englisch
MOMOS

Hochspannungs-Teilentladungen besser beschreiben

Projektstatus
Begonnen

Teilentladungen an spannungsbeanspruchten Teilen des Stromnetzsystems verursachen erhebliche Probleme an Betriebsmitteln wie zum Beispiel Generatoren, Transformatoren, Stromrichtern oder Kabeln. Überschreitet die Intensität solcher Entladungen einen gewissen Pegel, so führt das zur Vorschädigung und im Extremfall zum Versagen der Komponente.

Im Rahmen des Projektes MOMOS sollen Teilentladungsphänomene, die an Betriebsmitteln in Stromnetzen auftreten, mithilfe eines multiphysikalischen Ansatzes analysiert werden. Dabei fließen in hohem Maße die Erkenntnisse und Erfahrungen aus der Plasmatechnologie ein, die sich unter anderem mit Gasentladungen im ähnlichen Parameterbereich beschäftigen. Das Verfahren soll sowohl während des Betriebs, als auch bei abgeschalteten Betriebsmitteln einsetzbar sein. Projektleiter ist Dr. Sergey Gorchakov.

Schematische Übersicht Projekt MOMOS

Die Hauptziele lassen sich in wissenschaftliche und technische Ziele unterteilen:

Wissenschaftliche Ziele

  • Beschreibung einzelner Teilentladungsphänomene in realen elektrischen Betriebsmitteln mithilfe von Methoden der Plasmadiagnostik und -modellierung

  • Identifikation der Korrelationen aus der Entwicklung von Teilentladungen mit elektrotechnischen Detektionsmethoden

  • Bewertung wesentlicher Stressmechanismen an Isolationsmaterialien, die durch Teilentladungen verursacht werden

  • Korrelation der Eigenschaften einzelner Teilentladungen mit dem Zustand der Stromnetzkomponenten (Evaluierung des Zustandes, Alterungsfortschritt)

Technische Ziele

  • Entwicklung einer empfindlichen und spezifischen Detektionsmethode für Teilentladungen durch Zusammenführung komplementärer Methoden und Ansätze

  • Charakterisierung der Rolle einzelner Stressfaktoren, die für Komponentenalterung und die Teilentladungsaktivität verantwortlich sind

  • Konzeption eines Teilentladung-Monitoring Systems für Echtzeitanalyse des Komponentenzustandes mit dem Resultat einer nachhaltigeren Verwendung von Stromnetzkomponenten und einer höheren Betriebssicherheit von Stromnetzen

Ausgangspunkt des Vorhabens ist die Klassifizierung von Teilentladungserscheinungen in verschiedenen Hochspannungskomponenten eines Stromnetzes, gemäß der Defektart und ihres Gefährdungspotenzials. Komponenten sind zum Beispiel Generatoren, Transformatoren oder Hochleistungskabel. Auf der Grundlage der Klassifizierung werden Referenzmodelle abgeleitet, in denen sich die wichtigsten Fehlertypen in geeigneter reproduzierbarer Weise nachstellen und untersuchen lassen.

Anschließend werden elektrische, akustische und optische Methoden der Plasmadiagnostik verwendet, um die chemischen und physikalischen Prozesse in der Teilentladung und ihre Wirkung auf die Alterung der Komponenten zu analysieren. Dafür werden ausgewählte Referenzmuster mit definierter Position und optischer Zugänglichkeit der Teilentladung erarbeitet.

Parallel werden Plasmamodelle, aufbauend auf Modellen dielektrisch behinderter Entladungen und elektrischer Simulationen, angepasst und angewandt, um beobachtete Teilentladungstypen und resultierende Defektarten zu charakterisieren. Die Gegenüberstellung und der gegenseitige Abgleich der experimentellen und theoretischen Ergebnisse bilden die wesentlichen Arbeitsschritte zum tieferen physikalischen Verständnis der Alterungsprozesse.

Zusätzlich ist der Einsatz von Methoden der nichtlinearen Dynamik zur Analyse von Zeitreihen der TE-Charakteristiken vorgesehen.

Typische Teilentladungsphänomene

Koronaentladungen

Koronaentladungen entstehen an Hochspannungsfreileitungen und an den Oberflächen von freien Metallelektroden. Koronaentladungen sind vor allem aufgrund ihres charakterlichen Leuchtens bekannt.

Water treeing

Water treeing sind Gleitentladungen entlang von verschmutzten Oberflächen der Hochspannungsisolatoren und -durchführungen.

Electrical treeing

Beim electrical treeing bilden sich leitfähige baumartige Kanäle im Dielektrikum. Electrical treeing sind unerwünschte Effekte in isolierten Hochspanungskabeln.

Teilentladungen können dazu führen, dass sich gasförmige oder flüssige Isoliermedien zersetzen. Bei festen Isolatoren führen leitfähige Kanäle auf der Oberfläche und im Inneren der Isolierstoffe zu einer geringeren Durchschlagfestigkeit der Komponenten wie Kabel, Hochspannungsdurchführungen oder Isolatoren. Oftmals führt eine Teilentladung zu einem elektrischen Durchschlag, also einem vollständigen Versagen der Isolation, und damit einhergehend zu einem Kurzschluss und thermischer Zerstörung der Komponenten.

Erkenntnisse der Plasmaforschung als Erfolgsfaktor

Speziell für Mikroplasmen entwickelte Diagnostikmethoden ermöglichen  den Zugang zur Erfassung der Eigenschaften von Teilentladungs-Plasmen.  Es ist zu erwarten, dass diese Eigenschaften eine ausgeprägte Abhängigkeit vom Zustand des Objektes (z.B. Grad der Alterung) haben. Solche Unterschiede lassen sich mit den konventionellen Methoden nicht ableiten. Das Projekt profitiert auch von langjährigen Erfahrungen auf dem Gebiet Modellierung und Simulation der Gasentladungen, deren Eigenschaften u.a. von Gaszusammensetzung, Temperatur, Geometrie und Material abhängig sind.

Der wesentliche Unterschied ist die Einbeziehung der Analyse von Einzelereignissen (Einzelentladungen) für die Bewertung und Diagnostik der Stromnetzkomponenten. Ein weiterer neuartiger Ansatz ist die Anwendung der Plasmamodellierung, welche die Beschreibung von plasma-chemischen Prozessen in Kombination mit geeigneten thermischen Modellen beinhaltet und für Vorhersagen der Plasmaeigenschaften angewendet werden kann. Somit erworbene Grundkenntnisse über Parameter einzelner Teilentladungen ermöglichen die Charakterisierung von Stromnetzkomponenten auf einem neuen Niveau. Weitere Erkenntnisse, z.B. ob die Methode in Kombination mit den bereits existierenden Methoden verwendet werden kann, werden sich im Laufe des Projektes herauskristallisieren.

Anwendbarkeit von Analysemethoden erfordert Untersuchungen

Trotz einer Vielfalt vorhandener Messmethoden für Hochspannungsgeräte bleiben derzeit Fragen in puncto Zustandsbewertung und Lebensdauerprognose offen. Überlagerung von mehreren Effekten und äußeren Bedingungen machen es schwer, eindeutige Rückschlüsse herzuleiten.
Detaillierte experimentelle Untersuchungen der Teilentladung konzentrierten sich im Wesentlichen auf die Erfassung und Analyse der phasenaufgelösten Teilentladungsmuster (PRPD Pattern), akustische Erscheinungen und Lokalisierungsmethoden. Die Aufzeichnung der PRPD Signale erfolgt unter Verwendung standardisierter Hochspannungspulse, die für Geräte mit einer Netzfrequenz von 50/60Hz geeignet ist.

Der Umstieg auf alternative Energiequellen bedeutet jedoch auch die Verwendung weiterer Frequenzen, die in manchen Fällen zudem zeitabhängig sind. Analysemethoden der nichtlinearen Dynamik lassen sich zwar auf elektrische Größen anwenden, was einen weiteren diagnostischen Zugang zur experimentellen Untersuchung liefert. Die Anwendbarkeit solcher Methoden an Stromnetzkomponenten erfordert allerdings detaillierte Untersuchungen. Weiterhin sind einige Aspekte, wie zum Beispiel Gleichspannungsverhalten, alternative Netzfrequenzen, chemische Prozesse, Wechselwirkung von Stressmechanismen noch nicht detailliert untersucht.

Klare Projektziele definiert

Die Erfassung der Eigenschaften einzelner Teilentladungen wird eindeutige Messparameter feststellen, die für Zustandsbewertungen und Prognosen der Stromnetzkomponenten verwertbar sein werden. Komplementäre Untersuchungsmethoden sollen Signalmuster identifizieren, die eindeutig auf die Fehler und den Zustand von Betriebsmitteln hinweisen. Weiterhin erwarten die Ingenieure, dass die konzipierte Messmethode mehrere Arten und Defekte umfasst, sowie für unterschiedliche Betriebsmittel anwendbar ist. Das Endergebnis der Anwendung solcher Systeme sind deutliche Steigerung der Lebensdauer der Stromnetzkomponenten, Planbarkeit der Instandhaltungsarbeiten, und damit sicherer und ressourcenschonender Betrieb.

Die Ergebnisse sollen unter realen Bedingungen validiert werden, um insbesondere prospektive Anwendungs- und Verwertungsaspekte konkretisieren zu können. Zum Abschluss des Vorhabens werden Konzepte für diese Monitoring-Methoden zur Verfügung stehen, die anschließend in enger Kooperation mit Anwendern auf ihre Umsetzung getestet und in die Entwicklung überführt werden sollen.

Fünf Meilensteine führen zum Erfolg des Projektes

  • Daten für Teilentladungen in Stromnetzkomponenten
  • Klassifikation der experimentellen Defekte
  • Entwicklung der Referenzmuster
  • Modellentwicklung und wesentlicher Teil der Parameterstudien
  • Übertragbarkeit der Methoden von Referenzmustern an Stromnetzkomponenten ist bestätigt; Konzept MOMOS kann erstellt werden

Projektlaufzeit

09/2014 – 08/2017

Kontakt

Dr. Sergey Gorchakov
Projektkoordinator
Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V.
Felix-Hausdorff-Str. 2
17489 Greifswald
+49(0)3834-5543820
+49(0)3834-554301

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.

Basisinformationen

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