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EPruefer 8/2018

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Das Kundenmagazin der Megger GmbH Ausgabe 8/2018

Magazin für die

Magazin für die Energiewirtschaft – Neues aus der Mess- und Prüftechnik. Fortsetzung von Seite 1 Koopmann ist auf die Diagnose, Wartung und Instandhaltung von Einrichtungen der Energieversorgung spezialisiert. Dazu zählen auch Energiekabelnetze. Aus diesem Grund wurden wir von TenneT angesprochen, die Fehlersuche und Reparaturprozesse an unterseeischen Energiekabeln zu optimieren und zu beschleunigen. Das allerdings ist generell technisches Neuland. Selbst im Jahr fünf nach Verkündung der Energiewende 2011 gab es bis jetzt noch kein geeignetes Konzept auf dem Markt. Die Herausforderung Der auf See produzierte Windstrom wird als Drehstrom auf eine Konverterplattform von TenneT geleitet, dort in Gleichstrom umgewandelt und per HGÜ-Kabel weiter an Land transportiert. Das HGÜ-Kabel verläuft im Meeresboden, durch Schutzrohre unter dem Deich durch, um schließlich an Land als Erdkabel die entsprechende landseitige Konverterstation zu erreichen. Dadurch sind sie vergleichsweise lang und sehr stark kapazitiv aufgeladen. Eine kontrollierte Entladung der kapazitiven Energie an abgeschalteten Seekabeln benötigt daher größere Entladesysteme, zu groß für übliche Kabelmesswagen. Und schließlich: Eine auf den Zentimeter punktgenaue Nachortung unter Wasser ist nicht möglich. Daher kommt es hier auf eine besonders leistungsfähige Vorortung an, um das Seekabel an der richtigen Stelle für die Reparatur zu heben. Die Lösung Unser Vorschlag für TenneT war ein Hochsee-Container mit eingebauter Hochleistungstechnik zur bestmöglichen Kabelfehlervorortung auf dem neusten Stand der Technik. Unsere Überlegung: Ein Container könnte prinzipiell groß genug für alle benötigten HV-Generatoren und Entladesysteme sein. Er böte auch maximale Flexibilität, denn er könnte sowohl schwimmend, fahrend oder sogar fliegend transportiert werden. Auf einem Schiff verladen, könnte er an jede Stelle im Meer gebracht werden, also auch auf eine Offshore-Plattform auf hoher See. Im Notfall könnte er sogar mit einem Helikopter in kürzester Zeit zur Verfügung gestellt werden. Selbstverständlich könnte er bei Bedarf auch an Land mit einem LKW transportiert werden wie hier unten abgebildet. Nach den ersten Gesprächen über das Projekt „Offshore Prüfsystem“ kristallisierten sich folgende Fragestellungen heraus: Kann es überhaupt eine integrierte Komplettlösung in einem einzigen Container geben? Wo reichen kostensparende Standardlösungen der Kabelfehlerortung aus? Wo müssen spezielle Lösungen gefunden werden? Wie steht es um die Wirtschaftlichkeit? Wo bestehen technische Risiken? Wie steht es um die Sicherheit der Anwender? Über welche Funktionen muss der Container insgesamt verfügen, um TenneT bei der Fehlersuche alle denkbaren Optionen zur bieten? Nachdem alle diese Überlegungen und Fragestellungen auf ihre Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit geprüft wurden, standen schließlich die Zeichen auf Grün und es wurde ein Anforderungsprofil erstellt. Anforderung: Vororten Fehler an Seekabeln können sehr unterschiedlicher Natur sein: Es gibt Kurzschlüsse, Längsfehler, Parallelfehler, Erdfehler, Unterbrechungen oder Mantelfehler. In der Regel jedoch finden Fehler verborgen im Kabel statt und sind daher von außen nicht sichtbar. Alle auftretenden Fehlerarten können aber systematisch identifiziert und lokalisiert werden. Dazu sind jedoch verschiedene Systeme notwendig. Jede Vorortung erfolgt auf der Basis der Zeitbereichsreflektometrie, auch Time-Domain-Reflektometrie oder kurz TDR genannt. Ein TDR ist mit einem Radar vergleichbar: in das Kabel wird ein hochfrequenter Impuls gesendet. An Verbindungs- und Übergangsmuffen, dem Kabelende und Fehlstellen wird dieser reflektiert, läuft zum Ausgangspunkt zurück und wird im TDR ausgewertet. Soweit die Theorie. In der Praxis gibt es physikalische Grenzen und Messwerttoleranzen, die sich auf viele Hundert Meter auswirken. Der Grund: Die TDR-Impulse werden beim Durchlaufen des Kabels in ihrer Amplitude abgeschwächt. Durch die Tiefpasscharakteristik der Kabel verlieren sie schnell ihre hohen Frequenzanteile. Dadurch werden die reflektierten Signale in der Pulsbreite größer. Dieser Sachverhalt führt allgemein zu einer geringeren Genauigkeit bei der Fehlervorortung. Trotzdem muss man schon bei der Vorortung den Fehler möglichst genau eingrenzen, um das Kabel an der richtigen Stelle über Wasser zu heben. Sobald der richtige Kabelabschnitt an Bord des Schiffes gehoben wurde, ist er mit den herkömmlichen Methoden der Nachortung exakt bestimmbar. Weiterlesen auf der nächsten Seite Seite 2 EPrüfer | Magazin der Megger Gruppe

Magazin für die Energiewirtschaft – Neues aus der Mess- und Prüftechnik. Weit entfernte Fehler lokalisieren Bei sehr langen Kabeln werden die reflektierten Signale so sehr geschwächt, dass sie am TDR meist nur noch schwer zu erkennen sind. Als einziger Hersteller weltweit bietet Megger die Besonderheit einer längenabhängigen Verstärkungsregelung. Diese ProRange genannte Funktion ist seit vielen Jahren erfolgreich im Einsatz und hat sich in der Praxis bereits bewährt. Die gedämpften Signale werden durch das TDR entfernungsabhängig automatisch verstärkt und Kabelfehler mit der gleichen Größe und Präzision wie im Nahbereich anzeigt. Damit ist es möglich, Kabelfehler selbst in einer Entfernung weit über 1.000 km, erfolgreich zu lokalisieren. Das war mit ein entscheidender Grund, warum wir uns bei Koopmann für TDR-Geräte von diesem Hersteller entschieden haben. Hochspannungsbasierte Vorortungsverfahren Um Kabelfehler mit TDR-Messungen noch genauer zu lokalisieren, müssen diese einen ausreichend kleinen Fehlerwiderstand haben. Die physikalische Grenze liegt hier bei etwa bei 100 Ohm Fehlerwiderstand. Mit der Betriebsart „Stoßen“ wird ein Fehler auch über der 100-Ohm-Grenze direkt „sichtbar“ gemacht. Dabei wird ein Hochspannungsstoßimpuls in das Kabel geleitet. Auch hier konnte uns Megger wirkungsvoll unterstützen. Wertvolle Funktionen, wie die Lichtbogen Reflexionsmessung ARM, dem Hochspannungsverfahren zur Stromkopplung ICE und der Spannungsauskopplung DECAY filtern die so entstandenen TDR-Reflexionen nach unterschiedlichen Kriterien. Fehler in einer Entfernung bis zu 40 km können so sichtbar gemacht und lokalisiert werden. Die Lichtbogen Reflexionsmessung Bei den ARM-Methoden wird der Kabelfehler mit dem Hochspannungsstoßimpuls gezündet. Der so entstandene Lichtbogen an der Fehlerstelle wird nun mit passiven oder aktiven Hochspannungskopplern stabilisiert. Die Funktionen ARM-Multishot und ARM-Plus, ermöglichen sogar die Lokalisierung von Fehlern mit schlechten Zündeigenschaften. Die Stromkopplung Das Verfahren der Stromkopplung basiert auf den Oszillationen einer Stromwelle, die durch einen Hochspannungsimpuls des Stoßwellengenerators und einem Durchschlag am Kabelfehler erzeugt wird. Bei diesem bewährten Stromimpuls-Verfahren ICE, wie auch bei der Spannungsauskopplung im nachfolgend beschriebenen DECAY-Ausschwing-Verfahren, erfolgt das Einmessen der Fehlerstelle automatisch. Die Spannungsauskopplung Bei der DECAY-Messung handelt es sich um eine Spannungsauskopplung. Dabei wird das Kabel mit dem DC- Prüfgenerator so lange kapazitiv aufgeladen, bis der Fehler zündet. Diese Zündung erzeugt eine elektromagnetische Welle, die bis zum TDR zurückwandert und von diesem aufgezeichnet und ausgewertet wird. Das Teleflex von Megger arbeitet in beiden Verfahren auch als Transientenrecorder. Alle bisher genannten Messverfahren stoßen jedoch an physikalische Grenzen für die maximale Entfernung einer Fehlerlokalisierung. Denn für alle wird kurzzeitig ein Lichtbogen benötigt, der an der Fehlerstelle eine niederohmige Reflexionsstelle erzeugt. Sowohl bei den ARM-Verfahren, als auch den transienten ICE und Decay-Methoden durchlaufen die Messsignale mehrfach die Distanz zwischen Messgerät und Fehlerstelle. Da die Brenndauer des Lichtbogens allerdings sehr kurz ist, sind diese Messverfahren nur bis zu bestimmten Fehlerentfernungen erfolgreich einsetzbar. Um diese Grenzen zu überschreiten, bleibt uns als einzige Lösung der Weg zurück an die „Wurzeln“ der Fehlerortung – die Fehlerwandlung durch ein geeignetes Brennsystem. Brennen Mit der Betriebsart „Brennen“ wird ein Fehler im Unterschied zum Stoßen nicht sofort sichtbar gemacht, sondern er wird zunächst „gewandelt“. Dazu wird ein sehr hoher Strom in das Kabel geleitet. Der HVDC-Brenner, die sogenannte „Burn-Unit“, lädt dabei den Kabelfehler auf und zündet an der fehlerhaften Stelle einen Lichtbogen. Die Feuchtigkeit im Fehler verdampft und das Material der Kabelisolierung verkohlt durch den einwirkenden Leistungslichtbogen. Bei diesem Material handelt es sich meist um XLPE oder MIND imprägnierte Papier-Isolierungen. Das führt schließlich zu einem elektrisch leitenden Pfad im Durchschlagkanal, der nun als niederohmige Fehlstelle mit der TDR-Messung einfach lokalisierbar ist. Die wichtigste Anforderung an ein Brennsystem dieser Größenordnung ist eine sehr hohe Robustheit. Denn das System muss die intermittierenden Brennströme permanent speisen und die damit verbundenen Spannungstransienten dauerhaft verkraften können. Um diese enorm hohen Anforderungen zu erfüllen, waren umfangreiche Tests des Brennsystems notwendig. Die Zuverlässigkeit dieses neuartigen Brennsystems von Megger wurde in Versuchsaufbauten in einem Wasserbecken nachgewiesen. Der Lichtbogen im Wasser ist in der folgenden Abbildung gezeigt. Weiterlesen auf der nächsten Seite EPrüfer | Magazin der Megger Gruppe Seite 3

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