Analyse von Entladungsfehlern an Umspannwerkbusbaren und deren Lösungen

1. Methoden zur Erkennung von Busbar-Entladungen

1.1 Isolationswiderstandstest

Der Isolationswiderstandstest ist eine einfache und häufig verwendete Methode in der elektrischen Isolierprüfung. Er ist sehr empfindlich auf durchgängige Isolationsfehler, allgemeine Feuchtigkeitsaufnahme und Oberflächenverschmutzung – Bedingungen, die typischerweise zu signifikant reduzierten Widerstandsabwerten führen. Allerdings ist er weniger effektiv bei der Erkennung lokaler Alterungserscheinungen oder partieller Entladungsfehler.

Je nach Isolierklasse der Ausrüstung und den Prüfanforderungen verwenden gängige Isolationswiderstandsprüfer Ausgangsspannungen von 500 V, 1.000 V, 2.500 V oder 5.000 V.

1.2 Netzfrequenz-Wechselspannungsfestigkeitstest

Der Wechselspannungsfestigkeitstest wendet ein Hochspannungs-Wechselspannungssignal an, das höher als die Nennspannung der Ausrüstung ist, für eine bestimmte Dauer (in der Regel 1 Minute, wenn nicht anders angegeben) auf die Isolierung an. Dieser Test erkennt effektiv lokale Isolationsfehler und bewertet die Fähigkeit der Isolierung, Überspannungen unter realen Betriebsbedingungen standzuhalten. Es ist der realistischste und entscheidende Isolierprüfung, um Isolierausfälle zu verhindern.

Allerdings handelt es sich um einen zerstörerischen Test, der bestehende Isolationsfehler beschleunigen und kumulative Degradation verursachen kann. Daher müssen die Prüfspannungsniveaus sorgfältig gemäß GB 50150–2006 Prüfvorschriften für elektrische Ausrüstung in Elektroinstallationsprojekten ausgewählt werden. Die Prüfnormen für Porzellan- und feste organische Isolation sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Wechselspannungsfestigkeitsnormen für Porzellan- und feste organische Isolation

Es gibt verschiedene Methoden für Wechselspannungsfestigkeitsprüfungen, darunter Netzfrequenzprüfungen, Serienresonanz, Parallelresonanz und Serien-Parallelresonanz. Für die Prüfung von Busbar-Entladungen reicht in der Regel ein standardmäßiger Netzfrequenz-Wechselspannungsfestigkeitstest aus. Die Prüfaufstellung sollte basierend auf der Prüfspannung, Kapazität und verfügbaren Ausrüstung festgelegt werden, meistens mit einem vollständigen AC-Hochspannungsprüfset.

1.3 Infrarotprüfung

Alle Objekte mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt strahlen kontinuierlich Infrarotstrahlung ab. Die Menge an Infrarotenergie und ihre Wellenlängenverteilung hängen eng mit der Oberflächentemperatur des Objekts zusammen. Durch die Messung dieser Strahlung kann die Infrarotthermografie die Oberflächentemperatur genau bestimmen – dies bildet die wissenschaftliche Grundlage der Infrarot-Temperaturmessung.

Aus Sicht der Infrarotüberwachung und -diagnose können Fehler an Hochspannungsausrüstungen in zwei Kategorien eingeteilt werden: externe und interne. Externe Fehler treten an freiliegenden Teilen auf und können direkt mit Infrarotgeräten erkannt werden. Interne Fehler hingegen sind innerhalb fester Isolierstoffe, Ölen oder Gehäusen verborgen und lassen sich aufgrund der Blockierung durch Isoliermaterialien nur schwer direkt erkennen.

Die Infrarotdiagnose von Busbar-Entladungen beinhaltet die Temperaturmessung, die Berechnung der relativen Temperaturdifferenz (Berücksichtigung der Umgebungstemperatur) und den Vergleich mit normal betriebenen Busbars. Dies ermöglicht eine intuitive Identifizierung von Überhitzungs- und Entladungsstellen.

2. Anwendung neuer Technologien

2.1 Ultraviolett-(UV)-Bildgebungstechnologie

Wenn der lokale elektrische Spannungszustand an unter Spannung stehender Ausrüstung ein kritisches Schwellenniveau überschreitet, kommt es zur Luftionisation, was zu Koronaentladungen führt. Hochspannungsausrüstung erlebt oft Entladungen aufgrund schlechter Konstruktion, Herstellung, Installation oder Wartung. Abhängig von der Feldstärke kann dies zu Korona, Blitzüberschlag oder Bogenentladung führen. Während der Entladung gewinnen und geben Elektronen in der Luft Energie ab – bei der Energieabgabe wird ultraviolette (UV-)Strahlung emittiert.

Die UV-Bildgebungstechnologie erkennt diese UV-Strahlung, verarbeitet das Signal und überlagert es auf ein sichtbares Bild, das auf einem Bildschirm angezeigt wird. Dies ermöglicht eine präzise Lokalisierung und Intensitätsbewertung der Korona, bietet zuverlässige Daten zur Bewertung des Zustands der Ausrüstung.

2.2 Ultraschallprüfung (UT)

Die Ultraschallprüfung (UT) ist eine tragbare, zerstörungsfreie industrielle Prüfmethode. Sie ermöglicht schnelle, genaue und nicht-invasive Erkennung, Lokalisierung, Bewertung und Diagnose interner Defekte wie Risse, Hohlräume, Poren und Verunreinigungen – sowohl in Laboratorien als auch in Feldumgebungen.

Ultraschallwellen sind elastische Wellen, die sich in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern ausbreiten. Sie werden nach Frequenz kategorisiert: Infraschall (<20 Hz), Hörschall (20–20.000 Hz), Ultraschall (>20.000 Hz) und Hyperschall. Ultraschall verhält sich ähnlich wie Licht in Bezug auf Reflexion und Brechung.

Während Ultraschallwellen durch ein Material laufen, beeinflussen Änderungen der akustischen Eigenschaften und der internen Struktur die Wellenausbreitung. Durch die Analyse dieser Änderungen kann die Ultraschallprüfung die Materialeigenschaften und die strukturelle Integrität bewerten. Gängige Methoden umfassen Durchschallung, Impuls-Echo- und Tandemtechniken.

Digitale Ultraschallfehlerdetektoren senden Ultraschallwellen in das Prüfobjekt und analysieren Reflexionen, Dopplereffekte oder Durchschallung, um interne Informationen zu erhalten, die dann in Bilder verarbeitet werden. Diese Technologie ist sehr effektiv, um den Isolationszustand von in Betrieb befindlichen Hochspannungsbusbars zu bewerten.

3. Spezifische Lösungen für Hochspannungsbusbar-Entladungen

Wenn ungewöhnliche Entladungen an Hochspannungsbusbars nicht schnell behoben werden, können sie zu Isolierüberhitzung, letztendlicher Isolierausfällen und sogar zu großen Stromausfällen führen. Deshalb müssen Entladungsfehler schnell behoben und proaktiv verhindert werden.

3.1 Strenge Inbetriebnahme- und Akzeptanztests

Viele Busbar-Entladungsfehler resultieren aus mangelhafter Handwerkskunst oder mangelndem Verantwortungsbewusstsein während des Bauens. Prüfpersonal muss bei der Akzeptanzprüfung neuer Ausrüstung streng nach Normen und Standards vorgehen, um potenzielle Entladungsrisiken frühzeitig zu erkennen und vor der Inbetriebnahme zu korrigieren.

3.2 Austausch alternder Busbar-Isolatoren

Die meisten Betriebsbedingungen von Busbar-Entladungen werden durch das Altern der Trägerisolatoren verursacht. Eine detaillierte Inventur sollte geführt werden, und Isolatoren sollten basierend auf ihrer Lebensdauer ersetzt werden, um eine ausreichende Isolierfestigkeit sicherzustellen.

3.3 Komplette Analyse mit Isolier- und Diagnoseprüfungen

Isolierprüfungen können schwere Entladungsfehler effektiv erkennen. Allerdings erfordern frühe oder versteckte Entladungen fortgeschrittene diagnostische Methoden wie Infrarotbildgebung, UV-Bildgebung und Ultraschallprüfung für eine frühe Erkennung und Intervention. Daher ist eine komplette Analyse, die sowohl Isolierprüfungen als auch diagnostische Prüfungen kombiniert, essentiell, um Busbar-Entladungsfehler effektiv zu verhindern und zu mildern.