Einleitung/Systematik der Kabelfehlerortung

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.
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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
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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).
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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.
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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
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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
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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
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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
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5
Bild 8: ARM® Plus Verfahren an einem 8 km Kabel
Systeme:
Centrix 1
Centrix 3
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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
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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.
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