Winzige Schäden in der Isolierung von VPE-Kabeln durch die Wasser ins Innere dringt („Water-Trees”), sind ein typisches Verschleißmerkmal unterirdischer Kabel.

Kabelzustände ermitteln

Im Netzgebiet der N-ERGIE wird mit einem eigens entwickelten Messwagen die Restlebensdauer von Stromkabeln bestimmt.

Direkt am Umspannwerk oder an der Trafostation kann mit dem neuen Messfahrzeug eine Kabeldiagnose durchgeführt werden.
Direkt am Umspannwerk oder an der Trafostation kann mit dem neuen Messfahrzeug eine Kabeldiagnose durchgeführt werden.

Wann hat ein Stromkabel seine maximale Lebensdauer erreicht und muss ausgetauscht werden? Diese Frage ist für Netzbetreiber bedeutsam. Denn idealerweise wird ein Kabel genau dann ausgetauscht, wenn sein Lebensende kurz bevorsteht. Ein Team unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Weindl forscht bereits seit einiger Zeit an Methoden, um den Zustand und die Restlebensdauer von Mittelspannungskabeln bestimmen zu können. Zunächst an der Friedrich- Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg angesiedelt, ging das Forschungsprojekt nach dem Wechsel Weindls an die Hochschule für angewandte Wissenschaft Coburg an die dortige Fakultät für Elektro- und Informationstechnik über. Das Forschungsteam ist im Auftrag der N-ERGIE Aktiengesellschaft und im Rahmen einer Kooperation zwischen der N-ERGIE und dem Energie Campus Nürnberg tätig. Es untersucht insbesondere sogenannte Papier-Massekabel, also Kabel, die mit öl- bzw. massegetränkten Papierschichten isoliert sind. Diese Kabel werden heute im Netzgebiet der N-ERGIE nicht mehr verlegt. Innerorts bilden sie allerdings nach wie vor die Basis des Mittelspannungssystems. Im Nürnberger Stadtgebiet beträgt ihr Anteil etwa 50 Prozent.

In einem vorgelagerten Langzeitversuch untersuchte das Forschungsteam die Kabelalterung bereits erfolgreich unter Laborbedingungen. Dabei ließ es Mittelspannungskabel in einem beschleunigten Prozess künstlich altern, um Parameter ableiten zu können, die auf das baldige Lebensende eines Kabels hindeuten. Auf dem Weg zur exakten Diagnose wurde nun gemeinsam mit der Firma BAUR Prüf- und Messtechnik ein Kabelmesswagenentwickelt, den Mitarbeiter der N-ERGIE derzeit für erste Untersuchungen im Netzgebiet nutzen. Wesentliche Komponenten in dem für das Projekt speziell konfigurierten Messwagen sind die durch das Team von Dr. Weindl entwickelte 50 Hz Spannungsquelle, der Spannungsteiler, der Messwertaufnehmer sowie das Gerät viola TD der Firma Baur . Dieses Gerät kann unter anderem den sogenannten Verlustfaktor messen. Die Messung liefert Informationen über den Zustand der Isolation der gesamten Kabelstrecke.

Die Verlustfaktormessung

Winzige Schäden in der Isolierung von VPE-Kabeln durch die Wasser ins Innere dringt („Water-Trees”), sind ein typisches Verschleißmerkmal unterirdischer Kabel.
Winzige Schäden in der Isolierung von VPE-Kabeln durch die Wasser ins Innere dringt („Water-Trees”), sind ein typisches Verschleißmerkmal unterirdischer Kabel.

Bei der Verlustfaktormessung – auch tan-delta-Messung genannt – handelt es sich um ein integrales Verfahren zur Kabeldiagnose, bei dem nicht einzelne Defekte, sondern die allgemeine Unversehrtheit der Isolierung des Kabelsystems geprüft wird. Die Messung ist zerstörungsfrei: Sie kann mit kleineren Spannungen als der Prüfspannung durchgeführt werden und liefert mehr Informationen über den Zustand der Kabelstrecke als eine Kabelprüfung. Mit dem Diagnosefahrzeug führen Mitarbeiter der N-ERGIE ihre Untersuchungen direkt an einem Umspannwerk oder an einer Trafostation durch und bewerten anhand der Messungen jeweils die gesamte gemessene Kabelstrecke – einschließlich der verbauten Muffen und Endverschlüsse, die bekanntermaßen Schwachstellen für Schäden oder Verschleißerscheinungen darstellen. Die Verlustfaktormessung hat sich neben der Teilentladungsmessung (TE-Messung) als besonders aussagekräftiges Kabeldiagnoseverfahren erwiesen. Es ist bei kunststoff- isolierten Kabeln, Papiermasse-Kabeln sowie bei gemischt bestückten Strecken anwendbar. Voraussetzung für die zuverlässige Interpretation der Messergebnisse ist, dass der Aufbau der Kabelstrecke – sprich: das jeweilige Isolationsmaterial, die Art der Muffen und der Kabelendverschlüsse – bekannt ist.

Die Verlustfaktormessung wird mit dem Baur -Gerät viola TD bei 0,1 Hz und parallel zu Untersuchungszwecken bei 50 Hz durchgeführt und besteht typischerweise aus mehreren Messzyklen: In der Regel werden zwischen 6 und 10 Messungen bei 0,5 x U₀, 1,0 x U₀, 1,5 x U₀ und 2 x U₀ durchgeführt. Folgende Informationen lassen sich ableiten:

1. Der tan-delta-Mittelwert (MTD) der Messungen bei den einzelnen Spannungsstufen liefert Hinweise auf sogenannte Water-Trees, also durch Wasser geschädigte Stellen in Kabelisolierungen aus vernetztem Polyethylen (VPE). Diese Water-Trees können zu Electrical-Trees werden, an denen Teilentladungen und Durchschläge auftreten. Zugleich gibt der Mittelwert Auskunft über das thermische oder chemische Alterungsverhalten der Kabelstrecke.

2. Die tan-delta-Standardabweichung (STD) der Messungen bei den einzelnen Spannungsstufen kann genutzt werden, um Indizien auf Teilentladungen (TE) zu sammeln oder zum Beispiel feuchte Muffen zu erkennen.

3. Die Differenz des Mittelwertes (DTD) bei den verschiedenen Spannungsstufen ist hilfreich, um Water-Trees in kunststoffisolierten Kabeln, Teilentladungen und Vaporisationseffekte (zum Beispiel an Endverschlüssen) zu erkennen.

4. Weiterhin lässt sich mit der Verlustfaktormessung eine unzureichende Isolierung von Papiermassekabeln aufgrund von eingedrungenem Wasser erkennen. Die Aussagekraft der tan-delta-Messung ist von der Messgenauigkeit und Auflösung abhängig. Um zum Beispiel den Anstieg des Verlustfaktors bei der Messung an einem kunststoffisolierten Kabel zu erkennen, ist eine Messgenauigkeit von etwa 1*10E-⁴ erforderlich.

Ein mobiles Gerät von BAUR wird bei der mobilen Kabeldiagnose für die Verlustfaktormessung genutzt.
Ein mobiles Gerät von BAUR wird bei der mobilen Kabeldiagnose für die Verlustfaktormessung genutzt.

Bis 2018 will man im Versorgungsgebiet rund 250 Kabelstrecken im Mittelspannungsnetz analysieren. Besonderes Interesse gilt dabei den zahlreichen Mischkabelstrecken, also Kabelstrecken, die in Teilen aus Papier-Massekabeln sowie in Teilen aus neueren VPE-Kabeln bestehen. „Die Feldmessungen laufen sehr gut an. Das hochgenaue Messsystem, das wir entwickelt haben, bewährt sich im praktischen Einsatz. Die Ergebnisse liegen in einem Bereich, der die Erkenntnisse unseres Laborversuchs bestätigt“, sagt Prof. Dr. Weindl.

Die Resultate der Messungen ergänzen die bereits bestehende Datenbank, die mit ihrer großen Anzahl an Vergleichswerten den Entscheidungsprozess für einen möglichen Austausch maßgeblich unterstützen wird. „Die Feldmessungen, die wir derzeit vornehmen, sind ein weiterer Schritt hin zu einem Datenbanksystem, das uns zukünftig die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls besser abschätzen lässt“, sagt Stefan Link, der bei der Main-Donau Netzgesellschaft, einem Tochterunternehmen der N-ERGIE, für das Netzmanagement in der Region Nürnberg zuständig ist. „Unser Ziel ist eine zustandsorientierte Instandhaltungsstrategie, die nicht nur die Wirtschaftlichkeit, sondern auch die Versorgungssicherheit weiter erhöht.“

Kontakt: Main-Donau Netzgesellschaft, Stefan Link, 90338 Nürnberg, Tel. +49 911 802-17182, stefan.link@main-donau-netz.de

BAUR Prüf- und Messtechnik GmbH, www.baur-germany.de

Bilder: BAUR Prüf- und Messtechnik GmbH;  N-ERGIE Aktiengesellschaft