Damped AC Testing

Hintergrund

Das Stromkabel gilt als kapazitive Anlage. Bei Verwendung einer Wechselstromquelle für Hochspannungsprüfungen wäre die Größe der Energiequelle enorm und schwer zu bewegen. In diesem Fall wird oft ein Wechselstrom-Resonanzprüfsystem als Ersatz verwendet, obwohl die notwendige Vorrichtung sehr sperrig ist.


Anderseits besteht bei Verwendung von Gleichstrom die einzige Schwierigkeit im Ladestrom des Kabelsystems und die Energiequelle ist klein und leicht zu tragen. Allerdings gibt es einige nennenswerte Nachteile bei der Verwendung von Gleichstrom bei der Prüfung von XLPE-Kabeln: unterschiedliche elektrische Feldverteilung zwischen Wechselstrom und Gleichstrom, Raumladung, Defekte können nicht entdeckt werden, Förderung der Entwicklung eines „Water Tree“ in einen „Electrical Tree“, etc.

Derzeit gibt es zwei Alternativen: Längstwelle (VLF)
und gedämpfte Wechselspannung (DAC)..

In der VLF-Prüfung kann die Senkung der Prüffrequenz effektiv die Leistung, die benötigt wird, um das Kabelsystem unter Spannung zu setzen, reduzieren und dadurch kann die Leistung der Prüfenergiequelle reduziert werden. Bei der DAC-Prüfung wird das Testobjekt mit Gleichstrom geladen und die Kapazität des Kabelsystems wird zur Interaktion mit dem zusätzlichen Induktor verwendet, um natürliche Resonanz zu erzeugen. Dann entsteht eine dämpfende oszillierende Wechselspannung, welche dämpfende Wechselspannung genannt wird. Während des Ladeprozesses steigt die angewendete Spannung ununterbrochen bis sie die Prüfspannung erreicht und löst bald einen Kurzschluss aus, um natürliche Resonanz zu erzeugen. Diese Methode nutzt die kleine Größe des Gleichstroms und die Spannungs-Kennlinie des Wechselstroms.
Abbildung 1 zeigt die Prüfstruktur von DAC.  

Teilentladungsmessung

Die Messung der Teilentladung (TE) unter Verwendung des DAC-Systems steht in Einklang mit der Standardprüfung nach IEC 60270. Wie Abbildung 1 zeigt, verfügt das Prüfsystem über einen eingebauten Kopplungskondensator; basierend auf dem Prüfgegenstand wird der Filter unterschiedlich programmiert: bei der Standardprüfung beträgt die Frequenz <500 kHz, bei der TE-Messung beträgt die Frequenz zwischen 150 kHz und 45 MHz.


Während der TE-Messung wird die Standardprüfmethode angewendet (500 kHz LPF). Das Messinstrument zeichnet die Spannungs- und TE-Wellenform auf, die verwendet werden, um das Vorliegen eines TE-Phänomens zu bestimmen. Abbildungen 2 und 3 zeigen jeweils die Wellenform mit bzw. ohne TE-Signal. In Abbildung 2 gibt es an jedem Spannungszyklus kein ungewöhnliches Impulssignal, d.h. keine TE-Aktivität. In Abbildung 3 erscheint ein Impulssignal an einem spezifischen Quadranten im Spannungszyklus, welches den Nachweis für TE-Aktivitäten erbringt, was eine weitere Analyse der Impulswellenform notwendig machen würde, um die Quelle des Signals zu bestimmen.
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Lokalisierung der Teilentladung

Abbildung 4 ist eine schematische Darstellung der TE-Lokalisierung, wobei die Gesamtlänge des Kabels einen Meter beträgt und die Quelle der TE sich x Meter vom Prüfende entfernt befindet; △t ist der Zeitunterschied der beiden beobachteten Signale und das TE-Signal bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von v m/ms.

 
Abbildungen 5(a)(b) zeigen die Ergebnisse der TE-Messung, aus der sich der Nachweis eines Impulssignals ergibt, und Abbildungen 5(c)(d) zeigen die erweiterte Wellenform von 5(a)(b). Abbildung 5(e) zeigt das Analyseergebnis basierend auf vorheriger Berechnung.
Abbildung 5(a) zeigt die Oberflächenentladung am Kabelabschluss.
Abbildung 5(b) zeigt die Teilentladung in der Kabelverbindung.

   

FAQs

 

• F1: Wird bei der DAC-Prüfung die Isolierung durch Gleichstrom belastet?

  Nein.
  Gemäß der Grundlagen elektrischer Spannungsfelder wird bei der DAC-Prüfung mit gedämpfter Wechselspannung gearbeitet und somit die Isolierung nur mit Wechselspannung belastet.
   

• F2: Verfügt DAC über gut definierte Prüfparameter?

  Ja.
  DAC-Prüfspannung ist durch [7, 8] gegeben und die höchste DAC-Stehspannung wird durch die Spannungsscheitelwerte VDAC bzw. RMS-Werte VDAC/√2 des ersten DAC-Zyklus bestimmt. Durch Anwendung der DAC-Stehspannungsprüfung kann der Kabelabschnitt mit einer bestimmten DAC-Spannungsbelastung für eine bestimmte Zeit beansprucht werden und der Kabelabschnitt kann verworfen werden, wenn eine Störung auftritt. Außerdem sind für inhomogene Isolierungsmängel (mit TE-Vorkommnissen) DAC-Belastungen weniger schädlich als kontinuierliche Wechselstrombelastungen. Das bedeutet, dass die mikroskopische Untersuchung des Durchschlagkanals weitere Informationen über die Ursache der Störung liefern könnte.
Die DAC-Parameter sind gut definiert. Gemäß [1, 2, 3] wird die Dauer der DAC-Stehspannungsprüfung durch 50 DAC-Erregungen gegeben. Trotz der Tatsache, dass bei der Wechselstromprüfung bis zu eine Stunde Überspannung angewendet werden muss, hat sich die Anwendung von 50 DAC-Erregungen als repräsentativ erwiesen, um im Fall untersuchter Schäden die Störung zu erreichen.
   

• F3: Kann es während der DAC-Prüfung zur Entwicklung von Raumladungen kommen?

  Nein.
  Die kontinuierlich steigende Spannung während der Energiezufuhrphase führt zu einer Wechselstrom-Feldverteilung ohne Gleichstrombelastungen. Außerdem wird aufgrund der kontinuierlichen Steigerung der unipolaren Spannung kein Gleichstrom-Beharrungszustand erreicht. Aufgrund der relativ kurzen Dauer der Energiezufuhrphase (Zehntel-Sekunden) in Verbindung mit dem verwendeten elektrischen Feld (<20 kV/mm) gibt es keine Raumladungsansammlung in der Kabelisolierung. Da die Schaltung sofort nach Erreichen der festgelegten Prüfspannung folgt, wird kein Beharrungszustand erreicht. Nach der Schaltung stellt die gedämpfte Wechselstromperiode einen bipolaren Wechselstrom-Entladevorgang dar, nach welchem keine Ladungen mehr vorhanden sind.
   

• F4: Ist die DAC-Prüfung gefährlich für die Kabelisolierung?

  Nein.
  
Eine fehlerfreie Isolierung wird niemals durch eine DAC-Prüfung beschädigt. Aber im Gegensatz zu kontinuierlichen, nicht überwachten Wechselstromprüfungen mit Überspannungen von bis zu 2 Uo werden DAC-Prüfungen immer durch die TE-Erkennung überwacht. Im Fall von starken inhomogenen Defekten in der Isolierung werden TE über eine empfindliche TE-Messung entdeckt, die dazu verwendet wird, um den Abbauprozess der Isolierung zu überwachen. Daher gibt ein positives DAC-Prüfergebnis nicht nur Aufschluss über die bestandene Stehspannungsprüfung, sondern zeigt zusätzlich eine nicht durch TE beschädigte Isolierung, die für den zuverlässigen Betrieb bereit ist.

• F5: Gibt es eine Wechselstrom-Feldverteilung während der DAC-Energiezufuhr?

  Ja.
  Während der Energiezufuhrphase wirkt eine kontinuierlich steigende unipolare Spannung auf das Kabel ein. Während dieser Zeitspanne liegt nur eine kapazitive Wechselstrom-Feldverteilung vor. Während die Energiezufuhr kontinuierlich ist und sobald die Spannung erreicht ist, direkt darauf die gedämpfte Wechselstromphase folgt, kommt es zu keinem Beharrungszustand (Gleichstrom). Die kontinuierlich steigende Spannung in der Energiezufuhrphase führt zu einer Wechselstrom-Feldverteilung ohne Gleichstrombelastungen. Somit liefert die DAC-Stehspannungsprüfung eine laufende, kontinuierliche Wechselstrom-Belastung für die Dauer der Stehprüfung.

• F6: Kann die DAC-Prüfung zur Prüfung neuer Kabel nach dem Verlegen verwendet werden?

  Ja.
  Ähnlich wie die Wechselstrom-Prüfung 20 Hz bis zu 300 Hz eine Stunde, oder 24 Stunden Uo, ist die DAC-Prüfung eine der Alternativmethoden zur Prüfung neu verlegter Stromkabel bis zu 350 kV.

• F7: Kann die DAC-Prüfung für Wartungs- und Diagnoseprüfungen von reparierten und älteren gewarteten Kabeln verwendet werden?

  Ja.
  
Die Verwendung einer überwachten DAC-Prüfung für Wartungszwecke ist ein vernünftiger Weg zur Prüfung der Installationsqualität der reparierten Stelle durch die Anwendung einer DAC-Stehspannungsprüfung und die Durchführung der standardisierten TE-Erkennung.
  
  Im Fall von älteren gewarteten Kabeln ist die Kombination von TE-Erkennung und Schätzung des Verlustfaktors ein starkes Werkzeug für die Einschätzung einer älteren XLPE- und ölimprägnierten Isolierung.

• F8: Ist es möglich, mit einer DAC-Prüfung eine empfindlich standardisierte TE-Erkennung vor Ort durchzuführen?

  Ja.
  Im Gegensatz zu einem typischen mobilen Wechselstromsystem mit einem sehr hohen Grad (bis zu 1000 pC) an elektromagnetischen Störungen, weisen DAC-Systeme einen sehr geringen TE-Hintergrundgrad (unter 5 pC) und die Fähigkeit der standardisierten TE-Erkennung nach IEC 60270 auf.
   

• F9: Ist die Verwendung von DAC-Prüfungen standardisiert?

  Ja.
  Gedämpfte Wechselspannung liegt im Bereich von 20 Hz bis zu 300 Hz und ist eine sinusförmige Wechselspannung und daher werden die folgenden Prüfspannungen für Prüfungen vor Ort empfohlen:
  
  ● IEC 60840: Stromkabel mit extrudierter Isolierung und Zubehör ausgelegt auf Spannungen über 30 kV bis 
zu 150 kV Prüfmethoden und Anforderungen; 

  ●  IEC 62067: Stromkabel mit extrudierter Isolierung und Zubehör ausgelegt auf Spannungen über 150 kV; 
Außerdem sind folgende Standards anwendbar auf Vor-Ort-Prüfungen mit gedämpftem Wechselstrom:

  ● IEC 60060-3: Hochspannungs-Prüfverfahren Teil 3: Definitionen und Anforderungen für Vor-Ort-Prüfungen;
  ● IEEE 400: Richtlinien für Feldtests und Evaluierung der Isolierung von geschirmten Stromkabelsystemen 
Ausgelegt auf 5 kV und höher;

  ● HD 632 S2 (CENELEC): Stromkabel mit extrudierter Isolierung und ihr Zubehör ausgelegt auf Spannungen 
über 36 kV (Um = 42 kV) bis zu 150 kV (Um = 170 kV) 

  ●  IEEE 400.4: Richtlinien für Feldtests von geschirmten Stromkabelsystemen ausgelegt auf 5 kV und höher mit 
gedämpfter Wechselspannung (DAC) (Entwurf in Vorbereitung)

• F10. Ist die Verwendung von DAC-Prüfungen besser als die Verwendung von konventionellen kontinuierlichen Wechselstrom-Prüfungen?

  Ja.
  Aus Tabellen 1 und 2 geht hervor, dass die DAC-Technologie die modernste Art der Vor-Ort-Prüfung und Diagnose von Stromkabelnetzen ist. Viele Stromversorger, Hersteller und Dienstleister auf der ganzen Welt verwenden diese Technologie erfolgreich. Im Mittelspannungsbereich wird diese Testspannungsart seit über zehn Jahren sehr erfolgreich angewendet. In den letzten fünf Jahren konnten sehr gute Erfahrungen und Ergebnisse in der Hochspannungs- und Höchstspannungskabelprüfung gesammelt werden. Informationen über wissenschaftliche Ergebnisse, Praxisfälle und Beschreibungen der Technologie sind bereits in mehr als 100 technischen und wissenschaftlichen Publikationen und Büchern erschienen.