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Organisationseinheit der BAM
Faseroptische Sensorsysteme bieten heute die Möglichkeit des Online-Monitorings von sensiblen, für die Energieversorgung wichtigen Betriebsmitteln. Insbesondere Hochenergiekabel, wie diese sowohl im Offshore- als auch im Onshorebereich eingesetzt werden, sind prädestiniert für eine zustandsorientierte Überwachung. Gerade Hochspannungshochenergiekabel sind Betriebsmittel, die im Falle eines Ausfalls durch Schäden mit hohen Reparatur- und Folgekosten verbunden sind. Mit dem Einsatz von faseroptischen Sensoren sind mechanische Einflüsse wie Vibrationen z. B. verursacht durch Ankerfall, Temperaturhotspots oder auch Teilentladungsaktivitäten an dezidierten vulnerablen Stellen wie Kabelendverschlüssen oder –muffen über längere Kabelstrecken detektierbar. Der Einsatz von im Rahmen des Verbundprojekts Monalisa entwickelter faseroptischer Diagnosetechnik in Verbindung mit faseroptischen Sensoren wird hier aufgezeigt.
Verteilte faseroptische Sensorik eignet sich sehr gut für eine Zustands- und Gefährdungsüberwachung von ausgedehnten Hochspannungskabelinstallationen. Basierend auf der Messung von verschiedenen faseroptischen Rückstreueffekten in der Sensorfaser lassen sich ortsaufgelöste Profile von Messgrößen wie Temperatur, Dehnung oder Vibrationen erzielen.
Hier demonstrieren wir die Leistungsfähigkeit verschiedener faseroptischer Sensorikansätze bezüglich dieser Größen anhand von Experimenten u.a. an einem Mittelspannungskabel. Des Weiteren zeigen wir, wie die Verwendung von verschiedenen Sensorkabeltypen mit unterschiedlicher Applikation auf der Kabeloberfläche die Messergebnisse bei einem Biegeversuch beeinflussen und schlussfolgern damit auf die für die Einbettung in Kabeln geeigneten Sensoren.
Wir demonstrieren die Machbarkeit rückwirkungsfrei integrierter optischer Teilentladungssensorik für Aufschiebeelemente aus Silikonelastomer zur Verwendung in Kabelgarnituren. Zu diesem Zweck wurden sowohl ein Funktionsmodell eines optisch transparenten Silikon-Kabelendverschlusses mit integriertem Silikon-Lichtwellenleitersensor als auch ein rein optisches TE-Messsystem auf Basis von zwei Einzelphotonendetektoren und einer Koinzidenzschaltung (PD-COP) entwickelt, die hier vorgestellt werden. Die Leistungsfähigkeit und Stärken der optischen TE-Messtechnik zeigen sich sowohl in Kombination mit der elektrischen Messtechnik, als auch bei alleinigem Einsatz.
The mechanical and electrical properties of new transparent silicone materials modified with two fluorescent dyes were investigated by measuring stress-strain behaviour, electrical breakdown strength, capacity and dissipation factor, before and after thermal ageing, as well as electrical and optical partial discharges.
Mechanical properties of the new materials are comparable to the reference and the addition of dyes stabilises them against thermal ageing. All materials are equivalent in terms of breakdown strength and capacity. The added value of transparency and fluorescence make them suitable materials for novel diagnostic applications in HV cable accessories and insulators.
Partial discharge in polymeric insulation of high voltage equipment causes cumulative damage that progressively deteriorates the insulation, leading to eventual failure. The electrical detection of related discharge current pulses may be challenged by electromagnetic interference from the environment. In such situations the detection of acoustic emission from partial discharge can greatly enhance its detectability, especially when electromagnetically immune fiber-optic acoustic sensors are used. During experiments involving such fiber-optic sensors that were specifically designed for the detection of partial discharge in elastomeric insulation, an unexpected type of acoustic emission was observed in silicone elastomer specimens with tip–plate electrode configurations and under DC electrical stress. We present and discuss experimental results that indicate space charge injection and subsequent spontaneous dynamical processes as the source of the detected acoustic emission. We use sensitive conventional partial discharge measurement instrumentation to show that the apparent acoustic efficiency of the processes leading to the observed acoustic emission is very high. Acoustic emission triggered by discharge events with individual apparent charge values of only a few femtocoulombs could be detected.
Optical methods and monitoring systems for the PD detection in GIS, GIL and oil-immersed type transformers have been demonstrated. Very recently these methods have been extended to the detection of PDs in solid insulation materials of cable accessories. This novel application in high-voltage (HV) cable terminations consists of integrated fiber-optic sensor which requires transparent insulation materials. Therefore, transparent silicone rubbers are considered as replacement material for currently used opaque elastomeric insulation material in stress cones of HV cable accessories. For this purpose a preliminary study on the long-term stability of two commercially available fully transparent silicone rubbers was performed. Accelerated thermal aging tests were carried out for 4 hours up to 100 hours at 200 °C under a normal air atmosphere and normal atmospheric pressure. The impact of thermal aging on the AC dielectric strength of the silicone samples was investigated and additionally the optical transmittance was determined using UV-Vis spectrophotometer. The investigation indicated that the dielectric strength value of the silicone samples was seriously reduced for long-term exposures to elevated temperatures. In addition, the UV-visible transmittance of thermally aged silicone samples was also decreased. The influence of these phenomena must be taken into account for the design of HV insulation materials, particularly under extremely high temperature operating conditions.