Einleitung/Systematik der Kabelfehlerortung
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Kabelfehlerortung an Energiekabeln Vorortung mit Lichtbogenreflexionsverfahren Inhalt: 1. 2. 3. 4. 5. Einleitung ARM® ARM® Plus DECAY Plus ARM®-Brennen 1. Einleitung Mehr als 80 % der Kabelfehler sind hochohmige Fehler. Diese Fehler erzeugen keine oder sehr geringe sichtbare Impedanzänderungen und können mit dem klassischen Impulsreflexionsverfahren nicht lokalisiert werden. Die klassische Wandlung eines hochohmigen Fehlers in einen niederohmigen Fehler mit einem leistungsstarken Brenngerät wird immer seltener eingesetzt. Leistungsstarke Brenngeräte dienen heute der Änderung des Fehlerwiderstandes in nassen Kabeln und zur Vorortung in Verbindung mit dem ARM®-Brennen (Lichtbogen-Brennen). In der Kabelfehlerortung hat sich bei der Anwendung verschiedener Vorortungsmethoden stets die Kombination eines Hochspannungsverfahrens mit dem Impulsreflexionsverfahren durchgesetzt und bewährt. Für einen an der Fehlerstelle brennenden Lichtbogen wird der Reflexionsfaktor r = -1 angesetzt, da der Fehlerwiderstand dort gegen Null geht, d. h. fast einen Kurzschluss darstellt. Die Ortung der Fehlerstelle wird durch den Vergleich eines aufgenommenen Reflexionsbildes ohne diesen brennenden Lichtbogen (Referenzbild) mit einem Reflexionsbild, das bei stehendem Lichtbogen aufgenommen wurde, ermöglicht. Dabei laufen an der Position des gezündeten Lichtbogens, welche dem Fehlerort entspricht, die beiden gemessenen Kurven auseinander. Zur Zündung eines Lichtbogens an der Fehlerstelle werden im Wesentlichen drei Grundprinzipien verwendet: 1. 2. 3. Zündung des Lichtbogens durch eine schlagartige Entladung eines geladenen Kondensators in das Kabel. (Anwendung bei allen Fehlern) Zündung des Lichtbogens mit Hilfe einer Gleichspannungsquelle durch Aufladen des Kabels bis zum Durchschlag (Anwendung bei ladbaren Kabeln) Zündung des Lichtbogens mit einem leistungsstarken Gleichspannungs Brenngerät (Anwendung bei feuchten Kabelfehlern) Um eine definierte Triggerung des Reflektometers zu ermöglichen, ist es erforderlich eine Stabilisierung des Lichtbogens und eine Verlängerung der Lichtbogenbrenndauer zu erreichen. Bei der Entscheidung des Messtechnikers für ein Verfahren muss noch geprüft werden, ob ein fehlerbehaftetes Kabel überhaupt ladbar ist und bei welcher Spannung es durchschlägt. Mit einer Gleichspannungsprüfung kann die Durchschlagspannung an der Fehlerstelle ermittelt werden. Ist z.B. der Ableitstrom im Kabel zu groß, ist das Kabel nicht ladbar. Für diesen Fall ist ein Verfahren mit Aufladung des Kabels nicht einsetzbar, sondern es müssen HVImpulsreflexionsverfahren gewählt werden, welche auf Basis der Entladung eines Stoßkondensators arbeiten. Allerdings ergibt sich diese Entscheidung ohnehin, denn ein nicht ladbares Kabel hat eine niedrige Zündspannung, also die beste Voraussetzung für ARM Verfahren. 2 Prinzipiell bestehen alle Geräte, die zu den Lichtbogenreflexionsverfahren eingesetzt werden aus folgenden Grundkomponenten: 1. Einer Gleichspannungsquelle (kann auch das Brenngerät sein) 2. Einem Stoßgenerator, bestehend aus: a. Stoßkondensator b. Schalter, der den Stoßkondensator in das Messobjekt entlädt 3. Einem Filter, der die zur Lichtbogenstabilisierung erforderliche Verlängerung der Kondensatorentladung bewirkt. a. Induktiv (eine Spule bewirkt die Lichtbogenverlängerung) b. Resistiv (ein Widerstand verzögert die Entladung des Kondensators) c. Aktiv (über eine weitere Stoßeinheit mit niedriger Spannung) 4. Einer Koppeleinheit, die die zur Messung erforderlichen Impulse selbst erzeugt oder die Messimpulse des Reflektometers in die Hochspannung einkoppelt. Hochspannung Hochspannungsquelle Hochspannung Energietrennfilter DC Generator Stoßgenerator Brenngerät Koppeleinheit Reflexionsmessgerät Teleflex MX Teleflex T 30-E Kabelende Kabelfehler Messimpuls Referenzbild: ohne Hochspannung Fehlerbild: mit Hochspannung Messimpuls Bild 1: Prinzipschaltbild Vororten ARM® Hochspannungsmethoden Folgende Verfahren für die HV-Lichtbogenreflexionsmessung stehen, neben weiteren Möglichkeiten, als Auswahl zur Verfügung: ARM® für ladbare und nicht ladbare Kabelfehler, kurze Fehlerentfernungen. Als ARM Verfahren gelten resistive wie auch induktive Methoden LSG 3E ARM® Plus für ladbare und nicht ladbare Kabelfehler, große Fehlerentfernungen ARM® Brennen für ladbare und nicht ladbare Kabelfehler, feuchte Fehler DECAY Plus für ladbare Kabelfehler bis 80 kV 3 Referenzbild ohne Lichtbogen am Fehler Kabelende sichtbar – positive Reflexion Fehlerbild mit Lichtbogen am Fehler Fehler sichtbar - negative Reflexion Bild 2: Referenz- und Fehlerbild Da ein Energiekabel in den wenigsten Fällen ein sauberes, ungestörtes Reflexionsbild erzeugt, sondern immer Änderungen, Muffen und andere Einflüsse aufweist, ist ein Fehler in einem normal gemessenen Reflektorgramm für den Anwender nur selten erkennbar. Daher bestehen die ARM Verfahren grundsätzlich aus einem Gesund- und einem Fehlerbild. Nur der direkte Vergleich erlaubt die sofortige eindeutige Identifizierung der Fehlerstelle. Die beiden Messungen finden dabei generell am gleichen Leiter statt. Da das Referenzbild mit niedrigerer Spannung oder als normales Reflektogramm ohne Hochspannung gemessen wird, ist dort der Fehler nicht sichtbar. Erst die Verwendung der Hochspannung erzeugt an der Fehlerstelle eine deutliche negative Reflektion. Ausnahmen sind Fehler, die durch ihre Eigenschaften schon im Gesundbild als negative Reflexion erscheinen. Hier kann es vorkommen, dass Gesund- und Fehlerbild fast oder ganz identisch sind. Dieser Fakt wird aber bei einem korrekt durchgeführten Messablauf schon dadurch erkannt, dass bei der Isolationsmessung der Fehlerwiderstand deutlich unter 100 Ohm liegt. En weiteres Problem ist der Abriss. Hier können verschiedene Effekte auftreten: a. Die Kabelenden sind soweit voneinander getrennt, dass kein Überschlag stattfindet. Wichtig ist hier, erst einmal zu verifizieren, dass das sichtbare „Ende“ wirklich dem Kabelende entspricht! Zeigt sich bei der Fehlerortung, dass hier ein Abriss vorliegen könnte, sollte das ferne Ende geerdet werden. Dieser Vorgang würde sich bei intaktem Kabel sofort am Reflektometer nachverfolgen lassen. (siehe Fehlerklassifizierung). Wenn dieses Erden am fernen Ende nicht sichtbar ist, d.h. kein Wechsel der Polarität am „Ende“ stattfindet, so liegt mit Sicherheit ein Abriss vor. Beim Stoßen auf das geerdete Ende zeigt sich jetzt ein umgekehrtes Verhalten im Vergleich zum normalen Parallelfehler. Das Gesundbild zeigt ein „Ende“ (54,9 m), das Fehlerbild zeigt ein längeres Kabel mit einer kleinen Reflexion an der Fehlerstelle, aber mit negativer Reflexion am echten Ende (130,7 m). 4 Bild 3: ARM Verhalten bei einer Leiterunterbrechung b. Ein anderes Problem, welches bei kompletten Abrissen auftritt, ist der Durchschlag in eine der Paralleladern, die bei korrektem Anschluss und Aufbau der Messanordnung geerdet sein sollten. D.h. der Messimpuls läuft unter Umständen nicht zum Ende des Kabels, sondern über den Parallelleiter zurück zum geerdeten Anfang des Kabels. Das dabei entstehende Reflektogramm kann aufgrund des völlig unerwarteten Verlaufs sehr irritierend sein. Bei solchen Kabelfehlern zeigt sich vor allem, wie wichtig die Befolgung der allgemeinen Regeln und vor allem der Sicherheitsregeln ist. Wer von Anfang an die Fehlerortung in der korrekten Reihenfolge durchführt, wird selten in eine Situation geraten, in der das Verhalten des Kabels unlogisch und unverständlich erscheint. Eine noch so hoch technisierte Fehlerortung wird nicht zum Erfolg führen, solange die elementaren Regeln der Kabelfehlerortung nicht befolgt werden. Eine automatische Messung, wie sie das Centrix Fehlerortungssystem bietet, wird anhand der vorprogrammierten Abfolge bei der Fehlerortung die meisten Fehler aufdecken. Dadurch vereinfacht und beschleunigt sich der Fehlerortungsvorgang. Solche Fehler wird es aber nicht erkennen können. Hier ist nach wie vor die aktive Mithilfe des Anwenders erforderlich. 5 ARM® (Arc Reflection Method) 2. ARM® Verfahren (induktiv) Das klassische Verfahren ARM® wurde 1965 von HDW patentiert. Bei diesem Verfahren erfolgt die Entladung eines Stoßkondensators über eine optimierte Serienimpedanz zur Zündung des Lichtbogens an der Fehlerstelle. Nach dem Abklingen der Wanderwellen, welche die Messung stören würden, erfolgt der Ausschwingvorgang nach einer abklingenden sinusförmigen Schwingung mit einer Frequenz von ca. 300 Hz (abhängig von der Prüflings-Systemkonstellation). Die Triggerung des Reflektometers und die Auslösung des Messimpulses erfolgen im ersten Strommaximum der abklingenden Schwingung. Der Messimpuls wird im Reflektometer erzeugt. Die maximal erreichbare Impulsamplitude ist ca. 65 V bei einer Impulsbreite von 5 µs. Dieses Verfahren ist dadurch insbesondere für die Messung an Energiekabeln mit einer Gesamtlänge von ca. 5 bis 8 km geeignet. Positive Ergebnisse wurden auch bei Fehlerentfernungen bis 10 km erreicht. Der in seiner Amplitude kleinere Messimpuls aus dem Reflektometer hat den Vorteil, dass der Anfangsbereich auf dem Reflektogramm nicht durch den Messimpuls selbst überdeckt wird. Das ARM®-Verfahren eignet sich daher besonders gut für kurze Kabellängen (bis 2 km) und kleine Fehlerzündspannungen. Die Impulsbreite des Messimpulses sollte bei der ersten Messung nicht unter 500 ns liegen. Bei kurzen Fehlerentfernungen kann im zweiten Schritt zur Erhöhung der Genauigkeit die Impulsbreite reduziert werden. 0 ETF MV Stoßgerät = G Teleflex Bild 4: Prinzipschaltbild für das ARM® Verfahren zur Lichtbogenstabilisierung Systeme: Surgeflex 8-1000 Surgeflex 15/25 kV SPG 40/Compact city Centrix 1 und 3 System R30 1 Einzeln M 219 6 Doppelstoßverfahren Bei hohen Stoßspannungen über 12 bzw. 16 kV wird das Doppelstoßen zur Stabilisierung des Lichtbogens angewandt. (Centrix: 16/32 kV plus 4 kV, System R30: 25/50 kV plus 12 kV Stoßgenerator). Bei einem Doppelstoßverfahren wird der Fehler mit der hohen Spannung zuerst nur gezündet. Die während der Zündung stattfindende Ionisationsphase würde aber bei solch hohen Spannungen kein stabiles Bild ermöglichen. Daher wird, sobald ein ausreichend hoher und stabiler Strom fließt, ein weiterer Stoßkondensator mit der oben beschriebenen geringeren Spannung in den stehenden Lichtbogen entladen und verlängert bzw. stabilisiert diesen deutlich, was dann wiederum eine zuverlässige Messung ermöglicht. ETF HV Stoßgerät = G Teleflex MV Stoßgerät = G Bild 5: Prinzipschaltbild für das ARM® Verfahren zur Lichtbogenstabilisierung durch Doppelstoßen 2 Bild 6: ARM® Verfahren an einem 8 km Kabel 7 ARM®-Verfahren (aktiv) Eine dem ARM®-Verfahren und dem Doppelstoßen ähnliches Verfahren ist die Lichtbogenstabilisierung. Hier wird über einen zusätzlichen Stoßkondensator mit 2 kV der vorher mit höherer Spannung gezündete Lichtbogen stabilisiert, und dann mit dem Reflektometer in den stehenden Lichtbogen gemessen. Das LSG 3E kann mit seinem 2 kV Stoßkondensator auch direkt als Vorortungsgerät im Niederspannungsnetz eingesetzt werden. Die Impulsbreite des Messimpulses sollte bei der ersten Messung nicht unter 500 ns liegen. Bei kurzen Fehlerentfernungen kann im zweiten Schritt die Impulsbreite reduziert werden. Systeme: Classic Einzeln LSG 3E ARM® Verfahren (passiv / resistiv) Die einfachste Art der Verlängerung eines Lichtbogens erfolgt über Widerstände. d.h. die Entladung des Stoßkondensators wird durch einen in Serie geschalteten Widerstand mit typischen 300 Ohm verlängert. Die Methode wird als KLV (Kurzzeit Lichtbogen Verfahren) oder als SIM, auch S.I.M., (Sekundärimpulsmethode) bezeichnet. Einer der wesentlichen Nachteile dieser Methode ist, dass eine Spannung, die über einen Widerstand entladen wird, dadurch auch immer reduziert wird. Folglich ist es nicht immer möglich, Fehler mit hoher Zündspannung wirklich zum Durchschlag zu bringen, bzw. dass die vorher festgestellte Durchschlagspannung des Fehlers nicht unbedingt den Leistungsparametern des genutzten Stoßgenerators gleichzusetzen ist. Vorteilhaft ist die handliche Größe, das Gewicht und der günstige Preis eines solchen einfachen Filters. In der Regel müssen mehrere Messungen durchgeführt werden. Eine Abspeicherung der einzelnen Messungen ist immer empfehlenswert, sie erfolgt bei der Verwendung des Teleflex MX bereits automatisch. Die Impulsbreite des Messimpulses sollte bei der ersten Messung nicht unter 500 ns liegen. Bei kurzen Fehlerentfernungen kann im zweiten Schritt die Impulsbreite reduziert werden. 3 Systeme: Surgeflex 32 kV Classic (optional) Einzeln LSG 300 8 4 ARM® Plus-Verfahren 3. Das ARM® Plus-Verfahren ist ein Verfahren mit aktiver Lichtbogenstabilisierung für Kabelfehler bis zu einer maximalen Stoßspannung von 32 kV. Es basiert auf der Erzeugung eines Hochspannungsmessimpulses für die Laufzeitmessung. In der Fehlerstelle wird ab 16 kV durch das so genannte Doppelstoßprinzip ein stabiler Lichtbogen mit hinreichend langer Brenndauer gezündet. Die eigentliche Stabilisierung des Lichtbogens wird dabei durch das Einkoppeln einer weiteren, auf einem definierten Wert aufgeladenen Stoßkondensatorebene (4 kV), erreicht. Die Lichtbogenbrenndauer ist von den sich aus der Anordnung Messobjekt - Messsystem ergebenden Schwingkreisparametern und der kabellängenabhängigen Dämpfung abhängig und liegt im Bereich von wenigen ms. Der Messimpuls zur Fehlerortung entsteht durch die Stoßentladung eines Impulskondensators über Funkenstrecken und hat eine maximale Impulshöhe von 1500 V. Die vergleichsweise sehr energiereichen Messimpulse ermöglichen eine Fehlerortung an Energiekabeln bis ca. 10 km Länge. Die Auskopplung des Signals an das Reflektometer erfolgt hierbei durch eine Rogowski Spule im Fußpunkt des Impulskondensators. Die Fehlerstelle wird an der Aufspreizung der beiden Kurven (zwischen Gesund- und Fehlerbild) an der Fehlerposition erkannt. HV Stoßgerät 16 / 32 kV = G DC Supply 1 kV 200 V MV Stoßgerät 4 / 8 kV Teleflex Bild 7: Prinzipschaltbild für das Verfahren zur Lichtbogenstabilisierung ARM® Plus 9 5 Bild 8: ARM® Plus Verfahren an einem 8 km Kabel Systeme: Centrix 1 Centrix 3 6 10 4. Decay Plus Verfahren Das Verfahren Decay Plus gestattet die Fehlervorortung an ladbaren Kabeln mit sehr hohen Zündspannungen bis zu 80 kV. Es erweitert das durch die maximale Ladespannung der Stoßkondensatoren in der Höhe der Fehlerzündspannung begrenzte ARM® Plus-Verfahren auf die Prüfspannungsgrenze von 80 kV. Der Lichtbogen wird bei geschlossener Arbeitsfunkenstrecke durch das Aufladen des Kabels bis zum Überschlag an der Fehlerstelle gezündet. Die Verlängerung des Lichtbogens wird durch das Einkoppeln einer auf einen definierten Wert aufgeladenen „unteren" Stoßkondensatorebene (4 kV) erreicht. Man erhält einen stabil brennenden Lichtbogen an der Fehlerstelle, welcher als Reflexionsspiegel für den Messimpuls dient. Der Messimpuls entsteht auch hier durch die Entladung eines Impulskondensators über Funkenstrecken mit einer maximalen Impulshöhe von 1500 V. Der ebenfalls sehr energiereiche Messimpuls ermöglicht auch mit diesem Verfahren eine Fehlerortung bei Energiekabeln bis ca. 10 km Länge. Die Fehlerstelle wird an der Aufspreizung der beiden Kurven (zwischen Gesund- und Fehlerbild) an der Position des Fehlers erkannt und hat einen im Prinzip identischen Verlauf im Vergleich zum Verfahren ARM® Plus. DC Generator bis 80 kV = G Stoßgerät 200 V 1 kV Systeme: Centrix 1 Centrix 3 Teleflex Bild 9: Prinzipschaltbild für das Verfahren zur Lichtbogenstabilisierung Decay Plus Bild 10: DECAY Plus, Referenz- und Fehlerbild 11 5. ARM®-Brennen Brennen ist trotz aller anderen verfügbaren Technologien nicht ganz aus der Kabelfehlerortung verschwunden. Speziell nasse Muffen und ähnliche Probleme bringen die meisten anderen Methoden schnell an die physikalischen Grenzen. Um einen Brennvorgang so einfach und effektiv wie möglich zu gestalten, wurden ARM® und Brennen kombiniert. d.h. während des Brennvorganges findet zeitgleich auch eine kontinuierliche Lichtbogenreflexionsmessung statt. Dabei erlaubt diese Technik, die Änderung des Fehlers am Bildschirm mitzuverfolgen. Die Fehlerentfernung ist sofort messbar und das System stoppt den Brennvorgang automatisch, sobald ein stabiler niederohmiger Zustand erreicht ist. Wie bei allen anderen Lichtbogenverfahren werden dann ein Referenz- und ein Fehlerbild verglichen. Eine zusätzliche Vorortung ist nicht nötig, es kann direkt vom Brennen zur Nachortung übergegangen werden. Der Vorteil dieser Methode im Vergleich zum konventionellen Brennen ist der kontrollierte Vorgang, der das eigentliche Brennen auf die minimal erforderliche Zeit begrenzt. Dadurch erfolgt dieses Brennen so kurz und kabelschonend wie möglich. Ι ETF R Brenngerät = G Teleflex Bild 11: Prinzipschaltbild für das Verfahren ARM®-Brennen Systeme Centrix 1 Centrix 3 System R30 Zusätzlich zu den Lichtbogenreflexionsverfahren existieren noch die sogenannten transienten Verfahren der Strom- und Spannungsauskopplung. Diese Verfahren sowie deren unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten werden in einem der nächsten Berichte beschrieben. 12
