Monalisa

Sensoren für einen sicheren Netzbetrieb

Projektstatus
Begonnen
Zu sehen sind Wissenschaftler, die den Sensoraufbau an einem Mittelspannungskabel diskutieren.
© Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Die Wissenschaftler diskutieren den Sensoraufbau an einem Mittelspannungskabel.
© Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

Im Forschungsprojekt Monalisa entwickeln Wissenschaftler ein Frühwarnsystem das betriebsgefährdende Zustände in Hoch- und Höchstspannungs-Anlagen erkennt. Dabei spielt eine faseroptische Sensorik eine entscheidende Rolle. Sie überwacht die Funktion der Anlagen und Betriebsmittel um entstehende Schädigungen frühzeitig zu erkennen. Das System soll darüber hinaus auch eine Fehleranalyse und Fehlerortung liefern und eine Netzsteuerung ermöglichen.

Zu sehen sind zwei Personen vor einem Monitor, der ein Vibrationsereignis an einer Sensorfaser zeigt.
© Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Der Monitor zeigt ein Vibrationsereignis an einer Sensorfaser.
© Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

An zukunftsfähige Stromnetze, die das Herzstück der neuen Energieinfrastruktur zur Sicherstellung der Energieversorgung in der Zukunft bilden, werden hohe Anforderungen gestellt, um beispielsweise auf schwankende Stromerzeugung aus Wind und Solarenergie effektiv reagieren zu können. Neben optimaler Systemsteuerung durch intelligente Messsysteme und effizientes Lastmanagement hat aber das sorgfältige Überwachen der Betriebsmittel von Hochspannungs- und Mittelspannungsanlagen essentielle Bedeutung. Recherchen zum Ausfallgeschehen von Anlagen im On- und Offshore-Betrieb, zum Stand der Technik auf dem Gebiet des Funktionsmonitorings sowie von Netzbetreibern vorgelegte Anforderungen machen deutlich, wie wichtig ein komplexes Online- Monitoring ist. Nur durch ein integriertes Betriebsmittelmonitoring kann eine maximale Anlagenzuverlässigkeit erreicht werden.

Dieser Aufgabe widmet sich das BMBF-Verbundvorhaben „Monalisa“ - „Sicherer Netzbetrieb durch Erkennung von betriebsgefährdenden Zuständen in Hoch- und Mittelspannungs-Betriebsmitteln unter Verwendung von integrierbaren faseroptischen Sensorsystemen“. Ein Forschungsverbund von Industriepartnern mit Berliner Hochschulen und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) macht innovative faseroptische Sensortechnologien mit ihren multisensorischen Fähigkeiten nutzbar, um eine Online-Diagnostik in Anlagen künftiger Versorgungs-, Verteilungs- und Übertragungsnetze für eine umfassende Schadensfrüherkennung zu betreiben. Diese Sensorik soll auch zur effizienteren Prüfung von Hoch- und Höchstspannungs-Betriebsmitteln eingesetzt werden.

Faseroptische Sensorik erfasst Betriebszustände

Zu sehen ist das Muster eines Mittelspannungskabels mit integriertem Glasfaserkanal.
© Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Muster eines Mittelspannungskabels mit integriertem Glasfaserkanal.
© Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

Das Verbundprojekt zielt daher auf die beschleunigte Entwicklung innovativer Diagnose- und Monitoringverfahren zur

  • Früherkennung schädigender Beeinträchtigungen von Betriebsmitteln
  • Vermeidung von Komponentenausfällen,
  • Vermeidung von kompletten Anlagenausfällen.

Es wird ein Frühwarnsystem entwickelt, das schwerpunktmäßig für Hoch- und Höchstspannungs-Anlagen einschl. HGÜ-Anlagen sowie für die Anbindung von Offshore-Anlagen nutzbar gemacht werden soll. Die angestrebten Ergebnisse werden aber auch in Anlagen der Öl- und Gas-Industrie genutzt werden können.

Kerntechnologie für das Überwachen der Funktion bzw. das frühe Erkennen von sich entwickelnden Schädigungen in Hoch- und Höchstspannungs-Anlagen ist die faseroptische Sensorik. Da die unterschiedlichen Wirkprinzipien der faseroptischen Sensorik grundsätzlich rein-optisch funktionieren, d. h. prinzipiell ohne elektrische Teile auskommen, ist deren Integration in den elektrisch aktiven Bereich von Hochspannungsanlagen unter Beachtung einiger wichtiger Aspekte möglich.

Diese Integration bringt den Sensor direkt in den Bereich, in dem Störungen bzw. Schäden auftreten und „von außen“ nicht oder erst sehr spät erkannt werden können. Die rückwirkungsfrei in die jeweiligen Hochspannungseinrichtungen und -anlagen integrierten sensorischen Elemente einschließlich der Zuleitungsfasern werden mit einem intelligenten Datenmanagementsystem verbunden. Auf diese Weise wird es praxisgerecht möglich, alle erforderlichen Informationen, Signale und Daten zusammenzuführen, zu analysieren, zu bewerten und zu visualisieren. Dieses Messsystem ist auch vorwärtskompatibel für die Aufnahme weiterer Messinformationen aus Sensortechnik anderer physikalischer Prinzipien. Das Verbundprojekt wird mit einem Demonstrator zum Nachweis der Machbarkeit abgeschlossen werden.

Die Verbundpartner übernehmen bekannte innovative Messprinzipien und integrieren diese für die beabsichtigten Monitoringzwecke in die jeweiligen Anlagenkomponenten. So sollen beispielsweise kontinuierlich Temperaturen, Feuchte, Dehnung/Vibration lokal erfasst werden und Teilentladungen in Schalt- und Kabelanlagen detektiert werden.

Wesentliche Zielsetzungen

  • durch Zusammenführen der Sensor-Informationen in einem Datenmanagement-System soll ein Online-Monitoring möglich werden, das auch. steuerungstechnischer Maßnahmen und sicherheitstechnischer Entscheidungen einschließt um Leistungsparameter der Stromnetze optimale auzunutzen
  • Neue physikalische Wirkprinzipien von faseroptischen Sensoren sollen Nutzbar gemacht werden für die verteilte bzw. lokalen Erfassung von Temperatur, Feuchte, Dehnung/Vibration sowie zur Detektion von Teilentladungen, speziell in Schalt- und Kabelanlagen (Kabel und Garnituren)
  • Die Wirkung isolierstoff-integrierter Sensorsysteme auf die elektrischen Eigenschaften der Hochspannungsanlagen wird untersucht um die Integrierbarkeit von faseroptischen Sensoren nachzuweisen
  • Die technologischen Fertigkeiten zur Integration der Sensorsysteme in die Komponenten der Stromnetze werden entwickelt.
  • Demonstration an einer ausgewählten Netz-Anlage.

Verbundpartner und deren Aufgaben

Folgende Verbund- und assoziierte Partner sind derzeit im Vorhaben aktiv:

  • Technische Universität Berlin (Sprecher/Vorhabenskoordination)
    Fakultät IV Elektrotechnik und Informatik, Institut für Energie-
    und Automatisierungstechnik, Fachgebiet Hochspannungstechnik
  • Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
    Fachbereich 8.6: Faseroptische Sensorik
  • IPH Institut „Prüffeld für elektrische Hochleistungstechnik“ GmbH
  • Beuth Hochschule für Technik Berlin
    Fachbereich VII: Elektrotechnik - Mechatronik -
    Optometrie
  • HTW Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin
    Fachbereich 1: Ingenieurwissenschaften - Energie
    und Information

Als assoziierte Partner sind derzeit beteiligt:

  • 50Hertz Transmission GmbH Berlin
  • Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH Darmstadt

Teilprojekt des Kooperationspartners Technische Universität Berlin
Fachgebiet Hochspannungstechnik

„Analyse von Schädigungsprozessen in polymeren Dielektrika von Netzkomponenten in Wechselspannungsanlagen; Adaptierung der Ergebnisse für Gleichspannungsanwendungen“

Das Teilprojekt zielt auf die Untersuchung der dielektrischen Grenzflächenphänomene in Wechselspannungs-Garnituren infolge Einbettung faseroptischer Sensoren. Es werden Aufladungseffekte bei Beanspruchung mit hoher Gleichspannung (HVDC) untersucht. Hierzu wird ein Raumladungs-Messsystem entwickelt, um Raumladungsphänomene in Hochspannungsisolierungen aus Silikonelastomeren besser beherrschen zu können.

Ansprechpartner: Prof. Dr. Plath,  plath(at)ht.tu-berlin.de

Teilprojekt des Kooperationspartners BAM

"Adaption erforschter faseroptischer Messverfahren für die Entwicklung und Bereitstellung fehlender Sensortechnik für vordringliche Mess- und Monitoring-Aufgaben in künftigen Stromnetzen“

Das Teilprojekt zielt auf die Entwicklung integrierbarer verteilter faseroptischer Sensoren (u. a. verteilte Brillouin-Sensorik, verteilte akustische Sensorik) für die Langzeitüberwachung von Betriebsparametern in Hoch- und Mittelspannungskabelanlagen. Mit Hilfe der Sensoren sollen unzulässige Dehnungen, Übertemperaturen und das Eindringen von Feuchte, z. B. in Unterseekabeln, detektiert werden. Das Teilprojekt beinhaltet ebenfalls die Entwicklung integrierfähiger Sensoren für verteiltes (vibro-)akustisches Monitoring an Unterseekabeln, vor allem zur Lokalisierung und zur Abwendung von Störfällen und Schäden durch äußere mechanische Einflüsse (z. B. Ankerwurf).

Ansprechpartner: Dr. Krebber, katerina.krebber(at)bam.de

Teilprojekt des Kooperationspartners IPH Institut „Prüffeld für elektrische Hochleistungstechnik“ GmbH

„Rückwirkungsfreie Integrierbarkeit von Fasersensoren in Hochspannungs-Kabelanlagen; Machbarkeitsnachweis eines Demonstrators für ein intelligentes, modular erweiterbares Diagnosesystem mit Fasersensorik zur Schadensfrüherkennung“

Dieses Teilprojekt beschäftigt sich mit der Entwicklung intelligenter, modular erweiterbarer Diagnose-Systeme mit integrierter Fasersensorik zur Überwachung von Kabel- und Schaltanlagen im Online-Netzbetrieb. Es zielt auf die Entwicklung einer Integrationsmethodik für faseroptische Sensoren in Land- und Seekabel-Anlagen sowie die Prüfung der Integrationsfähigkeit am Diagnose-System. Es werden Untersuchungen zum Nachweis der Einhaltung der Standard- bzw. CIGRE-Empfehlungen für Gleichspannungsanwendungen durchgeführt. Prüffeldtests eines Demonstrators sowie der Pilot-Einsatz des Gesamtsystems mit Netzbetreibern an einer repräsentativen Anlage sollen die Funktionsfähigkeit nachweisen.

Ansprechpartner: Dr. Heidmann, heidmann(at)iph.de, Dipl.-Ing. Vaterrodt, vaterrodt(at)iph.de

Teilprojekt des Kooperationspartners Beuth Hochschule für Technik Berlin
Fachbereich VII: Elektrotechnik – Mechatronik – Optometrie

„Hochspannungstechnische Untersuchungen an Modellanordnungen bei variierten Prüfspannungen mit wirklichkeitsnaher Feldbelastung bezüglich der Sensoreinbettung“

Ziel der Untersuchungen ist es, die Beeinträchtigung von Garnituren in Kabelanlagen durch integrierte Sensoren zu ermitteln. Hierzu werden Modellanordnungen zur Ermittlung des elektrischen Festigkeitsverhaltens sensorbestückter Isolierungen entwickelt und diese mit alternativen Prüfspannungen beaufschlagt. Durch Übertragung der Modell-Ergebnisse auf Kabelgarnituren können diese für die Dimensionierung von sensorbasierten Online-Monitoring-Systemen genutzt werden.

Ansprechpartner: Prof. Dr. Daniel Pepper, daniel.pepper(at)beuth-hochschule.de

Teilprojekt des Kooperationspartners HTW Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin
Fachbereich 1: Ingenieurwissenschaften - Energie und Information

„Schaltanlagen-Monitoring mit Hilfe eines intelligenten, modular erweiterbaren Diagnosesystems“

In diesem Teilprojekt werden konventionelle, lokale sowie quasi-verteilte faseroptische Sensoren auf ihre Eignung für das Monitoring von Mittelspannungsschaltanlagen untersucht. Im Labor werden Fasersensoren realitätsnah zum Einsatz gebracht und iterativ optimiert. Parallel hierzu entsteht ein Diagnose-System zur zentralen Auswertung dezentral erhobener Messdaten der lokalen, quasi-verteilten sowie der durch Verbundpartner beigesteuerten verteilten Sensorik. Es werden Algorithmen erarbeitet, mit denen sich Messdaten signaltechnisch aufbereiten und typische Merkmale zur Zustandszuordnung des überwachten Betriebsmittels extrahieren sowie klassifizieren lassen. Das Teilprojekt schließt mit Untersuchungen der faseroptischen Sensoriken und des Diagnose-Systems an Schaltanlagen im Prüffeld und im Feldbereich, um zu einer Einschätzung hinsichtlich eines vorbeugenden Defektschutzes für die zuverlässige Betriebsführung von elektrischen Betriebsmitteln zu gelangen.

Ansprechpartner: Prof. Dr. Gräf,     thomas.graef(at)htw-berlin.de; Prof. Dr. Menge, Matthias.Menge(at)htw-berlin.de

Assoziierte Partner

Die assoziierten Partner nehmen eine wichtige Stellung im Projekt ein. Der Netzbetreiber 50Hertz legte beispielsweise einen Anforderungskatalog für das Monitoring und das Diagnosesystem vor, der wesentlichen Einfluss auf die Gestaltung der Aufgabenkomplexe hatte. Ähnliche bzw. weiterführende Anforderungen fließen in das Projekt ein durch die assoziierte Einbeziehung von Sensorik-Experten aus der Industrie, z. B. die Fa. HBM GmbH Darmstadt, Es werden Anforderungen definiert, denen die Sensorik im Feldeinsatz genügen muss; es werden die erforderlichen Zertifizierungsforderungen und Vermarktungsbedingungen für einen späteren Einsatz im Hochspannungsbereich aus Sicht der Sensorik-Hersteller formuliert.

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