Über den praktischen Einsatz einer UV-Kamera zur

Borneburg, D., „Über den praktischen Einsatz einer UV-Kamera…“, ETG Fachbericht Nr. 104, Diagnostik elektrischer Betriebsmittel, Köln, 2006, S. 45…50
Über den praktischen Einsatz einer UV-Kamera zur Detektion,
Lokalisierung und Echtzeitdarstellung von Korona-Entladungen
an elektrischen Betriebsmitteln
Dr.-Ing. Dirk Borneburg, RWE Eurotest GmbH, Dortmund, Deutschland
Kurzfassung
Koronaentladungen sind häufig ein Warnzeichen für Defekte und Störungen in energietechnischen Anlagen wie
Umspannanlagen und Hochspannungsfreileitungen. Den sich dadurch abzeichnenden teuren Ausfällen kann mit
geringstem Zeit- und Kostenaufwand mittels Visualisierung der UV-Emission der Korona-Entladungen mit einer
UV-Kamera vorgebeugt werden. Die Detektion und Lokalisierung kann dabei auch an unzugänglichen Stellen
ohne Eingriff in die Betriebsmittel und ohne aufwendige Freischaltungen durchgeführt und dokumentiert werden.
1
Einleitung
An elektrischen Betriebsmitteln, wie z. B. Isolatoren
und Freileitungen, kann es aufgrund von hohen elektrischen Betriebsfeldstärken insbesondere im Zusammenspiel mit unvermeidbaren Fehlstellen, Oberflächenverschmutzungen und Umwelteinflüssen zu äußeren Entladungen kommen. Diese Entladungen stellen
vielfältige Störquellen dar, welche sich in Form von
Materialdegradation,
Geräuschbelästigung
und
hochfrequenter leitungs- und feldgeführter Emission
bemerkbar machen können. Die Erfassung und Bewertung der Entladungsaktivitäten im Hinblick auf den
aktuellen Zustand der Betriebszuverlässigkeit sowie
für die präventive Instandhaltung erfolgt üblicherweise über konventionelle oder auf den Anwendungsfall
hin angepasste Messsysteme; oft mit anschließendem
Einsatz computergestützter Expertensysteme. Jedoch
wird die messtechnische Aufzeichnung der dafür benötigten Entladungsaktivitäten meist durch widrige
Zugänglichkeiten, fehlende Auskoppelmöglichkeiten
oder der fehlenden Möglichkeit der Freischaltung zum
Zwecke der Ankopplung entsprechenden Messequipments erschwert.
Als Problemlöser in schwierigen Fällen mit KoronaEntladungen sowie als Alternative bei der Zustandsdiagnose und präventiven Instandhaltung hat sich die
Inspektion mit einem UV-Kamerasystem als probates
Mittel zur Detektion und Lokalisierung von äußeren
Entladungen bei gleichzeitig mobilen Einsatzmöglichkeiten bewährt [1, 2, 3]: Bei der Entladungstätigkeit
entstehende UV-Emission wird durch das spezielle
Kamerasystem sichtbar gemacht. Übliche Kamerasysteme reagieren dabei zusätzlich auf die UV-Emission
der Sonne, was die Einsatzmöglichkeiten deutlich
einschränkt. Aufgrund des bei dem hier beschriebenen
System eingesetzten optischen Filters, der in einem
Wellenlängenbereich von 240..280 nm arbeitet, ist es
möglich, die Inspektionen bei Tageslicht durchzufüh-
ren. Zudem kann eine Detektion und Lokalisierung
von Entladungsaktivitäten auch an unzugänglichen
Stellen ohne Eingriff in die Betriebsmittel und ohne
aufwendige Freischaltungen durchgeführt und dokumentiert werden. Optional kann bei der Begutachtung
ein Tageslichtbild mit dem Bild der visualisierten UVEmission überlagert oder auch jeweils einzeln in
Echtzeit dargestellt und aufgezeichnet werden. So
können auch dem Nichtfachmann Fehl- und Schwachstellen unmittelbar aufgezeigt und Abhilfemaßnahmen
vor Ort eingeleitet werden, bevor sie tatsächlich zu
ernsthaften Betriebs- oder Sicherheitsproblemen werden.
Bild 1: Einsatz des UV-Kamerasystems bei Tageslicht zur Lokalisierung von Korona-Entladungen.
Nachdem in [1] bereits ausführlich über die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten eines derartigen UVKamerasystems berichtet worden ist, werden im Weiteren Beispiele aus dem nunmehr mehrjährigen Einsatz gezeigt. Da es sich um eine relativ neue und bisher wenig verbreitete Technik handelt, ist den Beispielen eine Funktionsbeschreibung des Systems
vorangestellt.
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2
Funktionsweise des UVKamerasystems
Strahlteiler
Bei der Entladungstätigkeit entstehende UV-Emission
wird durch das spezielle Kamerasystem sichtbar gemacht [4]. Übliche Kamerasysteme reagieren dabei
zusätzlich auf die in Bild 2 dargestellte UV-Emission
der Sonne, was die Einsatzmöglichkeiten bei Tageslicht deutlich einschränkt. Aufgrund des bei dem eingesetzten Systems verwendeten optischen Filters, der
in einem Wellenlängenbereich von λ = 240...280 nm
arbeitet, wird es möglich, die Inspektionen bei Tageslicht durchzuführen, da in diesem Wellenlängenbereich die UV-Emission der Sonne durch die Ozonschicht vollständig absorbiert wird.
UV
Sichtbar
Infrarot
Intensität
UV-Filterbereich
Sonnenspektrum
200
400
nm
800
λ
600
1000
Bild 2: Natürliches UV-Emissionsspektrum der Sonne
und Filterbereich des eingesetzten optischen Filters.
Intensität
Durch Korona-Entladungen typischerweise entstehende UV-Emission ist nachfolgend in Bild 3 dargestellt.
Koronaspektrum
x 100
Einfallendes
Licht
Linse
Bild
Überlagerung
BildUVVerstärker Kamera
Videobild
UV-Filter
(Bandpass)
Bild 4: Schematische Darstellung der Funktionsweise des UV-Kamerasystems mit optischem Filter und
Spiegelsystem.
Um bei der Aufnahme Parallaxen zu vermeiden, besitzt die Kamera nur ein Objektiv und führt die Bilder
über ein Spiegelsystem den beiden zuvor beschriebenen Kamerasystemen zu. Optional erfolgt anschließend eine Überlagerung der Bilder beider Kamerasysteme vor der Visualisierung. Das dargestellte UV-Bild
besteht dabei aus einer Anzahl von weißen Punkten,
die die detektierten Photonen vor einem schwarzen
Hintergrund visuell abbilden. Dieses Bild kann zur
Detektion sehr schwacher Quellen ohne den störenden
Effekt eines sichtbaren Bildes verwendet werden. Bei
der Begutachtung kann ein Tageslichtbild mit dem
Bild der visualisierten UV-Emission überlagert oder
auch jeweils einzeln in Echtzeit dargestellt und aufgezeichnet werden. Die möglichen Darstellungsmodi
sind in Bild 5 am Beispiel einer Korona-Entladung an
einer Armatur dargestellt.
Koronaspektrum
a)
200
250
300
Kamera
350
400
450
nm
500
λ
b)
550
Bild 3: Typisches Korona-Emissionsspektrum (teilweise um den Faktor 100 verstärkt).
Die geringen spektralen Anteile im unteren Wellenlängenbereich passieren den Bandpassfilter, werden
verstärkt und anschließend durch das Kamerasystem
visualisiert.
Bild 4 stellt die schematisierte Funktionsweise des gesamten UV-Kamerasystems dar. Im dargestellten unteren Zweig befindet sich das Kamerasystem für das
UV-Bild, bestehend aus UV-Filter, Bildverstärker und
CCD-Kamera (Charge Coupled Device). Im parallelen
oberen Zweig befindet sich das konventionelle Kamerasystem zur Echtbildaufnahme.
c)
Bild 5: Darstellung einer Korona-Entladung als UVBild (a), des elektrischen Betriebsmittels als Tageslichtbild (b) und der Überlagerung beider Bilder zur
Lokalisierung der Quelle (c).
Durch diese Bildüberlagerung können auch dem
Nichtfachmann Fehl- und Schwachstellen unmittelbar
aufgezeigt und Abhilfemaßnahmen vor Ort eingeleitet
werden, bevor sie tatsächlich zu ernsthaften Betriebsoder Sicherheitsproblemen werden.
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3
Praktische Einsätze
Anhand ausgewählter Beispiele aus dem deutschlandweit einmaligen und mehrjährigen praktischen Einsatz
des UV-Kamerasystems werden Anwendungsmöglichkeiten zur Detektion, Lokalisierung und Echtzeitdarstellung beschrieben und diskutiert.
3.1
Funkstörungen
Beim Überfliegen einer Umspannanlage in der Nähe
eines Flughafens häuften sich Meldungen und Beschwerden über Funkstörungen beim Anlagenbetreiber. In Zusammenhang mit den Aussagen der RegTP
ließ sich die Störquelle im Bereich der Überspannungsableiter eingrenzen. Eine genauere Lokalisierung gelang jedoch mit den klassischen Methoden
weder durch eine visuelle Inspektion des Anlagenbereiches noch durch eine akustische Ortung.
Erst durch eine Begutachtung der Umspannanlage mit
dem UV-Kamerasystem wurden an den Erdungsbügeln und den Anschlussblechen der 90°-Abgangsbügel
der Überspannungsableiter die in Bild 6 und 7a dokumentierten, starken Entladungsaktivitäten festgestellt. Zusätzlich konnten Entladungen an den Halteblechen angebrachter Steuerelektroden detektiert werden, siehe Bild 8a.
a)
b)
Bild 8: Entladungsaktivitäten an den Halteblechen
der Steuerelektrode eines Überspannungsableiters.
a) Aufnahme mit überlagertem UV Bild.
b) Detailaufnahme des Haltebleches.
Die parallel zur Begutachtung durchgeführten Störfeldmessungen der RegTP zeigten eine andauernde
Funkstörung auf. Mit Freischaltung des betrachteten
Feldes kamen die andauernden Funkstörungen zum
erliegen, was das Vorliegen der Störquelle in diesem
Feld erneut bestätigte.
Auf Grund der aufgezeigten Entladungsaktivitäten
wurden die den Überspannungsableitern zugewandten
Erdungsbügel näher zu diesen positioniert und die äußeren Erdungsbügel demontiert. Das Leitungsseil
wurde an der äußeren Klemmstelle von kleinen
Druckstellen, verursacht durch die Klemmschellen,
bereinigt und die Kanten der Haltebleche durch Feilen
verrundet. Die an den Halteblechen der Steuerelektroden vorgefundenen Folienreste wurden beseitigt.
Nach Zuschaltung des Feldes wurden erneut starke
Entladungstätigkeiten an den Erdungsbügeln und den
Anschlussblechen der 90°-Abgangsbügel der Überspannungsableitern detektiert. An den verbliebenen
Druckstellen durch die Erdungsklemmen konnte auch
eine starke Entladungsaktivität detektiert werden, was
als ein Indiz für eine absolut grenzwertige Auslegung
mit einhergehender starke Feldbeanspruchung des gesamten Anschlussbereiches zu betrachten ist. In Bild 9
sind die Entladungsaktivitäten dargestellt.
Bild 6: Starke Entladungsaktivitäten an einem Erdungsbügel.
a)
b)
Bild 7: Entladungsaktivitäten an den Ecken des Anschlussbleches eines Überspannungsableiters.
a) Aufnahme mit überlagertem UV Bild.
b) Detailaufnahme des Anschlussbleches.
Bild 9: Entladungsaktivitäten an dem versetzten Erdungsbügel sowie an den Eindruckstellen des demontierten Erdungsbügels und an dem Anschlussblech.
Wegen der aufgezeigten starken Entladungsaktivitäten
an den aufgeführten Stellen war davon auszugehen,
dass diese ursächlich für die Funkstörungen waren.
Durch einen umfangreicheren Umbau der betrachteten
Anschlussstellen ließen sich die Entladungsaktivitäten
sowie die Funkstörungen verhindern.
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3.2
Konstruktionsmängel
Konstruktionsmängel an hochspannungstechnischen
Betriebsmitteln können vielfältiger Natur sein und äußern sich oft erst nach jahrelangem Einsatz durch unerwartete Ausfälle. Als Maß für die Güte eines hochspannungstechnischen Anlagenteils darf dabei sicherlich auch die Teilentladungsfreiheit nicht nur im Labor
sondern auch nach Einbau am Betriebsort verstanden
werden.
Zahlreiche Begutachtungen bestehender Anlagen zeigen jedoch typische Entladungsstellen aufgrund mangelhaft ausgeführter Konstruktionen auf. Beispielhaft
sind die Entladungen an einer bestimmten Trennerkonstruktion in Bild 10a im Gegensatz zu einer anders
ausgeführten Konstruktion in Bild 10b dargestellt.
a)
b)
stärken zu Entladungen. Diese werden bei den in
Bild 11a im Hintergrund befindlichen Funkenhörnern
konstruktionsbedingt vermieden.
Sicherlich werden unterschiedliche Gründe für die
Wahl der entsprechenden Betriebsmittel vorgelegen
haben und die auftretenden Entladungen nicht zu Betriebsstörungen oder gar Ausfällen führen, jedoch sollte aus den zuvor schon aufgeführten Gründen stets einer Teilentladungsfreien Konstruktion der Vorzug gewährt werden.
3.3
Montagemängel
In einer durch starke Geräuschemissionen aufgefallenen Umspannanlage konnte die Quelle der Geräuschemission innerhalb kürzester Zeit eindrucksvoll
gefunden werden. Hierzu wurde die Anlage aus verschiedenen Perspektiven und Entfernungen Begutachtet.
Die lokalisierten Entladungsaktivitäten an einem Abspannisolator zwischen einer Lichtbogenschutzarmatur und dem untersten Schirm des Isolators sind in
Bild 12 aus unterschiedlichen Positionen dargestellt.
Bild 10: Vergleich verschiedener Trennerkonstruktionen bezüglich äußerer Entladungen.
a) Entladungen an einer bestimmten Konstruktion von
Trennern.
b) Konstruktion ohne Entladungen.
Es ist leicht zu erkennen, dass durch die runde Konstruktion der Trennerenden die elektrischen Feldstärken im Gegensatz zu den oft üblichen „Trennerfingern“ deutlich reduziert und dadurch Entladungen an
der spannungsführenden Trennerseite im offenen Zustand verhindert werden.
Als weiteres Beispiel sind die beiden auf Grund verschiedener Zugehörigkeiten verschieden ausgewählten
Konstruktionen von Funkenhörnen im Vergleich dargestellt.
a)
b)
Bild 11: a) Zwei verschiedene Konstruktionen von
Funkenhörnern im Vergleich.
b) Entladungen an einer bestimmten Konstruktion von
Funkenhörnern.
An den Enden der Finger der Funkenhörner in
Bild 11b kommt es durch die hohen elektrischen Feld-
a)
b)
Bild 12: Korona-Entladungen an einer Armatur, die
durch eine starke Geräuschemission auffällig geworden war.
a) schiefe Einbaulage der Lichtbogenschutzarmatur,
verursacht durch die auftretenden, seitlichen Seilzugkräfte.
b) Entladungen (Funken) zwischen der Lichtbogenschutzarmatur und dem untersten Schirm des Isolators.
Ursächlich für die starke Entladungsaktivität war die
schiefe Einbaulage der Lichtbogenschutzarmatur, verursacht durch die auftretenden, seitlichen Seilzugkräfte, die zu einem zu geringen Abstand zwischen der
Lichtbogenschutzarmatur und dem Isolator führten,
siehe Bild 12a.
Bedingt durch den Potenzialunterschied zwischen der
Lichtbogenschutzarmatur und dem untersten Schirm
des Isolators, kam es infolge des zu geringen Abstan-
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des zu Entladungen (Funken) zwischen der Lichtbogenschutzarmatur und dem untersten Schirm des Isolators.
Ein anderer Fall für einen typischen Montagemangel,
der bei einer zuvor durchgeführten visuellen Inspektion nicht erkannt worden war, ist der in Bild 13 dargestellte Leitungsanschluss an einen Transformator.
400 kV Leitung
Aufgeladener
Körper
Freigeschaltete
Leitung
Erdungsgarnitur
Isolierende
Leiter
a)
b)
Bild 13: a) Leitungsanschluss an einen Transformator.
b) Korona-Entladungen an dem durchstehenden Ende
des Leiterseiles.
Durch die mangelhaft ausgeführte Montage der Seilklemme stand das Seil etwa 5 mm aus der Klemme
heraus, was in Folge die in Bild 13b visualisierten
Entladungen an dem Seilende verursachte. Zwar ist
nicht von einer starken Materialerosion oder gar einem betriebsgefährdenden Zustand auszugehen, dennoch sind Funkstörungen und Geräuschbelästigungen
der benachbarten Umgebung möglich. Dieses sollte
und kann mit einfachen Mittel verhindert werden, bevor Beschwerden beim Anlagenbetreiber eingehen.
3.4
Kontaktentladungen
Während der visuellen Inspektion einer mit Hilfe der
UV-Kamera lokalisierten TE-Quelle kam es beim Berühren geerdeter Anlagenteile zu den in Bild 14 gezeigten Entladungen zwischen der Person und den Anlagenteilen.
Bild 15: Aufladung einer Person im elektrischen Feld.
Durch das elektrische Feld der in Betrieb befindlichen
und in unmittelbarer Nähe stehenden 400 kV Anlage
kam es zu einer Aufladung der auf der isoliert ausgeführten Leiter stehenden Person. Bei Annäherung der
Hand der Person an die geerdeten Anlagenteile folgte
eine Entladung.
Sicherlich liegt in diesem Fall keine Betriebsgefährdung oder Störung vor. Mögliche Konsequenzen einer
derartigen, unerwarteten Entladung können jedoch
Schockreaktionen sein, welche wiederum zu fatalen
Unfällen führen können. Somit kommt diesem Beispiel der sich entladenden Person eine besondere Bedeutung zu, mit der sich z. B. die Sinnhaftigkeit des
Tragens isolierender Schutzhandschuhe auch bei Arbeiten an spannungsfreien und geerdeten Anlagenteilen in der Nähe in Betrieb befindlicher Hochspannungsanlagen eindruckvoll belegen lässt.
3.5
Reflektionen an Metallteilen
Koronaentladungen sollen nicht nur an in Betrieb befindlichen Betriebsmitteln der elektrischen Energieversorgung, sondern auch bei Prüfungen und Untersuchungen im Labor vermieden werden. Gerade bei den
Laborversuchen können nur so definierte und reproduzierbare Bedingungen gewährleistet werden. In
hochfeldbelasteten Aufbauten kann es dabei durch
UV-initiierte Vorionisierungen zu ungewollten, spontanen Entladungen und sogar Überschlägen kommen.
Bild 14: Entladungen zwischen einer aufgeladenen
Person und geerdeten Anlegenteilen.
Ursache für die Entladungen war die in unmittelbarer
Nähe in Betrieb befindliche 400 kV Anlage sowie die
isoliert ausgeführte Leiter, was schematisch in Bild 15
dargestellt ist.
Das dabei der eingesetzten Beleuchtungseinrichtung
eine besondere Rolle zukommt, ist bei der Planung
und Durchführung nicht immer berücksichtig: So zeigte sich bei zahlreichen Einsätzen des UVKamerasystems in verschiedenen Laboratorien, dass
es durch die Beleuchtungseinrichtung zu einer nicht
unerheblichen UV-Emission kommt. Diese wirkt nicht
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nur direkt von der lichtemittierenden Quelle, sondern
auch von den reflektierenden Metallteilen. Zur Verdeutlichung wurde der in Bild 16 schematisierte Prüfaufbau verwendet, bei dem während der Beleuchtung
mit verschiedenen Lampensystemen eine Steuerelektrode mit dem UV-Kamerasystem beobachtet wurde.
Beleuchtungssystem:
1
2
3
UV-Emission
Metallelektrode
UV
Kamera
4
In dem mehrjährigen Einsatz konnten umfangreiche
Erfahrungen im Umgang und mit der Anwendung eines deutschlandweit einmaligen UV-Kamerasystems
gesammelt werden. Durchgeführte Begutachtungen
zeigten dabei immer wieder typische Entladungsstellen in Umspannanlagen auf, die sich sicherlich konstruktionsbedingt oder durch die Wahl geeigneter Betriebsmittel und Armaturen hätten vermeiden lassen
können. Zu einem geringen Prozentsatz kommen weiterhin Montagemängel und Alterungserscheinungen
sowie Defekte als Urasche für Korona-Entladungen
hinzu.
Die dargelegten Beispiele wurden nicht im Rahmen
turnusmäßiger Routine-Untersuchen oder Inbetriebnahmeprüfungen durchgeführt. Vielmehr lagen jeweils
Handlungsfälle vor, bei denen zuvor durchgeführte
Untersuchungen mit den klassischen Methoden der
Teilentladungsortung versagt haben. Zahlreiche positive Ergebnisse belegen dabei den sinnvollen Einsatz
eines derartigen Systems nicht nur im Anlagenbereich,
sondern auch im Labor und Schulungsbereich.
3
Bild 16: Aufbau mit verschiedenen Lichtquellen zur
Demonstration der Reflektion von UV-Emissionen an
Metallteilen.
Beispielhaft ist in Bild 17 eine UV-emittierende Beleuchtungseinrichtung eines Hochspannungslaboratoriums und die reflektierte UV-Emission an einer Steuerelektrode dargestellt.
a)
b)
Bild 17: Demonstration der Reflektion von UVEmissionen an Metallteilen.
a) UV-emittierende Beleuchtungseinrichtung eines
Hochspannungslaboratoriums.
b)Reflektierte UV-Emission an einer Steuerelektrode.
Nicht nur die direkte sondern auch die indirekte UVemission kann zu ungewollten Teilentladungen und
sogar Durchschlägen führen. Gerade grenzwertig ausgeführte Aufbauten für Stoß- und Gleichspannungsprüfungen reagieren hier empfindlich, was immer
wieder zu Problemen führt.
Zusammenfassung
Literatur
[1] Borneburg, D.: Detektion, Lokalisierung und
Echtzeitdarstellung von Korona-Entladungen an
elektrischen Betriebsmitteln mittels Visualisierung der UV-Emission, ETG Fachbericht Nr. 97,
Diagnostik elektrischer Betriebsmittel, Köln,
2004, S. 73…78
[2] Borneburg, D.: Visuelle Detektion und Lokalisierung von Korona-Entladungen bei Tageslicht,
Netzpraxis, November 2003, S. 18...20
[3] Borneburg, D.: Surface Discharge at RWE Eurotest Lab, http://www.seeing-corona.com, Stand
01.01.2004
[4] Lindner, P.; Mendelson, A.: DayCor II Advanced
Usage, 2002 users group meeting, Atlanta,
22...23 Oktober, 2002