Bd. 98 (2024): Fritsch, Martin: Measurement of partial discharges on power cables : a step towards successful online monitoring
Die elektrischen Verteilnetze, welche zu einem hohen Anteil aus Energiekabeln bestehen, werden in Zukunft einer zunehmenden Auslastung ausgesetzt sein und eine wichtigere Rolle im Energieversorgungssystem spielen. Die höhere Auslastung ist ein Problem, da die meisten Energiekabel bereits Jahrzehnte alt sind und die elektrische Festigkeit ihrer Isolierung sich mit der Zeit verschlechtert. Da der Zustand der Kabelisolierung den Verteilnetzbetreibern (VNB) im Allgemeinen nicht bekannt ist, wird das Risiko für Kabelausfälle entsprechend steigen. Um kostspielige Versorgungsunterbrechungen zu vermeiden, benötigen die VNB daher eine zustandsorientierte Instandhaltungsstrategie für ihre Energiekabel. Die gebräuchlichste Methode zur Zustandsüberwachung ist die Teilentladungsmessung (TE), die kleine elektrische Entladungen an Isolierungsdefekten frühzeitig erkennt. Heutige TE-Sensoren sind jedoch üblicherweise nicht für eine kontinuierliche Online-Überwachung konzipiert und oft schlicht zu teuer, weshalb ihre Anwendung für VNB erheblich eingeschränkt ist. Ziel dieser Dissertation ist daher die Entwicklung eines günstigen und zuverlässigen TE-Sensors zur Online-Überwachung von Energiekabeln. Der Fokus der Forschung liegt auf der Verbesserung von Hochfrequenz-Stromwandlern (HFCT), um deren Probleme bezüglich magnetischer Sättigung zu überwinden und ihre Empfindlichkeit zu optimieren. Zu Beginn der Arbeit wird hierzu das Übertragungsverhalten von TE-Signalen auf Energiekabeln und ihre messbare Bandbreite untersucht. Hierzu wird ein analytisches Energiekabelmodell hergeleitet, um die verbleibende Bandbreite der TE-Impulse an den Kabelenden, an denen die TE-Sensoren installiert werden, zu bestimmen. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird ein optimiertes HFCT-Sensordesign ermittelt. Zu diesem Zweck wird ein analytisches HFCT-Modell entwickelt. Die eigentliche Herausforderung bei der Nutzung von HFCTs zur Online-TE-Messung ist jedoch deren Anfälligkeit für magnetische Sättigung, verursacht durch die hohen 50-Hz-Betriebsströme der Energiekabel. Zur Lösung dieses Problems wird ein verbessertes HFCT-Design mit geteiltem Kern vorgeschlagen, wobei der Sensor in der Lage ist, die Luftspaltlänge selbstständig entsprechend des derzeitigen Sättigungsniveaus zu variieren. Ein Mikrocontroller steuert hierzu einen Servomotor an, um die Luftspaltlänge in Echtzeit zu regeln und maximale Empfindlichkeit ohne Sättigung zu gewährleisten. Diese Lösung ermöglicht die Online-Überwachung von Energiekabeln mit HFCT-Technologie. Zu den wichtigsten Beiträgen dieser Arbeit gehören das verbesserte Split-Core HFCT- Design mit selbstregelnder Luftspaltlänge, ein analytisches Übertragungsleitungsmodell für die HF-Signalübertragung, ein analytisches HFCT-Modell zur Designoptimierung und eine Methode zur Echtzeitauswertung der TE-Messung. Zukünftige Arbeiten sollten sich der weiteren Optimierung des Sensordesigns und der Integration fortgeschrittener Methoden zur TE-Detektion und Signalauswertung widmen.
ISBN: 978-3-948749-43-9
DOI: https://doi.org/1024352/ub.ovgu-2024-050
