Kabelfehlerortung an Energiekabeln Einleitung/Systematik der Kabelfehlerortung an Energiekabeln
Inhalt: 1. Einleitung 2. Aufbau von Kabeln 3. Kabelfehler 01. Einleitung Die Ortung von Fehlern an Nachrichten- und Energiekabeln bleibt nach wie vor ein Spezialgebiet der Elektrotechnik, wobei eine schnelle Fehlerortsbestimmung von der Logistik bestimmt wird. Danach wird eine schnelle Auffindung eines Fehlers davon abhängig sein, ob es gelingt die Vorortung so genau durchzuführen, dass die Nachortungsmessungen, die zur punktgenauen Fehlerortsbestimmung führen, auf sehr kurzen Kabelstrecken durchzuführen sind. Kabelprüfung, Kabeldiagnose und Teilentladungsmessungen werden in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Die zustandsorientierte Instandhaltung von Kabelnetzen wird immer mehr die ereignisorientierte Instandhaltung verdrängen. Die Kenntnis über den Aufbau der Kabelnetze, Kabeltypen sowie der Garnituren erleichtert die Auswertung der Messergebnisse erheblich, sie ist bei einigen Messverfahren Voraussetzung für eine richtige Entscheidung. Die Arten der Kabelfehler sowie die Schritte um eine Kabelfehlerortung bzw. eine Diagnose durchzuführen, sollten den Messtechnikern im Detail bekannt sein. 12. Aufbau von Kabeln Energiekabel dienen der Übertragung und Verteilung elektrischer Energie und sollen dies über lange Zeiträume zuverlässig und sicher erfüllen. In Abhängigkeit der Verwendung der Kabel, der örtlichen Gegebenheiten wie z.b. Höhe des Grundwasserspiegels, Beschaffenheit des Erdreiches, Spannungsebene werden unterschiedliche Kabeltypen verwendet. Energiekabel mit imprägnierter Papierisolation wurden bis in die 60iger Jahre hinein verlegt, und werden auch heute noch stellenweise verwendet. Diese Kabel wurden und werden schrittweise durch Kabel mit PVC, EPR, PE und VPE Isolationen abgelöst. Damit änderte sich in einigen Punkten der Charakter der Kabelfehler sowie deren Prüfung grundlegend. Der folgende Artikel wird nicht alle Details von Kabeln und deren Materialien abhandeln, sondern die grundlegenden Fakten in Hinsicht auf die Fehlerortung und deren spezifischen Erfordernisse behandeln. Abb. Kabel einadrig Kabel mehradrig geschirmt Kabel Mehradrig ungeschirmt 2
2.1. 4Leiter Der Leiter dient der Stromübertragung und besteht aus weichem Elektrolytkupfer oder reinem Aluminium. Er ist rund oder sektorförmig, eindrahtig oder mehrdrahtig aufgebaut. 2.2. 5Isolierung Die Isolierung dient der Spannungsfestigkeit und Potentialtrennung der Leiter gegeneinander oder gegen die metallene Umhüllung (Bleimantel, Armierung oder ). 1 bis 10 kv: masseimprägniertes Papier Polyvinylchlorid (PVC) 1 bis 30 kv: masseimprägniertes Papier vernetztes Polyethylen (VPE) Ethylen Propylen Rubber (EPR) ab 60 kv Papier mit Öl oder Gas vernetztes Polyethylen (VPE) Neben diesen typischen Materialien existieren weitere diverse spezielle Materialien. 2.3. 6Leitschichten (bei Nennspannungen ab 6 kv) Zweck der halbleitenden Schicht ist die Vermeidung von Teilentladungen und hohen elektrischen Feldstärken. Sie glättet das elektrische Feld, welches sich um die einzelnen Teiladern aufbaut und verhindert so Entladungserscheinungen, die durch erhöhte Feldstärken eine Schädigung des Kabels hervorrufen könnten. Eine weitere Form von Leitschichten sind heute schon teilweise auf der äußeren Isolierung von Kabeln zu finden. Sie dienen z.b. der Lokalisierung von Mantelfehlern in Situationen, in denen sonst ein Rückleiter für den Fehlerstrom fehlt. 2.4. 7Metallmantel Der Metalmantel dient als Feuchtigkeitsschutz, Leitung von Ableit- oder Erdschlussströmen, Schutzleiter, oder Neutralleiter. Für sehr wichtige Kabel und für Unterseeisch verlegte Kabel, kann ein Metallmantel auch als Armierung zum Schutz gegen äußere mechanische Einflüsse dienen. 2.5. 8ung (bei MV- und HV Kabeln) Leitung von Ableit- oder Erdschlussstrom, Feldbegrenzung 2.6. 9Armierung Mechanischer Schutz bestehend aus: Stahlband, Flachdraht, Runddraht usw. 2.7. 10Kunststoffmantel Kabelmantel Halbleitende Schicht Isolation, Dielektrikum Halbleitende Schicht Innenleiter Äußerer Schutz des Kabels, bestehen meist aus PVC oder PE 3
23. Kabelfehler Je nach Fehlerart muss ein geeignetes Messverfahren verwendet werden. In der Fehlerortung unterscheidet man folgende Kabelfehler: 3.1. 11Fehler: Leiter Leiter (parallele Fehler) Verbindung zwischen zwei oder mehreren Leitern. Der Isolationswiderstand des Fehlers kann zwischen 0 Ohm (niederohmig) oder mehreren MOhm (hochohmig) liegen. 3.2. 12Fehler: Leiter (parallele Fehler) Verbindung zwischen Leiter und oder Ader/Ader und. Der Isolationswiderstand des Fehlers kann zwischen 0 Ohm (niederohmig) oder mehreren MOhm (hochohmig) liegen. Die meisten Kabelfehler fallen erfahrungsgemäss in diese Kategorie. 3.3. 13Überschlagfehler (parallele Fehler) Sehr hochohmige Fehler. Das Kabel lässt sich aufladen. Der Überschlag erfolgt in der Regel bei einigen kv und tritt häufig in Muffen auf. Das Kabel verhält sich wie eine Funkenstrecke, der Abstand zwischen den Elektroden bestimmt die Durchschlagspannung. Der Isolationswiderstand ist typisch unendlich bis zum Durchschlag. 4
3.4. 14Unterbrechung (Fehler in Längsrichtung, Abriss) Der Fehler kann sehr hochohmig bzw. unendlich groß sein (Unterbrechung). Häufig treten kombinierte Fehler aus Längs- und Parallelwiderständen auf. Grund hierfür ist meistens ein kompletter Abriss, oder das Kabel ist mechanisch aus einer Muffe gerissen Sind Leiter teilweise abgebrannt (Aluminium), spricht man von Längsfehlern 3.5. 15Erdfühlige Fehler (Erdfehler, Mantelfehler) Erdfühlige sind Fehler zwischen Metallschirm und Erdreich an Kunststoffkabeln bzw. Fehler zwischen Leiter und Erdreich an Niederspannungskabeln ohne Metallschirm und Armierung. Speziell bei solchen Fehlern ist größte Vorsicht im Umgang mit Hochspannung geboten, da sich die Spannung direkt ins Erdreich entlädt, und damit ein erhöhtes Gefährdungspotential für Mensch und Tier besteht. 3.6. 16Feuchte Fehler Bei mehradrigen Kabeln sind in der Regel alle Leiter betroffen. Der Überschlag muss nicht an der Stelle auftreten, an der das Wasser ins Kabel eingedrungen ist. Der Fehlerwiderstand liegt in der Regel bei einigen kohm. Weiter treten an der Fehlerstelle Impedanzänderungen auf. In Abhängigkeit vom Aufbau des Kabels (z.b. längswasserdicht) können diese Fehler punktförmig bzw. flächenmäßig auftreten. Feuchte Fehler sind die am schwierigsten zu bearbeitenden Fehler, denn bei der Fehlerortung verändern sie sich, teilweise in sehr drastischer Form. Speziell in Muffen führt, dass dazu das der Fehler schon nach ein oder zwei Stößen hochohmig wird, und nicht mehr lokalisierbar ist. Die Muffe wird von Wasser freigeblasen. Eine weitere Form von Feuchtefehlern sind Unterwasserfehler. Hier verhindert der Wasserdruck ein wirksames Zünden des Fehlers während der Hochspannungsanwendung. Eine Lokalisierung ist dadurch sehr schwierig. 5
34. Bemerkung Unterscheidung der Fehlerarten nach DIN VDE 0102: Erdschluss bzw. Erdkurzschluss (Fehler Leiter Erdpotential) Doppelerdschluss (zwei Erdschlüsse auf unterschiedlichen Leitern mit räumlich getrennten Fußpunkten) Kurzschluss (Fehler zwischen Leitern) Unterbrechung (Trennung von Leitern oder schlechte Verbindung) Bei den Widerstandswerten unterscheidet man generell zwischen Kurzschluss, Widerstandsfehler und hochohmigem Fehler. Diese Information hat auch einen deutlichen Einfluss auf die weitere Vorgehensweise bei der Fehlerortung. Diese Details werden in einem der folgenden Kapitel beschrieben. 6