DE3606697C2

DE3606697C2 - Verfahren zum Prüfen der Beschädigung der Isolation eines Hochspannungskabels

Info

Publication number: DE3606697C2
Application number: DE3606697A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Harasawa; Kenichiro Soma; Kazuo Kotani
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1985-04-19
Filing date: 1986-03-01
Publication date: 1998-04-09
Anticipated expiration: 2006-03-02
Also published as: US4721916A; JPS61243375A; DE3606697A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen der Beschädigung der Isolation eines Hochspannungskabels, insbesondere aufgrund der Aufnahme von Feuchtigkeit durch das feste Isolationsmaterial.

Die Isolationseigenschaften eines mittels Gummi oder eines Kunststoffs isolierten Hochspannungskabels, bei spielsweise eines mit Polyäthylen beschichteten Frei leitungskabels, wird durch Wasserbäume (Risse, in die Wasser eintritt), verschlechtert. Es ist daher wichtig, das Entstehen derartiger Wasserbäume festzustellen, um das Auftreten eines durch die Verschlechterung der Isolation verursachten dielektrischen Zusammenbruchs zu verhindern.

Es sind zwei Verfahren bekannt, um das Entstehen derar tiger Wasserbäume zu erkennen. Bei dem einen wird ein Stück eines Kabels, in dem ein dielektrischer Zusammen bruch aufgetreten ist, entnommen, erhitzt oder verfärbt und Augenschein - ggf. unter Verwendung eines Mikro skops - genommen. Bei dem anderen Verfahren wird auf das ansonsten abgeschaltete Kabel eine Gleichspannung aufgegeben, der nach Aufbringen der Spannung gemessene Entladungsstrom gemessen und das Ausmaß der Risse an hand dieses Ergebnisses geschätzt.

Bei diesen Verfahren werden die Wasserbäume festge stellt, wenn das Kabel nicht unter Spannung steht, da der dielektrische Zusammenbruch eines Kabels unter Spannung nicht zuverlässig zuvor festgestellt werden kann. Bekannt ist weiter ein Verfahren zum Prüfen des dielektrischen Wertes durch Aufbringen einer Wechsel- oder Gleichhochspannung auf ein Hochspannungskabel sowie ein Verfahren zum Messen des Gleich stroms durch Aufbringen einer Gleichspannung auf dieses. Bei dem ersten Verfahren kann abhängig von dem Aus maß der Verschlechterung der Isolation ein dielektri scher Zusammenbruch durch den Test verursacht werden. Auch wenn ein solcher Zusammenbruch nicht auf tritt besteht die Gefahr, daß die Isolationseigenschaf ten durch den Test selbst verschlechtert werden. Das letztgenannte Verfahren wird üblicherweise benutzt, um den Isolationswiderstand über die gesamte Länge des Kabels in Übereinstimmung mit der Größe des Leckstroms zu messen und den intermittierend in dem defekten Ab schnitt erzeugten Impulsstrom (als Kick-Phänomen bezeichnet) zu beobachten. Nachteilig ist jedoch, daß dieses Verfahren die Verwendung eines DC-Hochspannungs generators erfordert und daß auch ein normales Kabel durch eine Überspannung zerstört werden kann, wenn ein Überschlag oder ein dielektrischer Zusammenbruch auf tritt. Weiter hat sich gezeigt, daß zwischen der Wech selspannung, wie sie praktisch verwendet wird, und der Gleichspannung, wie sie für den Test verwendet wird, ein deutlicher Unterschied in der Verteilung des elek trischen Feldes gegeben ist, so daß der Test nicht geeignete Bedingungen bezüglich des elektrischen Feldes darstellt.

In der US 4 200 836 wird vorgeschlagen, den Isolationswiderstand eines Energieübertragungssystems dadurch zu messen, daß dem System eine niederfrequente Meßspannung zugeführt wird. Die Frequenz dieser Meßspannung soll sich deutlich von der Hauptfrequenz des Netzes unterscheiden, damit die beiden Span nungen selektiv gefiltert werden können. Die Spannungen werden in einem recht aufwendigen Schaltkreis weiterverarbeitet, ins besondere wird eine Spannung, die über den Leckwiderstand ab fällt, mit der ursprünglichen Meßspannung multipliziert, wo durch eine vom Leckwiderstand abhängige Gleichspannungskompo nente erzeugt wird. Im wesentlichen wird also eine Produkt spannung erzeugt, die stellvertretend für den interessierenden Isolationswiderstand ist.

Neuere Forschungen haben ergeben, daß der Leckstrom sich in der Größe stark ändert abhängig von der Polari tät der Gleichspannung, wenn Wasserbäume in der Isola tion auftreten und die Elektroden asymmetrisch angeord net sind. Dieses Phänomen führt zu einer falschen Ab schätzung der Verschlechterung der Isolation aufgrund der Änderung der Größe des Stroms.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Erkennen der Beschädigung der Isola tion eines Hochspannungskabels zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, durch Messung einer durch die Beschädigung der Isolation des Hochspannungskabels hervorgerufene Gleichstromkomponente eines durch das Kabel fließenden Ladungsstromes, der zumindest eine Wechselstromkomponente aufweist, Feststellen der Polarität, der Größe und der Zeitcharakteristik der Gleichstromkomponente, wobei eine Beschädigung des Hochspannungskabels vorliegt, wenn die Gleichstromkomponente von Null verschieden ist, und wobei aus der Polarität und der aus der Zeitcharakteristik ableitbaren zeitlichen Verzögerung der Gleichstromkomponente die Lage der Beschädigung festzustellen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2-5 angegeben.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, in der ein Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert wird. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Kurve, die das Verhältnis zwischen der Gleichstromkomponente in einem Iso lationskabel von 1 m³ und dem Volumen der von Wasserbäumen durchzogenen, zu prüfenden Isolation wiedergibt,

Fig. 2 eine Kurve, die das Verhältnis zwischen der maximalen Länge der Wasserbäume von der Leiterabschirmung und der Wasser bäume von der Isolationsabschirmung und dem Volumen der in der zu prüfenden Isolation durchdringenden Wasserbäume angibt,

Fig. 3 eine Kurve, die das Verhältnis zwischen dem absoluten Wert der Gleichstromkompo nente in einer Kabelisolation von 1 m³ und der Wechselstromdurchbruchspannung des Kabels angibt,

Fig. 4 und 5 Darstellungen von vorbekannten Anordnun gen, und

Fig. 6 ein Schaltbild, welches das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zum Er kennen der Isolationsverschlechterung eines Hochspannungskabels nach der Er findung wiedergibt.

Es wurden die Wasserbäume in 100 Mustern eines mit einem Polyäthylen beschichteten 6 kV Kabels beobachtet, deren wirksame Länge 10 m beträgt, wobei die Betriebs spannung von 3,8 kV von einer Leiterseite aufgebracht wurde. Die Gleichstromkomponente wurde von der äußeren Abschirmungsschicht des Kabels abgenommen, bezüglich jedes Musters wurde ein Wechselstrom-Durchbruch verur sacht. Die Ergebnisse werden in den Fig. 1 bis 3 gezeigt.

Fig. 1 zeigt das Verhältnis zwischen dem prozentualen Volumen der in einer Kabelisolation beobachteten Was serbäume und die Gleichspannungsstromkomponente durch die Erdungsleitung pro 1 m³ (die Komponente wird in 1 m³ gemessen, da verschiedene Kabelarten als Muster verwendet wurden, bei denen die Größe des Leiters un terschiedlich war). In Fig. 1 gibt die Kurve A den von der Leiterabschirmung des Kabels erzeugten Wasserbaum wieder, die Figur B zeigt den Wasserbaum, der von der Isolationsabschirmung des Kabels erzeugt wird. Es wird aus diesen Kurven erkennbar, daß um so mehr Wasserbäume einen erheblichen Volumenteil die Isolation belegt, um so größer die Größe der Gleichstromkomponente des Ka bels ist.

Fig. 2 zeigt das Verhältnis zwischen dem von Wasser bäumen durchdrungenen Volumens der Kabelisolation und der Maximallänge des Wasserbaumes von der Leiterab schirmung und dem Wasserbaum von der Isolationsabschir mung. Dies zeigt, daß die Maximallänge der Wasserbäume um so größer wird, um so größer das Volumen der Wasser bäume in der Kabelisolation ist.

Fig. 3 zeigt das Verhältnis zwischen der Wechselstrom- Durchbruchspannung des Kabels und dem Absolutwert der Gleichstromkomponente in 1 m³. Aus Fig. 3 ergibt sich, daß die Wechselstrom-Durchbruchspannung um so geringer ist, um so größer die Gleichstromkomponente des Kabels ist.

Es ergibt sich daraus:

1. Die Gleichstromkomponente wird durch das Vorhan densein des Wasserbaumes verursacht. Wenn der Wasserbaum von der Leiterabschirmung erzeugt wird, ist die Polarität der Gleichstromkomponente nega tiv, wenn der Wasserbaum von der Isolationsab schirmung erzeugt wird, ist die Polarität der Gleichstromkomponente positiv.
2. Um so größer die Größe der Gleichstromkomponente ist, um so größer ist das Volumen des Wasserbaumes in der Kabelisolation.
3. Um so größer die Größe der Gleichstromkomponente ist, um so länger ist der Wasserbaum ausgebildet.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Beispiele zur Verhinderung eines dielektrischen Durchbruchs eines unter Betriebs spannung stehenden Kabels durch Ermitteln des Vorhan denseins, der Größe und der Ausbreitungsrichtung des Wasserbaums ausgehend von diesen Betrachtungen der Polarität und der Größe der Gleichstromkomponente. Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines Hochspannungskabels mit drei Kernen. Fig. 5 drei derartige Kabel mit je weils einem Kern.

In den Fig. 4 und 5 werden ein Einspeisungstransfor mator 1, Hochspannungsleitungen 2, ein Erdungstransfor mator 3, zu prüfende isolierte Kabel 4, 4′, Erdungslei tungen 5, 5′, die mit einer Metallabschirmung des Ka bels verbunden sind, und eine Vorrichtung 6 zum Messen der Gleichstromkomponente gezeigt.

Die Vorrichtung 6 weist einen Filterschaltkreis, Verstärkungsschaltkreise, Verrechnungsschaltkreise und Anzeigeschaltkreise auf. Diese dienen dazu, das Vorhan densein, die Größe und die Ausbreitungsrichtung von Wasserbäumen durch Beobachtung der Gleichspannungskom ponente des durch die Erdungsleitungen 5 oder 5′ fließenden Stromes zu messen, die mit der Metallab schirmung der isolierten Kabel 4 oder 4′ verbunden ist, auf den die Wechselspannung über die Leitungen 2 eingespeist werden. Die Vorrichtung kann daher zur Erkennung eines Wasserbaumes nicht nur in einem Kabel unter Betriebsbedingungen, sondern auch in einem abge schalteten oder abmontierten Kabel genutzt werden.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Vorrichtung nicht für alle Kabelsysteme geeignet ist. Hochspannungskabel haben mehrere Erdungspunkte an ihren Anschlüssen oder an deren Isolationsabschirmungen. Weiter gibt es Hochspannungskabel, deren äußere Abschirmung direkt mit der Erde in Verbindung stehen. In solchen Kabeln ist das Ab trennen der Erdung zum Einsetzen der Vorrichtung schwierig, so daß der Vorgang verbessert werden muß.

Da die elektrische Versorgung in unserem täglichen Leben eine große Rolle spielt, kann das Zusammenbrechen der Elektrizitätsversorgung aufgrund eines dielektri schen Durchbruchs eines Hochspannungskabels zu schwer wiegenden Folgen führen. Durch die Erfindung werden die Nachteile und die Unbequemlichkeiten bei der Erkennung von Isolationsverschlechterungen für Hochspannungskabel nach dem Stand der Technik weitgehend überwunden. Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren geschaf fen, das eine frühzeitige Erkennung eines bevorstehen den dielektrischen Zusammenbruchs ermöglicht und so Zeit zum Ersetzen und Reparieren des Systems schafft.

Im folgenden wird anhand von Fig. 6 das Verfahren nach der Erfindung erläutert.

Ein Filterkreis 300 mit Kondensatoren und einer Sperr spule, das lediglich eine Gleichspannungskomponente durchläßt und eine parallel mit dem Filter 300 angeord nete Vorrichtung 400 zum Messen kleiner Gleichströme sind zwischen einem Einspeisungstransformator 100 und dem einen Ende eines isolierten Hochspannungskabelsy stems 200, dessen äußere Metallabschirmung geerdet ist, angeordnet. Das andere Ende des Hochspannungskabelsy stems 200 (wenn das Hochspannungskabelsystem mehrere Zweige hat, sind mehrere Endabschnitte vorhanden) ist mit einer Last 500 verbunden, die vor Durchführung der Messung abgehängt wird, so daß lediglich ein Strom I_S entsprechend dem Ladestrom von dem Einspeisungstrans formator 1 zu dem Kabel 200 führt.

Obwohl es theoretisch möglich ist, die Last 500 ange schlossen zu lassen, ist dies nicht praktisch, da das Filter 300 unnötig groß sein muß, um einen dem Last strom entsprechenden Strom durchzulassen. Der Ladestrom I_S besteht aus einem reinen Gleichspannungsladestrom I_C und der Wechselstromkomponente I_R, die von dem Ausmaß der Beschädigung der Isolation abhängt. Der reine Lade strom I_C passiert das Filter 300, wobei nur die Gleich stromkomponente I_R durch die Meßvorrichtung 400 fließt Da der neutrale Punkt des Transformators 100 direkt oder über eine Reaktanz oder einen Widerstand mit der Erde verbunden ist, wird ein Strom I_S entsprechend dem Ladestrom in dem Zweig fließen, der in Fig. 6 mit einem Pfeil dargestellt ist.

Die Gleichstromkomponente I_R, die von der Vorrichtung 400 erkannt wird, kann über ein - nicht gezeigtes - Glasfaserkabel oder aber durch den Raum an eine (nicht gezeigte) Steuereinheit übertragen werden, in der das Ausmaß der Beschädigung der Kabelisolation festgestellt wird. Die Überprüfung der Kabelisolation kann daher ohne Annäherung an den gefährlichen Hochspannungsbe reich durchgeführt werden.

Um es zu ermöglichen, das Ausmaß der Beschädigung eines Kabels aufgrund des Ergebnisses der Prüfung eines unter Spannung gesetzten Kabels festzustellen, wurden 6 kV Erdleitungen ausgewählt, die nach mehr als 15 Jahren ausgesetzt werden mußten. Es wurden 15 Leitungen ge prüft.

Die Meßergebnisse waren wie folgt:

a) Gleichspannungskomponenten von 2 nA bis 20 µA wurde in 5 der 15 Leitungen festgestellt. Die Polarität war in drei Leitungen positiv, in einer Leitung negativ und in einer weiteren Leitung sowohl posi tiv als auch negativ.
b) Der Streustrom war in seiner Abweichung größer als die Gleichstromkomponente. Die Größe erreichte mehrere µA bis mehrere 100 µA und war größer als die Gleichspannungskomponente.
c) Die Größe und die Polarität der Gleichstromkompo nente war gleichbleibend, wenn der Meßpunkt von einer Seite des Kabels zu der anderen Seite umge wechselt wurde.
d) Es trat ein Fall auf, wo die Messung der Gleich spannungskomponente unmöglich wurde, weil die Erdung nicht ausreichend war.

Um das Verhältnis zwischen den Meßergebnissen eines mit Energie versorgten Kabels und dessen Beschädigung fest zustellen, wurde das Experiment nach Entfernen des Kabels von der Installation durchgeführt. Die Messung der Gleichstromkomponente wurde also im Labor durchge führt. Bei diesem Experiment wurde die Gleichstromkom ponente in jeder Phase und in den drei Phasen zusammen unter Aufbringung einer Gleichspannung von 3,8 kV durchgeführt. Die Ergebnisse waren identisch mit denen von dem unter Spannung stehenden Kabel mit Ausnahme einer Leitung, in der die Abschirmung nicht in dem Normalzustand war.

Die Ergebnisse für die Beschädigung eines Kabels wird im folgenden zusammengefaßt.

1. Die Erzeugung eines Wasserbaumes

Die jeweiligen Abschnitte, in denen Gleichstrom komponenten festgestellt wurden und keine Gleich stromkomponenten festgestellt wurden, wurden vi suell untersucht. Weiter wurden Stücke einer Iso lation, die einer Durchbruchöffnung entsprachen oder in der Nähe davon waren, in gefärbtem Zustand mittels eines optischen Mikroskops untersucht, nach dem ein Wechselspannungsdurchbruchstest durchgeführt worden war.

Die Ergebnisse waren wie folgt:

a) In allen Kabeln, in denen die Gleichstromkomponen te größer als 2 nA war, wurden Wasserbäume gefun den. Dies bedeutet, daß eine Korrelation zwischen der Größe der Gleichstromkomponente und der Länge und der Dichte eines Wasserbaumes gegeben ist.
b) In Kabeln, in denen die Gleichstromkomponente geringer als 1 nA war, war kein Wasserbaum visuell zu erkennen. Jedoch war ein Wasserbaum mit einer maximalen Länge von 2 mm in einigen der untersuch ten Kabeln mittels des oben erwähnten Mikroskops entdeckt.

2. Wechselspannungsdurchbruch

a) In Kabeln, in denen die Gleichstromkomponente mehr als 2 nA war, wurde eine generelle Tendenz zu einer Durchbruchspannung festgestellt, die auf 15 bis 40% des ursprünglichen Werts abgesunken war.
b) In Kabeln, in denen die Gleichstromkomponente weniger als 1 nA war, betrug die Durchbruchspan nung 70 bis 90% des ursprünglichen Werts.

Bei dem oben angeführten Ausführungsbeispiel sind die Elemente wie Kabel, Transformator und dergleichen le diglich für eine Phase gezeigt. Es versteht sich je doch, daß die vorliegende Erfindung für jede Phase einer mehrphasigen Leitung angewendet werden kann, wodurch die Prüfung der Beschädigung der Isolation eines Kabels für jede Phase durchgeführt werden kann.

Das Filter 300 kann mit einer Mehrzahl von Kabeln für eine gleichzeitige Prüfung verbunden werden unter der Voraussetzung, daß die Kapazität des verwendeten Schaltkreises für die Anzahl der Kabel ausreichend ist. In einem solchen Fall wird die Untersuchung bezüglich jedes der Kabel durchgeführt, um festzustellen, bei welchem der Kabel die Isolation beschädigt ist.

Das Prüfverfahren erfolgt unter Ausschalten der Wech selspannungsquelle, Abschalten der Last von den An schlüssen eines Kabelendes oder dergleichen, Verbinden des Filters und eines Gleichstromgerätes an das ande re Ende des Kabels und Messen der Gleichstromkomponente nach Einschalten der Wechselspannungsquelle. Da dieses Einschalten einen Einschaltstromstoß induziert, der eine unerwünschte Spannung auf das Filter abgibt, müs sen die Kondensatoren in dem Filter so ausgelegt sein, daß sie einen solchen Spannungsstoß überstehen. Die Filtereinheit wird daher relativ groß. Um die Größe des Filters zu verringern, wird weiter vorgeschlagen, einen Nebenzweig vorzusehen, der das Filter überbrückt, wenn die Spannungsquelle eingeschaltet wird und geöffnet wird, wenn der Einschaltstoß abgeklungen ist, also wenn ein gleichbleibender Ladestrom in dem Kabel zu fließen beginnt zur Überprüfung der Kabelisolation.

Die vorliegende Erfindung hat den wichtigen Vorteil, daß die Beschädigung einer Isolation durch Messen einer Gleichstromkomponente unter Wechselspannung unabhängig davon festgestellt werden kann, wie das Erdungssystem ist.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfin dung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kom bination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1 Einspeisungstransformator
2 Leitungen
3 Erdungstransformator
4 Kabel
4′ Kabel
5 Erdungsleitung
5′ Erdungsleitung
6 Vorrichtung
100 Einspannungstransformator
200 Hochspannungskabelsystem
300 Filter
400 Vorrichtung
500 Last

Claims

1. Verfahren zum Prüfen der Beschädigung der Isolation eines Hochspannungskabels, gekennzeichnet durch

- Messen einer durch die Beschädigung der Isolation des Hochspannungskabels verursachten Gleichstromkomponente eines durch das Kabel fließenden Ladungsstromes, der zumindest eine Wechselstromkomponente aufweist;
- Feststellen der Polarität, der Größe und der Zeitcharakteristik der Gleichstromkomponente;

wobei eine Beschädigung des Hochspannungskabels vorliegt, wenn die Gleichstromkomponente von Null verschieden ist, und wobei aus der Polarität und der aus der Zeitcharak teristik ableitbaren zeitlichen Verzögerung der Gleichstrom komponente die Lage der Beschädigung festgestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromkomponente durch eine Einrichtung von dem Ladungsstrom getrennt wird, die zwischen einem Endabschnitt des Hochspannungskabels und einer Spannungsquelle für den Ladungsstrom angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung Kondensatoren, die lediglich die Wechselstrom komponente des Ladestroms passieren lassen, und Sperrspulen, die lediglich die Gleichstromkomponente, die bei Beschädi gung der Isolation des Hochspannungskabels auftritt, passie ren lassen, umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungskomponente als optisches Signal über ein Glasfaserkabel oder durch den Raum an eine Stelle entfernt von dem Ort der Hochspannung in der Nähe des Kabels übertra gen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Bilden eines Kurzschlußkreises über der Einrichtung zum Abtrennen der Gleichstromkomponente, wenn die Spannungsquelle eingeschal tet ist, und Entfernen des Kurzschlusses von der Einrichtung nach Abklingen des Einschaltstromstoßes.