits bei der Herstellung der Isolierung entstanden sind, durch mechanische Beschädigung verursacht wurden oder durch fehlerhafte Montageprozesse in den Muffen oder Endverschlüssen existieren. Des Weiteren führen thermische Degradationsprozesse in Muffen mit unsachgemäß ausgeführten Leiterverbindungen ebenfalls zu TE-fähigen Fehlstellen. Teilentladungen können aber auch entstehen, wenn die elektrische Festigkeit des jeweiligen Isolierwerkstoffs durch die beanspruchende Feldstärke lokal überschritten wird z. B. durch große water trees oder unebene Leitschichten am Innenleiter eines PE/-Kabels. Dabei kommt es zum irreversiblen Materialaufbruch, dem»electrical treeing«. In dem homogenen Isolierwerkstoff PE/ wachsen electrical trees auch bei Betriebsfeldstärken mit rd. 0,2 mm/h in Richtung Gegenelektrode vor, so dass im Kabel innerhalb weniger Tage ein kompletter Durchschlag stattfindet [6 9]. Water trees (wt) an sich weisen keine Teilendladungen auf, so dass die TE-Diagnose für die Zustandsbeurteilung wt-behafteter PE/- Isolierungen nicht geeignet ist. Für diese Problematik stehen dem Netzbetreiber geeignete dielektrische Diagnoseverfahren zur Verfügung [1 6]. In Papierkabeln und deren Garnituren entwickelt sich dagegen ein völlig anderes TE-Verhalten. In der geschichteten und imprägnierten Papierisolierung treten in trockenen Bereichen lokal verteilt TE auf, die durch Massewanderung bei thermischen Lastwechseln auch wieder verlöschen können. Gleichermaßen wirken Karbonisierungen durch die einwirkende TE als leitfähige Brücken, so dass die Potenzialunterschiede»kurzgeschlossen«werden und die TE wieder aussetzen. Durch die Barrierenwirkung der geschichteten Papierisolierung wird die Ausbreitung von TE-Kanälen stark behindert, so dass Papierkabel auch über viele Jahre hinweg mit TE in der Isolierung betriebssicher sein können. Ein ähnliches Verhalten ist in ölgefüllten Muffen festzustellen. 15 k 1 nf 10 µf Prüfling Dr.-Ing. Frank Petzold, Technischer Geschäftführer und Dr.-Ing. Michael Beigert, COE Leiter in der Entwicklungsabteilung verantwortlich für den Bereich Diagnostik an Energiekabeln, Seba Dynatronic GmbH, Baunach; Dipl.-Ing. Andreas Bövingloh, Fachbereichsleiter Anlagen und Schutztechnik, Stadtwerke Bonn Q t t Filter Computer mit Anzeige und A/D-Wandler Bild 1. Prinzipschaltbild des OWTS-TE-Diagnosesystems Ankopplungs-Vierpol 30 Sonderdruck PDF 6112 aus ew Jg.105 (2006), Heft 9, S

2 Leergelaufene Masse-Endverschlüsse sind dagegen unmittelbar betriebsgefährdet, weil keine Selbstheilung durch nachfließende Masse oder Kabelöl eintreten kann. Anforderungen an eine TE-Diagnose vor Ort Für den Netzbetreiber sind die nachstehenden Punkte zur Beurteilung der Kabelanlagen von Bedeutung. Die Kabelanlage sollte bei Nennspannung U o TE-frei sein. In gelöschten Netzen dürfen bis 1,7 U o keine TE einsetzen. Falls dies doch der Fall sein sollte, müssen die TE oberhalb von U o wieder aussetzen. Für die TE-Diagnose sollte eine Spannungsform benutzt werden, die vergleichbare TE-Parameter (Ein- und Aussetzspannung und TE-Pegel) erzeugt, wie die 50-Hz- Betriebsspannung. Die Spannungsbelastung bei der TE-Diagnose soll die vorhandenen TE-Fehlstellen anregen, um diese zu detektieren, die Ladungsintensität zu erfassen und den Ort der Fehlstelle zu lokalisieren. Die TE-Diagnose soll zerstörungsfrei stattfinden, d. h., es dürfen keine zusätzlichen TE-Fehlstellen in Form von electrical trees initiiert werden. Bei Verwendung betriebsfrequenter oder ähnlicher Spannungsformen kann die Spannungsfahrt bei der Diagnose auf Pegel bis max. 1,7 U o begrenzt werden. Damit ist das Risiko einer Schädigung der Isolierung minimal. Bei Verwendung deutlich abweichender Spannungsformen, z. B. 0,1 Hz Sinus, sollten Kenntnisse vorliegen, ob und wie die gewonnenen Messergebnisse auf 50-Hz-Beanspruchungen übertragen werden können. Bild 2. TE-Muster in einem ölgefüllten System nischen Hochspannungsschalter (IGBT) und die speziell konstruierte Luftdrossel entladen. Damit entsteht eine oszillierende Ausschwingspannung, deren Schwingfrequenz von der Induktivität der Luftspule und der Kapazität des Prüfobjekts nach Gl. (1) bestimmt wird. 1 f 0 =. (1) 2 π LC Die Dämpfung der abklingenden Amplitude der Spannung entspricht den dielektrischen Verlusten im Prüfobjekt, da die ohmschen Leitungsverluste im Messkreis vernachlässigt werden können. Das heißt, damit ist eine Charakterisierung der dielektrischen Eigenschaften (tan d) des Prüfobjekts möglich. Abhängig von der Länge des zu testenden Kabels und dessen geometrischer Kapazität entsteht eine schwingende Schaltspannung mit Frequenz von 100 Hz bis 1 khz. Bei den mittleren Kabellängen von m beträgt die Schwingfrequenz rd. 250 bis 300 Hz, also der Faktor 5 bis 6 zur Betriebsfrequenz. Um auch an kurzen Kabeln im nied- Oscillating-Wave-Testsystem (OWTS) In dem im Folgenden beschriebenen Oscillating-Wave-Testsystem sind alle Vorteile eines zerstörungsfreien TE-Diagnosesystems vereint. Das Prinzip der Spannungserzeugung und des Messkreises sind in Bild 1 dargestellt. Das Prüfobjekt wird innerhalb weniger Sekunden auf die gewünschte Spannung aufgeladen und anschließend über den elektro- Bild 3. TE zwischen trockenen Papierlagen Sonderdruck PDF 6112 aus ew Jg.105 (2006), Heft 9, S

3 rigen Frequenzbereich unter 300 Hz zu messen, kann optional ein TE-freier Stützkondensator mit Sperrinduktivität zugeschaltet werden. Der TE-Messkreis wird nach IEC [10] kalibriert. Durch stufenweise Erhöhung der Prüfspannung wird die TE-Einsetzspannung U i ermittelt. Die TE-Aussetzspannung ist durch den gedämpften Spannungsverlauf ebenfalls eindeutig zu bestimmen. Praktische Ergebnisse der TE-Diagnose an Mittelspannungskabeln Bild 4. TE in einer Papierisolierung in der Nähe einer trockenen Muffe Bild 5. Statistische Verteilung der TE-Fehlstellenlokationen und TE-Pegel über die Kabellänge eines 20-kV--Kabelsystems Bild 6. Teil der Warmschrumpfmuffe mit unvollständiger Schrumpfung International gibt es eine Vielzahl von praktischen Erfahrungswerten von TE-Messungen vor Ort [10 16]. Im direkten Vergleich verschiedener TE-Messsysteme wurde das OWTS als optimales System für die betrachteten Anwendungsfälle beurteilt [16]. In der Regel sind im Feld Grundstörpegel im Bereich unter 100 pc zu erreichen, so dass die Voraussetzungen für eine ausreichende Messempfindlichkeit zum Nachweis von TE gegeben sind. Die Häufigkeit der TE-Signale wird stark von der Frequenz der Prüfspannung und damit der Spannungssteilheit im Nulldurchgang bestimmt. Vor allem bei TE-Fehlstellen im Bereich der Feldsteuerung (Schräggrenzflächen) in Muffen und Endverschlüssen sind stark frequenzabhängige TE-Einsetzspannungen, Impulshäufigkeiten und TE-Pegel zu beobachten [13;14; 16]. Daher sind Resonanzprüfsysteme mit variabler oder fester Frequenz und die oszillierende Schaltspannung (OVS) zur Nachbildung der tatsächlichen Betriebsbelastung zu empfehlen. Typische Teilentladungsmuster in ölgefüllten Systemen (Bild 2) können klar unterschieden werden von TE in Hohlräumen, Spalten oder z. B. auch TE zwischen Papierlagen in einem ausgetrockneten Bereich einer Öl-Papierisolierung (Bild 3). Zur Lokalisierung der TE-Quellen ist eine komfortable Software verfügbar, die mit der Reflektionsmethodik die gemessenen und gespeicherten TE-Signale halb- oder vollautomatisch bewertet. Digitale Filterung und Störunterdrückung ermöglichen eine erfolgreiche Lokalisierung der TE-Quellen bis zu einer Kabellänge von 3 bis 4 km. 34 Sonderdruck PDF 6112 aus ew Jg.105 (2006), Heft 9, S

4 Bild 7. Falscher Schraubverbinder in einem -Kabel, detektiert und lokalisiert mit OWTS Die TE-Fehlstellenorte sind in überwiegendem Maße in den Garnituren der Kabel vorhanden. Sehr umfangreiche Erfahrungen liegen dazu an Papier-Masse-Kabeln vor [14]. Während TE in Öl gefüllten Muffen bis zu 10 nc in den meisten Fällen auch über einen längeren Zeitraum nicht kritisch sind, kann jedoch eine konzentrierte TE-Häufung mitten in der Papierisolierung zu einem Durchschlag in einem begrenzten Zeitraum führen. Andererseits kann eine Muffe in einem Papier-Kabel zu einem kurzen Erdschluss bereits bei geringen TE-Pegeln führen. Ist eine Muffe während der Messung auch mit geringeren TE-Pegeln behaftet, kann das mögliche Problem durch Austausch der Muffe einfach gelöst werden. Statistische Verteilungen von TE- Lokalisierungen in Papier isolierten Kabeln zeigen oftmals eine»weihnachtsbaum«artige Verteilung (Bild 4). Die Muffen verlieren über Leckagen allmählich ihre Öl-Füllung, wobei die Papierisolierung in der Nähe der Muffe austrocknet. Typische Serienfehler, z. B. durch Fehlmontagen, lassen sich hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Fehlerrate im Betrieb durch Analyse der TE-Parameter und der Einsetzspannung verifizieren. Tafel 1 Besonders die Bewertung der Qualität neu installierter Kabelsysteme z. B. nach Montage von Übergangsmuffen (Papier/) oder sogar eine generelle Analyse der Montagequalität von Muffen und Garnituren ist zu empfehlen (Bild 5 bis 8, Tafel 1). In Bild 5 sind für alle drei Phasen des Systems die TE-Lokationen über der Kabellänge dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass in dem Muffensatz bei 200 m in Leiter 1 und bei 360 m in Leiter 2 und 3 sehr häufige TE mit hoher Intensität auftreten. Bei diesem Prüfobjekt handelt es sich um ein 20-kV-- Kabelsystem mit schlecht montierten Schrumpf-Muffen. Bemerkenswert war, dass diese extrem hohen TE-Pegel erst nach fünf bis sechs Jahren Betriebsdauer zum Ausfall der Muffen geführt haben. Durch fehlerhafte Montageprozesse in Muffen und Endverschlüssen entstehen ionisierungsfähige gasgefüllte Hohlräume und Spalten sowie Bereiche erhöhter Feldstärke, die z. T. bereits bei Nennspannung zu Teilentladungen führen (Bild 6). Des Weiteren können thermische Degradationsprozesse in Muffen mit unsachgemäß ausgeführten Leiterverbindungen ebenfalls TEfähige Fehlstellen bewirken. Diese TE-Fehlstellen können durch die OWTS-TE-Diagnose nachgewiesen und lokalisiert werden. Kabelelement Typ Trend/Grenzwerte pc Isolierung Papier bis PE/ <20 Muffen Öl-Isolierung > Öl/Harz-Isolierung Silikon/EPR-Isolierung 500 bis Endverschluss Öl-Endverschluss trockener Endverschluss Schrumpf-/Aufschiebe-Endverschluss 250 Tafel 1. Trend bzw. Grenzwerte für TE-Pegel [14] Sonderdruck PDF 6112 aus ew Jg.105 (2006), Heft 9, S

5 LITERATUR Bild 8. TE-Mapping Übergangsmuffe und Mischkabel Bild 7 zeigt eine falsche Größe des Schraubverbinders in einer Muffe. Die dabei entstehenden Spaltflächen verursachen Teilentladungen, die messtechnisch erfasst werden können. Wegen der Stochastik von TE-Prozessen ist für eine gesicherte Aussage über die Art und den Ort von TE- Fehlstellen unbedingt eine statistische Auswertung der TE-Signale erforderlich. Interpretationen auf Basis von nur wenigen vermeintlichen TE-Signalen können zu Fehleinschätzungen mit sehr hohen Folgekosten führen. Schließlich muss der Netzbetreiber auf Basis der TE- Diagnose eine fundierte Entscheidung über Austausch oder Verbleib der betroffenen Garnituren oder Kabelabschnitte treffen. Aufgrund der unterschiedlichen Isolierwerkstoffe und ihrer unterschiedlichen TE-Resistenz müssen zur Risikobewertung von Teilentladungen bei PE/- sowie Papier isolierten Kabeln unterschiedliche Kriterien berücksichtigt werden (Tafel 1). Eine Trendbeobachtung im Abstand von drei bis sechs Monaten ist auf jeden Fall sinnvoll, wenn bei der TE-Diagnose die in Bild 5 dargestellten Grenzwerte erreicht oder überschritten sind, aber noch keine Ausfälle der Kabelanlage zu verzeichnen sind. Die dargestellten Trends oder Grenzwerte bieten neben der Betriebserfahrung an relevanten Kabelsegmenten für Netzwerkverantwortliche eine gute Orientierung. Die TE-Diagnose ermöglicht die selektive Beurteilung der Übergangsmuffe sowie auch der Papier- und -Kabelabschnitte (Bild 8). Neben der konzentrierten Entladungsaktivität in der Übergangsmuffe sind lokal verteilte TE im Papierkabelabschnitt zu erkennen. Zusammenfassung Papier Zur Überprüfung und Sicherung der Betriebszuverlässigkeit von Mittelspannungs-Kabelanlagen ist die TE-Diagnose ein wichtiges Werkzeug im Asset Management. Die Qualitätskontrolle der Garniturenmontagen durch TE-Messungen wird in Zukunft an Bedeutung gewinnen, da der steigende Kostendruck bei den Energieversorgungsunternehmen zur Auftragsvergabe an die billigsten Montagebetriebe führt und es ratsam ist, die Ausführung der Leistungen zu überprüfen. Neben den Trends bzw. Grenzwerten der TE-Pegel sind bei der Beurteilung von TE-Ereignissen als wichtigste Kenngröße die TE-Einund Aussetzspannung und die lokale Konzentration der TE zu berücksichtigen. Aussagen zur Restlebensdauer von Kabeln sind durch die TE-Diagnose generell nicht möglich. Erfahrungswerte aus der Praxis ermöglichen jedoch eine Orientierung über den Zustand und Gefährdungsgrad der Kabelanlage. Damit ergeben sich durch die TE-Diagnose wertvolle Informationen für ggf. erforderliche Instandhaltungsmaßnahmen, und die verfügbaren Budgets sind effektiv einsetzbar. 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