Altern im Zeitraffer: Feldversuch bei Papier-Massekabeln

21.12.2021 – In einem umfangreichen Feldversuch untersucht die Rheinische NETZGesellschaft (RNG) gemeinsam mit der RheinEnergie und der Hochschule Coburg das Alterungsverhalten von Papier-Massekabeln in der Mittelspannung.

Alterung ist ein komplexer Prozess und die Anzahl an Lebensjahren sagt noch nicht viel über den tatsächlichen Zustand aus. Das gilt auch für unterirdisch verlegte Mittelspannungskabel, deren Alterung jetzt im Fokus eines mehrjährigen Praxisversuchs steht. Dazu wurde in der Hauptverteilerstation Iddelsfeld im Kölner Stadtteil Dellbrück eine Versuchsanlage in Betrieb genommen, die nach Auskunft der Beteiligten derzeit in dieser Projekttiefe einmalig in Deutschland ist. Unter kontrollierten Bedingungen werden dort 32 alte und neue Mittelspannungskabel erhöhten Stromstärken und Wärmeeinträgen ausgesetzt. Diese künstlich herbeigeführte Beanspruchung führt zu einer beschleunigten Alterung der Kabel. Daraus lassen sich Erkenntnisse darüber gewinnen, wie die wertvollen Betriebsmittel unter realen Bedingungen altern.

Die unsichtbare Infrastruktur für Versorgungssicherheit

Bei den untersuchten Kabeln handelt es sich um Papier-Massekabel, deren Isolation aus ölgetränkten Cellulose-Papierbändern besteht, die in Schichten gegeneinander versetzt um den Leiter gewickelt werden. Solche Kabel wurden hierzulande seit rund 100 Jahren in der Mittelspannung verlegt und machen heute noch einen Großteil der Verteilnetze aus. Allein im Netz der RNG sind ca. 5.400 Kilometer verbaut, bundesweite Erhebungen gehen von mindestens 375.000 Kilometern aus. „Das sind enorme materielle Werte und die Bedeutung dieser Infrastruktur für die Versorgungssicherheit ist natürlich immens“, führt Prof. Dr.-Ing. Christian Weindl vom Institut für Hochspannungstechnik, Energiesystem- und Anlagendiagnose (IHEA) der Hochschule Coburg aus, der den Praxisversuch zusammen mit der RNG konzipiert hat und wissenschaftlich betreut.

Kabelalterung Versuchsanlage Koeln
In der Kölner Versuchsanlage werden Alterungsvorgänge von Papier-Massekabeln in den kommenden Jahren experimentell untersucht. Foto: RheinEnergie AG, Michael Bause

Das Problem: Einmal in der Erde verlegt, altern die Kabel oder, genauer gesagt: deren Isolation, unsichtbar. Abhängig etwa von der elektrischen Beanspruchung und den Umgebungsfaktoren geschieht das in sehr unterschiedlichem Tempo. Wie sich jedoch die verschiedenen Parameter genau auswirken und auf welche Weise beispielsweise die aktuellen Veränderungen in den Verteilnetzen die Alterung der Betriebsmittel beeinflussen, weiß derzeit niemand genau. Differenzierte Kenngrößen dazu gibt es bislang nicht und die statistischen Richtwerte zur Lebensdauer können dem Netzbetreiber lediglich Planungsgrundlagen für eine zeitbasierte Wartung und Instandhaltung liefern. Diese ist nur begrenzt treffsicher und verursacht daher zwangsläufig unnötige Kosten. Versagt beispielsweise ein Betriebsmittel vor seinem statistisch erwartbaren Ende, stehen kurzfristig aufwändige Entstörungen und ungeplante Baumaßnahmen zur Erneuerung an. Ebenso unwirtschaftlich ist der umgekehrte Fall, wenn der Netzbetreiber ein voll funktionsfähiges Kabel allein aufgrund seines Alters austauscht und damit wertvolle Restnutzungszeit verliert. „Wir wüssten natürlich am liebsten das Datum und die Uhrzeit, wann die Kabel in Störung gehen“, scherzt daher Dr.-Ing. Ulrich Groß, technischer Geschäftsführer der RNG, beim Eröffnungstermin der Versuchsanlage.

Mittelspannungskabel thermische elektrische Belastungen
Insgesamt 32 MS-Kabel unterschiedlichen Alters werden in der Anlage kontrolliert extremen thermischen und elektrischen Belastungen ausgesetzt. Fotos: IHEA, Hochschule Coburg/50,2 Magazin für intelligente Stromnetze, Petra Quenel

Evidenzbasiertes Wissen zum Alterungsverhalten

Ganz so weit werden die Erkenntnisse aus dem Feldversuch wohl nicht reichen, doch deutlich belastbarere Aussagen zur Restlebensdauer von Papier-Massekabeln verspricht das Testprojekt definitiv: „Auf der Basis der hierbei gewonnenen Alterungs- und Ausfalldaten können wir das Alterungsverhalten und die Lebensdauercharakteristik der untersuchten Mittelspannungskabel in deutlich verbesserter Weise beschreiben und modellieren“, ist Prof. Weindl überzeugt. Aus 25 Diagnoseparametern, die im Feldversuch überprüft und gewichtet werden, wollen die Coburger Forschenden zunächst exaktere Modelle für das Alterungsverhalten von MS-Kabeln entwickeln und im Ergebnis einen spezifischen Alterungsfaktor ermitteln, der sich dann auch auf andere noch in Betrieb befindliche Kabel übertragen lässt. Das Ziel sind zustandsabhängige Prognosen, wann bestimmte Kabel erneuert oder zumindest überprüft werden sollten.

Diese Ergebnisse sollen unmittelbar in das Asset-Management der Rheinischen NETZGesellschaft einfließen. „Damit ist es uns möglich, Kabel zustandsorientiert und zielgerichtet auszuwechseln, um so unter anderem auch die Anzahl der Baustellen im öffentlichen Raum zu reduzieren“, erläutert RNG-Technikchef Groß.

Beschleunigte Alterung durch hohe thermische und elektrische Belastungen

Die Grundlagen hierfür werden in der Kölner Versuchsanlage geschaffen, die seit 2018 am Institut von Prof. Weindl in enger Zusammenarbeit mit der RNG geplant, entwickelt und sukzessive in Köln aufgebaut wurde. Zumindest bis 2023 sollen dort die ebenfalls in Coburg entwickelten Testszenarien laufen, bei denen die Kabel einer beschleunigten Alterung unterzogen werden. Dazu werden sie in definierten Intervallen hohen thermischen und elektrischen Belastungen ausgesetzt, um sowohl Lastgänge als auch Spannungsprofile realitätsnah nachzubilden. Anschließend messen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Effekte. Um möglichst unterschiedliche Betriebsmittel adäquat bewerten zu können, werden die Tests sowohl an neuen als auch an verschiedenen vorgealterten Mittelspannungskabeln durchgeführt, die zum Teil über 50 Jahre in und um Köln in der Erde lagen. „Es ist ein Unterschied, ob ein Kabel jahrzehntelang in einem Wohngebiet lag – oder neben einem Stahlwerk“, erklärt Ann-Catrin Uhr-Müller, die am IHEA über das Projekt ihre Doktorarbeit schreibt. Die Datenübertragung und die Steuerung der Anlage erfolgen remote via Internet, fällt ein Kabel aus, werden die Coburger automatisch per E-Mail informiert.

Parallel entwerfen die Forschenden ein Datenbanksystem, entwickeln und evaluieren Bewertungsansätze für die Versuchsergebnisse, untersuchen Datenkorrelationen und erarbeiten Modelle, die letzten Endes die Ermittlung des Alterungsfaktors ermöglichen sollen.

Kabellager Mittelspannungskabel RheinEnergie
Im Kabellager der Anlage werden Mittelspannungskabel aus dem realen Betrieb für den weiteren Einsatz vorgehalten. Foto: RheinEnergie AG, Michael Bause

Blick in die Versuchsanlage

Der Aufbau der etwa 160 Quadratmeter großen Versuchsanlage in einer ebenerdigen Halle der Kölner HV-Station benötigte knapp vier Monate. Ann-Catrin Uhr-Müller war die ganze Zeit mit vor Ort. „Das war schon ziemlich aufwändig“, erinnert sie sich bei der Eröffnung. Doch das Ergebnis ist eindrucksvoll: Die „Prüflinge“, 32 Mittelspannungskabel, liegen in einer riesigen weißen, thermisch isolierten Wanne, die mit einer Zusatzheizung und Sensoren ausgestattet ist. An den Wänden verlaufen die Rohre eines automatisch steuerbaren Kühlsystems. Mit dieser Kombination lassen sich in der Versuchsanlage Temperaturprofile zwischen 10 Grad, also: Bodentemperatur, und 85 Grad erzeugen. „Damit können wir unterschiedliche Alltagslasten sehr differenziert simulieren und theoretisch natürlich auch prüfen, wie sich beispielsweise der Anschluss mehrerer Ladepunkte auf die Lebensdauer eines vierzig Jahre alten Kabels aus einem Wohngebiet auswirken würde“, erläutert die IHEA-Wissenschaftlerin.

Feldversuch Versuchsanlage Koeln
Offizieller Start für den Feldversuch: Achim Biergans, Leiter Technischer Netzservice der RheinEnergie; Susanne Fabry, Netzvorständin der RheinEnergie; Prof. Dr. Christian Weindl, Leiter des IHEA an der Hochschule Coburg; Dr.-Ing. Ulrich Groß, technischer Geschäftsführer der Rheinischen NETZGesellschaft (v.l.n.r.) nehmen die Versuchsanlage in Betrieb. Foto: 50,2 Magazin für intelligente Stromnetze, Petra Quenel

Am hinteren Ende der Versuchsanlage ist ein Hochleistungsgleichrichter zur Einprägung des thermischen Alterungsstroms installiert, zwei kaskadierte Transformatoren erzeugen hohe, potentialgetrennte Ströme. „Wir können in der Anlage hohe Spannungen bis ca. 30 kV und hohe Ströme bis ca. 500 A erzeugen“, erläutert Ann-Catrin Uhr-Müller. Eine weitere Besonderheit ist ein speziell entwickeltes Mittelspannungsschaltsystem, mit dem automatisch zwischen 50 Hz- und 0,1 Hz-Prüfspannungsquellen umgeschaltet werden kann. Auch der Überwachungsbereich mit Steuerungs-PC, Kontrollpult und Internetanbindung befindet sich, gut gesichert, in einem abgetrennten Bereich hinter der Anlage.

Zur Erfassung der unterschiedlichen Mess- und Kenngrößen entwickelten die Coburger ein eigenes Messgerät – äußerlich ein unauffälliger grauer Kasten, der die Daten der einzelnen Prüflinge separat und mit besonders hoher Genauigkeit abnimmt und in Echtzeit auf Ann-Catrin Uhr-Müllers Rechner in der Hochschule überträgt. Sollte ein Kabel ausfallen, haben die Techniker der Rhein­Energie und der RNG für Ersatz gesorgt: Mehrere Dutzend geeigneter Mittel­spannungs-Massekabel wurden in den vergangenen Jahren aus dem Boden geholt und lagern nun neben der Versuchsanlage.

Auch Susanne Fabry, Netzvorständin der RheinEnergie, lobt die gemeinsamen Anstrengungen der Projektbeteiligten und betont die Bedeutung des Forschungsvorhabens: „Dieses Projekt wird wertvolle Erkenntnisse über den Zustand der Stromnetze liefern und damit einen Teil zur hohen Versorgungssicherheit in unserem Netzgebiet beitragen“, sagt sie bei der Eröffnung. Auf die Ergebnisse dürfen wir gespannt sein. (pq)

Rheinische NETZGesellschaft mbH
Bernd Tepaße
b.tepasse@rng.de
www.rng.de

Hochschule für Angewandte Wissenschaften Coburg, IHEA
Ann-Catrin Uhr-Müller, ann-catrin.uhr-mueller@hs-coburg.de
Prof. Dr. Christian Weindl, christian.weindl@hs-coburg.de
www.hs-coburg.de

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