Zugl.: Wuppertal, Univ., Diss., 2009

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Berlin.

Die Zustandsbewertung von Kabeln mit vernetzter Polyethylen-Isolierung (VPE) ist seit vielen Jahren eine große Herausforderung, da die Alterungsmechanismen nicht vollständig geklärt sind. Die Zuverlässigkeit der Ergebnisse von Verfahren zur Bewertung des integralen Zustandes der VPE-isolierten Mittelspannungskabel wird kontrovers diskutiert oder teilweise in Frage gestellt. Bei Kenntnis des Alterungsverhaltens und der wirkenden Einflussfaktoren kann Verlustfaktor tan δ der VPE-Mittelspannungskabel wichtige Hinweise auf den Zustand geben. Bei der Bewertung des Zustandes auf Basis des Verlustfaktors tan δ müssen die in der VPE-Hauptisolierung befindlichen Zuschlagstoffe berücksichtigt werden. In Abhängigkeit der Zugaben von Homo- oder Co-Polymeren ist ein grundsätzlich unterschiedliches Alterungsverhalten möglich, das zu Fehlinterpretation führen kann. Die messtechnisch gewonnenen Aussagen wurden über ein Dreischicht-Modell bestätigt, mit dem das elektrische Verhalten der Kabelisolierung verifiziert werden konnte. In der Arbeit werden wesentliche Schlussfolgerungen zur Auswirkung thermischer Beanspruchungen über der Einsatzdauer formuliert. Es wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem es perspektivisch möglich sein kann, den Zustand eines VPE-Kabels abzuschätzen. Das Verfahren reduziert den Einfluss der messspezifischen Faktoren.:Inhaltsverzeichnis i Abkürzungsverzeichnis i Symbolverzeichnis iii Kurzfassung v Danksagung vi 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Bisherige Anwendungen der Verlustfaktormessungen an VPE-Kabeln 3 1.3 Zielsetzung der Arbeit 6 1.4 Struktur der Arbeit 8 2 Eigenschaften von VPE-Kabeln 11 2.1 Aufbau der VPE-Kabel 11 2.2 Entwicklung der Kunststoff-Kabeltechnologie 12 2.3 Struktur und Morphologie von PE/VPE-Isolierungen 15 2.4 Zusammensetzung und Eigenschaften der halbleitenden Schichten 18 2.5 Alterungsmechanismen bei VPE-Kabeln 19 3 Dielektrische Eigenschaften von VPE-Kabeln 23 3.1 Dielektrischer Verlustfaktor 23 3.2 Polarisationsmechanismen der PE/VPE-Isolierung 23 3.3 Leitungsmechanismen im Polyethylen 25 3.4 Ersatzanordnungen zur Nachbildung des Verlustfaktors 28 3.5 Dreischicht-Modell zur Nachbildung des Verlustfaktors 35 3.5.1 Aufbau des Simulations-Dreischicht-Modells 43 3.5.2 Materialparameter der drei Kabelhauptschichten 45 4 Verlustfaktormessungen an VPE-Kabeln 49 4.1 Messeinrichtungen zur Verlustfaktormessung 49 4.1.1 Frequenzbereichsspektroskopie (FDS-Messung) 49 4.1.2 Vektorielle Impedanzmessung (VI-Messung) 50 4.2 Umfang der Prüfobjekte 51 4.3 Konfektionierung der VPE-Kabel 53 4.4 Aufnahme einer Verlustfaktor-Referenzkurve 56 4.5 Störeinflüsse auf die Messung des Verlustfaktors 56 4.5.1 Äußere Einflüsse 57 4.5.2 Innere Einflüsse 58 4.6 Versuchsvorbereitung und -durchführung 62 4.6.1 Einfluss der Temperaturabhängigkeit auf den Verlustfaktor 62 4.6.2 Einfluss der thermischen Beanspruchung auf den Verlustfaktor 62 4.6.3 Einfluss der Einwirkung von Wasser auf den Verlustfaktor 63 5 Auswertung und Diskussion der Messergebnisse 66 5.1 Frequenzabhängigkeit des Verlustfaktors 66 5.1.1 Neuwertige VPE-Kabel 66 5.1.2 Betriebsgealterte VPE-Kabel 73 5.2 Spannungsabhängigkeit des Verlustfaktors 76 5.2.1 Spannungsabhängigkeit im Frequenzbereich 40 – 280 Hz 76 5.2.2 Spannungsabhängigkeit bei einer Frequenz von 0,1 Hz 79 5.3 Einflussfaktoren auf den frequenzabhängigen Verlustfaktor 81 5.3.1 Temperaturabhängigkeit des Verlustfaktors 81 5.3.2 Abhängigkeit des Verlustfaktors von der thermischen Beanspruchung 90 5.3.3 Abhängigkeit des Verlustfaktors von der Wasserlagerung 94 6 Zusammenfassung und Ausblick 97 Anhang 103 Abbildungsverzeichnis 105 Tabellenverzeichnis 109 Literaturverzeichnis 110 Thesen 129

Der Anspruch an die Elektroenergieversorgung in Industrieländern hat verschiedenen Aspekten zu genügen. Hierzu gehören: • Versorgungssicherheit, • Preiswürdigkeit, • Effizienz, • Umweltverträglichkeit und • Verbraucherfreundlichkeit. [1] Diese Ziele stehen konträr zueinander. Der reine Strompreis ist durch die Erzeugung und den Transport bestimmt. Während sich der Preis für die Erzeugung an der Strombörse in Abhängigkeit von Angebot und Nachfrage bildet, weisen Transport- und Verteilungsnetze mit hohen Fix- und geringen variablen Kosten den Charakter natürlicher Monopole auf. Daher unterliegen sowohl Transport- als auch Verteilnetze einer staatlichen Regulierung durch die Bundesnetzagentur. Aufgabe der Regulierung ist es, die Transportkosten bei Einhaltung eines vorgegebenen Qualitätsniveaus und unter Sicherstellung angemessener Investitionen zu minimieren. Es stellt sich jedoch die Frage nach dem „Wie?“. Das Niveau der Zuverlässigkeit der Elektroenergieversorgung in Deutschland ist im internationalen Vergleich sehr hoch. [2] Zur Wahrung dieses Standortvorteils sind mit Blick auf die Nachhaltigkeit kontinuierliche Investitionen notwendig. Dies gilt besonders für die Mittelspannungsnetze, in denen ein Großteil der zur Elektroenergieverteilung erforderlichen Leitungen sowie Ortsnetzstationen installiert sind. Im Gegensatz zu den Übertragungsnetzen wird in Mittelspannungsnetzen aus Kostengründen kein kontinuierliches Betriebsmittelmonitoring betrieben. Auch das (n-1)-Kriterium [3] wird aus wirtschaftlichen Gründen nicht immer eingehalten. Da sich ein Fehler in dieser Spannungsebene direkt auf eine Vielzahl von Kunden auswirkt, bestimmen Mittelspannungsnetze die Versorgungssicherheit wesentlich. Mittelspannungsnetze sind heutzutage reine Kabelnetze bzw. Netze mit Kabel- und Freileitungsanteil. Die Bewertung des vorhandenen Mittelspannungsnetzes stellt für Verteilnetzbetreiber eine Herausforderung dar. Während man Freileitungen leicht auf ihren Zustand hin begutachten kann, ist eine Zustandsbestimmung bei Mittel-spannungskabeln schwierig. Gleichzeitig haben sich Ersatzinvestitionen genau auf die Mittelspannungskabel zu konzentrieren, die sich in einem schlechten technischen Zustand befinden. Die Beurteilung des Zustandes von Mittelspannungskabeln ist somit eine der zentralen Aufgaben eines Verteilnetzbetreibers. Eine umfassende Bewertung mit Prüf- und Diagnoseverfahren ist in ausgedehnten Mittel-spannungsnetzen aus Kostengründen nicht möglich. Die systematische Analyse und Auswertung von Betriebsmittel-, Topologie- und Fehlerdaten bietet die Möglichkeit einer umfassenden Bewertung heutiger und zukünftiger Mittelspannungsnetze. In der Arbeit wird ein Ansatz vorgestellt, der es ermöglicht, die in den Netzdaten vorhandenen Informationen systematisch zur Ableitung optimierter Investitionsentscheidungen zu nutzen. Quellenangaben: [1] vgl. §1 EnWG [2] BDEW, „Energiemarkt Deutschland: Zahlen und Fakten zur Gas-, Strom- und Fernwärmeversorgung“, Berlin, 2009 [3] Koeppel, F. W „Zuverlässigkeit von Elektroenergiesystemen“, 1. Auflage, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1990

Der Anspruch an die Elektroenergieversorgung in Industrieländern hat verschiedenen Aspekten zu genügen. Hierzu gehören: • Versorgungssicherheit, • Preiswürdigkeit, • Effizienz, • Umweltverträglichkeit und • Verbraucherfreundlichkeit. [1] Diese Ziele stehen konträr zueinander. Der reine Strompreis ist durch die Erzeugung und den Transport bestimmt. Während sich der Preis für die Erzeugung an der Strombörse in Abhängigkeit von Angebot und Nachfrage bildet, weisen Transport- und Verteilungsnetze mit hohen Fix- und geringen variablen Kosten den Charakter natürlicher Monopole auf. Daher unterliegen sowohl Transport- als auch Verteilnetze einer staatlichen Regulierung durch die Bundesnetzagentur. Aufgabe der Regulierung ist es, die Transportkosten bei Einhaltung eines vorgegebenen Qualitätsniveaus und unter Sicherstellung angemessener Investitionen zu minimieren. Es stellt sich jedoch die Frage nach dem „Wie?“. Das Niveau der Zuverlässigkeit der Elektroenergieversorgung in Deutschland ist im internationalen Vergleich sehr hoch. [2] Zur Wahrung dieses Standortvorteils sind mit Blick auf die Nachhaltigkeit kontinuierliche Investitionen notwendig. Dies gilt besonders für die Mittelspannungsnetze, in denen ein Großteil der zur Elektroenergieverteilung erforderlichen Leitungen sowie Ortsnetzstationen installiert sind. Im Gegensatz zu den Übertragungsnetzen wird in Mittelspannungsnetzen aus Kostengründen kein kontinuierliches Betriebsmittelmonitoring betrieben. Auch das (n-1)-Kriterium [3] wird aus wirtschaftlichen Gründen nicht immer eingehalten. Da sich ein Fehler in dieser Spannungsebene direkt auf eine Vielzahl von Kunden auswirkt, bestimmen Mittelspannungsnetze die Versorgungssicherheit wesentlich. Mittelspannungsnetze sind heutzutage reine Kabelnetze bzw. Netze mit Kabel- und Freileitungsanteil. Die Bewertung des vorhandenen Mittelspannungsnetzes stellt für Verteilnetzbetreiber eine Herausforderung dar. Während man Freileitungen leicht auf ihren Zustand hin begutachten kann, ist eine Zustandsbestimmung bei Mittel-spannungskabeln schwierig. Gleichzeitig haben sich Ersatzinvestitionen genau auf die Mittelspannungskabel zu konzentrieren, die sich in einem schlechten technischen Zustand befinden. Die Beurteilung des Zustandes von Mittelspannungskabeln ist somit eine der zentralen Aufgaben eines Verteilnetzbetreibers. Eine umfassende Bewertung mit Prüf- und Diagnoseverfahren ist in ausgedehnten Mittel-spannungsnetzen aus Kostengründen nicht möglich. Die systematische Analyse und Auswertung von Betriebsmittel-, Topologie- und Fehlerdaten bietet die Möglichkeit einer umfassenden Bewertung heutiger und zukünftiger Mittelspannungsnetze. In der Arbeit wird ein Ansatz vorgestellt, der es ermöglicht, die in den Netzdaten vorhandenen Informationen systematisch zur Ableitung optimierter Investitionsentscheidungen zu nutzen. Quellenangaben: [1] vgl. §1 EnWG [2] BDEW, „Energiemarkt Deutschland: Zahlen und Fakten zur Gas-, Strom- und Fernwärmeversorgung“, Berlin, 2009 [3] Koeppel, F. W „Zuverlässigkeit von Elektroenergiesystemen“, 1. Auflage, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1990