ew FACHTHEMA Messtechnik

Anwendbarkeit und Aussagefähigkeit von Mess-Systemen

Vergleich verfügbarer Messverfahren zur Überprüfung der Einschaltbereitschaft von VPE-MS-Kabeln

B

ei Ersatz oder Neulegung von Mittelspannungs-Kabelstrecken werden heute nahezu ausschließlich VPE-isolierte Kabel nach [1] eingesetzt, die, wenn sie von einem vertrauenswürdigen Hersteller stammen, als betriebssicher und teilentladungsfrei einzustufen sind. Dies gilt in gleichem Maße auch für die bei der Montage verwendeten Garnituren. Da aber zunehmend Beschädigungen bei Reparaturen und Neulegungen beobachtet werden, ist eine stichprobenartige Überprüfung der Legung und Montage angeraten. Der Netzbetreiber ist für den sicheren Betrieb seiner elektrischen Anlagen verantwortlich. Er muss sich z. B. nach [2] durch Prüfung von der Sicherheit einer neu gelegten oder instandgesetzten Kabelstrecke überzeugen. Eine solche Überprüfung wird von den Netzbetreibern in unterschiedlichem Umfang durchgeführt. Da hierfür unterschiedliche Verfahren angeboten werden, hat RWE Energy beschlossen, kommerziell erhältliche Messgeräte und Verfahren auf ihre Anwendbarkeit und Aussagefähigkeit zur Feststellung der Einschaltbereitschaft vergleichend zu untersuchen. Ziel war dabei auch, bei eventuellen Defiziten der Geräte oder Verfahren zusammen mit den Herstellern Weiterentwicklungen herbeizuführen. Gleichzeitig sollte die gegenüber früheren Untersuchungen, z. B.

Dr.-Ing. Dirk Borneburg, RWE Eurotest GmbH, Dortmund; Dr.-Ing. Ingo Diefenbach, RWE Westfalen-Weser-Ems Netzservice GmbH, Dortmund; Dr.-Ing. Frank Merschel und Mario Kliesch, RWE Energy AG, Dortmund; Dipl.-Ing. Martin Keller, DEW 21 GmbH, Dortmund; Dr.Ing. Dirk Rittinghaus, Energycableconsult, Odenthal.

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[3;4], erwartete Verbesserung der einzelnen Verfahren ermittelt werden. Diese Untersuchungen sind Teil eines erstmalig in diesem Umfang durchgeführten Gesamtprojekts im Rahmen der F&E-Aktivitäten der RWE Energy, in dem weiterhin Verfahren zur Bestimmung der Restnutzungsdauer (Diagnose) an Mittelspannungskabeln untersucht werden; über die dabei ermittelten Ergebnisse wird zu einem späteren Zeitpunkt berichtet. Die Verfasser berichten im Folgenden über grundlegende Untersuchungen an definierten Fehlstellen in Kabelstrecken mit VPE-isolierten Mittelspannungskabeln, die z. B. bei einer mangelhaften Legung und/oder Montage entstehen können. Um störende Umwelteinflüsse weitestgehend auszuschließen, wurden diese Untersuchungen im Prüffeld der RWE Eurotest durchgeführt.

Anforderungen an und Eigenschaften von Teilentladungsmess-Systemen Mit einer Teilentladungsmessung sollen lokal auftretende Schwachstellen aufgedeckt werden. Diese Schwachstellen stammen z. B. von kleinen Hohlräumen im Dielektrikum, wo unter Einfluss einer ausreichend hohen Spannung Entladungen entstehen, die in diesem Hohlraum die Isolierung teilweise überbrücken. Mit geeigneten Mess- und Auswerteverfahren können die dort entstehenden Teilentladungen (TE) detektiert und nach ihrer Größe und ihrem Entstehungsort längs der Kabelstrecke zugeordnet werden. Zusätzlich zu den in [1] angegebenen Spannungsprüfungen nach Legung, Montage und Reparatur sollten mit der TE-Messung auch schon kleinste Hohlräume in der

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Isolierstrecke (Kabel und Garnituren) aufgedeckt werden, die bei der Spannungsprüfung zuvor nicht auffällig geworden sind. Dann ermöglicht eine TE-Messung eine qualitative Beurteilung der eingesetzten Betriebsmittel und der Montage vor dem Ein- oder Wiederzuschalten einer Kabelstrecke. Die Anforderungen an ein überzeugendes TE-Verfahren sind im Einzelnen: • Anzeige verlässlicher, zur Beurteilung geeigneter TE-Pegel durch normenkonforme Ladungsbestimmung, • Betriebsgefährdungen durch TE sicher erkennen, • Bestimmung von TE-Einsetzund TE-Aussetzspannung, • Prüfspannung sollte vergleichbare TE erzeugen wie bei Betriebsspannung (50 Hz), • punktgenaue Ortung der Fehlerstelle, • Aussage relevant für die gesamte Kabelstrecke einschl. der Garnituren, • auch auf Mischkabelstrecken anwendbar, • keine (Vor-)Schädigung durch die Prüfspannung, • ergonomische Bedienbarkeit und gute Transportfähigkeit, • einfache, möglichst automatische Auswertung der Messungen. Gesucht wird ein Mess-System, das diesen technischen Anforderungen ebenso genügt wie den ökonomischen Anforderungen an Beschaffung und wirtschaftlichen Betrieb. An dieser Stelle sei wiederholt, dass neuwertige VPE-isolierte Mittelspannungskabel nach [1] keine TE aufweisen dürfen. Eine etwaig bei Betriebsspannung vorhandene TE würde bei diesen Kabeln innerhalb kürzester Zeit zum Durchschlag und damit zum Ausfall der Kabelstrecke führen. Hierbei ist zu beachten, dass z. B. in isoliert betriebenen Netzen im Erdschlussfall kurzzeitig Spannungsspitzen sogar größer 2 U0 auftreten und über einen längeren Zeitraum die verkettete Spannung 1,73 U0 anstehen kann. Zur Messung der TE-Eigenschaften von Betriebsmitteln stehen auf dem deutschen Markt mehrere Mess-Systeme zur Verfügung. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen durch unterschiedliche Spannungsformen und -frequenzen, aber auch in der Verarbeitung

Tafel 1 der Mess-Signale. Tafel 1 gibt eine orientierende Übersicht. Daneben gibt es weitere, zum Zeitpunkt dieser Untersuchung noch nicht kommerziell erhältliche Messverfahren, die lediglich ansatzweise betrachtet wurden. Wie aus Tafel 1 ersichtlich, liefern einige Mess-Systeme auch Informationen, die über die Aussage zu den einzelnen TE-Pegeln und den Orten der Teilentladungen hinausgehen, z. B. weitergehende Informationen zu den dielektrischen Eigenschaften. Im Folgenden wird über die Ergebnisse der Prüffelduntersuchungen an VPE-isolierten Mittelspannungskabeln berichtet. Dabei werden die oben aufgelisteten Anforderungen zur Beurteilung der einzelnen Mess-Systeme und -verfahren herangezogen.

Untersuchungen im Prüffeld Vor Durchführung der Untersuchungen wurden in Gesprächen mit verschiedenen Netzbetreibern sowie den beteiligten Herstellern von Mess-Systemen als typisch erkannte, praxisrelevante Fehlstellen identifiziert. Es handelt sich dabei überwiegend um häufig beobachtete Fehler in Verbindungsmuffen. Fehler in VPE-MS-Kabeln sind dagegen in der Praxis relativ selten anzutreffen und werden meist aufgrund mangelhafter Ausführung von Tiefbauarbeiten verursacht. Um eine detaillierte und unbeeinflusste Untersuchung der verschiedenen Mess-Systeme sicherzustellen, wurden singuläre Modellfehlstellen an unterschiedlich langen Kabelstrecken im Prüffeld gemessen, wobei Muffen- und Kabelfehler separat betrachtet wurden. Um möglichst objektive und vor allem herstellerneutrale Aussagen zu bekommen, wurden die Messungen durch erfahrene Prüffeldmitarbeiter der RWE Eurotest GmbH durchgeführt. Da diese Mitarbeiter jedoch nicht mit der Bedienung der hier untersuchten Mess-Systeme vertraut waren, sind zuvor Schulungen von deren Herstellern durchgeführt worden. Die Prüffeldmitarbeiter haben die Messungen mit allen Mess-Systemen durchgeführt. Dies ermöglichte eine umfassende Bewertung der Anwenderfreundlichkeit sowie der Bedienbarkeit und Möglichkeiten der verschiedenen Systeme.

MessSystem

Spannungsform

Messgrößen

zusätzlich Einsatz zur normenkonformen Spannungsprüfung möglich

A

0,1 Hz sin (dauernd)

TE-Pegel TE-Ortung tan d

ja

B

50 Hz sin (kurzzeitig)

TE-Pegel TE-Ortung

nein

C

schwingende Spannung nahe der Betriebsfrequenz mit hoher Dämpfung

TE-Pegel TE-Ortung

nein

D

schwingende Spannung variabler Frequenz mit geringer Dämpfung

TE-Pegel TE-Ortung tan d

nein

Tafel 1. Wesentliche Eigenschaften der untersuchten TE-Mess-Systeme Montagefehler bei Verbindungsmuffen Die Prüfstrecken zur Untersuchung der Montagefehler an Verbindungsmuffen bestanden aus zwei unterschiedlich langen Kabelstücken (20-kV-Standardkabel), die durch eine Warmschrumpfmuffe mit jeweils eingebrachter Modellfehlstelle verbunden sind (Bild 1). Die Montagequalität wurde durch langjährig erfahrenes Betriebspersonal sichergestellt. Die Positionen der Verbindungsmuffen wurden so gewählt, dass die Mess-Systeme an ihre Grenzen herangeführt und Stärken und Schwächen der Auswertung untersucht werden konnten. Aus anderen Projekten sowie eigenen Voruntersuchungen ist bekannt, dass gerade die Identifikation und Lokalisierung von Fehlstellen nahe den Enden einer Kabelstrecke zu messtechnischen Schwierigkeiten führen kann.

Für die im Einzelnen untersuchten Modellfehlstellen wurden die folgenden Fehler bei der Muffenmontage modelliert: M1 Der Feldsteuerkörper wurde nicht eingebaut. M2 Die Montage wurde unsauber ausgeführt. M3 Der Feldsteuerschlauch wurde nicht montiert. M4 Der Feldsteuerschlauch ist zum Teil mit auf den Verbinder geschrumpft. M5 Ein zusätzlicher 20-kV-Isolierschlauch wurde nicht montiert. M6 Auf dem Verbinder sowie auf den Feldsteuerschläuchen wurden Aluspäne verteilt. M7 Über dem Verbinder wurde kein Füllband aufgebracht. M8 Über der Leitschicht wurde kein Füllband aufgebracht. M9 Die Leitschicht wurde zu kurz abgesetzt und eine Kante stehengelassen.

Prüfstrecke

TE-Analyse a

Modellfehlstelle

TE-Analyse b

Muffe

35909.1

Bild 1. Modellkabelstrecke bestehend aus zwei Teilstücken, verbunden durch eine Warmschrumpfmuffe mit eingebrachter Modellfehlstelle; a, b: Erläuterungen im Text SONDERDRUCK PDF 6152 aus

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Muffenfehler

Muffenfehler M1a M2a M3a M4a M5a M6a M7a M8a M9a M1b M2b M3b M4b M5b M6b M7b M8b M9b

1xU0 1,5xU0 1,7xU0 2xU0 2,5xU0 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D

Hersteller A

Hersteller B

Hersteller C

Hersteller D

35909.2

Bild 2. Matrix aller durchgeführten Messungen an den Modellfehlern in Muffen; M1a ..., M1b ...: Erläuterungen im Text; die farblich hinterlegten Felder zeigen eine detektierte und lokalisierte Entladungsaktivität an Nach der Montage in die Kabelstrecke wurden die mit diesen Fehlstellen präparierten und mechanisch fixierten Muffen zur Konditio-

nierung mehrere Tage bei Umgebungsbedingungen gelagert, bevor Teilentladungsmessungen durchgeführt wurden.

Fehler Nr.

Fehlerorte

M1a M2a M3a M4a M5a M6a M7a M8a M9a M1b M2b M3b M4b M5b M6b M7b M8b M9b

Kabel Muffe System A System B System C System D

0

50

100

150

200

250 300 Position

350

400

450

500 m 550

35909.3

Bild 3. Darstellung der detektierten sowie der tatsächlichen Fehlerorte der Kabelstrecken mit Muffenfehlern

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Detektierung und Lokalisierung der Muffenfehler Insgesamt wurden mit den in Tafel 1 aufgelisteten Mess-Systemen alle Kabelstrecken von beiden Kabelenden aus bei unterschiedlichen Prüfspannungspegeln untersucht (Bild 1). Die verwendeten Prüfspannungspegel entsprechen dabei mindestens den Vorgaben der Hersteller und reichen bis 2,5 U0. Dieser Wert ermöglicht die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zwischen den einzelnen Mess-Systemen und sollte bei den eingesetzten neuwertigen Kabeln zu keiner Vorschädigung führen. In Bild 2 sind die Ergebnisse aller Messungen dargestellt, wobei der Index a in der ersten Spalte die Messung vom fehlernahen Ende der Kabelstrecke und der Index b die Messung vom fehlerfernen Ende (Bild 1) bezeichnet. Die restlichen Spalten sind gruppiert nach Prüfspannungspegeln mit weiterer Unterteilung der verschiedenen Mess-Systeme. Alle Varianten der sich einstellenden Kombinationen aus Modellfehlstellen, Prüfspannungspegeln sowie Mess-Systemen wurden untersucht. Sofern Teilentladungen detektiert und lokalisiert wurden, ist dieses Ereignis in der Matrix in Bild 2 farblich hinterlegt worden. Es wurden nur solche TE aufgenommen und bewertet, bei denen auch eine Lokalisierung möglich war. Zur Absicherung der Ergebnisse wurden generell Mehrfachmessungen durchgeführt. Wie aus Bild 2 ersichtlich, lassen sich alle Modellfehlstellen in den Muffen, bis auf M1b, mit der TEMessung detektieren. Allerdings unterscheidet sich die Lokalisierungsrate bei den verschiedenen Mess-Systemen deutlich. Erwartungsgemäß ist zu erkennen, dass die TE-Aktivität mit steigender Prüfspannung zunimmt und damit die Detektion einer möglichen Fehlstelle erleichtert wird. Die Verteilung der Farbfelder lässt außerdem erkennen, dass die Form der Prüfspannung einen signifikanten Einfluss auf den Einsatz einer Teilentladung hat. Weiterhin ist erkannbar, dass die Detektionsrate bei einer Messung vom fehlerfernen Ende (M1b bis M9b) geringer ist als bei einer Messung vom fehlernahen Ende (M1a bis M9a). In Bild 3 sind die detektierten Fehlerorte über der Länge der Kabelstrecken aufgetragen. Zusätzlich

ist dort der tatsächliche Fehlerort mit einem Kreissymbol markiert. Die Darstellung in Bild 3 lässt erkennen, dass detektierte und tatsächliche Fehlerorte nahe beieinander liegen. Eine genauere Betrachtung der Fehlerorte in Bild 4 gibt eine mittlere Abweichung über alle Mess-Systeme der durch die Systeme lokalisierten Fehlstelle vom tatsächlichen Fehlerort mit rd. ±2,7 m an, was weniger als 2 % der hier verwendeten Kabellängen entspricht. Herstellerabhängig kommt es jedoch zu Abweichungen, wobei die Streubereiche bei allen Geräten zwar vergleichbar sind, die Einzelwerte absolut gesehen aber z. T. stark von den tatsächlichen Werten abweichen. Bild 5 zeigt alle Werte der gemessenen scheinbaren Ladungen in logarithmischem Maßstab über den gruppierten Fehlstellen mit weiterer Unterteilung nach Prüfspannungswerten. Mit grauen Kreissymbolen sind als Referenzwerte die scheinbaren Ladungen hinterlegt, die an den herausgetrennten Modellfehlstellen mit je 7,5 m Kabellänge an jeder Seite im Prüflabor mit einer Prüfspannung von 50 Hz und Labormessgeräten ermittelt worden sind. Bei Betrachtung von Bild 5 fällt auf, dass die Ladungswerte • extrem stark streuen, • sich mehrheitlich signifikant von den Laborwerten unterscheiden, • zwischen den Mess-Systemen sehr unterschiedlich sind, • mess-systemspezifisch Tendenzen zu hohen oder niedrigen Werten erkennen lassen. Eine eingehende Betrachtung der Mess-Systeme zeigt eine Reihe möglicher Einflussfaktoren. So beeinflusst die Messbandbreite ebenso wie die Methode zur Bestimmung der scheinbaren Ladung, z. B. Integration im Zeitbereich/Frequenzbereich, das Ergebnis entscheidend. Ganz offensichtlich gibt es auf diesem Gebiet noch Unterschiede bei der Realisierung einer normenkonformen TE-Messung seitens der Hersteller [5;6]. Besondere Beachtung verdienen die unterschiedlichen Methoden der Mittelwertbildung der scheinbaren Ladungen mehrerer TE-Impulse, da dieser Wert von allen Mess-Systemen explizit ausgewiesen wird. Hier machen sich die jeweilige Spannungsform, der Grundstörpegel sowie die teilweise

Fehler Nr.

Fehlerorte – Abweichung

M1a M2a M3a M4a M5a M6a M7a M8a M9a M1b M2b M3b M4b M5b M6b M7b M8b M9b

System A System B System C System D

–10

–8

–6

–4

–2 0 Abweichung

2

4

6

m 10

8

35909.4

Bild 4. Abweichung der detektierten von den tatsächlichen Fehlerorten der Kabelstrecken mit Muffenfehlern

durch den Anwender gesetzten Schwellenwerte im angezeigten TE-Pegel besonders stark bemerkbar.

Detektierung und Lokalisierung der Kabelfehler Während Transport, Lagerung und Legung kann es durch unsachge-

Scheinbare Ladung 100 000 pC 10 000

1000 qs 100

10

1

1 1,5 1,7 2 2,5

1

1 1,5 1,7 2 2,5

2

Labor

1 1,5 1,7 2 2,5

3 System A

1 1,5 1,7 2 2,5

4

1 1,5 1,7 2 2,5

5 Fehler Nr. System B

1 1,5 1,7 2 2,5

6

1 1,5 1,7 2 2,5

7

1 1,5 1,7 2 2,5

1 1,5 1,7 2 2,5

8

System C

9 System D

35909.5

Bild 5. Gemessene Werte der scheinbaren Ladung in logarithmischem Maßstab, gruppiert nach Fehlstellen mit Unterteilung nach Prüfspannungswerten SONDERDRUCK PDF 6152 aus

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TE-Verhalten Fehlstelle Schraube 1000 Durchschlag des Prüflings

pC Hohlraum LSch. – I. Leitschicht = 4,8 mm LIsolierung = 5,7 mm

qs

100

Messbereich 100 pC

10 0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00 h:m 1:10 t 35909.6

Bild 6. Langzeitmessung an einer Kabelstrecke mit eingedrehter Schraube mäße Handhabung der Kabel zu Schädigungen kommen. Im Rahmen dieser Untersuchungen sollten auch derartige Fehlstellen untersucht werden. Dazu wurden an neuen Kabelstrecken drei extreme, aber als praxisrelevant erachtete Fehlstellen modelliert: K1 Der Mantel wurde geöffnet, die Trennschichten entfernt, die Schirmdrähte wurden nicht aufgetrennt, sondern zur Seite geschoben und die äußere Leitschicht auf einer Länge von mehreren Zentimetern abgetragen. Anschließend wurde diese Fehlstelle mit einem Schrumpfschlauch versehen. K2 Eine Schraube wurde durch den Außenmantel in die Isolierung eingebracht und so zurückgedreht, dass ein Hohlraum vor der Schraubenspitze entsteht. Anschließend wurde auch diese Fehlstelle mit einem Schrumpfschlauch abgedeckt. K3 Ein Stein wurde durch den Außenmantel so weit eingedrückt, dass rd. ein Drittel der Isolierwanddicke geschädigt war. Bei den Fehlstellen K1 bis K3 handelt es sich somit um massive Eingriffe in das Isoliersystem der nach [1] gefertigten, daher als TE-frei anzusehende VPE-Mittelspannungskabel. Das Ergebnis dieser Untersuchungen war ernüchternd, da nur in einigen wenigen Fällen Fehlstellen detektiert werden konnten.

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Allerdings wurde in diesen Fällen eine hinreichend genaue Aussage zum Fehlerort gegeben. Mögliche Ursache für die geringen Detektionsraten kann zum einen die geringe Höhe der bei diesen Fehlstellen auftretenden Ladungen von z. T. deutlich unter 100 pC sein, was für die untersuchten Mess-Systeme offensichtlich eine große messtechnische Herausforderung darstellt. Die Auswertung derartiger Laufzeitdiagramme durch den Anwender ist deutlich schwieriger, da kleinste Impulse aus dem Grundrauschen heraus als Teilentladungsimpulse identifiziert werden müssen. Zum anderen stellen sporadisch auftretende Entladungen ein weiteres, generelles Problem dar. Wenn die Messungen nur für kurze Zeiträume durchgeführt werden und genau während dieses Zeitraums die Entladungsaktivität aussetzt, kann diese nicht detektiert werden. Abhilfe schaffen ggf. schwellwertgetriggerte Aufzeichnungen über einen größeren Zeitraum, vorausgesetzt die Entladungsimpulse heben sich deutlich aus dem Rauschen hervor und ermöglichen damit das sichere Setzen eines Schwellwerts. Bei Spannungsprüfungen nach [1], die an den herausgetrennten Kabelkurzstrecken durchgeführt worden sind, kam es weder bei ei-

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ner Beanspruchung mit 2 U0 bei 50 Hz noch mit 3 U0 bei 0,1 Hz, jeweils 60 min Prüfdauer, zu einem Durchschlag. Zur weiteren Untersuchung dieses Phänomens wurde der Fehler gemäß Fehlstelle K2 erneut untersucht, wobei im Prüflabor eine Langzeit-TE-Messung mit 2 U0 bei 50 Hz durchgeführt wurde. Die Werte der scheinbaren Ladung über der Zeit sind in Bild 6 aufgetragen. Der Hohlraum vor der Spitze der Schraube führt im Zusammenspiel mit dem weit in die Isolierung hineingebrachten Erdpotenzial zunächst zu Entladungen mit niedrigen TE-Werten unterhalb 100 pC. Unter Vor-Ort-Bedingungen wären sehr wahrscheinlich auch hier mit keinem der untersuchten Systeme Entladungen detektiert worden, da die Ladungswerte im Rauschen untergegangen wären. Durch die stetige Entladungsaktivität kommt es auch bei diesen niedrigen TE-Pegeln zu einer fortschreitenden Schädigung des Isoliermaterials, was im vorliegenden Fall schließlich in einem starken Anstieg der Entladungsaktivität nach rd. 65 min mündet und erst nach rd. 70 min zu einem Durchschlag führt. Dieses Einzelergebnis zeigt, dass eine gemäß den Festlegungen in [1] mit einer Prüfdauer von 60 min durchgeführte Spannungsprüfung bei neuwertigen VPE-Mittelspannungskabeln Fehlstellen nicht mit absoluter Sicherheit aufdecken kann. Allerdings ist es nach den vorliegenden praktischen Erfahrungen sehr wahrscheinlich, dass ein derartiger Fehler bei einer Mantelprüfung aufgefallen wäre. Anhand dieses Beispiels wird deutlich, dass schon kleinste TE zum schnellen Ausfall eines VPEisolierten Kabels führen können.

Anwenderbewertung der verschiedenen Systeme Da die verschiedenen Mess-Systeme in Eigenverantwortung durch eingewiesene Prüffeldmitarbeiter bedient wurden, konnte eine herstellerneutrale Bewertung der Systeme hinsichtlich unterschiedlicher Parameter vorgenommen werden. Dazu wurden die Mitarbeiter detailliert befragt. Die Ergebnisse dieser Befragung sind in Bild 7 in einem Spinnennetzdiagramm dargestellt. Das Zentrum des Diagramms stellt

Systembewertung

Handhabbarkeit (Größe, Gewicht) Betreuung durch Hersteller

Messaufbau

Ausbildung durch Hersteller

Bedienungskomfort

Ausgabe in kompatiblen Formaten erstellbar (PDF, Word, Excel)

äußeres Erscheinungsbild der Systemhardware

variable Ausgabemöglichkeiten

kurze Aufbaudauer Messempfindlichkeit im Vergleich zu den anderen Systemen

detalliertes Ausgabeprotokoll

Dokumentation eindeutig, übersichtlich, vollständig

kurze Auswertungsdauer Filtermöglichkeiten

Programmstabilität

Auswerteprogramm selbsterklärend

Messprogramm bedienungsfreundlich

Auswerteprogramm bedienungsfreundlich

Messprogramm selbsterklärend

kurze Messdauer

System A

System B

Hardware Dokumentation bzw. Beschreibung

System C Software Auswertungsprogramm

System D Ausgabeprotokoll, Ausbildung bzw. Betreuung

35909.7

Bild 7. Bewertung der Systeme anhand verschiedener Parameter, Stand nach Abschluss der im Text beschriebenen Ergebnisse die schlechteste und der äußere Rand die beste Bewertung dar. Ein optimales Mess-System zeigt sich in einer möglichst homogenen Kurve nahe dem äußeren Rand. Einige Mess-Systeme weisen eine ziemlich homogene Bewertung im äußeren Drittel des Kreises auf, wohingegen andere starke Einbrüche zeigen. Offensichtlich spiegelt sich hier die Unternehmensphilosophie der Hersteller wider: Verkaufsorientierte Hersteller statten ihre Systeme beispielsweise mit ausführlicheren Anleitungen aus als dienstleistungsorientierte Hersteller. Letztgenannte bieten hingegen weitaus komplexere Möglichkeiten der Filterung und Auswertung, wofür geschultes und erfahrenes Personal erforderlich ist. Andere Auffälligkeiten sind nicht tolerierbare Instabilitäten der eingesetzten Software oder stark eingeschränkte Möglichkeiten bei der Dokumentation und dem Datenexport. In allen Fällen haben sich Optimierungspotenziale identifizieren lassen, die auch mit den Herstellern diskutiert und zum Großteil bereits umgesetzt worden sind. Erfahrungen aus dem weiteren Projektablauf mit nachoptimierten Systemen zeigen inzwischen eine deutlich ho-

mogenere Bewertung am äußeren Rand des Diagramms.

Fazit Aus den Ergebnissen der zuvor gezeigten und erläuterten Untersuchungen lassen sich folgende Schlüsse für den Einsatz der untersuchten Mess-Systeme zur Überprüfung der Einschaltbereitschaft von VPE-isolierten Mittelspannungskabeln ziehen. Während das Ergebnis bei den applizierten Kabelfehlstellen als nicht befriedigend betrachtet werden kann, ließen sich die in Muffen applizierten Modellfehlstellen grundsätzlich mit allen betrachteten Messgeräten detektieren. Allerdings wurden zwischen den Systemen deutliche Unterschiede festgestellt, besonders hinsichtlich des Merkmals, wie empfindlich die Mess-Systeme auf die Teilentladungen reagieren und welche Prüfspannungspegel erforderlich sind, um die Fehlstellen zu detektieren und zu lokalisieren. Da erwartungsgemäß mit steigender Prüfspannung die TE-Intensität zunimmt, sind alle Mess-Systeme bei höheren Pegeln besser in der Lage, TE-Fehlstellen zu detektieren.

Wird jedoch berücksichtigt, dass ein möglichst niedriger Prüfspannungspegel erwünscht ist, um Vorschädigungen während der Prüfung weitestgehend auszuschließen, sind solche Verfahren vorzuziehen, bei denen bereits mit moderateren Prüfspannungspegeln von 1,7 U0 bzw. 2 U0 hohe Lokalisierungsraten erzielt werden. Die Lokalisierung der in Kabeln bzw. Muffen festgestellten TE ist mit einer Ortungsgenauigkeit von rd. 1 bis 2 % generell gut – wenn auch mit deutlichen Unterschieden zwischen den untersuchten Mess-Systemen – und kann für die Praxis bei drei der vier Systeme als ausreichend beurteilt werden. Der Typ der Fehlstelle und ihre Entfernung zur Anschluss-Stelle der Messgeräte sind entscheidend für die Ortungsgenauigkeit, da die jeweils zurückgelegte Strecke die Impulssteilheit der auszuwertenden TE-Impulse und damit die Genauigkeit der Laufzeitermittlung stark beeinflusst. Prinzipiell kann zur Sicherung der Ortungsergebnisse die TE-Messung von beiden Kabelenden aus durchgeführt werden, wodurch sich aber der Gesamtaufwand für die Bewertung einer Kabelstrecke deutlich erhöht.

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Wie Bild 5 zeigt, streuen die angezeigten TE-Pegel für dieselbe Fehlstelle über mehrere Zehnerpotenzen, obwohl alle Mess-Systeme nach den Angaben der Hersteller den Anforderungen der IEC 60270 entsprechen und der jeweilige Messkreis nach einem standardisierten Verfahren kalibriert wird. Allerdings vermerkt die IEC-Publikation 60270 [5], dass Vor-Ort-TEMessungen an Kabeln außerhalb deren Anwendungsbereichs liegen. Neben den unterschiedlichen Spannungsformen sind es die bei der Messwertaufnahme verwendeten Bandbreiten und die unterschiedlichen Integrationsverfahren, die die jeweiligen Anzeigewerte der TE-Pegel bewirken. Bei Energiekabeln bestimmt darüber hinaus deren HF-Übertragungsverhalten den dämpfenden und zugleich einen verformenden Einfluss auf die TE-Impulse. Deshalb ist es bei langen Kabelstrecken grundsätzlich empfehlenswert, eine Messung von beiden Enden aus durchzuführen. Auch wenn es bei der Prüfung VPE-isolierter Mittelspannungskabel eher darum geht, festzustellen, ob überhaupt TE auftreten, tragen die nicht vergleichbaren TE-Pegel sehr zur Verunsicherung der Anwender bei. Die Software der Messgeräte und deren Anwendung spielt eine entscheidende Rolle bei der Lokalisierung und der Bewertung der dielektrischen Schwachstellen. Vor allem die Frage, wie die digital arbeitenden Mess-Systeme aus der Häufigkeit und der Intensität der Einzelentladungen den angezeigten »Mittelwert« ermitteln, ist für den Anwender nicht transparent Alle Systeme ermöglichen automatische Messauswertungen. Die manuelle Sortierung und Auswertung der einzelnen TE-Impulse lässt jedoch gegenüber der automatischen Bearbeitung eine höhere Treffsicherheit und verbesserte Bewertung zu und hat sich als sehr hilfreich bei der Gesamtbewertung aller Ladungswerte je Messzyklus erwiesen. Allerdings erhöht sich dadurch auch der Zeitaufwand für die Bewertung einer Kabelstrecke erheblich. Die untersuchten Mess-Systeme bieten zahlreiche und z. T. sehr differenzierte Möglichkeiten zur Darstellung und Auswertung der Messergebnisse, die sich in Aussagekraft und Übersichtlichkeit unterscheiden, aber letztlich alle die als we-

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sentlich erachtete Darstellung der TE-Intensität über der Kabellänge bieten. Die Untersuchungen haben außerdem gezeigt, dass eine temporär durchgeführte TE-Messung als alleinige Einschaltprüfung nicht aussagekräftig ist, da sie möglicherweise nicht alle Fehler aufdeckt. Sie kann aber als zusätzliche Prüfung im Rahmen der Qualitätskontrolle zur Überprüfung der Montage eingesetzt werden. Die Bedienung der Messgeräte und die Auswertung der Messergebnisse erfordern geschultes und erfahrenes Personal und eine ständige Beschäftigung mit der Thematik. Neben der hohen Fachkompetenz ist auch ein großer Zeitaufwand für die Auswertung der Messergebnisse erforderlich. Vor allem für kleinere Netzbetreiber, die aus wirtschaftlichen Erwägungen kein eigenes Personal und Messequipment vorhalten wollen oder können, empfiehlt sich die Inanspruchnahme eines kompetenten Dienstleisters, der aufgrund einer Vielzahl durchgeführter Messungen und langjähriger Erfahrungen das erforderliche Know-how besitzt, die Messergebnisse zu analysieren und zu interpretieren und daraus die richtigen Schlussfolgerungen abzuleiten.

Ausblick Die Autoren beschreiben im Rahmen der komplexen Gesamtaufgabenstellung – Überprüfung der Anwendbarkeit und Aussagefähigkeit kommerziell erhältlicher Mess-Systeme zur Feststellung von Fehlern sowie der Restnutzungsdauer von Mittelspannungs-Kabelanlagen – den Teilaspekt grundlegender Prüffelduntersuchungen an definierten Fehlerstellen in Kabelstrecken mit VPE-isolierten Mittelspannungskabeln. Die bisherigen Untersuchungen haben bei einzelnen Mess-Systemen mehr oder weniger umfangreichen Optimierungsbedarf erkennen lassen, der für eine eingehende Bewertung der Fehlstellen jedoch als erforderlich erachtet wird: • umfassende Softwareunterstützung (Automatik), die keine oder nur geringe Nachbearbeitung erfordert, • verlässliche Messergebnisse, die für jede Fehlstelle und unabhängig vom Hersteller eine Aussage über

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den Grad einer Schädigung zulassen, • Angabe von TE-Pattern (TE über der Phasenlage der Prüfspannung) für jede einzelne Fehlstelle auf der Kabelstrecke, • direkter Export der Messergebnisse in Standard-Software-Anwendungen. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Aufsatzes wurden bereits weitere Untersuchungen an Übergangsmuffen und Papier-MasseKabeln durchgeführt. Darüber hinaus ist geplant, die im Prüffeld ermittelten Ergebnisse durch Untersuchungen in realen Netzen zu festigen. Bei diesen Versuchen werden dann auch die zwischenzeitlich von den Geräteherstellern realisierten Systemverbesserungen einfließen.

Danksagung Die Autoren danken folgenden Herstellern für die freundliche Unterstützung und die unentgeltliche Bereitstellung der Mess-Systeme: Baur Prüf- und Messtechnik GmbH, Sulz/Österreich, Imcorp EuropeBVBA, Lochristi/Belgien, Lemke Diagnostics GmbH, Volkersdorf, Seba Dynatronic Mess- und Ortungstechnik GmbH, Baunach.

LITERATUR [1] DIN VDE 0276-620, Starkstromkabel, Teil 620: Energieverteilungskabel mit extrudierter Isolierung für Nennspannungen U0/U 3,6/6 kV bis 20,8/36 kV. Deutsche Fassung HD 620 S1 Teile 1, 3C, 4C, 5C und 6C. VDE Verlag GmbH Berlin. [2] BGV A3 (vormals VBG 4), Unfallverhütungsvorschrift: Elektrische Anlagen und Betriebsmittel, Berufsgenossenschaftliche Vorschrift für Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit; aktualisierter Nachdruck 2005. Berufsgenossenschaft der Feinmechanik und Elektrotechnik, Köln. [3] Plath, R.; Kalkner,W.; Krage, I.: Vergleich von Diagnosesystemen zur Beurteilung des Alterungszustandes PE/VPE-isolierter Mittelspannungskabel. Elektrizitätswirtschaft, Jg. 96 (1997), H. 20, S. 1130 – 1140. [4] Colloca,V.; Fara, A.; Nigris, M. de; Rizzi, G.: Comparison among different diagnostic systems for medium voltage cable lines. Cired 2002. [5] DIN EN 60270: Hochspannungs-Prüftechnik, Teilentladungsmessungen, (IEC 60270:2000). Deutsche Fassung EN 60270, 2001. VDE Verlag GmbH Berlin. [6] Lemke, E.; Gulski, E; Hauschild,W.; Malewski, R.; Mohaupt, P.; Muhr, M.; Rickmann, J.; Strehl, T.; Wester, F. J.: Practical Aspects of the Detection and Location of Partial Discharges in Power Cables. Cigre Brochure, 2006. (35909)

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