Beitragstitel (16 pt fett) - SebaKMT

Einfluss der Prüfspannungsform auf das TE-Verhalten typischer
Fehlstellen in Mittelspannungsgarnituren
Influence of the test voltage wave shape on the PD characteristics of
typical defects in medium-voltage
MSc. Hein Putter, MSc. Daniel Götz, Dr.-Ing Frank Petzold, Dipl.-Ing. (FH) Marco Stephan SEBAKMT / Megger,
Baunach, Germany, putter.h@sebakmt.com
Kurzfassung
Konstruktionsbedingt sind in Kabelgarnituren diverse Grenzflächen vorhanden, welche je nach Garniturentyp bei vereinzelnd
auftretenden Montagefehlern unterschiedliche Risiken auf die Betriebssicherheit verursachen. Mögliche defekte
in Kabelgarnituren, aufgrund von Fehlmontagen und Betriebsalterung, bilden die dominierende Schwachstelle in Kabelsystemen.
Sehr häufig werden die Ausfälle der Schwachstellen durch Teilentladungen in Hohlräumen oder an Grenzflächen
verursacht. Internationale Statistiken zeigen, dass Betriebsstörungen bei Papier-Massekabeln zu ca. 80% und
bei VPE-Kabeln der 2. Generation größer 90% durch Teilentladungsfehlstellen in Garnituren verursacht werden.
In den letzten 10 bis 15 Jahren etablierten sich verschiedene Prüf- und Diagnosespannungsformen, welche auch zur Teilentladungsdiagnose
verwendet werden. Diese Prüfspannungen variieren in Prüffrequenz und damit im Spannungsgradienten
dU/dt, sowie in der eigentlichen Kurvenform. Für Mittelspannungskabel sind die 0,1 Hz VLF Sinus, 0,1 Hz
VLF CR (Cosinus Rechteck) und gedämpfte Wechselspannung (DAC) erprobte und akzeptierte Spannungsformen. Für
die Prüfung von Hochspannungskabeln wird heute maßgeblich kontinuierliche Wechselspannung (Resonanztechnik)
benutzt.
Der Beitrag beschreibt das zum Teil sehr unterschiedliche Teilentladungsverhalten von typischen Defekten in Mittelspannungsgarnituren
bei den unterschiedlichen Prüfspannungsformen. Dabei werden neben Beispielen von künstlichen
Fehlstellenanordnungen auch reale Teilentladungsdefekte, wie sie in betriebsgealterten Kabelgarnituren auftreten,
diskutiert.
Abstract
Cable accessories contain several boundary layers because of its natural construction. Those boundaries could cause a
variety of risks for the cables in service when e.g. poor workmanship is performed, which is nowadays the most common
cause for failures. Defects at cable accessories are the dominating weak spots in cable systems, failure cause could
be either service aging and/or poor workmanship. In most cases the breakdown at the weak spots is caused by partial
discharge activities in cavities or at surfaces. It has been demonstrated by international statistics that partial discharges
in accessories, for 80% in paper-mass and 90% for XLPE cables of the 2 nd generation, led to disturbances of operating
service.
In the past 10 to 15 years various voltage shapes for testing and diagnosis have been established, which are used for partial
discharge diagnostics. These test voltages change in both test frequency and therefore in its voltage gradient dU/dt,
and in its basic shape. In field application for testing medium voltage cables the VLF Sinus 0.1Hz, VLF CR (cosine rectangular)
0.1Hz and damped alternating voltage (DAC) are well proven and accepted voltage shapes. However for today’s
testing of high voltage cables in most cases continuous AC voltage (resonant technique) is used.
This paper describes the behaviour of different partial discharge defects of typical medium voltage accessories, at different
shapes of test voltage. In addition examples of artificial defects and real partial discharge defects as appearing in
service aged cable accessories will be discussed.

1 Einleitung
Seit Jahrzehnten ist die Teilentladungs-Messung (TE-
Messung) eine wichtige, zuverlässliche und zerstörungsfreie
Methode, um Schwachstellen in Kabeln und Geräten
zu identifizieren. TE Messungen werden heutzutage sowohl
im Labor, wie z.B. bei Abnahmeprüfungen von Kabeltrommeln
als auch im Feld, um z.B. die Montagequalität
zu überprüfen, angewendet. Typischerweise wird im
Labor die TE-Messung immer mit einer 50/60 Hz
Prüfspannungsquelle durchgeführt. Da dies im Feld aus
ökonomischer und praktischer Sicht unrealistisch ist,
werden hier andere Prüfspannungsformen angewendet.
Um eine zuverlässige Aussage über die TE-
Messergebnisse treffen zu können ist es wichtig dass die
TE Charakteristiken immer direkt vergleichbar mit der
50/60 Hz Betriebsspannung sind. Vor allem die Einsetzspannung
(Spannung bei der die ersten Teilentladungen
auftreten) sollte möglichst 100% vergleichbar sein, da die
Einsetzspannung den wichtigsten Parameter für die Bewertung
der Messergebnisse repräsentiert.
Bei Unterschieden in der TE-Einsetzspannung kann es
vorkommen, dass diese sich beispielsweise bei 50/60 Hz
im laufenden Betrieb, d.h. unterhalb der nominellen
Spannung zeigen, wo hingegen die TE-Einsetzspannung
mit einer alternativen Spannungsform als oberhalb der
Betriebsspannung des Kabels gemessen wird. Damit kann
eine vermeintlich kritische Bewertung (TE im Betrieb) als
eher unkritisch diagnostiziert werden und es somit zu falschen
Schlussfolgerungen in den Handlungsempfehlungen
kommen.
Zu dem Thema Vergleichbarkeit von TE Charakteristiken
bei unterschiedlichen Spannungsformen wurden schon
viele Forschungsergebnisse publiziert. Edin [1] hat in seiner
Untersuchung festgestellt, dass die TE-Aktivität bei
niedrigen Frequenzen verlöscht und es deswegen sehr
schwierig wird eine TE Diagnose bei niedrigen Frequenzen
wie 0.1 Hz durchzuführen.
In einem Förderprojekt von Dr. Voigt von der Fachhochschule
Konstanz [2] wurde sogar ein Unterschied in der
Einsatzspannung zwischen 50 Hz und 0.1 Hz von weit
über 300% festgestellt. Dieser Unterschied ließ sich bei
einer Oberflächenentladungen beobachten, und lässt sich
durch die Abhängigkeit der Oberflächenentladung zum
Spannungsgradienten erklären. Dieser Gradient ist bei 0.1
Hz 500 mal geringer als der bei 50 Hz.
Ein Vergleich mit weiteren Veröffentlichungen zeigte,
dass die festgestellten Unterschiede der Einsetzspannung
von verschiedenen Fehlstellen bei 0.1 Hz im Vergleich zu
50 Hz zwischen 10% bis 250 % variierten, siehe Tabelle
1.
Tabelle 1 Vergleich Einsetzspannung 0.1 Hz anderen Autoren
[2].
Im Bezug auf Kabelsysteme treten Oberflächenentladungen
zumeist an Endverschlüssen auf. Dabei lassen sich
die äußeren Entladungen mit alternativen Methoden, z.B.
akustisch oder visuell, wie Restlichtkameras, diagnostizieren.
Grenzflächenentladungen sind eine häufige Ursache
für TE-Defekte innerhalb von Garnituren. Diese sind
mit akustischen und visuellen Methoden nur schwer zu
erfassen. Beide Entladungstypen zeigen eine starke Abhängigkeit
zum Spannungsgradienten, dadurch sind sie in
ihrem Verhalten einander ähnlich. Entsprechend ist bei
Grenzflächenentladungen eine ähnliche Abhängigkeit
bzgl. der Einsetzspannungen zu erwarten, wie bei Oberflächenentladungen.
Dies wurde in einer Veröffentlichung einer praktischen
TE-Messung der eon [3] bestätigt. Dort ist eine im Betrieb
auffällige Garnitur mit einem Defekt an einer Grenzfläche
im direkten Vergleich zwischen 50 Hz und 0.1 Hz analysiert
worden. Die Feldmessung zeigte eine Einsetzspannung
bei 50 Hz Prüfspannungsfrequenz unterhalb Uo, wo
hingegen die Einsetzspannung mit 0.1 Hz Prüfspannungsfrequenz
oberhalb 2Uo gemessen wurde. Die betroffene
Muffe wurde herausgenommen und anschließend visuell
untersucht. Es zeigten sich kritische TE-Spuren im Bereich
der halbleitenden Schicht und der Isolierung. Damit
konnte eindeutig bewiesen werden, dass Teilentladungen
bei Betriebsspannung aktiv waren und diese Muffe als
kritisch eingestuft werden muss.
Neben VLF 0.1 Hz Sinus und 50 Hz hat sich die Diagnose
mit gedämpfter Wechselspannung als wirksame Methode
etabliert. Cesi hat aufgrund der jahrelangen guten
Felderfahrungen verschiedener Spannungsformen sich
unter anderem zum Anlass genommen, die kommerziell
verfügbaren Systeme in einer Versuchsreihe gegenüberzustellen
[4]. Tabelle 2 zeigt die Auswahl der Prüfspannungsformen.
Dabei wurden diese Systeme auf Vergleichbarkeit
von TE-Einsetzspannung, TE-Lokalisierung
und TE Pegel hin untersucht.
Tabelle 2 Die unterschiedliche Prüfspannungsquelle die
für die Messungen verwendet wurden [4].

Im Bild 1 sind die Einsetzspannungen aller Spannungsformen
für verschiedene künstliche Fehlerstellen dargestellt.
Die gedämpfte Wechselspannung (DAC) mit geringer
Dämpfung stellt sich hier als vergleichbares Verfahren
mit 50 Hz dar. Hingegen zeigten sich die größten
Abweichungen bei 0.1 Hz Sinus, wie sie sich auch bei
Feldmessungen an 18 unterschiedlichen Kabeln zeigten
[4].
Einer der Hauptvorteile der Cosinus-Rechteck Technologie
ist die Energiezwischenspeicherung in der Umschwingdrossel
während des Polaritätswechsels der Spannung.
Damit werden ca. 90% der gespeicherten Energie
des aufgeladenen Kabels zum Aufbau der Spannung der
jeweiligen Polarität im Polaritätswechsel verwendet. Infolge
dessen kommt das System mit einem verhältnismäßig
geringen Energiebedarf aus, und kann dennoch große
kapazitive Lasten prüfen. Systeme mit einer maximal ladbaren
Prüfkapazität von 25 μF bei 60 kV eff sind bereits
kommerziell verfügbar.
In Bild 3 ist ein typischer Cosinus-
Rechteckspannungsverlauf bei 0.1 Hz dargestellt. Der Polaritätswechsel
erfolgt in einem cosinusförmigen Verlauf
der Spannung mit einer netznahen Frequenz.
DAC DAC 50 Hz
VLF Sin 0,1 Hz
Bild 1 TE Einsatzspannung für Kabel mit künstlichen
Fehlerstelle [4].
Neben VLF Sinus 0.1 Hz und DAC gibt es auch noch alternative
Prüfspannungsformen die für eine TE Diagnose
geeignet sein können. Pepper [5] hat in seiner Dissertation
auch die Dreieckspannung und VLF Cosinus-Rechteck
Spannung als Grundlagenuntersuchung zum TE verhalten
in kunststoffisolierten Kabel untersucht. Beide Verfahren
haben sich als eine mögliche alternative qualifiziert. Die
VLF Cosinus-Rechteck Spannungsform zeigte im Vergleich
höhere TE Entladungspegel, speziell im Gleitentladungsfall.
1.1 Spannungsform VLF CR (Cosinus-
Rechteck)
Um eine Cosinus-Rechteckspannung zu erzeugen, ist ein
System notwendig, dass aus einer DC-Spannungsquelle
(+U und/ oder –U), einem Stützkondensator (C), einer
thyristor-gesteuerten (Schalter S) Induktivität (L) und
einem Wechselschalter mit Nullstellung (W) besteht. Bild
2 zeigt das Prinzipschaltbild einer VLF CR Anlage.
+U
-U
nc -
+
W
S
Bild 2 Prinzipschaltbild eines thyristorgesteuerten VLF
Cosinus-Rechteck Systems.
R
L
C
Bild 3 Cosinus-Rechteckspannungsform bei einer Grundfrequenz
von 0.1 Hz.
1.2 Spannungsform DAC (gedämpfte
Wechselspannung)
Um eine gedämpfte Wechselspannung zu erzeugen sind
prinzipiell dieselben Komponenten notwendig, wie zur
Erzeugung einer Cosinus-Rechteckspannungsform, siehe
dazu Bild 2. Wenn im CR Betrieb der Schalter S wieder
öffnet, um ein Nachladen auf Sollspannung zu ermöglichen,
wird hingegen im DAC Betrieb dieser Schalter einfach
geschlossen gehalten. Es bildet sich ein verlustbehafteter
Schwingkreis, der in seiner Schwingfrequenz durch
die Komponenten L (Induktivität), C (Stützkapazität)
auch durch die Kapazität des Testobjektes bestimmt wird.
1.3 Vorteile der Spannungsformen bzgl.
Prüfung und TE-Diagnose
Die Vorteile der Cosinus-Rechteck Technologie im Bezug
auf ladbare Kapazität und netznaher Frequenz im Umschwingvorgang,
machen diese Spannungsform interessant
als Quelle für offline Teilentladungsmessung. Des
Weiteren ist diese Spannungsform sehr effizient im Bezug
auf Stehspannungsprüfung mit oder ohne begleitende TE-
Messung. Es können dort hohe Lasten, z.B. lange Kabel
diesem Stresstest unterzogen werden.
Im Gegensatz dazu kann mit gedämpfter Wechselspannung
die Beanspruchung mit einer Stehspannungsprüfung
nicht in Vergleichbarer Prüfzeit erreicht werden. Die
kurze Spannungsbeanspruchung würde eine vielfache
Wiederholung dieser Zyklen erfordern, um eine vergleichbaren
elektrische Belastung für das Mittelspan-

nungskabel und dessen Garnituren zu erreichen. Dennoch
ist gerade diese kurze Spannungsbeanspruchung ein großer
Vorteil im Bezug auf eine zerstörungsfreie Teilentladungsdiagnose.
2 Messergebnisse
Die nachfolgenden Messergebnisse demonstrieren, dass
die VLF Cosinus-Rechteck-Technologie in Verbindung
mit einer Teilentladungsmessung eine interessante Alternative
zu den herkömmlichen Prüfquellen, wie VLF Sinus
und DAC (gedämpfte Wechselspannung) darstellt.
Um die Vergleichbarkeit der gemessenen Parameter, wie
Einsetzspannung und Pegel zu gewährleisten wurde die
DAC Spannungsform als Referenz verwendet. Die Konformität
dieser Parameter der DAC zu 50/60 Hz wurde
schon durch eine Vielzahl von Publikationen bestätigt.
[4, 7]
2.1 VPE Kabel mit künstlichen Fehlstellen
In [6] wurden künstliche Fehlerstellen im Bezug auf konventioneller
und nicht konventioneller Teilentladungskopplung
genauer diskutiert.
Zusammenfassend konnte man eine künstliche Fehlstelle
(Gleitentladung) die zwischen zwei 110m langen VPE
Kabelstücken angebracht wurde eindeutig lokalisieren.
Die Fehlerstelle konnte mittels eines „Classification
Map“, eine Einordnung der TE-Ereignisse bezüglich ihrer
Frequenzanteile eindeutig vom Hintergrund- und elektronischem
Rauschen, welches durch den VLF CR Generator
verursacht wurde, separiert werden. Für die Messung
wurden keine weiteren Filtermethoden verwendet. Bild 4
zeigt diese „Classification Map“. Dabei stellt die „blaue /
1. Gruppe“ die phasenstabilen Störer der Quelle dar, die
„rote / 2. Gruppe“ die Teilentladungen der Gleitentladungsfehlstelle
und die „grüne / 3. Gruppe“ die hochfrequenten
Störer.
1
2
3
2.2.1 Versuchsaufbau TE-Messung mit VLF CR
Die TE-Messung mit VLF CR wurde mit konventioneller
Kopplung durchgeführt. Bild 5 skizziert den Versuchsaufbau
vor Ort. Es wurden keine weiteren Störunterdrückungsmaßnahmen,
wie Gating, Fensterung oder Hardwarefilterung
verwendet.
Bild 5 Skizze Aufbau TE-Messung mit VLF CR.
2.2.2 Teststrecke 1; VPE, 469m
Die erste Kabelstrecke wies die folgenden Streckenparameter
auf:
Isolierung
VPE
Betriebsspannung in kV eff 22/12
Länge in m 469
Installationsjahr 1985
Folgende Tabelle 3 zeigt die wichtigsten Parameter im
Vergleich. Anschließend sind in Tabelle 4 alle Lokalisierungen
der Fehlstellen auf den einzelnen Phasen gegenübergestellt.
PDIV
kV eff
TE max
L1 L2 L3
DAC CR DAC CR DAC CR
13.2 12.0 10.8 14.0 12.0 12.0
300 620 310 - 125 490
pC (U 0 )
Tabelle 3 PDIV, TEmax für DAC im Vergleich zu VLF
CR bei Teststrecke 1.
Bild 4 Messergebnis des Testobjekts bei 8 kV mit konventioneller
Kopplung und ohne weitere Filtermethoden.
2.2 Betriebsgealterte Kabelstrecken
Nachfolgend soll anhand von drei Messungen an betriebsgealterten
Kabelstrecken die Vergleichbarkeit der
TE-Messergebnisse der VLF CR zur DAC gezeigt werden.
Es wurden dazu reine VPE Strecken und auch
Mischstrecken, in unterschiedlichen Längen ausgewählt.
Doch zunächst soll der Messaufbau kurz erläutert werden.
DAC; L1; U

DAC; L3; U

DAC; L3; U

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