ETG Brugg Cable. 27.Juni Optimale Inbetriebnahmeprüfung und Zustandsbestimmung von Mittelspannungs-Kabelanlagen

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1 ETG Brugg Cable 27.Juni 2012 Optimale Inbetriebnahmeprüfung und Zustandsbestimmung von Mittelspannungs-Kabelanlagen Dr.-Ing. Frank Petzold SEBA Dynatronic Mess- und Ortungstechnik GmbH ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 1

2 Agenda 1. Aussagefähigkeit von Spannungsprüfungen 2. Qualitätskontrolle von Garniturenmontagen bei Inbetriebnahme mit TE-Diagnose 3. Zustandsbestimmung gealterter Kabelanlagen 3.1 Bewertungskriterien bei dielektrischer Diagnose mit 0,1 Hz tanδ 3.2 Bewertung von TE-Messungen 4. Zusammenfassung ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 2

3 Prüfstandards für Mittelspannungskabel International: - IEC High Voltage Test Techniques Part 3: Definitions and requirements for on site tests - IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems using Very Low Frequency European: - Cenelec HD 620/621 S1 National: - DIN VDE 0276 part 620/621 (Germany) ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 3

4 Prüfstandards für Mittelspannungskabel International: - IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems using Very Low Frequency 4

8 Inbetriebnahme Prüfung an neuen VPE- Kabeln Mantelprüfung 5 kv 10 min. 3 Uo 0,1 Hz Spannungsprüfung - Prüferfahrungen zeigen, dass nur äußerst schwerwiegende Montagefehler aufgedeckt werden. Diese Durchschläge treten bereits beim Hochfahren der Spannung bzw. innerhalb der ersten 15 Minuten Prüfdauer auf. 60 Minuten Prüfdauer ergeben keine weitere Aussage. Schlechte Absetzqualität, fehlende Aufbauelemente, unvollständige Schrumpfprozesse u. a. führen in der Regel nicht zum Prüfdurchschlag! Die Montagequalität ist mit TE-Diagnose effektiv kontrollierbar! s. Abschnitt 2 ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 8

9 Inbetriebnahme Prüfung an Mischkabeln Reparatur oder Einschleifung mit neuen VPE-Kabeln (1) Mantelprüfung 5 kv 10 min. direkt nach der Verlegung allerdings oft ohne Ergebnis, weil das neue VPE Kabel noch nicht erdfühlig ist. Mischkabel : Papier Masse Kabel neues VPE Kabel Prinzipiell kann ein Teilstück neues VPE Kabel auch mit 3 bis 4 Uo DC belastet werden, ohne das neue VPE Kabel zu schädigen. Bei gut gereinigten Endverschlüssen kann man den Leckstrom des Papier-Massekabels für eine Zustandsbewertung benutzen. Die Erkennung von betriebsgefährlichen Schwachstellen im Papier Masse Kabel ist mit 4 Uo erfahrungsgemäß sehr gut. Alternativ : 3 Uo 0,1 Hz Spannungsprüfung Prüferfahrungen zeigen, dass Fehlstellen im Papier Masse Kabel mit 0,1 Hz sehr gut aufgedeckt werden. Die Prüfdurchschläge ereignen sich erfahrungsgemäß innerhalb von 30 Minuten, so dass 60 Minuten Prüfdauer nicht zwingend notwendig sind. Einschränkung zur Erkennung von Montagefehlern in Übergangsmuffen ist ähnlich wie bei reinen VPE Kabeln. Die Montagequalität ist mit TE-Diagnose effektiv kontrollierbar! Zudem wird dabei der Zustand der Papier Masse Isolierung diagnostiziert. ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 9

10 Inbetriebnahme Prüfung an Mischkabeln Reparatur oder Einschleifung mit neuen VPE-Kabeln (2) Mischkabel : altes PE/VPE Kabel neues VPE Kabel 3 Uo/60 Minuten 0,1 Hz Spannungsprüfung : an Kabeln, welche bisher nicht durch innere Kabelfehler (WT pin hole failures) auffällig sind. 25 Jahre Prüferfahrungen zeigen, dass vereinzelte lange WT zum Durchschlag gebracht werden, ohne das restliche Dielektrikum zu schädigen. Kabel, welche eine 3 Uo/60 Minuten 0,1 Hz VLF Prüfung bestanden haben, zeigen in den nachfolgenden 2 Jahren keine WT-induzierten Betriebsstörungen. 1,7 Uo/60 Minuten 0,1 Hz Spannungsprüfung : an Kabeln, welche zu Mehrfachfehlern im Erdschlussfall geführt haben und/oder innere Kabelfehler (WT pin hole failures) aufweisen. Kabel, welche eine 1,7 Uo/60 Minuten 0,1 Hz VLF Prüfung bestanden haben, zeigen ca. über ein Jahr keine WT induzierten Betriebsstörungen. Die Dunkelziffer der Betriebsfehler nach bestandener 0,1 Hz VLF Prüfung liegt im Bereich 2 bis 3 %. Der integrale Zustand der PE/VPE Isolierung (WT Alterungszustand) ist mit IRC- Analyse oder tan delta Diagnose bestimmbar. Die Einflüsse der Feldsteuerkonstruktionen der Garnituren sind zu beachten. ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 10

11 Durchschlagspannung von PE-Modellkabeln mit und ohne Fehlstellen bei verschiedenen Frequenzen der Prüfspannung U W k V % Geringe Belastung der ungeschädigten Isolierung durch 0,1 Hz VLF Spannung. Signifikante Erkennung von Schwachstellen. ohne Fehlstellen o mit Fehlstellen Verhältnis 0 0 0,01 0, Hz f Quelle E. Gockenbach u.a, Schering-Institut Hannover ; Elektrizitätswirtschaft 2000 ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 11

12 Ergebnisse von 0,1 Hz-VLF Prüfungen an VPE- und Papier-Masse Kabeln min min min min min min XLPE Paper NAKBA Paper DNAKBA Casted joint paper NAKBA Wrapped joint plastic Transistion joint Quelle : M.Keller, Dortmunder Energie und Wasser (DEW Report) Erfahrungsbericht ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 12

14 Typische Feldverteilung in Aufschiebe-Muffen - Bedeutung der Spannungsform für TE-Diagnose Häufig befinden sich die Fehlstellen (Spalte; Hohlräume) im Bereich der Schräggrenzfläche zwischen Aderisolierung und Feldsteuerung/Isolierkörper der Garnitur. Teilentladungsaktivitäten sind stark von der Spannungsform abhängig! TE-Messung möglichst mit betriebsnaher Frequenz der Prüfspannung! ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 14

15 Typische Feldverteilung in Schrumpf- und Aufschiebe-Endverschlüssen Bedeutung der Spannungsform für TE-Diagnose Schräggrenzfläche zwischen Aderisolierung und Endverschlusskörper ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 15

16 Erzeugung gedämpfter Wechselspannung - DAC Frequenz 50 bis 450 Hz HV Source" -" HV Solid" State Switch" L" L" Inductor" Inductor" Test Object: power cable" Test Object: Power Cable" S" C" c" HV Divider" Embedded PC " HV Divider" PD Coupling Capacitor" 200 Process MHz AD Control Converter Unit " " PD Coupling Capacitor" adaptive PD detector" Data Storage " PD detector" PD Analysis" Dielectric losses " estimation" f Additional capacitor 0 = 2π 1 LC ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 16

18 OWTS M Serie OWTS M 28 Vollständig integriertes System Notebook mit Ethernet oder WLAN zur Steuerung, Datenerfassung und Protokollierung OWTS M 60 ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 18

19 TE-Kriterien für die Inbetriebnahme von neu montierten Garnituren alle Typen von Endverschlüssen und Muffen Die Prüfspannung während der TE-Messung sollte der betriebsfrequenten Netzspannung ( 50 / 60 Hz) näherungsweise entsprechen, um sicherzustellen, dass die gemessenen TE-Parameter mit den Vorgängen bei Betriebsbelastung identisch sind. Das wichtigste Kriterium ist die TE-Einsatzspannung PDIV PDIV sollte größer/gleich 1,7 Uo sein (Minimalforderung < 1,3 Uo) TE-Nachweisgrenze mind. 200 pc; bei höheren Störpegeln Erdungsanlagen prüfen bzw. andere Messzeit wählen. Zu beachten : - Garnituren müssen abgekühlt sein (Warmschrumpftechnik) - einige Garnituren müssen sich setzen und sind erst nach 1-2 Tagen TE-frei - einige TE-Fehlstellen zeigen sich erst nach Lastwechselzyklen im Betrieb Empfehlung : Wiederholungsmessung nach 1 bis 2 Monaten oder spätestens vor Ablauf der Garantiezeit. Kriterien weiterhin nicht erfüllt Austausch der Garnitur und visuelle Inspektion. ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 19

21 3.1 Dielektrische Diagnose mit 0,1 Hz VLF und tan δ Messung für PE / VPE Kabel tan δ-messung ist für die Bestimmung des Alterungszustandes durch Water Trees langjährig im Einsatz Änderungen der Kabelwerkstoffe und moderne Feldsteuerungen in Garnituren beeinflussen die Messergebnisse ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 21

22 Traditionelle Bewertungskriterien für 0,1 Hz tan δ Messungen Traditionelle Kriterien wurden in den 90iger Jahren an VPE-Kabeln der 1. Generation ermittelt Kabel mit homopolymerer Isolierung Kabel in gutem Zustand : tan δ (2 Uo) < 1,2 und / oder [tan δ (2 Uo) - tan δ (Uo)] < 0,6 Kabel in schlechtem Zustand : tan δ (2 Uo) > 2,2 und / oder [tan δ (2 Uo) - tan δ (Uo)] > 1,0 Um stark gealterte VPE Kabel während der Diagnose nicht durchzuschlagen, erfolgt die Spannungsfahrt meist nur bis 1,5 Uo. 0.1 Hz dissipation factor tan δ reference cable (new) slightly service-aged (1) moderately service-aged (2) moderately service-aged (3) strongly service-aged (4) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Quelle : Baur Produktinformation U / U 0 ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 22

23 Einfluss von Feldsteuermaterialien in Garnituren auf 0,1 Hz tan δ Messungen (1) 1x erste Indikationen bzgl. des Einflusses von resistiven Feldsteuerkomponenten auf 0,1 Hz tan δ Quelle: Kent Brown; ICC Meeting USA ; April 2005 ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 23

24 Einfluss von Feldsteuermaterialien in Garnituren auf 0,1 Hz tan δ Messungen (2) 1x10-1 1x10-2 1x10-3 der Einfluss zeigt sich auch bei verschiedenen Frequenzen der Mess-Spannung (FDS Messgerät Idax) Quelle: Johan Skjolberg Sintef ; 2007 ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 24

25 Einfluss von Feldsteuermaterialien in Garnituren auf 0,1 Hz tan δ Messungen (3) der Einfluss wird bei höheren Temperaturen noch stärker Quelle: Dietmar Eisemann; ETG Tagung Köln 2008 und 2010 ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 25

26 Neue Bewertungskriterien für 0,1 Hz tan δ Messungen IEEE Insulated Conductor Committee (ICC) F03W erarbeitet neuen IEEE Standard Neetrac (Georgia Tech Research Organisation) hat ein mehrjähriges Forschungsprogramm durchgeführt und eine Vielzahl von Feldmessungen ausgewertet, welche aktuell in den neuen Standard einfliessen. Neue Bewertungskriterien für VPE-Kabel : Wichtigste Kriterien sind Spalte 1 : Stabilität des tan δ innerhalb einer Spannungsstufe Spalte 2 : Änderung des tan δ zwischen 0,5 und 1,5 Uo Die Absolutwerte in Spalte 3 werden in Europa nicht so hoch ausfallen, es sind aber deutlich höhere Werte als die traditionellen Werte festzustellen. Quelle: IEEE Draft 09 September 2010 ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 26

27 Neue Bewertungskriterien für 0,1 Hz tan δ Messungen Im Entwurf der IEEE sind auch Grenzwerte für Papier-Masse-Kabel enthalten Quelle: IEEE Draft 09 September 2010 ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 27

28 3.2 Bewertung von TE-Messungen (Maintenance Tests) 1 1. TE-Diagnose für die Zustandsbewertung von Papier-Masse Kabeln zur Vorbereitung von Ersatzmaßnahmen bzw. Einschätzung der Zuverlässigkeit für den weiteren Betrieb Verteilte TE in der Papier-Isolierung bis 10 nc bei Uo führen nur selten zum Ausfall TE in ölgefüllten Muffen können bis 10 nc bei Uo langzeitstabil sein Konzentrierte TE in der Papier-Isolierung bei Uo sind als kritisch zu betrachten Erdschlusswischer im gelöschten Netz werden in der Regel durch Muffenfehler verursacht, diese Muffen zeigen oft nur TE im Bereich einiger 100 pc Bleimantelkorrosion ist mit TE-Diagnose nur zu lokalisieren, wenn durch Masseverlust die Papierisolierung ausgetrocknet ist bestenfalls 50 % Wahrscheinlichkeit. Bei Eintritt von Feuchtigkeit treten keine TE auf. Empfehlungen : - Nach vorangegangenen Erdschlusswischern bei Uo TE-behaftete Muffen austauschen - Ansonsten Trend der TE-Einsetzspannung durch Wiederholungsmessungen verfolgen Zeitabstand 6 Monate bis 1 Jahr. Bei sehr niedriger Einsetzspannung oder deutlichem Trend der Verringerung der Einsetzspannung => Reparatur oder Ersatz - TE in kunststoffisolierten Verbindungs- und Übergangsmuffen - siehe Pkt.2 ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 28

29 Bewertung von TE-Messungen (Maintenance Tests) 2 2. TE-Diagnose zur Zustandsbewertung von Garnituren in PE/VPE-Kabeln bzw. Mischkabeln Bei ordnungsgemäßer Montage sind die modernen Garnituren bei Uo TE-frei (entsprechend Erzeugnisstandard bis 2 Uo TE frei) TE bei Nennspannung degradieren die Werkstoffe und führen zwangsläufig zum Ausfall der Garnitur Zeitraum je nach Fehlstellenkonfiguration und Konstruktion der Garnitur einige Tage bis zu 8 bis 10 Jahren. TE-Einsetzspannung und TE-Pegel bei Uo sind keine ausreichenden Kriterien zur Beurteilung der Gefährlichkeit einer Fehlstelle. Anhand der TE-Pattern, Kenntnissen der Garniturenkonstruktion und Erfahrungswerten ( kann man Abschätzungen zur Gefährlichkeit treffen. 2.1 TE in Hohlräumen zwischen Feldsteuerschlauch und Isolierkörper von Warmschrumpfgarnituren Überlebensdauer bis zu 10 Jahren Zuordnung anhand des Pattern (Hohlraumentladung) und Mapping möglich. ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 29

30 Bewertung von TE-Messungen (Maintenance Tests) TE im Interface VPE Ader / Feldsteuerelement Große Vielfalt der möglichen Art von Montagefehlern bei den verschiedenen Garniturentypen! Silkon basierte Garnituren (Kaltschrumpf- u. Aufschiebegarnituren) sind gegen TE weniger robust. TE-Pattern meist als Gleitentladung, z.t. mit hoher Intensität Überlebensdauer von einigen Wochen bis 5 6 Jahre ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 30

31 Bewertung von TE-Messungen (Maintenance Tests) TE in Übergangsmuffen Überwiegend Fehler bei der Montage auf der Massekabel-Seite. Kritische Austrocknung der Papier Adern bei Warmschrumpftechnik. Schlechte Zwickelfüllung bei Gürtelkabeln. Beide Fehlstellentypen - > Hohlraum- und Gleitentladungen können auftreten Mischpattern. Überlebensdauer je nach Fehlstellenart von einigen Wochen bis 5 6 Jahre ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 31

32 Bewertung von TE-Messungen (Maintenance Tests) 5 Empfehlungen : - Bei hoher Wichtigkeit der Kabelstrecke keine Garnituren mit TE bei Uo tolerieren. - Bei serienhaften Garniturenausfällen -> alle weiteren Garnituren mit TE bei Uo austauschen. - Online TE-Messung zur Erkennung TE-behafteter Kabelstrecken und nachfolgende Offline TE-Messung zur genauen Lokalisierung und Bewertung durchführen. - Visuelle Inspektionen von Nachbargarnituren bei Ausfällen von z.b. einer Phase, um typische Montagefehler zu Klassifizieren Dokumentation mit TE-Ergebnissen in - Hohlraumentladungen in Warmschrumpfgarnituren -> Reaktionszeit für Austausch bis zu 8 Jahre nach Inbetriebnahme. - Gleitentladungen in Schräggrenzflächen/Interface-Fehlern -> kurzfristiger Austausch. ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 32

33 4. Zusammenfassung Qualitätskontrolle neu montierter Garnituren bei Inbetriebnahmeprüfungen ist nur mit einer TE-Messung umfassend gewährleistet. 0,1 Hz Spannungsprüfung an gealterten Kabelanlagen zur Beseitigung von lokalen Schwachstellen (lange WT) seit 25 Jahren erfolgreich. Bewertung von tan delta Messungen nach neuen Kriterien erforderlich, um Einfluss durch Garniturentechnik zu vermeiden. Bewertung von TE-Messungen an Papier-Massekabeln meist nur über Trendverfolgung möglich. Bewertung von TE in Garnituren mit pragmatischen Ansätzen machbar mit Kenntnis über die Garniturentechnik und mögliche Fehlstellentypen ist eine bessere Gefährdungsbeurteilung möglich. ETG Brugg Cable 2012 (c) sebakmt 2012; all rights reserved 33