Alterungsverhalten von VPE-isolierten Hochspannungskabeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurden zunächst verschiedene elektrische und nicht elektrische Verfahren zur Diagnostik von VPE-isolierten Energiekabeln für Hochspannungsanwendungen hinsichtlich ihrer Eignung zur Zustandsbewertung der Isolierung miteinander verglichen. Dazu wurden zahlreiche Alterungskollektive eines VPE-isolierten Modellkabels aktueller Fertigungstechnologie mit unterschiedlichen elektrischen, thermischen und kombiniert elektrischen und thermischen Beanspruchungen für verschiedene Alterungszeiten bis zu maximal einem Jahr erzeugt. Die Parameter elektrische Feldstärke EA, Leitertemperatur ϑA und Alterungsdauer tA dienten als eindeutig beschreibende Eingangsgrößen. Bei den angewandten Diagnosemethoden stellten sich insbesondere dielektrische Verfahren im Zeit- und Frequenzbereich, wie die Messung und Auswertung isothermer Depolarisationsströme und die Bestimmung des dielektrischen Verlustfaktors bei Frequenzen kleiner als 1 Hz, sowie NMR-Untersuchungen, die zur Erfassung materialmorphologischer Parameter verwendet werden können, als geeignet heraus. Diese Techniken können zerstörungsfrei an vollständigen Kabelgeometrien eingesetzt werden. Zurzeit sind NMR-Methoden nur für vergleichsweise harte polymere Materialien wie VPE mit hinreichender Genauigkeit anwendbar. Eine Übertragung auf spezielle Geometrien und Schichtstrukturen wurde im Rahmen anderer Projekte in ihrer grundsätzlichen Machbarkeit gezeigt. Die mit Hilfe dieser Verfahren ermittelten Kennwerte charakterisieren den Zustand der Polymerisolierung in der Art, dass sie sensitiv auf Veränderungen der ursprünglichen Beanspruchungsgrößen reagieren und Trendverläufe erkennbar sind. Diese Tatsache ermöglicht im einfachsten Fall die Festlegung starrer Grenzwerte zur Unterscheidung von „guter" und „schlechter" Isolierung. Diese Vorgehensweise sollte jedoch nur als erste, vergleichsweise grobe Näherung betrachtet werden, da aufgrund von komplexen Wechselwirkungen bei simultanen Alterungsbeanspruchungen die reale Situation sich anders verhält. Im Rahmen der Untersuchungen wurde festgestellt, dass die mit den erwähnten Diagnose verfahren detektierbaren Veränderungen des Isolationszustandes in der Regel erst auftreten, wenn die Beanspruchungsparameter charakteristische Schwellwerte überschritten haben. Es konnte diesbezüglich ein Zusammenhang mit Modifikationen der Materialmorphologie hergestellt werden, obgleich VPE-Isolierungen aktueller Fertigungstechnologie im untersuchten Beanspruchungszeitraum ein weitgehend stabiles Verhalten hinsichtlich ihres Isolationszustandes aufweisen. Die den Isolationszustand in geeigneter Weise beschreibenden, zuvor experimentell ermittelten Kennwerte dienen in einem entwickelten Modellierungs verfahren für Lebensdauervolumina als Eingangsdaten. Mit Hilfe von Methoden der wissenschaftlichen Visualisierung aus dem Bereich der Computergraphik kann eine volumerische Darstellung der Kenngrößen mit den Beanspruchungsparametern EA, ϑA und tA als Raumachsen erzeugt werden. Dabei dienen die experimentellen Eingangsdaten als Stützstellen, die mittels Hermite-Interpolationen und Delaunay-Triangulationen um weitere Stützpunkte ergänzt worden sind. Bei dem vorgestellten Verfahren kann auf eine willkürliche Vorgabe von „fitting parameter" in analytischen Ausdrücken verzichtet werden. Es erfordert eine regelmäßige Erweiterung der Eingangsdaten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Dielectric and electric parameters used for insulation characterization of multistress aged XLPE-cables. Proceedings of the 13th International Symposium on High Voltage Engineering, 25 - 29 August 2003, Delft, The Netherlands, paper 120
Reuter, M.; Gockenbach, E. ; Borsi, H.
- Impact of multistress aging on the dielectric relaxation behaviour of XLPE-cable insulation. Proceedings of the 2004 International Conference on Solid Dielectrics, 5 - 9 July 2004, Toulouse, France, vol. 1, pp. 339 - 342
Reuter, M.; Gockenbach, E.; Borsi, H.
- Synergie phenomena of multistress aged XLPE-cable insulation investigated by the evaluation of depolarisation current measurements and nuclear magnetic resonance. 2004 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 17-20 October 2004, Boulder, USA, pp. 267 - 270
Reuter, M. ; Gockenbach, E. ; Borsi, H. ; Kremer, K. ; Blümich, B.
- Dielectric spectroscopy of multistress aged XLPE-cable insulation for examination of synergic effects. 2005 International Symposium on Electrical Insulating Materials, 5 - 9 June, 2005, Kitakyushu, Japan, paper B4-5
Reuter, M. ; Gockenbach, E.; Borsi, H.
- Synergism of multistress aged XLPE-cable insulation - grasp of interaction. Proceedings of the 14th International Symposium on High Voltage Engineering, 25 - 29 August 2005, Beijing, China, paper 1-08
Reuter, M.; Gockenbach, E.; Borsi, H.
- A numerical method for 3D-description of scattered characteristic aging data from multistress aged XLPE-cable insulation. International Conference on Insulated Power Cables, Versailles, 2007, contribution C 7.1.17
Reuter, M. ; Gockenbach, E. ; Borsi, H.
