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01 Die intuitive, systemunterstützte Bedienung macht den modularen Kabelmesswagen Variant von Sebakmt zu einer rentablen Investition sowohl für Betreiber als auch für Dienstleister von Kabelnetzen

Selektive Diagnose von Kabelfehlern spart Geld

02 Die intuitive Benutzerführung ermöglicht auch ungeübten Anwendern das schnelle Aufspüren von Kabelfehlern

03 In dem ergonomisch eingerichteten Bedienraum können die Anwender arbeiten, ohne auf Dauer zu ermüden

04 Das Netzschaltfeld NSF 8 dient der zentralen Überwachung und Bedienung des Kabelmesswagens

05 Das Teleflex VX ist ein System-Reflektometer zur Fehlerortung in Energiekabeln und unterstützt alle existierenden Vorortungsverfahren

Die Kabelstrecke aller Netzbetreiber zur Versorgung der Bevölkerung mit elektrischer Energie ist in Deutschland rund 1.775.000 km lang. In den Ortsnetzen sind 99 % aller Stromkabel unterirdisch verlegt. Nur 1 km davon auszuwechseln, kostet 150.000 €. Das entspricht in etwa dem Gegenwert eines Messwagens vom Typ Variant von Sebakmt. Dieser ist mit seiner hoch entwickelten Messtechnik in der Lage, Kabel systematisch zu analysieren und Fehler exakt zu lokalisieren. Eine sinnvolle Investition, da Kabel früher allein deshalb ausgewechselt werden mussten, weil ihre prognostizierte Lebensdauer überschritten war und die Betreiber einfach kein Risiko eingehen wollten.

Mit modernen Messwagen, wie dem Variant (Bild 1) von Sebakmt muss der Betreiber bei einer Störung selektiv nur wenige Meter austauschen – und nicht pauschal kilometerlange Trassen, die unter Umständen noch betriebsbereit sind. Ein Kabelfehlerortungssystem spart also primär auf zwei Ebenen: Es reduziert die Notwendigkeit für teure Ausgrabung von Kabeln und begrenzt gleichzeitig die Erfordernisse auf ein absolutes Minimum. Je genauer die Fehlerquelle geortet wird, desto schneller beginnen die Reparaturarbeiten und kommen die betroffenen Endverbraucher wieder ans Netz. Folgeschäden begrenzen sich auf ein Minimum. Um seine Einsparpotenziale möglichst voll auszunutzen, vereint ein moderner Kabelmesswagen die Kabeldiagnose sowie die Kabelfehlerortung. Dabei werden Fehler in elektrischen Leitern selbst, Fehler in der Isolation sowie Fehler im Mantel geortet.

Moderne Kabelmesswagen bilden ihre Betreiber aus
Es gibt aber noch eine Ebene, auf der ein modernes Kabelfehlerortungssystem Kosten einspart: Durch eine zeitoptimierte Steuerung des Kabelmesswagens. Moderne Prüf- und Fehlerortungssysteme können heute ihr Personal quasi selbsterklärend einweisen und damit faktisch – ausbilden. Dafür sorgt die Benutzerführung Easygo. Sie verkürzt die Einarbeitungszeit bei ungeübten – und beschleunigt die Arbeitsablaufe bei erfahrenen Anwendern (Bild 2). Easygo ermöglicht eine einfache und intuitive Bedienung. Beim Variant bietet sie dem Anwender zwei Betriebsmodi: Im „problemorientierten“ Modus macht das System dem ungeübten Anwender Vorschlage für die korrekte Vorgehensweise; sie führt ihn Schritt für Schritt sicher zum Ortungserfolg. So kommt er dem Kabelfehler auch ohne Studium von Bedienungsanleitungen sicher auf die Spur – und wird dabei gleichzeitig vom System geschult! Erfahrene Anwender wählen den „funktionsorientierten“ „Expert“ Modus, der zielsicher einzelne Schritte überspringt und seinen Ortungserfolg beschleunigt. Beim Einschalten führt die Systemsteuerung automatisch eine Prüfung aller Sicherheitskreise durch. Diese Funktion verkürzt die Ablaufe und entlastet den Messtechniker, der sich wiederum besser auf seine eigentliche Aufgabe konzentrieren kann.

06 Bei der Arc Reflection Method wird ein Hochspannungsimpuls in das Kabel entladen, der an der Fehlerstelle einen Lichtbogen erzeugt, den das Reflektometer über eine HV-Filtereinheit auswerten kann

07 Das Digiphone+ ermöglicht durch zwei neue, kombinierte Technologien zur effizienten Geräuschdämpfung eine maximale, perfekte Akustik, die nur noch das Fehlergeräusch durchlässt

08 Neben der Kabel- und Mantelprüfung kann die VLF Sinus 54 kV – in Kombination mit der Schrittspannungssonde ESG NT – auch zur punktgenauen Mantelfehlernachortung eingesetzt werden

Fahrende Büros
Messtechniker, die im Feld viele Messungen bewältigen und diese auch noch fachmännisch protokollieren müssen, benötigen einen möglichst ermüdungsfreien, ergonomisch optimal abgestimmten Arbeitsplatz. Der Bedienraum des Variant gleicht einem fahrenden Büro, in dem der Anwender Kabellagepläne oder andere wichtige Dokumente für das Auffinden eines Kabelfehlers betrachten und analysieren kann, ohne auf Dauer zu ermüden (Bild 3). Das Herzstück ist das neue Netzschaltfeld NSF 8, welches die sichere Überwachung und bequeme Bedienung des Variants ermöglicht (Bild 4). Es besteht aus einem ein- oder dreiphasigen Gerätewahlschalter sowie einem Bedien- und Anzeigemodul. Das 5,7 Zoll große TFT-Farbdisplay stellt alle System-, Status- und Sicherheitsinformationen übersichtlich dar. Zudem kontrolliert es zuverlässig alle sicherheitsrelevanten Parameter. Wichtige Informationen sind in leicht verständlichem Klartext angezeigt. Dazu gehören vor allem Informationen des integrierten Sicherheitssystems mit den Schleifenwiderstanden der Betriebserde zur Stationserde sowie dem Hilfserder zur Stationserde, dem Schrittspannungspotenzial der Erde zum Fahrzeugchassis und schnellen Spannungsanstiege.

Kabelfehlerortung mittels Impulsen
Kernelement jeder Ortung von Fehlern in Energiekabeln ist die Impulsreflexionsmesstechnik, international auch unter dem Namen „Time Domain Reflektometrie“ (TDR) bekannt. Bei Sebakmt heißen Reflektometer dieses Typs Teleflex. Ein Reflektometer erzeugt einen Messimpuls, der wie ein Radar auf seinem Weg durch die Leitung auf „Ereignisse“ (Impedanzänderungen) trifft, die einen Teil dieser Impulsenergie reflektieren und dann im Teleflex als Reflektogramm aufgezeichnet werden. Solche „Ereignisse“ sind zum Beispiel Muffen und Abzweige aber auch Knicke, Brüche und andere Unregelmäßigkeiten, die es zu orten gilt. Das Reflektometer Teleflex VX (Bild 5) funktioniert mit der Easygo- Technologie größtenteils automatisch. Zudem bietet die neue Hardware verbesserte Parameter wie Abtastfrequenz, Pulsbreite und Pulsamplitude. Das sorgt für Reichweiten bis 2.000 km und für eine hohe Auflösung im Nahbereich. In Verbindung mit der Prorange-Technologie können jetzt weit entfernte Ereignisse sichtbar gemacht werden. Diese neuartige Funktion erfolgt durch eine entfernungsabhängige Verstärkungsanpassung und zeigt vor allem sehr weit entfernte Signale von Kabelfehlern in der gleichen Amplitude genauso sichtbar wie im Nahbereich an.

Vorortung mittels Lichtbogenstoss
Neben dem Reflektometer sind Stoßwellengeneratoren wie der SWG 1750 ein weiterer zentraler Bestandteil sowohl bei der Vor- als auch bei der Nachortung. Zur Vorortung entlädt der SWG einen starken Hochspannungsimpuls in das Kabel. Diese Methode wird „Arc Reflection Method“ (ARM) genannt (Bild 6). Diese Impulsentladung wandert, ähnlich dem normalen Reflexionsmessimpuls, durch das Kabel, erzeugt aber an der Fehlerstelle einen Lichtbogen. Dadurch wird die Fehlerstelle kurzfristig überbrückt – und somit niederohmig. Diese Niederohmigkeit misst der Reflektometer dann über eine HV-Filtereinheit. In Kombination mit der Funktion Armslide lassen sich während eines einzigen ARM-Stoßes 15 Messimpulse erzeugen und speichern. Aus diesen 15 Messungen kann sich der Prüftechniker dann das beste Ergebnis heraussuchen. Vor allem bei sehr langen und nassen Kabeln ist diese Technologie extrem hilfreich.

Mit dem Stromauskopplungsverfahren ICE wird dagegen an der Fehlerstelle ein Durchschlag ferngezündet, der eine transiente Welle bewirkt. Diese breitet sich als Wanderwelle zwischen dem Fehler und dem Stoßwellengenerator aus und wird im Stoßwellengenerator induktiv ausgekoppelt. In jedem Stoßwellengenerator ab einer Stoßenergie von 1.000 J ist bei Sebakmt ein induktiver Koppler zur Aufnahme dieser transienten Stromwelle eingebaut. Dadurch lasst sich diese Wanderwelle auch mit einem Reflektometer wie dem Teleflex VX entfernungsaufgelöst genau aufzeichnen. Reflexionsbasierte Verfahren werden oft eingesetzt, bevor das Kabel in Betrieb genommen wird, um auf diese Weise einen „Fingerabdruck“ zu erzeugen. Diese „Fingerabdrücke“ von intakten Kabeln werden gespeichert und ermöglichen bei einem späteren Fehlerfall einfache Vergleichsmessungen. Durch den Vergleich beider Bilder wird der Fehler exakt lokalisiert. Dieses Verfahren kommt zum Beispiel in der Offshore- Industrie vor allem bei wichtigen Kabeln zum Einsatz.

Nachortung mit Stoßwellen
Da ein Kabel im Untergrund nie gerade verläuft, sondern in Tiefe und Richtung variiert, ist eine genaue Übertragung der Vorortungsentfernungen im Gelände praktisch nicht realisierbar. Selbst bei einer möglichen Vorortungsgenauigkeit von 0,1 % oder besser beträgt die Abweichung im Feld immer noch bis zu 10 % – zu viel für exakte Grabungen. Um den Fehler trotzdem punktgenau zu lokalisieren und um teure Schachtungen zu vermeiden, arbeitet man bei der Nachortung überwiegend mit Stoßwellengeneratoren. Diese erzeugen im vorlokalisierten Fehler mittels einer kapazitiven Entladung einen lauten Durchschlagknall. Ein akustisches Nachortungsgerät wie das Digiphone+ (Bild 7) kann diesen an der Fehlerstelle auftretenden Knall auffangen und den Ort des Fehlers genau lokalisieren.

Eine neue Technologie im Digiphone+ ist Background Noise Reduction (BNR). Dieses Verfahren lässt nur noch das Fehlergeräusch vom Kabel durch und filtert sämtliche Störgeräusche raus. Kombiniert wird BNR mit dem ebenfalls neuen Automatic Proximity Mute (APM), welches den Ton abschaltet, bevor die Hand den Sensorgriff zum Umsetzen des Sensors berührt. So wird das mitunter unangenehme Knacken, Kratzen und Knallen im Ohr des Anwenders, was für das Gehör gesundheitsschädigenden Folgen haben kann, zuverlässig verhindert. Eine kurze Verzögerung nach dem Loslassen sichert dem Sensor einen ruhigen Stand und lasst mechanische Oszillationen abklingen, bevor der Ton wieder zugeschaltet wird. Diesen Komfort unterstützt das durchdachte Gehäusekonzept in Verbindung mit einer speziellen Mikrofonaufhängung. Diese reduziert den Körperschall im Sensor selbst und bietet ihm zusätzlich optimale Standsicherheit. Die Links-rechts-Anzeige des Digiphone+ halt den Anwender zielsicher auf dem Kabel, während der eingebaute Kompass die Richtung zum Fehler anzeigt. Die Entfernung zum Fehler lässt sich sowohl als Zeit als auch als Entfernung darstellen, wodurch sich die Suche nach Fehlern in unterirdisch verlegten Kabeln nochmals beschleunigt.

Mantelfehler dem Verursacher sicher zuordnen
Ein häufiges Problem für Netzwerkbetreiber ist, dass vom Zeitpunkt der Beschädigung eines Kabelmantels bis zum Auftreten des eigentlichen Mantelfehlers Monate, oft sogar Jahre vergehen können. Schließlich führen Mantelbeschädigungen selten zu einem direkten Ausfall der Kabelanlagen, sofern sie nicht gleichzeitig mit einer Beschädigung an der Kabelisolation oder am Leiter selbst auftreten. Wird der Kunststoffmantel des Kabels zum Beispiel durch Grabungsarbeiten verletzt, wird der direkt darunter befindliche Schirm mehr oder weniger weit durch die äussere Leitschicht in die Isolation getrieben oder es tritt Wasser ein. An dieser Stelle wird jetzt der homogene Feldaufbau gestört und es entstehen durch elektrochemische Effekte Wasserbäumchen oder Teilentladungsherde, die je nach Intensität die Isolierung zersetzen und früher oder später den Kabeldurchschlag einleiten. Eine spätere Zuordnung zum Verursacher mit Schadenersatz ist dann allerdings kaum noch möglich. Gerade hier sind also regelmäßige Prüfungen notwendig, erst recht in Gebieten mit hoher Bautätigkeit. Im Zuge einer Mantelprüfung lassen sich die Ableitstrome messen und mit Grenzwerten vergleichen. Die anschließende Vorortung bestimmt zunächst die genaue Entfernung. Mit dem MFM 10 im Sebakmt Variant lasst sich nach Eingabe der Gesamtkabellange einfach und schnell der genaue Ort des Fehlers berechnen. Während der Nachortung wird der Fehler mittels einer Schrittspannungsmessung auf den Zentimeter genau lokalisiert und den in der Nahe befindliche Bautätigkeiten eindeutig zugeordnet. Das erhöht die Chance auf Schadenersatz erheblich.

Mantelfehlerortung mit Audiofrequenz
In Gegenden mit vielen versiegelten Oberflachen und geringer Leitfähigkeit wie bei Beton oder Asphalt bietet sich eine weitere Ortungsmethode mit Audiofrequenz an. Mit einer kapazitiven Sonde ist diese Methode sehr schnell durchführbar. Der Frequenzgenerator misst die Schleifenimpedanz nach Betrag sowie Phase und zeigt Ausgangsspannung sowie -strom an. Dabei erfolgt eine automatische Lastanpassung. Der Dauerbetrieb an kapazitiven, induktiven Lasten oder Kurzschluss ist so problemlos möglich. Die Isolation von Mittelspannungskabeln wird heutzutage meist nur noch mit niederfrequenter Wechselspannung (Very Low Frequency VLF) von 0,1 Hz geprüft (Bild 8). Mochte der Anwender trotzdem noch mit DC prüfen, zum Beispiel an reinen Papier-Masse-Kabeln, ermöglicht eine Standard-Gleichspannungsquelle Prüfungen bis 80 kV. Eine Hochspannungsquelle dient dann der Versorgung der optionalen Cosinus Rechteck-Prüfanlage mit 0,1 Hz. Diese Anlage erlaubt die normgerechte Prüfung von VPE-Kabeln – aber auch an allen anderen Kabeltypen mit einer Kapazität bis 18 μF bei 10- kV- und bis 5 μF bei 30-kV-Netzen. Alternativ zu der leistungsstarken VLF-Cosinus- Rechteck-Technologie sind 0,1-Hz-Sinus- VLF-Anlagen verfügbar, die zur normgerechten Prüfung sowie zur Spannungserzeugung für das optionale Tan-Delta-Diagnosesystem dienen. Dies ist eine der Möglichkeiten um eine zuverlässige Ermittlung des Alterungszustands des Kabels zu bekommen.

Kabeldiagnose mit Teilentladungsmessung erkennt Montagefehler
Defekte in die Isolierung oder Garnituren sind fast immer mit Teilentladungen behaftet. Diese führen je nach Isoliermaterial relativ schnell zum Ausfall und sind schnellstens zu lokalisieren und zu beheben. Dabei hilft das im Variant integrierbare DAC (Damped-AC) basierte Teilentladungs-Messsystem, das speziell lokale Fehlstellen wie zum Beispiel Montagefehler an Muffen aufdeckt. Diese TE-Diagnose ist wichtiger Bestandteil der VDE-Handlungsempfehlung zur Kabelprüfung und eine der wichtigsten Messungen, um die Qualität des Materials und seiner Montage zu überprüfen. Es eignet sich ideal für Inbetriebnahmeprüfungen und Zustandsanalysen von Kabeln bis zu 36 kV. Es bietet TE-Diagnosen mit einer Spannungsform nahe der normalen Betriebsfrequenz und damit eine Aussage, die dem Verhalten des Prüfobjekts bei Betriebsparametern entspricht. Eine solche Teilentladungsmessung ermöglicht eine zuverlässige Aussage über den Kabelzustand. Das System macht dabei eine automatische Auswertung der Messdaten mit genauer Positionsangabe der Teilentladungsquellen sowie übersichtlicher Protokollierung.

Fazit
Auf die Netzbetreiber warten im Zuge der Energiewende enorme Herausforderungen. Bestehende Energiekabel müssen bewertet und Neue verlegt werden. Dabei kommt es sehr darauf an, über den Zustand älterer Kabel genau informiert zu sein. Welche Trassen arbeiten noch langer zuverlässig? Wo muss jetzt investiert werden? Diese Fragen können heute schneller und besser denn je beantwortet werden, da es in der Kabeldiagnose- und Kabelfehlerortung in den vergangenen Jahren enorme Entwicklungsschübe gegeben hat. Die traditionellen Technologien sind mittlerweile auf einem sehr hohen Niveau. Präzision, Zuverlässigkeit und Schnelligkeit sowohl in der Diagnose als auch in der Ortung – kombiniert mit Sicherheit, Einfachheit und Ermüdungsfreiheit für den Anwender im täglichen Einsatz – steigern die Leistungsfähigkeit der neuen Kabelmesswagen auf fast allen Ebenen. Zusammengenommen bieten diese neuen Systeme den Netzbetreibern eine hohe Wirtschaftlichkeit mit ungeahnten Einsparpotenzialen im Millionenbereich, genau zum richtigen Zeitpunkt. (no)

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Autoren:
Peter Herpertz ist Produktmanager im Bereich Kabelfehlerortung bei der Sebakmt Mess-und Ortungstechnik GmbH in Baunach.
herpertz.p@sebaKMT.com

Dipl.-Ing. Ulf Gustke ist Bereichsleiter COE-Systeme, Großgeräte und Entwicklung bei der Sebakmt Mess-und Ortungstechnik GmbH in Baunach. gustke.u@sebaKMT.com