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Forschung an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik#

Optische Erfassung von Teilentladungen zur Zustandsbewertung#


Von
Dipl.-Ing. Dr.techn. Robert Schwarz
O.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Hans Michael Muhr


Institut für Hochspannungstechnik

Dipl.-Ing. Dr.techn. Robert Schwarz
Robert Schwarz

O.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Hans Michael Muhr
Hans Michael Muhr


© Forschungsjournal WS 05/06


Eine zuverlässige Zustandsbeurteilung und die damit in Verbindung stehenden Instandhaltungsmaßnahmen sind entscheidend für einen wirtschaftlichen Einsatz, die Verfügbarkeit und Sicherheit sowie die Nutzungsdauer von Betriebsmitteln der elektrischen Energietechnik. Zur Erreichung dieser werden Monitoring-, Analyse- und Diagnosesysteme zunehmend feste Bestandteile in modernen Anlagen. Mittels entsprechender Diagnosetechniken ist es möglich, zustandsrelevante Messgrößen aufzuzeichnen und weiterzuverarbeiten. An Hand dieser erhaltenen Daten lassen sich Veränderungen im Betriebsverhalten diagnostizieren sowie Tendenzen des zukünftigen Betriebsverhaltens erkennen, und eventuell geeignete Gegenmaßnahmen ergreifen.


Im Bereich der elektrischen Energietechnik stellt das Vorhandensein und die Stärke von Teilentladungen (TE) ein wichtiges Qualitätskriterium bei der Beurteilung der Isolierung von Betriebsmitteln dar. Durch lokale Feldstärkenerhöhungen im Bereich von Inhomogenitäten in Isoliermedien (fest, flüssig, gasförmig) sowie bei Kontaktproblemen können TE auftreten, welche die elektrische Festigkeit zwar kurzzeitig kaum beeinflussen, aber langfristig eine zerstörende Wirkung auf vorwiegend organische Isolierstoffe haben. Dies führt zu einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften und zieht langfristig den Ausfall des Betriebsmittels mit sich. Für die Auswertung und Interpretation müssen die stochastische Natur und die komplexen physikalischen Vorgänge der TE berücksichtigt werden. Ein Gesamtsystem soll diese Vorgänge erfassen und repräsentativ darstellen. Eine Vielzahl unterschiedlicher Teilentladungsquellen und -erscheinungen mit charakteristischen Eigenschaften sowie deren Überlagerungen stellen an die Diagnosesyteme hohe Ansprüche. Da TE elektrische, optische und akustische Signale hervorrufen, können diese messtechnisch erfasst werden, wobei die Wahl des Detektionsverfahren von den zu untersuchenden Betriebsmitteln abhängig ist.

In einem Forschungsprojekt am Institut wird der Einsatz spezieller Lichtwellenleitern als Kernbestandteil eines optischen Systems, welches zur Detektion und Ortung von TE in unterschiedlichen Isoliermedien entwickelt wurde, untersucht.

Die optische Teilentladungserfassung beruht auf dem Prinzip der Erfassung des von den TE erzeugten Lichtimpulses, hervorgerufen durch Ionisierung-, Anregung- und Rekombinationsprozesse während einer Entladung. Das dabei entstehende Spektrum wird vorwiegend vom Isoliermedium und seinem physikalischen Zustand (z.B. Druck) bestimmt. Das optische Spektrum reicht vom Ultraviolett- bis in den Infrarotbereich und weist spezifische Charakteristiken der Isoliermedien auf.

Abb.1: Schematischer Aufbau des Messsystems für konventionelle und optische Teilentladungserfassung mit Signalaufbereitung und Ergebnisausgabe, © Forschungsjournal WS 05/06
Abb.1: Schematischer Aufbau des Messsystems für konventionelle und optische Teilentladungserfassung mit Signalaufbereitung und Ergebnisausgabe
© Forschungsjournal WS 05/06
© Forschungsjournal WS 05/06
© Forschungsjournal WS 05/06

Zur Signaleinkopplung werden dabei spezielle optische Fasern eingesetzt, die eine richtungsunabhängige Lichteinkopplung über deren Oberfläche ermöglichen. Die detektierten Signale werden unter zu Hilfenahme eines Fotomultipliers mit nachgeschalteter Signalaufbereitung weiterverarbeitet. Die Ergebnisausgabe erfolgt mittels eigens konzipierter Analysesoftware. Parallel zur optischen Erfassung wird eine konventionelle Teilentladungsmessung nach IEC 60270 zur Evaluierung der Eigenschaften des optischen Systems durchgeführt.

Die gegenwärtigen Untersuchungen haben das Ziel das Einsatzgebiet von Lichtwellenleitern für die Detektion und Ortung von Teilentladungen im Inneren von elektrischen Betriebsmitteln zu erforschen, um dadurch ein zusätzliches Diagnoseinstrumentarium zu erhalten. Die Vorteile, die sich durch ein solches optisches System ergeben, sind neben der erreichbaren hohen Empfindlichkeit, die galvanische Trennung zwischen Hochspannungs- und Messkreis und die Unempfindlichkeit gegenüber auftretenden elektromagnetischen Feldern.

Gute Fortschritte durch den Einsatz der Lichtwellenleiter-Technologie und deren Übereinstimmung mit konventionellen Verfahren bestätigen diesen zukunftsweisenden Weg, wobei auch neue Alternativen zur Implementierung der Sensoren innerhalb des Betriebsmitteln (z.B. Transformator) untersucht und entwickelt werden.