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Condition Monitoring im Stromnetz

Ausfälle bei Hochspannungsleitungen vermeiden

20. Juni 2017, 12:47 Uhr | von Robert Fottner

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Was sind elektrische Teilentladungen?

Teilentladungen (TE) per IEC-60270-Definition sind lokale elektrische Entladungen, die nur teilweise die Isolierung zwischen leitenden Materialien überbrücken (Bild 1). Die Messung von Teilentladungen und deren Beurteilung hat sich in den vergangenen Jahren zu einem der wichtigsten Werkzeuge entwickelt, um die Betriebssicherheit von Mittel- und Hochspannungskabelsystemen und deren elektrischen Betriebsmitteln zuverlässig zu bewerten und zu überwachen.

Dabei können nicht nur Schwachstellen in der Isolation, hervorgerufen durch Alterungs- und Zersetzungsprozesse, für zustandsorientierte Instandhaltungsmaßnahmen identifiziert und lokalisiert werden, sondern insbesondere auch drohende Ausfälle rechtzeitig erkannt und vermieden werden.

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Beispielsweise sollte bei einer Spannung von 20 kV und einer isolierenden Schicht von 50 mm eine durchschnittliche Isolation von 400 V/mm durch das Dielektrikum erzielt werden, um das Kabel nach außen elektrisch neutral zu gestalten. Verschiedene Faktoren (Bild 2) können dazu führen, dass die Isolation abnimmt und es zu einer Teilentladung kommt:

Frei bewegliche Partikel
Protrusion
Partikel auf der Oberfläche des Isolators
Elektroden ohne Potenzialanbindung
Elektroden mit Potenzialanbindung
Hohlräume in Isolierungen, Delamination

Ursachen für Teilentladungen

Frei bewegliche Partikel können bei der Fertigung des Dielektrikums als Verunreinigung unbeabsichtigt mit eingearbeitet werden. Aufgrund der geringen Größe der Fremdkörper kommt es immer wieder zu diesen Fehlern. Mit ca. 0,1 mm Länge sind sie für das Auge nahezu unsichtbar und somit schwer zu vermeiden. Das bedeutet aber, dass bei 0,05 mm 20 V, bei 0,1 mm bis zu 40 V Isolation verloren gehen. Der Schmutzpartikel selbst hat natürlich einen Eigenwiderstand; somit reduziert sich die Spannung natürlich, aber im ungünstigen Fall ist diese Reduzierung vernachlässigbar gering. Das heißt, hier wird nicht die volle Isolation erzielt, und da sich der Strom ja bekanntlich immer den Weg des geringsten Widerstandes sucht, ist hier eine Teilentladung bei Spannungsspitzen sehr wahrscheinlich.

Besonders schwer sind metallische Partikel auf der Oberfläche der Starkstromkabel zu vermeiden, da bei den Erdarbeiten immer ein Metallstück in die Baugrube gelangen kann oder sich schon im Erdreich befindet. Dadurch entsteht eine Kapazität zwischen Metallstück und Innenleiter, die aufgrund der Wechselspannung Wärme im Metallstück erzeugen kann. Eine Beschädigung der äußeren Isolationsschicht ist unvermeidlich und somit können Umwelteinflüsse direkt auf die Schutzschicht einwirken (Feuchtigkeit, Regenwasser...).

Als weitere Gefahrenquelle gilt die Protrusion (Auswölbung) an der stromleitenden Ader oder am Schutzmantel. Hier wird der vorgeschriebene Abstand zwischen Leiter und Ummantelungsoberfläche unterschritten. Das geschieht zum Beispiel durch Stauchung der stromführenden, metallischen Ader oder Wulstbildung beim Anbringen des Schutzmantels während der Fertigung des Erdkabels.

Ein weiterer Grund für das Auftreten von elektrischen Teilentladungen ist eine Gasblase zwischen Dielektrikum und Innenleiter. Diese kann aus Fehlern bei der Fertigung oder durch zu starkes Biegen der Kabel resultieren. Ganz ähnlich liegt der Fall bei Gaseinschlüssen irgendwo in der Isolierung zwischen Stromleitung und Schutzmantel. Diese Blasen füllen sich gerne mit Kondenswasser und erzeugen dann die sogenannten „Watertrees“ (Bild 3).