Projekt Intelligente Hochspannungs-Isoliersysteme

06.09.2016

• Gegenstand
• Methodik
• Ziel
• Partner + Förderer

Im Verbundprojekt „HS-Isoliersysteme“ geht es um die frühzeitige Erkennung von Zerstörungsprozessen in Hochspannungsendverschlüssen mittels lokaler fluoreszenzfaseroptischer Teilentladungs-Sensorik (TE-Sensorik). Der Vorteil gegenüber konventioneller elektrischer TE-Sensorik ist die Stör-Unanfälligkeit gegenüber elektromagnetischer Strahlung im Vorortbetrieb. Dadurch ist eine gezielte TE-Diagnostik möglich.

Bei Teilentladungen werden Photonen emittiert, die durch die eingebettete Fluoreszenzfaser gesammelt werden und zum Detektorsystem geführt werden. Das Detektorsystem besteht aus zwei hochsensitiven Einzelphotonendetektoren, die mittels Koinzidenzschaltung eine frühzeitige und hoch spezifische und selektive TE-Detektion ermöglichen.

Ziel ist es, die Machbarkeit eines rein fluoreszenz-faseroptischen TE-Sensorsystems zu demonstrieren, bestehend aus einem neu entwickelten sensorintegrierten Hochspannungsendverschluss und des dazugehörigen Sensorbackends inklusive des Auswertesystems (BAM PD-COP System; Partial Discharge Coincident Optical System).

Die Polymerics GmbH unterstützt die BAM bei der Entwicklung der polymeren Materialien und deren mechanischer Prüfung. Das akkreditierte Institut „Prüffeld für elektrische Hochleistungstechnik“ GmbH (IPH GmbH) stellt ein hochspannungstechnisches Labor für Testzwecke zur Verfügung und führt die Typprüfung der HS-Endverschlüsse durch. Die HPS Berlin GmbH arbeitet an der Entwicklung eines Expertensystems. Das Verbundprojekt wird durch EFRE-Mittel finanziert (Fördernummern Pro FIT-10155105 und Pro FIT-10155110).

Der Ausbau der erneuerbaren Energien ist zentraler Baustein für die Energieversorgung der Zukunft. Die Netzbelastungen sind erheblich gestiegen seit Stromerzeugung und Stromverbrauch geographisch oft weit auseinander liegen und höhere Mengen an Strom übertragen werden müssen. Auch sind zunehmend Schwankungen in der Stromerzeugung zu beobachten, einschließlich der damit verbundenen Netzbelastungen. Da auch künftig eine hohe Versorgungssicherheit gewährleistet werden soll, müssen Energieübertragungsnetze aus- und umgebaut werden. Die Folge ist ein zunehmender Bedarf an Hochleistungskabelanlagen für den Energietransport und ein verstärkter Einsatz von Höchstspannungskabelanlagen. Die Risiken für Mensch, Umwelt und energietechnische Anlagen müssen im Fehlerfall auch wirtschaftlich beherrschbar sein.

Ein großer Anteil von Schadensfällen im Energieübertragungsnetz ist auf teilentladungsbedingte Durchschläge der Isolierung zurückzuführen. Aufgabe des Verbundprojektes "Intelligente Hochspannungs-Isoliersysteme" ist bzw. war die Entwicklung einer faseroptischen Diagnostikmethode zur frühen Erkennung von Teilentladungen (TE) und der Entwurf eines strukturintegrierbaren Sensorsystems zur automatisierten Früherkennung und Gefahrenwarnung.

Diagnoseverfahren für energietechnische Systeme, Anlagen und Komponenten

Der Einsatz innovativer Diagnoseverfahren zielt auf wichtige Systeme, Anlagen und deren Komponenten ab:

Transregionale Höchstspannungsübertragungssysteme

• Kabel und ihre Garnituren, z.B. Endverschlüsse und Muffen
• Gasisolierte Leitungen (GIL)
• Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssysteme (HGÜ)

Kraftwerke und Kraftwerksausleitungen hoher Leistung

• Turbo- und Wasserkraftgeneratoren
• Hochspannungsmotoren
• Generatorableitungen
• Maschinentransformatoren

Weitere energietechnische Anlagen strategischer Bedeutung

• Umspannstationen, insbesondere für Offshore-Windparks
• Gasisolierte Schaltanlagen (GIS)
• Netztransformatoren großer Leistung

Optische Sensoren für die Energietechnik

Faseroptische Sensoren haben Vorteile, die sie für den Einsatz in energietechnischen System, Anlagen und Komponenten prädestinieren: Sie sind sehr robust und praktisch vollständig unempfindlich gegenüber Korrosion. Dies ist für Offshore-Anwendungen besonders wichtig. Faseroptische Sensoren sind außerdem absolut unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen (EMV). Sie sind daher auch im Bereich hoher elektrischer oder magnetischer Feldstärke einsetzbar. Da sie elektrisch nicht leitfähig sind, werden Messdaten potentialfrei übertragen. Faseroptische Sensoren verfügen über eine hohe Dynamik und Empfindlichkeit für die jeweilige Messgröße. Durch ihre geringe Größe können diese Sensoren rückwirkungsfrei in die zu überwachenden Komponenten integriert werden.

Ziel des Projekts war es, die Vorteile von faseroptischen Sensoren zu nutzen, um höchstrelevante Diagnose- und Monitoring-Techniken zu erschließen. So wird eine gleichzeitige Erfassung von Teilentladungen wie auch von Schwachstellen in der Anlagenstruktur, d.h. eine Bewertung der elektrischen und mechanischen Integrität der Hochspannungsanlage, erreicht.

Kompetenzen durch partnerschaftliche Zusammenarbeit

Berlin verfügt über kompetente Partner sowohl in elektrotechnischen Bereichen (Schwerpunkt Energie), in der nichtelektrischen Monitoring-Technologie (Schwerpunkt optische Technologie) wie auch in der Werkstofftechnik. Aus dieser interdisziplinären Kompetenz entwickeln sich Synergieeffekte, die zu einer deutlichen Erhöhung der Innovationskraft Berlins führen. Bereits heute sind Berliner Experten und Einrichtungen, wie die IPH GmbH und die HPS GmbH weltweit nachgefragt, um Diagnostik an kritischen Hochspannungsanlagen zu betreiben.
Durch die Zusammenarbeit mit der BAM, die auf dem Gebiet der Entwicklung und Anwendung faseroptischer Monitoring-Technologien und spektroskopischer Verfahren weltweit aktiv und etabliert ist, entstehen durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit den Industriepartnern in Berlin Kompetenzcluster, die in dieser fachlichen Ausrichtung derzeit ein Alleinstellungsmerkmal haben.

Ergebnisse

Siebler, D.; Rohwetter, P.; Brusenbach, R.; Plath, R.:
Optical-only detection of partial discharge with fluorescent polymer optical fiber sensors
Procedia engineering, Amsterdam: Elsevier Ltd., 120 (2015), 845-848.

Das Projekt wurde durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) der EU gefördert.