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Forschungsgemeinschaftfür Elektrische Anlagenund Stromwirtschaft e.V.
Fehlergeschehen im Kabelnetz
Assetmanagement von Kabelnetzen -AnforderungenFehlergeschehen nach VDEW-StatistikenKabel-und Garniturenkonstruktionen –AuswirkungenErgebnisse des FGH-ForschungsvorhabensZustandsdiagnose von KabelnetzenMontagefehler von GarniturenZusammenfassung
Dr.-Ing. Karl-Heinz Weck
1 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Asset-Management von Kabelnetzen Asset
Höchstspannung 220 kV und 380 kV52 km Kabelsystem, 0,14% der LeitungslängenBeschaffungswert abhängig von Verlegeart, Stadt oder Industrieversorgung, Wert ca. 0,8 Milliarden €
Hochspannung 110 kV5.000 km Kabelsystem, 6,5% der LeitungslängenWert ca 250.000,- € pro km 1,3 Millarden €
Mittelspannung 10 kV bis 30 kV300.000 km Kabelsystem, 63% der LeistungslängenWert ca. 75.000,- € pro km 23 Milliarden €
Niederspannung 400 Vca. 850.000 km Kabelsystem, 90% der LeistungslängenWert ca. 60.000,- € pro km 51 Milliarden €
Asset: ca. 76 Milliarden €
2 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Asset-Management von Kabelnetzen Aufgabe
Werterhaltung des Kabelnetzes(76 Milliarden €)
Instandhaltungs-und
Ersatzmaßnahmen
Fehlergeschehen undReparaturkosten
akzeptabel
Versorgungszuverlässigkeitgewährleistet
Entstör-management
3 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Fehlerraten in KabelnetzenAuswertung des VDEW-Schadens-und StörungsstatistikIn Mittelspannung
10-kV- und 20-kV-Netze Fehlerraten etwa gleich
Im HochspannungsnetzFehlerraten um Faktor 3 kleiner als in Mittelspannung
Fehlerraten über die Jahre konstant
Alter der fehlerbehafteten Kabel nicht berücksichtigtGarniturenfehler und Kabel-fehler nicht getrennt
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
Fehl
erra
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1/1
00 k
ma
10 kV 20 kV
PapiermassePE/VPE
Fehl
erat
ein
1/1
00km
a
0
1
2
3
4
1994 1995 1996 1997 1998
Jahr
10/20 kV 110 kV
Fehlergeschehen in Kabelnetzen Zustand der Kabelanlagen heute
VDEW: Auswertezeitraum 1994 bis 1998
4 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Fehlergeschehen maßgeblich durch Kabel oder Freileitungen bestimmt
Große Auswirkung ansteigender Fehlerraten auf die Versorgungs-zuverlässigkeit
Geringe Auswirkung eines Anstiegs der Fehlerraten in Schaltanlagen und Netzstationen
Rangfolge für das AssetmanagementBeurteilung der Kabelanlagen wegen Bedeutung für Zahl der Versorgungsunterbrechungen vordringlichBeurteilung der Schaltanlagen wegen Anzahl der nicht versorgten Kunden (nicht zeitgerecht gelieferte Energie) folgend
10 Ortsnetzstationen pro Abgang
Fehlerrate: 0,01/Jahr
10 km Kabel pro AbgangFehlerrate: 0,3/Jahr
Abgang Fehlerrate:0,006 pro Jahr
Durchschnitts-Schaltanlage2 EinspeisefelderMess-/Kuppelfeld2 Sammelschienen mit je 3 Abgängen
Schäden nach Schadensursache Beispiel Kabelgarnituren
5 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Anteil der Komponententypen am Fehlergeschehen
582
1595 23
15
3413
25 1755
6763
2432
45
5068
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Anz
ahl d
er S
töru
ngen
10 kV 20 kVSpannungsebene
Station/AnlageFreileitungKabel und MuffenEndverschlußSonstige
(Quelle: VDEW, 3-Jahres-Mittelwerte 1995 bis 1997)
Im Kabelnetz:
Zahl der Störungen=
Zahl der Schäden
6 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Schäden nach Schadensursache – Beispiel Kabel
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50Sc
hade
nsra
te [1
/100
km
/a]
10-kV, Massekabel
20-kV, Massekabel
10-kV, Kunststo
ffkabel
20-kV, Kunststo
ffkabel
Rest
Minderung der elektrischenEigenschaften(Alterung,Abnutzung)
Minderung der mechanischenEigenschaften(Alterung,Abnutzung)
Betrieb und Instandhaltung
Keine erkannte Schadensursache
(Quelle: VDEW, 3-Jahres-Mittelwerte 1995 bis 1997)
7 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Schäden nach Schadensursache Beispiel Kabelgarnituren
(Quelle: VDEW, 3-Jahres-Mittelwerte 1995 bis 1997)
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
Sch
aden
srat
e [1
/100
Stü
ck/a
] bzw
. [1
/100
Sät
ze/a
]
10-kV, Masse
kabel, Muffen
20-kV, Masse
kabel, Muffen
10-kV, Kunstst
offkabel, M
uffen
20-kV, Kunststoffka
bel, Muffen
10-kV, Massekabel, Endversch
lüsse
20-kV, Masse
kabel, Endversch
lüsse
10-kV, Kunstst
offkabel, E
ndverschlüsse
20-kV, Kunstst
offkabel, E
ndverschlüsse
Rest
Minderung der elektrischenEigenschaften(Alterung,Abnutzung)Minderung der mechanischenEigenschaften(Alterung,Abnutzung)Betrieb und Instandhaltung
Keine erkannte Schadensursache
Aussagekraft derVDEW-Statistikenbegrenzt
8 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Fehlergeschehen in Kabelnetzen Technik des Kabelnetzes
Papierkabel
Beispiel:110-kV-Gasinnendruckkabel
Kabel in der Regel Dreileiterkabel
Höchstspannung: NiederdruckölHochspannung: Niederdrucköl
GasaußendruckGasinnendruck
Mittelspannung: Papiermasse mitBleimantel N(E)KBANAKLEY-Kabel mit Aluminiummantel
Niederspannung: Gürtelkabel
Kunststoffkabel
Beispiel:110-kV-VPE-Kabel
Kabel in der RegelEinleiterkabel
Höchstspannung: VPE-KabelHochspannung: PE- und VPE-KabelMittelspannung: PE/VPE mit PVC-Mantel
VPE mit PE-MantelPVC-Kabel
Niederspannung: PVC-Kabel
Für jeden Kabeltyp angepasste Ausführungen von Endverschlüssen und MuffenBei gemischten Kabelstrecken in Mittelspannung: Übergangsmuffen
9 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
PapiermassekabelBauarten
Papiermasse-IsolationPapierwickelMassegetränkt
AderschirmungAluminiumbandErdschirm, Kupfer bei HöchstädterkabelnBleimantel bei Drei-bleimantelkabeln
MantelBleimantel bei HöchstädterkabelnKunststoff bei Dreibleimantelkabeln
Leiter, Kupfer oder Aluminium
Papiermasse-Isolation
Aderschirmung
FüllmaterialMantel
10 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
IsolationBis 1972: PVC1967 - 1972: PEab 1972: VPE
Äußere Leitschichtbis ca. 1980 graphitiertab 1980 extrudiert
Schirmbereich50% ohne Maßnahmen50% mit Längswasser-dichtigkeit
Mantelbis 1983: PVCab 1983: HD-PE
Isolation
Innere Leitschicht,extrudiert
Leiter, Kupfer oder Aluminium
Äußere Leitschicht
KupferschirmMantel
KunststoffkabelBauarten
11 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
PapiermassekabelEndverschlüsse
Masse-EndverschlüssePapierwickel bleibt bis zum Kabelschuh bestehenFeldsteuerung nur durch das MassevolumenEinfacher Aufbau, kostengünstig
ZusatzvorteilGlasbehälter ermöglicht MassekontrolleNachfüllung von Masse, falls erforderlich
12 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Massegefüllte Muffe für Papiermassekabel
Bis etwa 1980 nahezu ausschließlich verwendet
Aufschiebmuffe für VPE-KabelAufbau wie zwei EndverschlüsseSpannungsfestigkeit durch vorgefertigten Silikonkörper
Übergangsmuffe Verbindung VPE-PapiermasseLinks (VPE)Rechts Trockenmuffe für Papiermasse
Dazu Muffen in Warm- und Kaltschrumpftechnik verschiedenster Ausführung
Papiermasse- oder KunsststoffkabelMuffen - Beispiele
13 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Das Kabelnetz besteht ausKabeln unterschiedlicher Art
Grob unterteilt in Papiermassekabel und Kunststoffkabel
Muffen unterschiedlicher ArtNass- und Trockenmuffen für PapiermassekabelAufschieb- und Schrumpfmuffen für Kunststoffkabel
Endverschlüsse unterschiedlichster ArtBauarten ähnlich denen der Muffen
Elemente des Kabelnetzes haben unterschiedliches AlterAlter der Kabel wird pauschal zwischen 0 und 80 Jahren benannt
Folgerung:Gleichbehandlung ohne Beachtung der Unterschiede nicht ausreichend aussagefähig
Eingehendere Untersuchungen des Fehlergeschehens erforderlich
Fehlergeschehen in Kabelnetzen Zukünftige Anforderungen
14 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Bis 2000: Geringe Kabellängen älter
40 Jahre
Ab 2010: Betroffene Kabellängen merklich ansteigend
40 Jahre
0
500
1000
1500
2000
2500
Alter in Jahren
Syst
emlä
nge
in k
m
VPE-Kabel Papiermassekabel
0 10 20 30 40 50 0
500
1000
1500
2000
2500
Verlegejahr
Syst
emlä
nge
in k
m
VPE-Kabel Papiermassekabel
2000 1990 1980 1970 1960 1950
12 Mengengerüst der Mittelspannungskabel
Gekennzeichnet durch 2 Maxima
1: Jahre des Netzausbaus
Bei allen Betriebsmitteln für das Nieder-Mittel- und Hochspannungsnetz ähnlich
2: Rückbau des Freileitungsnetzes
Besonderheit des Kabelnetzes
Maximum fehlt bei anderen Betriebs-mitteln
Problem Alter der KabelnetzeMengengerüst der Verlegejahre
Ergebnisse des FGH/AiF-Forschungsvorhabens„Assetmanagement von Verteilungsnetzen“
Auswertungen von 6 beteiligten Netzbetreibern
Erwartete Lebensdauer früher 40 Jahre
Alterstruktur von Kabelnetzen Problemstellung
15 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Zusammensetzung des KabelnetzesKabel unterschiedlichsten Typs, teilweise innerhalb einer StreckeMuffen unterschiedlichsten TypEndverschlüsse verschiedenster Bauart
Fehlergeschehen in Kabelnetzen Zustand der Mittelspannungs-Kabelanlagen heute
65,1
21,013,9
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
Kabel Muffen Endver-schlüsse
Fehl
eran
teil
in %
Aber:Kabel sind für das Fehler-geschehen maßgebend
Ergebnisse des FGH-Projekts „Assetmanagement“Gefördert durch AiF
Auswertung von 1776 Fehlern auf 5400 km VPE-Kabel und 9750 km Papiermassekabel
16 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
FehlerursachenHauptfehlerursachen sind
Fremde EinwirkungMinderung Elektrischer Eigenschaften
Andere Fehlerursachen vernachlässigbar
Unbekannt in VDEW-Statistik bedeutet „Nicht untersucht“
Darstellung berücksichtigt nicht Kabelalter
63,6
38
0 2,6
59,4
36,4
0
10
20
30
40
50
60
70
VPE Papiermasse
Ante
il i
n %
Fremde EinwirkungMinderung elektr. EigenschaftenAndere
Fehlergeschehen in Kabelnetzen Zustand der Mittelspannungs-Kabel heute
17 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Ergebnisse des FGH-Projekts „Assetmanagement“Gefördert durch AiF
Fehler gesamt
012345678
0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-45 45-50
Betriebszeit bis Fehler in Jahren
Fehl
er p
ro 1
00 k
m u
nd J
ahr
Gesamt-Fehlerrate wenig aussagefähig
Fehler nach Ursache
012345678
0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-45 45-50Betriebszeit bis Fehler in Jahren
Fehl
er p
ro 1
00 k
m u
nd J
ahr
Elektrische Fehler Fremde Einwirkungen
Trennung von elektrischen Fehlern und fremden Ein-wirkungen erforderlich
jedoch nicht ausreichend
Trennung nach Kabeltypen liefert erforderliche Infor-mation
Papier-Masse etwa mit dreifacher Fehlerrate wiemoderne VPE-Kabel
Elektrische Fehler
0
1
2
3
4
5
6
0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-45 45-50Betriebszeit bis Fehler in Jahren
Fehl
er p
ro 1
00 k
m u
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ahr
VPE neu VPE alt Papier-Masse
Fehlergeschehen in Kabelnetzen Zustand der Mittelspannungs-Kabelanlagen heute
18 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Neue VPE-Kabel mit Fer-tigung nach 1985 erfordern keine Maßnahmen
PE/VPE Kabel mit Fertigung zwischen 1970 und 1985 sind bekannt auffällig
Papiermassekabel haben konstant bleibende Fehler-raten
Aber:Nach Vor-Ort-Spannungsprüfungmit 2U0 an 84 km Kabel 3 Folge-fehlerFehlerrate 3,6 pro 100 kma
Fehlergeschehen in Kabelnetzen Zustand der Mittelspannungs-Kabelanlagen heute
Fehler nach Ursache
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-45 45-50 50-55Betriebszeit bis Fehler in Jahren
Fehl
er p
ro 1
00 k
m u
nd J
ahr
Elektrische Fehler Fremde Einwirkungen
Ergebnis durch Betriebserfahrungbestätig
Bei Bauarbeiten in Gebiet mit alten PapiermassekabelnHohe Zahl von mechanischen Beschädigungen derKabelHohe Zahl von Folgefehlern durch Erdschlussüber-spannung
19 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Anteil elektrischer Fehler bei PE-Kabeln besonders ausgeprägt
Baujahre um 1970 betroffenAlterung durch Wasserbäumchen
Anteil elektrischer Fehler bei PVC-Kabeln etwas höher als bei neuen VPE-Kabeln
Alle PVC-Kabel in 10 kV
Alle Ergebnisse betreffen das kompensierte Netz der öffentlichen Versorgung
Anteil elektrischer Schäden
0
20
40
60
80
100
VPE neu VPE alt PE Masse PVC
Anteile elektrischer Fehler am AusfallgeschehenErste Ergebnisse des AiF-Projekts
%
Fehlergeschehen in Kabelnetzen Zustand der Mittelspannungs-Kabelanlagen heute
14
20 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Zeitorientierte (periodische) InstandhaltungFür Kabelnetze nicht anwendbar
Ereignis-/Ausfall-orientierte InstandhaltungIn Nieder-, Mittel und Hochspannungsnetzen heute gewählte StrategieStrategie:
Bei Einzelfehlern Reparatur der FehlerstelleBei Serienfehlern auf einer Kabelstrecke Auswechslung der StreckeBei Serienfehlern auf mehreren Kabelstrecken Ersatz aller Strecken dieses Typs?
Zustandsorientierte InstandhaltungIm Höchstspannungsnetz (380 kV) durchgeführt
Periodische Ermittlung des Zustands durch Diagnosemessungen an Garnituren
Im Mittelspannungsnetz zukünftig erforderlich?Stark ansteigende Systemlängen hohen Alters
Asset-Management von Kabelnetzen Instandhaltungsstrategien
21 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
0
5
10
15
20
25
30U
d/U
o
5
11,9
21,7 22,7 22,5
1 2 3 4 5Production 1977PVC jacket13 years servicegraphite outer layer
Production 1985Standard cablePE jacketRef. chapter 3.110 years service
Production 1984PVC jackettriple extruded11 years service
Production 1985Longitudinal waterblocking systemPE jacketRef. chapter 3.110 years service
New cableHD 620before long-time aging
Fehlergeschehen in Kabelnetzen Fehlergeschehen – Zeichen des Zustands neuer VPE-Kabel
22 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Fehlergeschehen an neuen VPE-KabelnFehlerrisiko klein und nicht mit dem Alter ansteigendUngewöhnliche Fehlerereignisse nicht bekanntBeobachtung in den nächsten 20 Jahren nicht erforderlich
Aus Fehlergeschehen drei Gruppen von Kabeln zu beobachten:Papiermasselkabel älter als 40 Jahre
Bis 2010 in Deutschland etwa 80.000 km System betroffenAnstieg der Fehlerraten nach Erdschlüssen möglich
VPE/PE-Kabel mit Herstellungsjahr vor 1985Etwa 24.000 km in Deutschland noch in Betrieb
PVC-Kabel und anfällige Papiermassekabel (NAKLEY) Bereits nahezu vollständig ausgewechseltNur in Ausnahmefällen, z. B. in Kraftwerken, Ersatzmaßnahmen erforderlich
Fehlergeschehen in Kabelnetzen Fehlergeschehen – Zeichen des Zustands
23 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Messverfahren hoch entwickeltWeitgehende Unterdrückung von StörsignalenOrtung durch Laufzeitverfahren
Für Kunststoffkabel hoch geeignetVerlege- und MontagekontrolleZulässige TE-Pegel für die Ent-scheidungsfindung vorhanden
Im Höchstspannungsanlagen unentbehrlich
In Hochspannungsanlagen zu empfehlenAufwand unter 1% der Anlagenkosten
Im Mittelspannungsnetz kosten-aufwendig
Gute Montage ist günstiger
Grundpegel
Störungen
Teilent-ladung
Zustandsbestimmung von Kabelnetzen Kabeldiagnose durch Teilentladungsmessung
Phasenbezogene TE-Messung ermöglichtTrennung von Trennung von Mess- undStörimpulsen
Zusätzlich digitale Filterung von Störern mit konstanter Frequenz (Sender) möglich
Stochastische Störungen z. B. durch IGBT-Umrichter problematisch
24 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Forschungsprojekt der FGH gefördert durch AiFResonanzprüfverfahren ausgewähltPrüfung von Kabeladern mit 1 U0 Betriebsspannung und 2 U0(Erdschlussüberspannung)
Verlustfaktormessung durch Messung der Wirk- und Scheinleistung
- Problem Erdungsverhältnisse der Kabelanlagen im Betrieb- Strommessung auf Potential erforderlich- Messunsicherheit auf tg δ = 0,005 geschätzt
Teilentladungsmessung und –ortung- Problem Grundstörpegel abhängig von angeschlossenen
Verbraucheranlagen
Papierisolierte Mittelspannungs-KabelVor-Ort-Untersuchungen der FGH
25 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Ergebnisumfang
Ergebnisse von etwa 120 Kabelstrecken liegen vorLängen zwischen 150 m und 2500 m, etwa 700 m im DurchschnittGeprüfte Systemlänge etwa 84 km
Fehlergeschehen während oder nach Messungen117 Kabelstrecken ohne Fehler1 Kabelfehler bei Spannungssteigerung von 1 U0 auf 2 U01 Kabelfehler bei Wiederzuschalten nach Prüfung1 Kabelfehler nach 2 Monaten weiterem Betrieb
Fehlerrate nach Prüfung 3,6 pro 100 km und JahrHöher als im Normalbetrieb ohne Prüfung
Papierisolierte Mittelspannungs-KabelVor-Ort-Untersuchungen - Ergebnisse
26 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Grundstörpegel in allen Leitern gleich
Abhängig von Station
Grundstörpegel statistisch verteilt
90%-Wert 240 pCFrühere Untersu-chungen bestätigtDurch aufwendige Maßnahmen Verbes-serung möglich
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 10 100 1000 10000
Störpegel in pC
Häu
figke
it in
%
Häufigkeitsverteilung des TE-Störpegelsdurch Verbraucher im Netz
Papierisolierte Mittelspannungs-KabelUntersuchungsergebnisse – Grundstörpegel
27 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
TE-Intensität bei Betriebsspannung klein
Häufigkeitsverteilung verfälscht
Kleine Intensitäten fehlen, wenn Grundstörpegel hochKorrekturverfahren erforderlich:
50%-Wert etwa 60 pC90%-Wert etwa 300 pC
Häufigkeitsverteilung der TE-Intensitäten größer Grundstörpegel bei Prüfspannung 1 U0
Papierisolierte Mittelspannungs-KabelUntersuchungsergebnisse – TE-Intensitäten
0102030405060708090
100
1 10 100 1000 10000
TE-Intensität in pC
Häu
figke
it in
%
28 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
TE-Intensität bei Erd-schlussüberspannungdeutlich höher
Häufigkeitsverteilung wenig verfälscht
Korrekturverfahren ergeben:
50%-Wert ca. 200 pC90%-Wert ca. 2000 pC
TE-OrtungKabel, Muffen und Endverschlüsse etwa gleich beteiligt
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
10 100 1000 10000
TE-Intensität in PC
Häu
figke
it in
%
Häufigkeitsverteilung der TE-Intensitäten größer Grundstörpegel bei Prüfspannung 2 U0
Papierisolierte Mittelspannungs-KabelUntersuchungsergebnisse – TE-Intensitäten
29 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Häufigkeitsverteilung der TE-Intensitäten von gealterten Papiermassekabeln bei Prüfspannung 1U0
Eignung für gealterte Papiermasse-kabel?
Einwandfreie Kabelanlagen haben bei Betriebsspannung geringe TEJedoch Kabel mit hohen TE-Werten ohne Fehler in BetriebZulässiger TE-Pegel noch nicht ermittelt
Eignung für wasserbaum-gealterte PE/VPE-Kabel
TE tritt erst nach Umschlag des Wasserbäumchen in elektrisches Bäumchen aufGeringe TE deutet auf noch nicht erfolgten UmschlagNach Umschlag erfolgt Durchschlag einige Jahre späterNach Messung erfolgreicher Betrieb von wenigen Jahren voraussagbar
0102030405060708090
100
1 10 100 1000 10000
TE-Intensität in pC
Häu
figke
it in
%Zustandsbestimmung von Kabelnetzen Kabeldiagnose durch Teilentladungsmessung
30 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Verlustfaktormessung anPapiermassekabelnWahl der Prüfspannung
Nach Werelius, Programma AB
0,001
0,01
0,1
1
0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000
Cable H17, ph.2Tanδ
Frequency [Hz]
A 11 kV Paper Insulated Power Cable
Frequenz in Hz
Verlu
stfa
ktor
tgδ
SteigenderWassergehalt
SteigendePolarisationsverluste
0,1-Hz-WechselspannungGeeignet zur Bestimmung des WassergehaltsAber Änderung der Span-nungsaufteilung besonders in Garnituren möglich
ResonanzprüfanlageFrequenzen 20 Hz bis 150 Hz
Geeignet zur Bestimmung der Polarisationsverluste
Betriebliche Spannungs-aufteilung
Zustandsbestimmung von Kabelnetzen Kabeldiagnose durch Verlustfaktormessung
31 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Verlustfaktoren mit Prüf-frequenz ansteigend
Polarisationsverluste (Siehe Folie 5)Bei niedrigen Frequen-zenAbhängigkeit von der Spannung feststellbar
Verlustfaktoren in der Regel unter 0,01
Deutlich unter dem betrieblich kritischen Wert von etwa 0,1Wassergehalt vernachlässigbar
0,001
0,01
0,1
25 35 45 55 65 75 85 95Prüffrequenz in Hz
Tan δ
Uo1,5Uo2Uo
Papierisolierte Mittelspannungs-KabelUntersuchungsergebnisse - Verlustfaktor
Verlustfaktor in Abhängigkeit von der Prüffrequenz
32 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Fehler 1: Kabel NEKBA 20 kV, Herstellungsjahr 1964Prüfablauf: Verlustfaktormessung bei 1 U0, 1,5 U0 und 2 U0 mit
Werten deutlich unter 0,01TE-Messung bei 1 U0 , TE-Intensität 80 pCDurchschlag bei Spannungssteigerung
Schadensursache Bleikorrosion (Bleifraß), lokales Wassereindringen durch integrale Verlustfaktormessung nicht detektierbar
Fehler 2: Kabel NAKLEY 20 kV, Herstellungsjahr unbekannt Prüfablauf: Verlustfaktormessung bei 1 U0, 1,5 U0 und 2 U0 mit
Werten deutlich unter 0,01TE-Messung bei 1 U0, 1,5 U0 und 2 U0, TE-Intensität kleiner 1000 pC (Grundstörpegel)Durchschlag bei Wiederzuschaltung
Schadensursache nicht bekannt, Strecke bisher unauffällig
Papierisolierte Mittelspannungs-KabelUntersuchungsergebnisse – Kabelfehler
33 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Fehler 3: Kabel NKBA 10 kV, Herstellungsjahr 1959Prüfablauf: Verlustfaktormessung bei 1 U0, 1,5 U0 und 2 U0 mit
Werten deutlich unter 0,01;TE-Messung bei 1 U0, 1,5 U0 und 2 U0, TE-Intensität kleiner 1000 pC (TE erzeugt durch benachbarten Endverschluss mit äußeren Entladungen);
Durchschlag nach etwa 2 Monaten BetriebSchadensursache nicht bekannt, Strecke bereits früher auffällig
• FolgerungenWeder Verlustfaktor noch TE-Intensitäten haben bevorstehenden Kabelfehler vorhersagen könnenEindeutige Beurteilungskriterien stehen noch aus
Papierisolierte Mittelspannungs-KabelUntersuchungsergebnisse – Kabelfehler
34 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
VPE-Kabel – Fertigung 1970-1985Alterung durch Wasserbäumchen
Alterung durch Ausbildung von WasserbäumchenBedingung leitfähiges Wasser im Bereich elektrischer FeldstärkeBildung von Leitfähigkeit durch Verunreinigungen besonders in Leitschichten
Massive Ausfälle bei Kabel aus den Fertigungsjahren 1972-1985
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 3 6 9 12 15
Kabelalter in a
Fehl
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1/K
abel
stre
cke*
a
Fertigungsjahr 1975,ErdschlußbedingungenFertigungsjahr 1975,NormalbedingungenKabelstatistik
35 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Um 1980 von Herstellern, EVU und FGH entwickelt
VerfahrenEntnahme von 3 Proben a 15 m aus dem NetzErmittlung der Durchschlag-spannung mit dem vereinbarten Prüfverfahren (Bild)Feststellung der Länge von Wasserbäumchen
Beurteilung aus ErfahrungDurchschlag bei 3 U0 bis 4 U0Auswechslung empfohlen
Bis heute einziges Verfahren zur Längenbestimmung
Verfahren aufwendig und nicht zerstörungsfrei
VPE-Kabel – Fertigung 1970-1985Zustandsbestimmung durch FGH-Stufentest
Zeit
Prüf
wec
hsel
span
nung
2U0mitTE
3U0 1h
Stufen 1U0, 5min Bis Durchschlag
4U0 15min
36 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Zerstörungsfreie Verfahren, z.B.IRC-AnalyseWiederkehrspannungVerlustfaktor bei 0,1 Hz
Einsatz für gealterte PE/VPE- und Papiermassekabel
Verfahren diagnostizieren Wasser-gehalt der Isolierung
Nachteil der integralen Messung der Kabelstrecke
Verfahren treffen Aussage über den mittleren WassergehaltVerfahren ungeeignet zur Detektierung örtlich begrenzter Alterung nicht möglich
Selektivität um 75% erreicht
0102030405060708090
100
IRC-Analyse Wiederkehrspannung tan δ 0,1 Hz
Sele
ktiv
ität i
n %
0102030405060708090
100
IRC-Analyse Wiederkehrspannung tan δ 0,1 Hz
Sele
ktiv
ität i
n %
Selektivität = Verhältniskorrekt diagnostizierte Strecken
geprüfte Strecken
Rot: Ursprüngliches KriteriumGelb: Angepasstes Kriterium
Zustandsbestimmung von Kabelnetzen Zerstörungsfreie Kabeldiagnoseverfahren
37 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Verlegungsfehler des Kabels durch Mantelprüfung aufdeckbar
Montagefehler von GarniturenNur durch Hochspannungsprüfung mit TE-Messung aufdeckbar
Konstruktionsprinzipien von Muffen für VPE-Kabel
Verlegung der elektrischen Beanspruchung in vorgefertigte TeileBeispiel NKT-MuffeNotwendige Kontaktgabe
Feldsteuerung (1) mit ErdeFeldsteuerung (2) mit Hochspannung, hier durch Fehler
Montagefehler, da hier wegen zu geringem Abstand Kabelschuh zu VPE-Isolierung nicht genügend groß
Fehlergeschehen in Kabelnetzen Montagefehler
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38 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Montagefehler verursacht durch ungewöhnliche Geometrie
Beispiel Warmschrumpfmuffe Sigmaform
Potentialsteuerschlauch (oben) als elektrisch wichtigstes TeilKontaktgabe zum Verbinder durch hochpermeables Band (unten)VPE-Kabel 10 kV, ´verdichteter Leiter 300 mm2 AlDurchmesser des Verbinders um 5 mm größer als der der IsolierungMontageanweisung, dass Wickel-durchmesser nicht größer als VPE-Durchmesser nicht einhaltbarEntstehung von Hohlräumen unter Steuerschlauch
Fehlergeschehen in Kabelnetzen Montagefehler
39 Weck – Fehlergeschehen im Kabelnetz – Kabelseminar Hannover, 10./11. Oktober 2006
Fehlergeschehen an KabelnFehlerraten der Kabelnetze durch hohe Werte bestimmter Kabeltypen bestimmt
Wasserbaumgealterte VPE/PE-Kabel mit Fertigung vor 1985Gealterte Papiermassekabel mit Alter über 50 Jahre
Moderne VPE-Kabel mit Fertigung nach heutiger Normung unauffällig
Zustandsorientierte Instandhaltung von KabelnetzenIn den kommenden Jahren aufgrund groß werdender Systemlängen mithohem Alter erforderlichVerfahren vorhanden, geeignete Bewertungskriterien jedoch noch zu entwickeln
Montagefehler an GarniturenGarniturentechnik wegen Nutzung vorgefertigter Teile zuverlässigFehlerquellen vorhanden, stetige Schulung des Montagepersonals nötig
Besondere Aufmerksamkeit bei Übergangsmuffen erforderlichAnforderungen an Dichtheit und Feldsteuerung zu beachten
Fehlergeschehen in Kabelnetzen Zusammenfassung