Einrichtung der Fernüberwachung des Kathodischen Korrosionsschutzes in einem Gasversorgungsnetz

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1 Einrichtung der Fernüberwachung des Kathodischen Korrosionsschutzes in einem Gasversorgungsnetz Der Korrosionsschutz erdverlegter Stahlrohrleitungen wird neben einem guten passiven Schutz durch einen wirksamen kathodischen Schutz erreicht. Die Einrichtung und Überwachung des Kathodischen Korrosionsschutzes ( KKS ) erfolgt nach den DVGW-Arbeitsblättern GW 10 und GW 12. Die vorgeschriebenen manuellen Messungen zur Überwachung des KKS können durch den Einbau einer Fernüberwachung bei gleichzeitiger Erhöhung der Betriebssicherheit reduziert werden. Ein Hinweis auf eine mögliche Reduzierung der manuellen Messungen durch die Fernüberwachung des KKS findet sich im Entwurf des DVGW-Arbeitsblatts GW 10 vom Juni 1990, Abschnitt Der folgende Beitrag beschreibt die Einrichtung der Fernüberwachung im Auftrag der Schleswag AG Rendsburg für das gesamte Versorgungsgebiet in Schleswig-Holstein. Die Schleswag AG Rendsburg versorgt als regionales Unternehmen das Bundesland Schleswig-Holstein ausgenommen die Städte Kiel, Lübeck, Flensburg und Neumünster mit Strom, Erdgas und Wasser. Das Erdgasleitungsnetz der Schleswag umfaßt insgesamt Kilometer. Davon sind ca. 912 Kilometer Stahlrohrleitung DN 100 bis DN 750 mit einem Betriebsdruck von 16 bis 80 bar. Schleswag für das gesamte Versorgungsnetz begonnen. Die Ziele für die Einrichtung der Fernüberwachung des KKS wurden wie folgt definiert: - Wegfall der 2-monatigen Funktionskontrollen der Schutzanlagen nach Abs. 7.1 und der jährlichen Überwachung an ausgewählten Meßstellen nach Abs Ausdehnung des Überwachungszeitraums der manuellen Ein- und Ausschaltmessungen von 3 auf min. 5 Jahre - Erhöhung der Betriebssicherheit durch schnellere Fehlererkennung - zeitgleiche Messung der Ein- und Ausschaltpotentiale und Ströme - Ferntaktung der Schutzanlagen für manuelle Messungen und Fehlereinmessung. Fernabschaltung der Schutzanlagen - Möglichkeit der schnellen Fehlereingrenzung durch Ferndiagnose ( Loggerfunktion, Ringspeicher usw. ) Planung der Fernüberwachung kathodisch geschütztes Leitungsnetz der Schleswag AG Anfang 1997 wurden die ersten Gespräche über den Aufbau einer Fernüberwachung des Kathodischen Korrosionsschutzes mit der Fachabteilung geführt und kurzfristig eine Teststrecke von ca. 60 km Länge ( Schuby Kappeln Olpenitz mit Stichleitungen) mit Datenfernübertragung ausgerüstet. Dabei wurde die Schutzstromanlage Kappeln und weitere 8 Meßstellen überwacht. Da alle Fernübertragungsmodule DCF-synchronisiert waren, konnten hier erstmalig Ein- und Ausschaltpotentiale und die Ströme zeitgleich gemessen werden. Die Daten der Teststrecke wurden teilweise über das betriebseigene Telefonnetz der Schleswag und auch über die Rohrleitung übertragen. Da zu diesem Zeitpunkt noch in keinem Regelwerk Richtlinien zum Aufbau der Fernüberwachung vorhanden waren, wurde aufgrund der gewonnenen Erfahrungen an der Teststrecke der Schleswag und unseren Erfahrungen mit der Datenfernübertragung bei anderen Versorgungsunternehmen die Planung der Fernüberwachung mit der Fachabteilung der Im ersten Planungsschritt wurde das bestehende KKS System untersucht. Das bisher überwiegend vermaschte System wurde nun in kleinere Schutzbereiche mit möglichst gleichen Parametern aufgeteilt. Als hauptsächliche Beurteilungskriterien wurden die Umhüllungsqualität und der Bodenwiderstand herangezogen. Die 117 Leitungen des Versorgungsnetzes wurden nun in 16 Schutzbereiche aufgeteilt. Bei einigen Leitungen sind auch die Bleimäntel der Begleitkabel über Abgleichwiderstände in den kathodischen Schutz eingebunden. Auch die Begleitkabel mußten an den Grenzen der Schutzbereiche aufgetrennt werden. Durch die Aufteilung des Versorgungsgebietes in kleinere Schutzbereiche sollte eine bessere Stromverteilung und damit eine verbesserte Schutzwirkung erreicht werden. Allerdings mußte hierbei auch beachtet werden, daß an den Grenzen der Schutzbereiche keine Beeinflussungsprobleme auftraten. Bei der Fernüberwachung des Kathodischen Korrosionsschutzes ermöglichen kleinere Schutzbereiche eine wesentlich bessere Fehlererkennung und schnellere Fehlereingrenzung.

2 In der nachfolgenden Übersicht ist der Schutzbereich 1 - Westküste - dargestellt. Dieser Bereich umfaßt die Hauptleitungen: G12 Brunsbüttel Heide G17 Heide Bredstedt G18 Bredstedt Morsum und alle abgehenden Stichleitungen z.b. nach St. Peter Ording und zu den Inseln Föhr und Amrum Leitungsverlauf zur besseren Berechnung der Teilschutzstromdichten bzw. Bestimmung von Umhüllungswiderständen von einzelnen Rohrleitungsabschnitten. Im gesamten Leitungsnetz wurden 177 Meßstellen für die Fernüberwachung ausgewählt. Bei einer Leitungslänge von ca. 912 km ergibt sich ein mittlerer Meßstellenabstand von 5 km. An diesen Meßstellen werden 186 mal Potentiale und 161 mal Ströme gemessen. Die Meßstellen verteilen sich wie folgt: 35 Schutzanlagen 46 Leitungsendpunkte 32 Rohrstrommeßstellen 64 Abgangsleitungen mit Stromüberspeisung Nachdem die Meßstellen unter dem Gesichtspunkt einer optimalen Überwachung des Kathodischen Korrosionsschutzes festgelegt waren, wurde nun die vorhandene Infrastruktur an diesen Punkten für die Übertragung der Daten untersucht. Insgesamt konnten 4 verschiedene Übertragungswege genutzt werden: Telefonnetz der Schleswag 88 x Telefonnetz der Telekom 4 x GSM Funkdienste D1, D2 28 x Übertragung über die Rohrleitung 57 x Vorzugsweise wurde das betriebseigene Telefonnetz der Schleswag eingesetzt, da hier keine Folgekosten entstehen. Allerdings muß hierbei beachtet werden, das diese Telefonverbindungen auch zur Übertragung von Daten geeignet sind. Die nachfolgende Systemskizze zeigt die Verteilung der Meßstellen am Beispiel der Leitung G12 Brunsbüttel Heide mit abgehenden Leitungen: Schutzbereich 1 - Westküste - Für die Fernüberwachung wurden folgende Meßwerte vorgesehen: - Ein- und Ausschaltpotentiale und der Gesamtstrom an den Schutzanlagen. Bei Schutzanlagen die zusätzlich mit zwei Rohrstrommeßstellen ausgerüstet sind, werden auch diese Spannungsfälle ( Teilströme ) überwacht. - Ein- und Ausschaltpotential an den Endpunkten der Leitung - Ein- und Ausschaltpotential und Strom an abgehenden Stichleitungen. Die Strommessung erfolgt bei vorhandenen Trennstellen über einen Shunt von 0,01 Ohm oder sonst über den Spannungsfall einer Rohrstrommeßstelle. - Ein- und Ausschaltpotential und der Spannungsfall an Rohrstrommeßstellen im Meßstellenverteilung an der Leitung G 12

3 Solche Systemskizzen wurden bei der Planung der Fernüberwachung für das gesamte Versorgungsnetz erstellt und auch im Auswertungsprogramm hinterlegt. Die Skizzen sind nicht nur bei der Planung, sondern auch bei der späteren Beurteilung der Meßwerte z.b. bei Grenzwertverletzungen zur Fehlerdiagnose unentbehrlich. Komponenten der Fernüberwachung. Die Hauptkomponenten der Fernüberwachung sind die Dauerbezugselektroden und die Sensoren mit der Meßtechnik einem möglichst großem Speicher und der Übertragungseinrichtung. Das Gehirn der Fernüberwachung ist das KKS-Management- System, die PC-Software für die Verwaltung, Auswertung und Archivierung der KKS-Daten. Als Dauerbezugselektroden wurden Kupfersulfatelektroden mit einem großen Tondiaphragma eingebaut. Die Elektroden wurden frostfrei und möglichst außerhalb von Spannungstrichtern eingebaut. Nur die sorgfältige Auswahl und der fachgerechte Einbau der Elektroden gewährleisten langfristig eine sichere Messung. Das bei der Schleswag AG eingebaute Fernüberwachungssystem Cordata konnte durch die Auswahl der richtigen System-Komponeten exakt an die vorhandene Infrastruktur des Versorgungsnetzes angepaßt werden. Für die Nutzung der verschiedenen Übertragungswege wurden folgende Sensoren eingesetzt: Stations-Sensor ISM Zur Überwachung von Schutzanlagen und Stationen mit Netzanschluß Der Rohr-Sensor PS 1000 ist ein drahtloser 2- kanaliger Überwachungssensor und wurde überwiegend an Rohrstrommeßstellen bei PE-isolierten Leitungen eingesetzt. Der Sensor ist mit einer Batterie ausgerüstet. Ein Zeitmanagement mit gebufferter Real-Time-Clock und DCF-Uhr in Verbindung energiesparender Technik gewährleisten bei täglich einer Ein- und Ausschaltmessung eine Betriebszeit von ca. 5 Jahren mit einem Batteriesatz. Die Daten werden über den in der Rohrleitung fließenden Schutzstrom zum Sensor ISM 2000 an der Schutzanlage übertragen. Hier werden die Daten gespeichert und zusammen mit den an der Schutzanlage gemessenen Daten zum KKS - Management - System übertragen - zeitgleiche Messung der Ein- und Ausschaltpotentiale und des Rohrstroms - Auflösung <1µV - der Meßzyklus ist fernparametrierbar ( täglich / stündlich ) Funk-Sensor PS 2000 Der Funk-Sensor PS 2000 ist ein drahtloser, 5- kanaliger Überwachungssensor für den Einbau in handelsübliche Meßpfähle. Der Sensor ist mit einer externen Batterie ausgerüstet. Ein Zeitmanagement mit gebufferter Real- Time-Clock und DCF-Uhr in Verbindung energiesparender Technik ermöglichen abhängig vom gewählten Übertragungszyklus und bei täglich einer Ein- und Ausschaltmessung eine Betriebszeit von 3 bis 5 Jahren mit einem Batteriesatz. Wahlweise mit Analog- ISDN- oder GSM-Modem. Mit eingebautem Funkmodem für GSM - Netze - zeitgleiche Messung der Ein- und Ausschaltpotentiale, Wechselspannungen und Rohrströme Auflösung < 1µV - max. 9 potentialfreie Meßeingänge - Hauptringspeicher für Datensätze - fernparamentrierbar, Programm-Upload über die Modemverbindung - DCF-synchronisierte zeitgleiche Ein- und Ausschaltmessung - Taktung der Schutzanlagen, Taktzyklus frei parametrierbar - Servic-Betrieb über handelsübliche GSM-Handy ( bei Analog- oder ISDN-Modem über GSM- Bridge ) Rohr-Sensor PS zeitgleiche Messung der Ein- und Ausschaltpotentiale, Wechselspannungen und Rohrströme Auflösung < 1µV - Taktung der Überspeiseströme und Potentialverbindungen über eingebautes Taktrelais (max. 1 Amp.) oder Ausgabe einer Steuerspannung für externes Lastrelais - Loggerbetrieb mit min. Abtastrate von 250 ms - fernparamentrierbar, Programm-Upload über die Modemverbindung - Servic-Betrieb über handelsübliche GSM- Handy - Alarmmeldungen auch zusätzlich auf Handy möglich

4 KKS-Management-System. Das KKS-Management-System ist das Gehirn von Cordata. Das Windows-Programm wurde speziell für die Fernüberwachung des Kathodischen Korrosionsschutzes entwickelt. Im Programm können alle für den KKS relevanten Daten der Schutzbereiche, Leitungen, Schutzanlagen und Meßstellen verwaltet werden. Außerdem organisiert das Programm die Kommunikation mit den Sensoren. In unserem Beispiel wurde die Kommunikation so eingerichtet, daß die Sensoren die Meßwerte speichern und alle 7 Tage zum PC übertragen. Für jeden Sensor wurde ein Zeitfenster eingerichtet, in dem die Datenübertragung erfolgt. So kann auch überwacht werden, ob sich jeder Sensor gemeldet hat. Wird bei der Messung vor Ort eine Grenzwertverletzung fest gestellt, überträgt der Sensor die Werte sofort zum PC. Manuell können die Daten aber jederzeit abgerufen werden. In der 3D-Grafik sind die Einschaltpotentiale der Leitung G 12 Brunsbüttel Heide von MK 1 bis MK 40 für den Zeitraum von einem Monat dargestellt. Man kann deutlich erkennen, daß die Einschaltpotentiale nicht konstant sind. Potentialdiagramm Im Potentialdiagramm werden die Potentiale und Ströme an der Leitung zum Zeitpunkt X dargestellt. Die Grafik kann mit Referenzwerten hinterlegt werden, dadurch können Veränderungen sehr schnell erkannt werden. Das KKS-Management-System führt ein Meldebuch, in dem jede Störung, Grenzwertverletzung und jede Veränderung der Stammdaten und Parameter aufgezeichnet wird. Potential entlang der Leitung G12 Schutzstromdichten-Diagramm Bei der Einrichtung des KKS-Management-Systems können an den Meßstellen Formeln hinterlegt werden. Damit werden dann automatisch die Teilschutzstromdichten berechnet und im Diagramm dargestellt. Anstelle der Schutzstromdichten könnten auch die Umhüllungswiderstände berechnet und dargestellt werden. KKS-Meldebuch Für die Auswertung der Meßdaten steht neben der tabellarischen Darstellung ( Meßberichte, Listen und Tabellen ) eine umfangreiche grafische Auswertung zur Verfügung. Nachfolgend sind einige grafische Beispiele dargestellt: 3-D Grafik Die 3-D Grafik ermöglicht eine schnelle Übersicht. Fehler können sicher erkannt werden. Teilschutzstromdichten an der Leitung G 12 Zusammenfassung Es soll nicht verschwiegen werden, daß auch einige Probleme bei der Einrichtung der Fernüberwachung auftraten. Hier einige Beispiele: - der DCF Empfang ist an einigen Stellen sehr gestört. Die Störungen kommen oft über die Netzversorgung, oder werden teilweise auch Einschaltpotential an der Leitung G 12 über 30 Tage

5 durch Bauteile in den Gasregelstationen erzeugt - an einigen Stationen mußten noch zusätzliche Maßnahmen gegen Überspannung vorgesehen werden (in unmittelbarer Nähe von Umspannstationen usw.) - einige betriebseigene Telefonverbindungen mußten für die Übertragung von Daten verbessert werden. Schon bei der Einrichtung und Inbetriebnahme der Fernüberwachung konnten durch den Vergleich mit Referenzwerten Fehler im Schutzsystem erkannt werden. Die Fülle der Meßwerte (in 7 Tagen werden bei täglicher Ein- und Aussschaltmessung ca Meßwerte übertragen) erfordert eine fachmännische Auswertung der Messungen. Selbst die Festlegung von Grenzwerten ist ohne genaue Kenntnisse des Systems und ohne die Auswertung eines längeren Meßzyklus nicht möglich. Bei der Beurteilung der Meßwerte wurden an einigen Leitungen Potentialschwankungen erkannt, die bei der manuellen Messung nicht erkennbar waren. Zwischenzeitlich hat ein Arbeitskreis des DVGW Richtlinien für die Fernüberwachung der KKS erarbeitet und im 1999 erschienenen Entwurf des Arbeitsblattes GW 10 (E GW 10) festgehalten. Außerdem wurden im Entwurf des DVGW- Merkblattes G 16 von 04 / 2000 Anforderungen an die Komponenten der Fernüberwachung zusammengestellt. Die Sensoren des Systems Cordata entsprechen weitgehend den Anforderungen des Merkblattes G16. Ob die Kriterien für eine Fehlererkennung nach Kategorie 2 (Ausdehnung der manuellen Messung auf 6 Jahre) erfüllt werden, ist nicht nur von der Anordnung der Sensoren und Auswahl der übertragenen Werte, sondern in erster Linie vom Umhüllungswiderstand und damit von der Schutzstromaufnahme der Leitung abhängig. Im beschriebenen Versorgungsnetz muß dies noch im Einzelnen untersucht werden.