Sicherer Netzbetrieb durch Erkennung von betriebsgefährdenden

Sicherer Netzbetrieb durch Erkennung von betriebsgefährdenden
Zuständen in Hoch- und Mittelspannungs-Betriebsmitteln unter
Verwendung von integrierbaren faseroptischen Sensorsystemen
(„Monalisa“)
Förderkennzeichen: 03EK3531
Projektsprecher: Prof. R. Plath, TU Berlin
MOTIVATION & ZIELSETZUNG
• Früherkennung auftretender Schädigungen
• Verringerung der Ausfallzeiten, Erhöhung der Zuverlässigkeit, Ausnutzung der
zulässigen Betriebsparameter durch integriertes Betriebsmittel-Monitoring:
 Erfassung von Temperatur, Feuchte, Dehnung/Vibration
 Detektion von Teilentladungen in Schalt- und Kabelanlagen
III.
II.a
I.
•
•
Zum Nachweis der Integrierbarkeit
1. wird die Rückwirkung eingebetteter optischer Fasern auf die elektrische
Festigkeit und die Funktion der Garnitur untersucht,
Eingebettete
Sensoren
II.b
Lokale Sensorik
Anordnung in
transparentem
Silikon
Silikon
Dielektrische Charakterisierung neuartiger Silikon-Elastomere für
Hochspannungsisolierungen  MATERIALUNTERSUCHUNGEN
II. Entwicklung innovativer faseroptischer Sensortechnologien
 LOKALE (a)/ VERTEILTE (b) SENSORIK
III. Diagnose mittels Datenmanagementsystem  ZENTRALE DIAGNOSE-EINHEIT
Zentrale Diagnose-Einheit
MATERIALUNTERSUCHUNGEN
Ermittlung der elektrischen Festigkeit des neuartigen,
hochtransparenten Silikonmaterials für Garnituren
 Spannungssteigerungsversuche an Prüfkörpern
mit inhomogener Feldbelastung bei variabler
Spitze-PlatteFrequenz der Prüfspannungen
HochspannungsKugelelektrode
I.
 Durchschlagversuche an Prüfkörpern mit quasihomogener Feldbelastung und an mechanisch
belasteten Prüflingen; Übertragung der
modellbasierten Messergebnisse auf Kabelgarnituren
Masseelektrode
2. werden Raumladungsuntersuchungen zur Einschätzung der dielektrischen
Grenzflächenphänomene infolge der Einbettung von Sensoren durchgeführt.
 Eindimensionale orts- und zeitaufgelöste Raumladungsmessungen an
Plattenprüflingen; Rückschluss auf das Raumladungsverhalten der zu
untersuchenden Muffen und Endverschlüsse
II.a
LOKALE SENSORIK
• Lokale faseroptische Messung von Störungen in Schaltanlagen und
Kabelgarnituren, z. B. Teilentladungen (TE), Alterung und Temperatur
 Integration und optimale Positionierung von Sensoren in Komponenten mit
erhöhter Ausfallwahrscheinlichkeit
• Erfassung durch TE verursachter Schallwellen anhand dynamischer Längenänderungen einer auf einem nicht komprimierbaren Kern aufgewickelten
Glasfaser (Faseroptischer Ultraschall-Übertrager)
 Interferometrische Messung der Längenänderung (Sagnac-Interferometer)
Verteilte Sensorik
II.b
VERTEILTE SENSORIK
• Ortsaufgelöste faseroptische Messung an Hochspannungskabeln
(einschl. Seekabeln) über die gesamte Länge von >50 km für
mögliche Störungsszenarien, wie Kabelfreispülung, kritische Deformationen
durch Ankerwurf, Grundschleppnetze und Seegräben
• Örtlich und zeitlich aufgelöste Messung ermöglicht die Bestimmung des
Verursachers im Schadensfall
• Erfassung von Dehnung, Temperatur, Vibrationen und Feuchte zur Last- und
Strukturüberwachung
 in Hochspannungskabel integrierte Glasfasern
1. Kohärente optische Zeitbereichsreflektometrie basierend auf
Rayleigh-Streuung
2. Optische Frequenzbereichsreflektometrie basierend auf
Brillouin-Streuung
• Entwicklung von Messkonzepten
• Untersuchungen zur Integration
und zum Faserdesign hinsichtlich
Funktionstauglichkeit und
Optimierung der Sensitivität
III.
Lokale akustische Störung
Verteilt-faseroptisch gemessenes komplexes
akustisches Signal auf einem 38 m langen
Faserabschnitt einer ca. 15 km langen Sensorfaser
ZENTRALE DIAGNOSE-EINHEIT
• Entwicklung eines Diagnosesystems zur
zentralen Auswertung dezentral auflaufender
Messdaten
• Mustererkennung z. B. auf Basis eines
neuronalen Netzes
• Klassifizierung schädigender Vorgänge nach
Art, Stärke und Gefährdungspotential mittels
Expertensystems
• Frühzeitige Erkennung schädigender Prozesse,
direkte Warnung an verantwortliches Personal
•
Optimale Ausnutzung der Leistungsparameter
der Stromnetze durch steuerungstechnische
Maßnahmen und sicherheitsrelevante
Entscheidungen
Struktur der Diagnose-Einheit
Prüfstand zur
Gleichspannungsmessung
Sensor
(„Spule“)
Patent angemeldet,
DE 10 2013 104155
• Untersuchungen zur Empfindlichkeit der optischen Teilentladungsmessungen
mittels integriertem Lichtwellenleiter mit angeschlossenem
optisch-elektrischen Wandler
• Validierung im Vergleich zu konventioneller elektrischer Messtechnik
AUSBLICK
• Aufbau eines Demonstrators an einer ausgewählten Netzanlage
• Funktionstest, Optimierung und Überleitung in die kommerzielle Nutzung
Assoziierte Partner: