DE19515067C1 - Anordnung zum Nachweis von Teilentladungen an Verbindungsstellen von Hochspannungskabeln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Nachweis von Teilentladungen (TE) an Verbindungsstellen von Hochspannungskabeln nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere bei der Übertragung großer Leistungen in dicht bebauten Gebieten ist es unabdingbar, hohe Übertragungsspannungen, z. B. 380 kV zu verwenden, wobei die eingesetzten Kabelstrecken mit polymerer Isolierung eine maximale Betriebssicherheit aufweisen müssen. TE-Messungen werden zur Bestimmung des Zustandes der Isolation von hochspannungstechnischen Einrichtungen, so z. B. bei Hochspannungskabeln verwendet. Während die Prüfung des Kabels bereits im Herstellerwerk mittels geeigneter Methoden und Meßeinrichtungen erfolgt, bei deren Auswertung dann das fehlerhafte Stück aus der Gesamtlänge herausgeschnitten wird, besteht die Aufgabe vor Ort darin, Montagefehler die bei der Verbindung der Kabel nicht immer vermeidbar sind, durch TE-Messung aufzudecken. Bei der Anwendung der TE-Meßmethode vor Ort ergeben sich große Schwierigkeiten durch die Anforderungen, einerseits kleinste Ladungsmengen der TE-Impulse nachweisen zu müssen, was eine große Meßempfindlichkeit der Anordnung voraussetzt, und andererseits aber auch alle extern auftretenden Störspannungen dem Meß- und Bewertungsvorgang fernzuhalten, wodurch eher eine geringere Empfindlichkeit anzustreben wäre. Es wurde in Betracht gezogen, TE-Prüfungen vor Ort zur Aufdeckung von Montagefehlern mittels "after laying tests" analog zu der beim Hersteller praktizierten TE-Prüfungen durchzuführen. Das Problem besteht jedoch in der ökonomischen Bereitstellung der betriebsfrequenten Prüfspannung aufgrund des erheblichen Leistungsbedarfes. Bei der Benutzung der systemeigenen Transformatoren ist die Realisierung einer ausreichend hohen Meßempfindlichkeit problematisch, da die Auskopplung der TE-Signale üblicherweise über Koppelkondensatoren an den Kabelenden erfolgt. Nachteilig ist, daß eine starke Dämpfung der TE-Signale längs des Kabels zu verzeichnen ist, dessen Länge ja durchaus im km-Bereich liegen kann. Dazu kommt der bereits erwähnte Umstand, daß z. B. durch Schalthandlungen im Energienetz sowie durch Kommunikations- und Nachrichtensysteme eine große Störbeeinflussung gegeben ist.

Dieser Umstand führte dazu, die TE ortsselektiv zu erfassen, indem jede Kabelgarnitur mit einer TE-Koppeleinrichtung versehen wurde, in der kapazitive oder auch induktive Sensoren verwendet werden.

Es sind in Katsuta G., et al., "Development of a New Detection Method of Partial Discharge for EHV Long Distanve Active Cable Line", T. IEE in Japan, Vol. 112B, pp. 77-91, 1992 und Katsuta G., et. al. "Development of a method of partial discharge detection in extra-high voltage cross-linked polyethylene insulated cable lines", IEE Trans. on Power Delivery, Vol. 7 pp. 1068-1075, 1992, Methoden zur Messung von TE in 275 kV-EMJ- oder PFJ-Kabeln bekannt, bei denen ein Metallfolien-Elektrodensystem und ein solches mit einer internen Abschirmelektrode verwendet wird.

In der CIGRE Session, Paris (1994) paper 21-103, M. Ogino, M. Ichihara, A. Fujmori, "Recent developments in Japan of insulation diagnostic technology for extra-high voltage XLPE cable lines", ist ein Abriß der Entwicklung der Isolationsdiagnostik von Hochspannungs-XLPE-Kabeltrassen in Japan dargestellt.

Bei allen bekannten Lösungen ist von Nachteil, daß die Erzielung einer ausreichenden Meßempfindlichkeit, bei Auskopplung der TE Signale in üblicher Weise über Koppelkondensatoren an den Kabelenden, nicht möglich ist, da wie bereits ausgeführt, die Dämpfung längs des Kabel zu hoch ist. Dieser Nachteil kann teilweise umgangen werden, wenn jede Kabelgarnitur mit einer TE-Koppeleinrichtung ausgestaltet wird, so daß montagebedingte TE-Fehlstellen ortsselektiv detektiert werden können. Bei sehr großen Abständen, d. h. großen Dämpfungen zu möglichen Störspannungseinkopplungen, sowie gut abgeschirmten Kabeln, z. B. Well-Mantelkabeln, genügen einfache kapazitive oder induktive Sensoren. Sind jedoch Auskreuzungen vorhanden oder werden Störungen, z. B. durch Endverschlüsse in kurzen Abständen gespeist, so können einfache Sensorverfahren nicht zwischen Störimpulsen und TE aus dem Garniturbereich unterscheiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Nachweis von TE an Ver­ bindungsstellen von Hochspannungskabeln zu schaffen, die eine sichere Unterscheidung von Störimpulsen und TE-Signalen geringer Intensität zuläßt. Dabei soll die Anordnung ökonomisch sein und die Sicherheit im Betrieb und insbesondere auch bei Überspannungen gewährleisten und durch Zusammenschaltung mit weiteren Anordnungen die genaue Bestimmung des Ortes der TE ermöglicht werden.

Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Damit ist es möglich, mit einem Breitband-Wellenübertrager und seine besondere Anschaltung eine bessere Fehlerortung von TE bezüglich ihrer Richtung und Stärke vorzunehmen.

Zur weiteren Erhöhung der Aussagekraft der empfangenen TE ist es vorteilhaft, die Muffe für die Verbindung der Hochspannungskabel am Eingang und am Ausgang mit je einem Breitband-Wellenübertrager zu bestücken, die jeweils so geschaltet sind, daß eventuell in der Muffe entstehende TE im Breitband-Wellenübertrager durch gleichphasig auftretende Impulse nachgewiesen werden können. Dadurch ist eine Zuordnung der TE z. B. zur Muffe oder zum jeweiligen Kabelstrang möglich.

Der Querschnitt des Primärleiters des Breitband-Wellenübertragers, der in der Regel aus dem Mantel eines Koaxialkabels besteht, ist so bemessen, daß er auch die im Fehlerfall auftretenden hohen Ströme längs des Kabelmantels übernehmen kann.

Im Hinblick auf eine möglichst symmetrische Signalübertragung beider Kanäle, die für eine hochfrequente breitbandige und damit wirkungsvolle Impuls-Richtungsdiskrimination und damit auch eine hohe Störfestigkeit wesentlich ist, muß eine vergleichsweise kleine wirksame Impedanz des Primärleiters des Breitband-Wellenübertragers angestrebt werden. Andererseits kann mit einer Vergrößerung dieser Impedanz auch die TE-Nachweisgrenze auf Kosten des Nutz-Störsignal-Verhältnisses erhöht werden.

Als technisch optimale Ausführung für den Breitband-Wellenübertrager bietet sich entsprechend der gewählten Dimensionierung ein gestrecktes bis gebogenes Koaxialkabelstück an, wobei der Mantel als Primärleiter und die Seele als Sekundärleiter dient.

Zur Vergößerung der Stromtragfähigkeit und/oder zur Anpassung der Impedanz ist es vorteilhaft, zwei oder mehrere Breitband-Wellenübertrager auf dem Umfang des Kabels bzw. der Muffe symmetrisch anzuordnen. Dabei wird deren Anschaltung so vorgenommen, daß die TE-Impulse an den Ausgängen gleichphasig anliegen, wobei letztere parallelgeschaltet sind.

Mit dieser Anordnung ist es nunmehr möglich, eine wesentlich genauere Bestimmung des Zustandes der Isolationsfähigkeit, z. B. nach der Montage einer Hochspannungskabelmuffe oder beim Betrieb durchzuführen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Zeichnung näher erläutert werden.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Schaltschema für Breitband-Wellenübertrager,

Fig. 2 Anordnungsprinzip für TE-Auskopplung,

Fig. 3/4 Impulsdiagramme für TE-Impulse.

In der Fig. 1 ist das Anschaltschema eines Breitband-Wellenübertragers in Verbindung mit einem Hochspannungskabel und einer Muffe gezeigt. Dieser Übertrager besteht aus einem, hier gestreckt gezeichneten Koaxialkabelstück 1, dessen Mantel einen Primärleiter 2 und dessen Seele einen Sekundärleiter 3 bildet. Der Primärleiter 2 stellt die stromführende Verbindung zwischen einem Außenleiter 4 am Ende des nicht dargestellten Hochspannungskabels und einer leitfähigen Abschirmung 5, der ebenfalls nicht dargestellten Muffe her. Von Bedeutung ist, daß das eine Ende des Sekundärleiters 3 an den Außenleiter 4 zurückgeführt und mit diesem galvanisch verbunden, das "kalte" Ende zum Anschluß für den neutralen Leiter des Zuleitungskabels 6 bildet, der zu einer in der Fig. 1 nicht gezeigten Auswerteeinheit führt. Das Zuleitungskabel 6 für diese ist ebenfalls wieder koaxial ausgeführt und es wurde eine bestimmte Impedanz gewählt. Diese hängt einerseits von den örtlichen Gegebenheiten und andererseits von der geforderten Empfindlichkeit ab. Die Seele 7 des Zuleitungskabels 6 ist mit dem anderen Ende des Sekundärleiters 3 verbunden. Die Auskopplung der TE-Impulse erfolgt nahezu originalgetreu, wenn die geometrische Länge vergleichbar mit der elektrischen Länge des TE-Impulses ist, die durch die Impulsdauer und die Wellengeschwindigkeit im Kabel bzw. der Muffe definiert ist. Wird beispielsweise eine Kabelmuffe mit einem Breitband-Wel­ lensensor zusammengeschaltet, wobei die geometrische Länge der Muffe z. B. 2 m beträgt dann könnten bei Annahme einer Wellengeschwindigkeit von 16 cm/ns TE-Impulse mit einer Dauer von < 10 ns hahezu originalgetreu nachgewiesen werden. Diese Bedingung ist für reale Impulse, die in Hohlräumen von Feststoffisolierungen zünden, stets erfüllt.

Eine solche Anordnung ist als Prinzip in der Fig. 2 dargestellt. Hierbei sind rechts und links auf der Zeichnung die beiden Enden zweier Teilstücke 8; 9 eines Hochspannungskabels und in der Mittel eine verbindende Muffe 10 schematisch gezeigt. Ein Hochspannung führender Leiter 11 ist im Inneren gestrichelt dargestellt, der im Bereich der Teilstücke 8; 9 von den Außenleitern 4 allseitig umgeben wird. Die Isolation ist nicht gezeigt. Die Abschirmung 5 der Muffe 10 ist über je einem Breitband-Wellenübertrager 12; 13 mit dem jeweiligen Außenleiter 4 der Teilstücke 8; 9 verbunden, wobei auch mehrere Breitband-Wel­ lenübertrager symmetrisch angeordnet werden können. Diese erfüllen neben der Erfassung der TE-Impulse im Nanosekunden-Zeitbereich gleichzeitig die Funktion des Überspannungsschutzes, z. B. bei möglichen Schaltüberspannungen. Zur Bewertung der TE werden diese von den Breitband-Wellenübertragern 12; 13 einer Auswerteeinheit 14 zugeführt, in der zunächst eine Impuls-Richtungsdiskrimination erfolgt und nach verschiedenen Umwandlungs- und Bewertungsprozessen eine genaue Aussage über Ort und Stärke der TE möglich ist.

In der Fig. 3 sind die über solche Breitband-Wellenübertrager erfaßten und ausgekoppelten Original-TE-Impulse mittels eines Hochleistungsoszilloskopes als Kurvenzüge festgehalten. Der Kurvenverlauf A entspricht dem Ausgangssignal am Breitband-Wellenübertrager 12, der Kurvenverlauf B dem am Breitband-Wellenübertrager 13. Es sind zwei überragende Impulsspitzen gleicher Polarität erkennbar, deren Beginn in Beziehung auf eine gemeinsame Zeitachse X eine Differenz aufweist. Durch Auswertung dieser Zeitdifferenz und Bezug auf eine Achse Y ist die genaue Stelle der TE innerhalb der Muffe bestimmbar.

Demgegenüber ist in Fig. 4 ersichtlich, daß bei vorher beschriebener entsprechender An­ schaltung der Breitband-Wellenübertrager die Polaritäten der TE unterschiedlich sind, also die Entladungsstelle nicht im Muffenbereich, sondern in dem entsprechenden Teilstück des Hochspannungskabels liegt.

Claims (6)

1. Hochspannungskabeln, die Verbindungselemente besitzen, z. B. Endverschlüsse und Muffen (10), mit denen Hochspannungskabel bzw. Teilstücke davon, untereinander und/oder mit hochspannungstechnischen Einrichtungen verbunden sind, wobei das Verbindungselement eine eigene, den Innenleiter und seine Isolation hohlzylinderförmig umschließende leitfähige Abschirmung (5) besitzt, die mit dem Außenleiter (4) des Hochspannungskabels kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Abschirmung (5) und der Außenleiter (4) über den Primärleiter (2) eines oder mehrerer Breitband-Wellenübertrager (12; 13) galvanisch verbunden sind,
• b) der Sekundärleiter (3) des Breitband-Wellenübertragers (12; 13) über ein Zuleitungskabel (6) mit einer Auswerteeinheit (14) in Verbindung steht, die einen Impulsrichtungsdiskriminator beinhaltet,
• c) die Leiterbahnen von Primärleiter (2) und Sekundärleiter (3) zumindest annähernd parallel geführt sind und ihre geometrische Länge in Abhängigkeit von der elektrischen Länge des TE Impulses dimensioniert ist,
• d) die Leiterbahn des Primärleiters (2) mit ihrem einen Ende am Außenleiter (4) und mit ihrem anderen Ende an der Abschirmung (5) galvanisch kontaktiert ist,
• e) die Leiterbahn des Sekundärleiters (3) mit dem Ende, das dem mit der Abschirmung (5) verbundenen Ende des Primärleiters (2) gegenüberliegt, an den gemeinsamen Verbindungspunkt von Außenleiter (4), Primärleiter (2) und Koaxialleiter des Zuleitungskabels (6) angeschlossen ist, während das andere Ende des Sekundärleiters (3), das dem gemeinsamen Verbindungspunkt von Außenleiter (4), Primärleiter (2) und Koaxialleiter des Zuleitungskabels (6) gegenüberliegt, mit der Seele (7) des Zuleitungskabels (6) verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Muffe (10), die beide Teilstücke (8; 9) des Hochspannungskabels miteinander verbindet, an beiden Längsseiten mit je einem Breitband-Wellenübertrager (12; 13) auf ihrer Abschirmung (5) bestückt ist, die in Bezug zu einem in der Muffe (10) entstehenden möglichen TE-Impuls gleichphasig geschaltet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Primärleiters (2) so groß bemessen ist, daß im betriebsfrequenten Bereich eine quasi-widerstandslose Verbindung hoher Stromtragfähigkeit zwischen den Außenleitern (4) über die Abschirmung (5) der Muffe besteht.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Impedanz des Primärleiters (2) der Breitband-Wellenübertrager (12; 13) im Verhaltnis zur Wellenimpedanz der Muffe (10) bzw. der Impedanz des Zuleitungskabels (6) zur Auswerteeinheit (14) klein ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Breitband-Wellenübertrager (12; 13) durch ein gestrecktes oder gebogenes Koaxialkabelstück (1) gebildet ist, dessen Mantel den Primärleiter (2) und dessen Seele den Sekundärleiter (3) bildet.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Verbindungsstelle zwei oder mehr Breitband-Wellenübertrager (12; 13) derart angeordnet sind, daß sie auf dem Umfang der Muffe (10) bzw. des Hochspannungskabels (8; 9) symmetrisch liegen, ihre Anschaltung untereinander identisch ist, so daß das TE-Signal am jeweiligen Ausgang gleichphasig anliegt und ihre Ausgänge parallel geschaltet sind.