Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3756
Main Title: Entwicklung eines Diagnosekonzeptes für Mittelspannungskabelanlagen mit Massekabeln
Translated Title: Development of a diagnostic Concept for medium Voltage Cable Systems with PILC Cables
Author(s): Schuchardt, Marcus
Advisor(s): Kalkner, Wilfried
Referee(s): Kalkner, Wilfried
Hinrichsen, Volker
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In der vorliegenden Arbeit wird vornehmlich das Betriebs- und Alterungsverhalten von Kabeln mit massegetränkter Papierisolierung (Massekabel) untersucht. Ein Ziel ist es, ein vertieftes Verständnis für die Vorgänge zu entwickeln, die beim Betrieb von Massekabeln zu deren Alterung und letztlich zu ihrem Ausfall führen können. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung von Vor-Ort-Diagnosestrategien für reine Massekabelanlagen und Mischkabelanlagen, in denen Massekabel zusammen mit VPE-Kabeln eingesetzt werden. Es wird untersucht, in wie weit sich der Verlustfaktor, genauer die Änderung des Verlustfaktors in Abhängigkeit der Frequenz und der Spannung in Verbindung mit dem Teilentladungs-(TE)-Verhalten zur Beurteilung des Alterungszustandes bzw. der Restlebensdauer eines Mittelspannungskabelsystems eignen. Dieser Ansatz wurde gewählt, da sich die vorgenannten Meßgrößen auch an Kabelanlagen vor Ort verhältnismäßig einfach ermitteln lassen. Mit Hilfe von Meßergebnissen und Erkenntnissen aus Laboruntersuchungen wird die Interpretation von bei Vor-Ort-Diagnosen erhaltenen Verlustfaktor- und TE-Meßergebnissen vereinfacht bzw. überhaupt erst ermöglicht. Die zur Erreichung der oben formulierten Ziele durchgeführten Untersuchungen lassen sich im Wesentlichen in folgende drei Klassen unterteilen: 1. Spezielle Einzeluntersuchungen an Kabel- und Muffenproben im Labor (akzelerierte Alterungsversuche, Einbau künstlicher Fehler wie Masseverarmung und Feuchtezutritt), 2. Standardisierte Messungen/Untersuchungen an Labormustern von geborgenen Kabeln und Muffen (fehlerbehaftet und fehlerfrei) aus dem Netz, 3. Vor-Ort-Diagnosen im Mittelspannungs-(MS)-Netz. Die Messungen des Verlustfaktors im Labor erfolgten mit einem im Fachgebiet Hochspannungstechnik der TU-Berlin entwickelten hochempfindlichen, digitalen Verlustfaktormeßsystem. Mit diesem System wurde der Verlustfaktor bei Meßfrequenzen von 0,01 Hz bis 200 Hz gemessen. Dies erlaubt eine bessere Beurteilung des Fortschritts der Alterungsvorgänge in den Isolierungen der geprüften Kabel. So läßt sich z.B. die fortschreitende Feuchtealterung am besten bei Meßfrequenzen ab 1 Hz und größer beobachten. Der Temperatureinfluß auf die Meßwerte ist bei Meßfrequenzen unter 1 Hz unter bestimmten Umständen so groß, daß er die Veränderung durch Alterung überlagert. Die dieser Arbeit zugrunde liegende Hauptidee ist es, über die Messung von Verlustfaktorhysteresen verbesserte Aussagen über eine erfolgte Alterung von Kabeln zu erhalten. Zur Messung von Verlustfaktorhysteresen wird die zum Messen des Verlustfaktors angelegte Meßhochspannung in Stufen erhöht und in gleicher Stufung wieder abgesenkt. Auf jeder Stufe beim Herauf- und Herunterfahren der Spannung wird der Verlustfaktor gemessen. Es stellte sich bei den Untersuchungen heraus, daß diese Art zu messen besonders vorteilhaft bei 0,1 Hz genutzt werden kann, um eine fortgeschrittene Alterung zu diagnostizieren. Besonders hilfreich dabei sind die Differenzen aus dem Verlustfaktorabsolutwert einer Spannungsstufe beim Herunterfahren und dem Wert bei der selben Spannungsstufe beim Herauffahren der Spannung. Es konnte erstmals nachgewiesen werden, daß fortgeschrittene Alterungsvorgänge in Massekabeln (Feuchte- und TE-Alterung) durch hohe Verlustfaktordifferenzen über den gesamten Meßspannungsbereich auffallen, während sich TE in weniger gealterten Isolierungen vor allem durch hohe Differenzen bei hohen Meßspannungen bemerkbar machen. In einer Reihenuntersuchung wurden die Auswirkungen der Alterungsphänomene Feuchtigkeitsalterung und verstärkte TE-Alterung (durch Masseverarmung) auf den Verlustfaktor und seine Differenzen systematisch untersucht. Dabei stellte sich heraus, daß die Verlustfaktordifferenzen besonders bei Feuchtealterung gegenüber TE-Alterung stark erhöht sind. Damit ist eine Unterscheidung der beiden Phänomene möglich. Die bei der Messung an Massekabeln und ihren Garnituren (inklusive Übergangsmuffen zu VPE-Kabeln) ermittelten 0,1 Hz-Verlustfaktordifferenzen sind besonders dann negativ, wenn die Prüflinge stark durch TE vorbelastet waren. Damit ist nachträglich eine Aussage über eine TE-Vorbelastung möglich, ohne die TE-Belastung im Betrieb wirklich zu kennen. Letztlich konnte aus den im Labor in den spezialisierten Untersuchungen gewonnenen Ergebnissen an geborgenen Kabelmustern aus dem Netz ein Konzept für die Diagnose von Mittelspannungskabelanlagen und die Interpretation der Diagnoseergebnisse entwickelt werden. Bei Vor-Ort-Messungen mit dem Kabelmeßwagen konnte das entwickelte Konzept erfolgreich zur Ermittlung kritischer Kabelstrecken angewendet werden.
In the work in hand, primarily the operation performance and ageing behaviour of paper-insulated mass-impregnated cables (PILC) are examined. One goal is to develop an advanced understanding of the processes that can lead to ageing, and in the end to their failure, of PILC in service. Another goal is the development of on-site diagnosis strategies for pure PILC cable installations and mixed cable installations, in which PILC are used together with cross-linked polyethylene (XLPE) cables. It will be examined, if there is any use in linking loss factor measurements, more precisely the variation of the loss factor as a function of frequency and voltage, to the partial discharge (PD) behaviour in order to assess the remaining lifespan or the ageing state of a medium voltage cable system. This approach was chosen, since the aforementioned values can be determined relatively simply also at cable installations on site. With the help of measurement results and realizations from the laboratory, the interpretation of loss factor results and PD measurement results obtained by on-site diagnoses becomes simplified or sometimes possible in the first place. The examinations carried out to attain the goals phrased above can essentially be subdivided into the following three categories: 1. Particular individual studies of cable and accessory samples in the laboratory (accelerated ageing tests, introduction of artificial defects like drained mass and moisture ingress) 2. Standardized measurements/examinations in the laboratory, scrutinizing samples of salvaged/excavated cables an accessories (faulty and faultless) from the network 3. On-site diagnoses in the medium voltage (MV) network. The measuring of the loss factor in the laboratory took place with a super-sensitive, digital loss factor measurement system developed at the Technical University of Berlin. With this system, the loss factor was measured with test voltage frequencies ranging from 0,01 Hz to 200 Hz. This allows a better judgment of the advancement of the ageing processes in the insulation of the cables being tested. For instance, the progressing moisture ageing can be observed best with measurement frequencies of 1 Hz and higher. Under certain circumstances the temperature influence on the loss factor values measured below 1 Hz is so large that it overlays the changes induced by ageing. The main idea pursued here is to get a better assessment of the ageing state of a cable by measuring the loss factor hysteresis. Measuring the loss factor hysteresis means that the applied high voltage for measuring the loss factor is increased in steps and decreased in the same gradation again. The loss factor is measured on each step with the up and down movement of the voltage. It turned out by way of examination that this type of measurement strategy can be used especially profitably with 0,1 Hz in order to diagnose an advanced ageing. Especially helpful are the differences of the loss factor absolute value of a voltage step with decreasing voltage and the value with the same voltage step with increasing voltage. For the first time it could be shown, advanced ageing processes of cable systems (moisture- and PD-induced ageing) become apparent through high loss factor differences over the entire range of the applied test voltage, while PD itself in less aged insulations notably does show up primarily through high differences only occurring at higher voltages. In a string examination, the effects of the ageing phenomena moisture ageing and reinforced PD-ageing (induced by drained mass) on the loss factor and its differences were systematically examined. It turned out in the course of these examinations that the loss factor differences are increased strongly particularly with moisture ageing opposite PD-ageing. A differentiation of the two phenomenons is thus possible. The 0,1 Hz-loss factor differences determined through measurement of PILC and their accessories (including transition joints to XLPE cables) are negative, particularly if the test samples were strongly stressed by PD in operation. A statement is possible about a prior PD stress subsequently, without really knowing the PD exposure/strain in operation. In the end a new diagnostic concept for medium voltage cable systems could be developed by taking into account the results won in the laboratory in specialized examinations on excavated cable samples from the network. The developed diagnostic concept could be successfully applied in on-site measurements with the cable test van to uncover critical cable routes.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-40334
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4053
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3756
Exam Date: 26-Mar-2013
Issue Date: 8-Aug-2013
Date Available: 8-Aug-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Asset-Management
Massekabel
Mittelspannungskabel
Zustandsdiagnose
Condition based maintenance
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