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01 Beispielapplikation: Monitoring von rotierenden Maschinen

Teilentladungs-Monitoring erhöht Verfügbarkeit

02 Maßnahmen zur Zustandsbeurteilung während der gesamten Lebensdauer eines Betriebsmittels

03 Beispiel eines permanenten TE-Monitoring-Systems bei rotierenden Maschinen

04 Beispiel eines temporären TE-Monitoring-Systems

05 Beispiel eines automatisch generierten Protokolls mit Details über die identifizierten TE-Defekte

Die Folge einer konzentrierten Überbeanspruchung in elektrischen Isolationen sind Teilentladungen (TE). Diese Teilentladungs-Aktivitäten können zu Störungen und daraus folgenden schweren Beschädigungen in betriebskritischen Komponenten führen. Deshalb ist die Erfassung von TE-Aktivitäten für Hochspannungs- Betriebsmittel von großer Bedeutung. Allerdings macht die Vielfalt von TE-Signalen das Messen und Erkennen von Teilentladungen zu einer Herausforderung. Mit moderner Digitaltechnik, wie Omicron sie anbietet, ergeben sich neue Möglichkeiten, dieser Herausforderung zu begegnen.

Während der Herstellung und Inbetriebnahme von elektrischen Betriebsmitteln werden seitens des Herstellers große Aufwände betrieben, um den Nachweis über Qualität und Zuverlässigkeit des Betriebsmittels zu erbringen. Der Betreiber veranlasst dann über den Lebenszyklus hinweg weitere Maßnahmen, um den Zustand des Betriebsmittels zu bewerten und Entscheidungen bezüglich Wartung, Reparatur oder Austausch treffen zu können. Diese Maßnahmen können in verschiedenen Ausprägungen (Bild 2) während der gesamten Lebensdauer eines Betriebsmittels erfolgen. Sie reichen von Diagnosemessungen über das temporäre bis hin zum permanenten TE-Monitoring. Dabei bringt jedes einzelne Verfahren Vor- und Nachteile mit sich. Ein Beispiel stellen die periodischen Offline-Diagnosemessungen dar. Sie
・erlauben die Variation diverser Parameter (U),
・finden nicht unter Betriebsbedingungen statt (Last, Temperatur, Vibration),
・sind in ihrer Vergleichbarkeit stark abhängig vom durchführenden Personal und
・stellen eine Momentaufnahme des Zustands dar.

Ferner gibt es die periodischen Online-Monitoring-Messungen bzw. das temporäre Monitoring. Beide
・bieten keine Möglichkeiten, diverse Randbedingungen zu variieren (U = konst),
・finden per Definition unter Betriebsbedingungen statt (Last, Temperatur und Vibration),
・sind in ihrer Vergleichbarkeit abhängig vom durchführenden Personal und
・stellen eine Momentaufnahme des Zustands dar. Darüber hinaus gibt es noch das permanente Monitoring. Es
・bietet keine Möglichkeiten, diverse Randbedingungen zu variieren (U = konst.),
・findet unter Betriebsbedingungen statt (Last, Temperatur, Vibration),
・ist in seiner Vergleichbarkeit nicht abhängig vom durchführenden Personal und
・bietet die Möglichkeit zur kontinuierlichen Überwachung.
Kontinuierliches Online-Monitoring kann auch als Basis für den Übergang von turnusmäßiger auf zustandsabhängige Wartung genutzt werden. Sowohl eine längere Betriebsdauer als auch eine optimale Wartungsgestaltung ermöglichen finanzielle und personelle Einsparungen.

Monitoring rotierender elektrischer Maschinen
Rotierende elektrische Maschinen (Bild 1) sind wichtige Komponenten bei der Energieversorgung (Generatoren) oder bei Antriebsprozessen (Motoren). In beiden Anwendungen bestehen hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. So kann die Reparatur einer Maschine langwierig sein und hohe Kosten nach sich ziehen.

Warum TE-Monitoring?
Laut Fehlerstatistiken sind Statorfehler die zweithäufigste Ausfallursache großer rotierender Maschinen (Generatoren und Motoren). Eine Verschlechterung der Ständerisolierung kann Schlüsse zwischen den Windungen, den Phasen oder zwischen Phase und Erde verursachen. Solch schwerwiegende Fehler bedingen einen Komplettausfall der Maschine. Rotierende Maschinen verfügen über ein – verglichen mit anderen Betriebsmitteln – verhältnismäßig hohes Niveau an tolerierbaren Teilentladungen. Die Veränderungen dieser TE-Phänomene an Motoren und Generatoren erstrecken sich über einen langen Zeitraum. Über eine empfindliche und selektive TE-Messung lassen sich allerdings potenzielle Defekte in der Ständerisolierung detektieren, bevor es zu einem Ausfall kommt. Das gilt auch, wenn die Gradienten der Veränderung sehr klein sind. Auf der Grundlage periodischer oder permanenter TE-Messung können somit rechtzeitig die richtigen Entscheidungen zur zustandsorientierten Instandhaltung getroffen werden. Dadurch sinkt wiederum das Ausfallrisiko der Maschine.

Komponenten eines TE-Monitoring-Systems
Ein TE-Monitoring-System besteht aus Sensoren, einer Erfassungseinheit und einem Verarbeitungssystem, welches die Messergebnisse verarbeitet, visualisiert, an übergeordnete Systeme weiterleitet und speichert. An rotierenden Maschinen werden vorwiegend kapazitive Koppelkondensatoren als TE-Sensoren eingesetzt. Dabei ermöglichen große Kapazitäten eine hohe Sensibilität und das Erfassen großer Bereiche der Statorwicklung. Andere Sensoren bedienen sich der Einkopplung von TE-Impulsen via elektrisch-magnetischer Felder innerhalb des Stators direkt über eingebrachte Strukturen oder über die Zuleitungen von im Stator eingebrachten Temperatursensoren. Bild 3 zeigt die Systemkomponenten einer permanenten TE-Monitoring-Lösung an einer Maschine. Hier wird pro Phase ein kapazitiver Koppelkondensator möglichst nah an der Maschine selbst montiert; eventuell kann der Sternpunkt ebenfalls erfasst werden. Die dreikanalige Erfassungseinheit wird ebenfalls möglichst nah an den Koppelkondensatoren platziert, um kurze Messleitungen realisieren zu können. Zur Datenübertragung von der Erfassungseinheit zum Server kommen Lichtwellenleiter zum Einsatz. Dadurch werden Störeinflüsse vermieden, die bei elektrischen Datenleitungen gegebenenfalls auftreten können (Potentialverschleppung, Schleifen oder Einstreuungen). Ein temporäres Monitoring-System besteht ebenfalls aus fest installierten Sensoren, da diese im laufenden Betrieb weder montiert werden könnten noch eine Normalisierung des Systems vorgenommen werden kann. Für beide Maßnahmen ist eine Außerbetriebsetzung der Maschine erforderlich. Während einer periodischen temporären Messkampagne (temporäres Monitoring, Bild 4) wird eine mobile Erfassungseinheit an die fest installierten Sensoren bei laufendem Betrieb der Maschine angeschlossen. Die Verwendung der spezifischen Messeinstellungen, die in einer Datenbank abgelegt sind, stellt die Vergleichbarkeit zu vorherigen Messungen sicher.

Montage und Einrichtung während des Betriebs
Wie beschrieben, bedingen die Installation der Sensoren sowie die Normalisierung die Außerbetriebsetzung der Maschine. Diese Tätigkeiten müssen daher sorgfältig in Wartungsmaßnahmen eingeplant werden und dürfen solche nicht wesentlich verzögern. Bei gewissenhafter Vorbereitung können die drei Koppelkondensatoren inklusive der Verkabelung innerhalb eines halben Tags montiert und auch eine Normalisierung durchgeführt werden. Die weiteren Arbeiten (Montage der Erfassungseinheit, Einrichten der Datenverarbeitungsstruktur, eventuelle Schnittstellenkonfiguration zu übergeordneten Leitsystemen) können während des Betriebs der Maschine erfolgen. Dabei gewährleistet eine integrierte Schutzschaltung die Sicherheit auch bei Maschinenfehlern.

Die Datenverarbeitung bzw. –analyse
Der Benutzer kann festlegen, in welchen Intervallen ihm das TE-Erfassungssystem die TE-Daten für jeden Kanal der Erfassungseinheit zur Verfügung stellt. Die TE-Aktivität wird für jede Phase oder jeden Sensor und für jede separierte TE-Quelle als PRPD-Diagramm (Phase-Resolved Partial Discharge Patterns) angezeigt. Für die statistischen Parameter, wie TE-Amplitude, Häufigkeit der TE-Impulse usw., stehen Trenddiagramme zur Verfügung. Dabei kann die Datenanzeige durch Anwenden von Filteroptionen nach Bedarf reduziert werden. Ferner kann der Benutzer Schwellwerte für die Ausgabe von Warn- oder Alarmmeldungen definieren. Es wurde eine automatisierte Identifizierung von TE-Defekten entwickelt. Dabei sind die TE-Defekte an Ständerwicklungen und Störungen wie folgt in unterschiedliche Klassen einteilt:
・TE innerhalb von Hohlräumen der Hauptisolation durch schlechte Imprägnierung bei der Herstellung und durch thermische Alterung,
・TE auf der Oberfläche von Ständerstäben durch lose Spulen im Ständereisen oder durch schlecht hergestellte Beschichtungen sowie
・Störungen.
Die Ergebnisse werden im automatisch generierten Protokoll (Bild 5) angezeigt, einschließlich des PRPD-Musters, einer Beschreibung des identifizierten TE-Defekts nach den internationalen Normen und dessen Position in der schematischen Ansicht des Isolationssystems des Generators oder Motors. Zusätzlich werden die Details zur TE-Klassifizierung sowie algorithmische Merkmale zur Beschreibung des TE-Verhaltens angezeigt.

Schlussfolgerungen
Mittels Systemen zur kontinuierlichen TE-Überwachung lassen sich die Mechanismen, die für die Verschlechterung der Isolation in der Ständerwicklung verantwortlich sind, identifizieren. Schwachstellen können so in einem frühen Stadium erkannt und Anlagenausfälle durch die frühe Einleitung von Wartungs- bzw. Reparaturmaßnahmen vermieden werden. Dabei bietet das TE-Überwachungssystem intelligente Lösungen zur TE-Überwachung in Umgebungen mit großem Störpotenzial: Die synchronen Mehrkanal- und Multispektral-Auswerteverfahren sind in der Lage, eine effiziente Trennung von verschiedenen Arten von TE-Quellen vorzunehmen und diese gegenüber Störungen zu unterscheiden. Ein modulares und skalierbares Distributed Softwaresystem übernimmt die komplizierte Verarbeitung und Analyse der TE-Daten und sorgt für eine flexible Verwendbarkeit und Langzeitspeicherung der Daten. Die automatisierte Klassifizierung der PRPD-Muster kombiniert die beiden Ansätze der probabilistischen Mustererkennung und der deterministischen wissensbasierten Analyse. Dadurch ist der Anwender in der Lage, TE-Defekte effizient zu identifizieren.

Das Angebotsspektrum
Omicron liefert seit vielen Jahren präzise Lösungen zur Teilentladungsmessung. Diese kommen bei der Qualitätssicherung und Inbetriebnahme zum Einsatz. Seit einiger Zeit ist diese Technologie auch für Online-Monitoring-Anwendungen verfügbar. Die Österreicher stellen bei ihren Monitoring-Systemen sowohl für periodisches als auch für kontinuierliches Monitoring alle nötigen Hilfsmittel zur Verfügung. Dabei kann die flexible Systemarchitektur entsprechend den Anforderungen des Kunden an die Erfassung seiner Monitoring-Daten mitwachsen. (ih)

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Autor:
Dr. hab. Wojciech Koltunowicz ist bei Omicron Energy Solutions Berlin mit der Diagnose von Hochspannungsgeräten beauftragt. Außerdem ist er Vorsitzender der Cigre Advisory Group D1.03 „Insulating Gases“, der Arbeitsgruppe D1.25 und Mitglied der AG D1.02 „High Voltage and High Current Test and Measuring Technique and Diagnostic“ sowie der Arbeitsgruppen D.1.28, D1.37 und D1.51. Darüber hinaus ist er Mitglied der IEC TC42 WG14 und Autor von diversen internationalen Berichten.