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UnterYo-Yo-ShiDie Fehlerbehebung bei Teilentladungen im Kaltschrumpfverfahren beginnt mit der Unterscheidung zweier Fehlermechanismen – diese weisen zwar überlappende Symptome auf, beruhen jedoch auf unterschiedlichen physikalischen Ursachen. Werden sie verwechselt, führt dies zu falschen Abhilfemaßnahmen – beispielsweise zur Reinigung eines Bauteils, das eigentlich ausgetauscht werden müsste, oder zum Austausch eines Bauteils, das lediglich neu eingesetzt werden müsste. Dieser Leitfaden erläutert, wie man sie voneinander unterscheidet, wie sie in der Praxis aussehen und wie man zwischen Reparatur und Austausch entscheidet.
Eine Teilentladung (PD) ist ein lokaler elektrischer Durchschlag, bei dem nur ein Teil der Isolierung zwischen zwei leitenden Oberflächen überbrückt wird, im Gegensatz zu einem vollständigen Überschlag über den gesamten dielektrischen Spalt. Sie tritt auf, wenn sich ein mit Luft gefüllter Hohlraum oder ein Grenzflächenabstand innerhalb eines Bereichs mit konzentriertem elektrischem Feld befindet – am häufigsten an der Schulter des Spannungskegels, wo die halbleitende Abschirmung des Kabels endet und die Feldgradierung beginnt. Bei einer typischen Kaltschrumpf-Kabelendverschlusskonstruktion der 15-kV- bis 35-kV-Klasse wird eine Teilentladungsaktivität unterhalb von etwa 5 pC bei einer ordnungsgemäß installierten Einheit oft als Hintergrundrauschen betrachtet, wobei sich dieser Schwellenwert je nach Prüfverfahren und Auslegung des Kabelsystems verschiebt.
Die Oberflächenverfolgung ist eine eigenständige, sichtbare Form der Materialverschlechterung: Dabei bildet sich entlang einer isolierenden Oberfläche eine fortschreitende verkohlte Spur, die durch Leckstrom verursacht wird, der auf einen Film aus Feuchtigkeit und Verunreinigungen einwirkt, und nicht durch einen inneren Hohlraum. Er entsteht an der äußeren Silikon- oder EPDM-Hülle und beginnt häufig in der Nähe des Bereichs mit der höchsten Belastung, etwa 20 mm bis 40 mm von der Schulter des Belastungskegels entfernt.
Beide können dasselbe Folgeerscheinung hervorrufen – einen Flashover oder einen Isolationsdurchschlag –, weshalb Einsatzkräfte einen Kriechstromausfall manchmal ohne messtechnische Bestätigung auf “PD” zurückführen. PD ist ein internes Phänomen, das durch Prüfungen bestätigt wird; Kriechströme hinterlassen bei der Inspektion physische Spuren. Ein Gerät kann beides gleichzeitig aufweisen, da Oberflächenverunreinigungen, die eine Kriechstrombildung auslösen, in fortgeschrittenen Stadien auch die Hohlraumbedingungen schaffen können, die PD aufrechterhalten.
Das Erkennen von Teilentladungen beginnt oft schon, bevor ein Techniker ein Prüfgerät anschließt – die Mitarbeiter bemerken die ersten Anzeichen häufig bereits bei einem routinemäßigen Rundgang, wenn eine aktive Teilentladungsquelle bereits laut oder heiß genug ist, um wahrgenommen zu werden.
Eine aktive Teilentladungsquelle erzeugt häufig ein leises Zischen oder Knistern, das aus nächster Nähe hörbar ist, jedoch zuverlässiger mit einem auf 20 kHz–100 kHz abgestimmten Ultraschalldetektor erfasst werden kann. An Verteilungsanschlüssen der 15-kV- bis 25-kV-Klasse steigt die Amplitude des Ultraschallsignals in den Tagen oder Wochen vor einem Überschlag tendenziell stark an, sodass ein bestätigter Treffer Anlass für eine genauere Untersuchung ist und nicht nur abgewartet und überwacht werden sollte. Ein lokalisierter Infrarot-Hotspot in der Nähe der Schulter des Spannungskegels kann das akustische Signal begleiten, obwohl die thermische Signatur allein nicht aussagekräftig ist, da auch der normale Laststrom eine Hintergrunderwärmung erzeugt.
Bei einer planmäßigen VLF-Belastungsprüfung (Very-Low-Frequency) zeigt sich die Teilentladungsaktivität in der Regel eher als instabile Leckstromkurve oder als sprunghafte Änderung des Tan-Delta-Werts – wobei Tan Delta das Verhältnis von ohmschem zu kapazitivem Strom in der Isolation ist und als Standardmaß für den dielektrischen Verlust dient – als durch ein direktes Versagen der Prüfung. Bei einer einwandfreien Anschlussverbindung der 15-kV- bis 35-kV-Klasse liegen die tan-delta-Werte bei Nennspannung üblicherweise unter etwa 1,0% bis 1,5% [NORME PRÜFEN: genaue tan-delta-Stabilitätsgrenzwerte gemäß IEEE 400.2 für Kaltschrumpf-Endverschlüsse]; ein steigender Trend über aufeinanderfolgende Prüfungen hinweg ist oft das früheste quantifizierbare Anzeichen für eine Verschlechterung der Schnittstelle.
PD-Ansprechspannung (Vi) sollte bei einer ordnungsgemäßen Erdung im Allgemeinen über dem 1,5-fachen der Nenn-Phasen-Erd-Spannung des Systems liegen; ein gemessener Vi Eine Spannung, die sich der Nennspannung annähert oder unter dieser liegt, ist ein deutlicher Hinweis auf einen aktiven Hohlraum oder einen Grenzflächenfehler.
Diese Messwerte dienen der Diagnose und stellen keine endgültigen Beurteilungen dar – bei einem auffälligen Messwert sollten vor einer Entscheidung über Reparatur oder Austausch ein Wiederholungstest und eine physische Überprüfung durchgeführt werden.
[Experteneinblick]
- Ein steigender Tan-Delta-Trend ist oft eine zuverlässigere Frühwarnung als ein einzelnes „Bestanden“- oder „Nicht bestanden“-Ergebnis
- Die Ultraschallerkennung funktioniert am besten während eines Rundgangs in den ruhigen Stunden, abseits der Hintergrundgeräusche des Umspannwerks.
- Infrarot allein liefert keine eindeutigen Ergebnisse – kombinieren Sie es mit einer akustischen oder elektrischen Messung.
Sobald das Gerät stromlos geschaltet und zugänglich ist, lassen sich bei einer Sichtprüfung Mängel erkennen, die bei einer rein instrumentellen Prüfung übersehen werden können – die Spuren hinterlassen physische Anzeichen, die ohne Spezialausrüstung erkennbar sind, wobei eine Lupe oder ein Endoskop dabei helfen, Fälle im Frühstadium zu bestätigen.
Das deutlichste bestätigte Anzeichen ist eine dünne, verzweigte, grau- bis schwarzfarbene Spur, die sich in die Oberfläche eingegraben hat und in der Regel dem Feldgradienten folgt, anstatt zufällig zu verlaufen. Bei einer Abschlussvorrichtung der 15-kV- bis 25-kV-Klasse wird eine Spur, die länger als etwa 5 mm bis 10 mm ist, im Allgemeinen als aktives Kriechstromereignis gewertet, da echter Kohlenstoffkriechstrom unter anhaltender Spannungsbelastung leitfähig ist und sich selbst ausbreitet. Heller, unverzweigter Farbstich ohne definierten Pfad ist häufiger auf Oberflächenverunreinigungen oder UV-Alterung zurückzuführen und bestätigt für sich genommen noch keine Kriechstrombildung.
Da in diesem Bereich die höchste Feldkonzentration herrscht, ist er auch die häufigste Stelle, an der Erosion auftritt – eine raue, narbige oder kreidige Oberfläche, an der sich die glatte Werksoberfläche abgetragen hat. Bei der Begutachtung von Geräten, die nach mehrjährigem Betrieb ausgebaut wurden, zeigt sich dieses Muster oft bereits, bevor sich sichtbare Kohlenstoffspuren gebildet haben.
Eine Schicht aus Staub, Salzfilm oder industriellen Rückständen auf der Kriechstrecke ist an sich noch kein Hinweis auf Kriechstrombildung, doch ihre Verteilung spielt eine Rolle: Stärkere Ablagerungen in der Nähe der Schulter des Spannungskegels oder des Sockels des Mantels – im Gegensatz zu einer gleichmäßigen Verteilung – deuten auf den lokalen Feuchtigkeits- und Verunreinigungszyklus hin, der typischerweise dem Entstehen von Kriechstrombildung vorausgeht. Außenanlagen in Küsten- oder Industrieumgebungen weisen dieses Muster schneller auf als im Inneren von Schaltanlagen montierte Anschlüsse.
Keiner dieser drei Indikatoren ist für sich genommen ausschlaggebend – Verfärbungen, Erosion und ein ungleichmäßiges Verschmutzungsmuster rechtfertigen jedoch gemeinsam die Durchführung diagnostischer Tests, bevor über eine Reparatur oder einen Austausch entschieden wird.
Die Schulter des Spannungskegels ist der Bereich mit dem höchsten Feld in der Baugruppe, sodass fast jede Grundursache auf einen Zustand zurückzuführen ist, der die Feldspannung konzentriert oder dort einen leitenden Pfad schafft.
Ein Hohlraum, der groß genug ist, um eine Teilentladung (PD) zu verursachen, entsteht fast immer bereits während der Installation. Ein auf die falsche Länge zugeschnittenes halbleitendes Abschirmband, Lösungsmittelrückstände auf der Isolationsoberfläche oder ein Spannungskegel, der auch nur wenige Millimeter von seiner vorgesehenen Position abweicht, führen zu einem kleinen Luftspalt zwischen der inneren Geometrie des Kabelabschlusses und der Kabelisolierung. Bei einem Mittelspannungskabel der Klasse 15 kV bis 35 kV kann ein Positionierungsfehler von 3 mm bis 5 mm relativ zum Schnittpunkt der halbleitenden Abschirmung dazu führen, dass der Spannungskegel aus seiner vorgesehenen Feldgradierungszone verschoben wird.
Da die elektrische Feldstärke an einer scharfen geometrischen Diskontinuität umgekehrt proportional zum lokalen Krümmungsradius ist, kann selbst ein kleiner Hohlraum (mit einem Durchmesser von etwa 0,1–0,5 mm) innerhalb einer Zone mit hoher Belastung lokal die Entladungsschwelle des Materials überschreiten, obwohl die Isolierung im Gesamtvolumen deutlich unterhalb ihrer Nennfestigkeit bleibt.
Im Betrieb verbindet sich Feuchtigkeit, die – durch eine beschädigte Umgebungsdichtung, Kondensation oder Witterungseinflüsse – an die Grenzfläche gelangt, mit Verunreinigungen und bildet so den leitfähigen Oberflächenfilm, der Kriechströme verursacht. Dieser Prozess verläuft schrittweise: Ein Anschluss kann mehrere Jahre lang funktionieren, bevor die zyklische Einwirkung von Feuchtigkeit einen messbaren Leckstrompfad erzeugt.
Kaltschrumpftechnik Dies hängt vollständig vom anhaltenden Druck des Elastomers auf die Kabeloberfläche ab; daher kann jede langfristige Relaxation – sei es durch Temperaturwechselbeanspruchung, Materialalterung oder die Wahl eines zu kleinen Sets im Verhältnis zum tatsächlichen Außendurchmesser des Kabels – einen mikroskopisch kleinen Spalt an einer Schnittstelle wieder öffnen, die bei der Installation ursprünglich einwandfrei war. Eine Kabelendverschlusskonstruktion kann bei der Inbetriebnahme einwandfrei getestet werden und erst Jahre später, wenn die Druckkraft allmählich nachlässt, eine Anfälligkeit für Teilentladungen entwickeln.
[Experteneinblick]
- Hohlräume aus der Montagephase und Druckverluste während des Betriebs sehen bei einer PD-Prüfung gegen Ende der Lebensdauer identisch aus – nur anhand der Inbetriebnahmeprotokolle lassen sie sich unterscheiden
- Zu klein dimensionierte Sets im Verhältnis zum tatsächlichen Außendurchmesser des Kabels sind eine häufig auftretende, vermeidbare Ursache
Um eine PD zu bestätigen, zu überwachen oder beides, muss man von visuellen und akustischen Anzeichen zu instrumentierten Prüfungen übergehen. Die drei nachfolgend beschriebenen Methoden unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit, der Notwendigkeit, den Stromkreis abzuschalten, und der jeweils gemessenen Größen.
Bei der VLF-Prüfung wird eine sinusförmige oder kosinus-rechteckige Wellenform – typischerweise mit 0,1 Hz – an das stromlose Kabel angelegt, während gleichzeitig auf Entladungsimpulse überwacht wird. Diese Prüfung erfordert eine geplante Abschaltung, steht jedoch in direktem Zusammenhang mit der tatsächlichen Durchschlagfestigkeit unter einer kontrollierten Spannungsanstiegskurve und kann in einem Durchgang mit einem Tangens-Delta-Sweep kombiniert werden. IEEE 400.2 – Leitfaden für VLF-Prüfungen regelt die VLF-Prüfverfahren und die Abnahmerichtlinien für abgeschirmte Stromkabelsysteme, einschließlich Anschlussstücke und Zubehör, und dient hier als primäre Referenz.
UHF-Sensoren und TEV-Sonden (Transient Earth Voltage) ermöglichen die Überwachung von Teilentladungen im Betriebszustand, weshalb sie sich besonders für Anlagen eignen, die für ein VLF-Fenster nicht vom Netz genommen werden können. Sie erfassen die elektromagnetischen Transienten, die bei jeder Entladung ausstrahlen, und eignen sich daher eher für eine Trendüberwachung im vierteljährlichen bis jährlichen Rhythmus als für eine einmalige Beurteilung nach „bestanden“ oder „nicht bestanden“.
Eine UV-empfindliche Koronakamera macht Oberflächenentladungen sichtbar, die bei Tageslicht oft nicht zu erkennen sind. Sie eignet sich zur Erkennung von Tracking im Frühstadium oder von Koronaentladungen an der Schulter des Spannungskegels während eines Walkdown-Tests. Da sie ausschließlich Aktivitäten an der Oberfläche erfasst und keine durch Hohlräume verursachten internen Teilentladungsquellen nachweisen kann, ergänzt sie elektrische Prüfverfahren, ersetzt diese jedoch nicht.
Sobald durch Tests und Prüfungen die eigentliche Ursache festgestellt wurde, muss entschieden werden, ob es sich bei der Beschädigung um einen behebbaren Oberflächenfehler handelt oder ob die dielektrische Integrität im Inneren beeinträchtigt ist.
Ein Anschluss, der lediglich leichte Verunreinigungen, geringfügige Verfärbungen ohne Kohlenstoffspur und einen stabilen tan delta-Wert zwischen etwa 1,01 TP3T und 1,51 TP3T bei Nennspannung aufweist, kommt in der Regel für eine Reinigung und einen erneuten Einbau in Frage. Dies gilt, wenn der Grenzflächendruck und die Position des Spannungskegels innerhalb der vorgesehenen Geometrie bleiben – die Behebung zielt auf die Verschmutzungsquelle ab (Nachdichten eines Gehäuses, Anbringen einer Tropfschleife, Verbesserung der Belüftung) und nicht auf die Anschlussstelle selbst. Erfahrungen aus dem Feld bei Installationen der 15-kV- bis 25-kV-Klasse im Außenbereich zeigen, dass sich dadurch die meisten durch Verschmutzung verursachten Fälle beheben lassen, die erkannt werden, bevor messbare Kriechströme auftreten.
Eine bestätigte Kohlenstoffspur, eine PD-Anfangsspannung, die sich der Nenn-Phase-zu-Erde-Spannung annähert oder unter dieser liegt, oder sichtbare Schultererosion deuten darauf hin, dass das interne dielektrische System beeinträchtigt ist und durch oberflächliche Maßnahmen nicht wiederhergestellt werden kann. Ein Austausch ist auch dann angebracht, wenn der Druckverlust an der Grenzfläche die Hauptursache ist, da die Druckkraft nach ihrer Entlastung praktisch nicht wiederhergestellt werden kann. Der Austausch eines verdächtigen Geräts während einer geplanten Abschaltung ist fast immer mit einem geringeren Risiko verbunden als eine Verschiebung aufgrund eines grenzwertigen Ergebnisses, vorausgesetzt, dass MV Kabelzubehör sind für eine Lebensdauer von 25 bis 40 Jahren ausgelegt. Die Rahmenkonzept für die Auswahl von Kündigungen ist eine nützliche Orientierungshilfe, wenn es darum geht, das Ersatzkabel anhand der tatsächlichen Kabelspezifikation auszuwählen.
Nicht jeder Fall lässt sich mit der oben beschriebenen Logik eindeutig klären. Grenzfälle, ein sich wiederholendes Fehlermuster bei mehreren Einheiten desselben Projekts oder eine Ursache, die eher auf eine Abweichung von der Spezifikation als auf eine einzelne fehlerhafte Einheit zurückzuführen ist, sollten eskaliert werden, bevor eine Korrektur vorgenommen wird.
Mehrere Ausfälle aus derselben Charge oder von derselben Arbeitsgruppe, die ähnliche Ortungspunkte oder PD-Signaturen aufweisen, deuten häufig auf ein systemisches Problem hin: ein im Verhältnis zum tatsächlichen Außendurchmesser des Kabels zu kleines Kit, eine nicht passende Geometrie des Spannkegels oder eine Umwelteinwirkung, die in der ursprünglichen Spezifikation nicht berücksichtigt wurde. Um die Ursache auf Spezifikationsebene zu ermitteln, ist es in der Regel hilfreich, eine technische Überprüfung anhand der ursprüngliche Angebotsanfrage und Produktunterlagen, zusammen mit einer Überprüfung von Beschaffungsstandards für Transformatoren und Kabelzubehör wenn beide Produktfamilien gemeinsam beschafft werden.
Bei Projekten, bei denen kalt- und wärmeschrumpfende Kabelzubehörteile beschafft werden, unterstützt ZeeyiElec neben der Beratung bei der Standardauswahl auch die technische Überprüfung fragwürdiger Installationen, wobei Spannungsklassen, Leiterquerschnittsbereiche und Umgebungsfaktoren berücksichtigt werden, die für die Dimensionierung der Anschlüsse relevant sind.
Teilentladungen entstehen in der Regel durch einen Hohlraum oder einen Luftspalt an der Grenzfläche zwischen dem Anschlusskörper und der Kabelisolierung, meist aufgrund einer unvollständigen Kabelaufbereitung, eines unzureichenden Anpressdrucks an der Grenzfläche oder Verunreinigungen, die während der Installation eingedrungen sind – die konkrete Ursache hängt davon ab, wo sich das Teilentladungssignal lokalisiert.
Bei der Oberflächenverfolgung hinterlässt der Entladungsprozess eine sichtbare verkohlte Spur auf der Außenfläche oder Grenzfläche des Endkörpers, während es sich bei der Teilentladung um ein internes elektrisches Phänomen handelt, das in der Regel nur durch messtechnische Prüfungen und nicht allein durch eine Sichtprüfung festgestellt werden kann.
Geringfügige Oberflächenverunreinigungen ohne Kohlenstoffspuren lassen sich manchmal reinigen und wieder einsetzen; sobald sich jedoch eine verkohlte Spur gebildet hat, kann das beschädigte Material in der Regel nicht mehr auf seine ursprüngliche dielektrische Leistungsfähigkeit zurückgebracht werden, sodass ein Austausch die sicherere Lösung darstellt.
UHF- und TEV-Sensoren ermöglichen eine nicht-invasive Online-Überwachung von Teilentladungen, während VLF-Belastungstests eine geplante Abschaltung erfordern – die Wahl hängt davon ab, ob die Anlage für den Untersuchungszeitraum vom Netz genommen werden kann.
Die Fortschrittsgeschwindigkeit variiert stark je nach Verschmutzungsgrad, Feuchtigkeitsbelastung und anliegender Spannungsbelastung und reicht von einem langsamen, über mehrere Jahre andauernden Verfall bis hin zu einem vergleichsweise schnellen Ausfall unter anhaltender Feuchtigkeit und Verschmutzung – die Zustandsüberwachung ist die einzige zuverlässige Methode, um den Verlauf bei einem bestimmten Gerät einzuschätzen.
Feuchtigkeit allein reicht selten aus – sie wird erst dann zu einem ausschlaggebenden Faktor, wenn sie mit Oberflächenverunreinigungen oder einem bereits vorhandenen Hohlraum einhergeht, da diese beiden Faktoren zusammen die Voraussetzungen für einen Leitungsweg schaffen, der eine fortschreitende Entladungsaktivität aufrechterhält.
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