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Fehlerortung in Niederspannungsnetzen - SebaKMT

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Kabelfehlerortung an Energiekabeln
Fehlerortung in Niederspannungsnetzen
Inhalt:
1.
2.
3.
4.
Einleitung...................................................................................................................... 3
Typ und Verhalten von Kabelfehlern im Niederspannungsnetz.................................... 3
Das technische Problem bei der Fehlerortung in verzweigten Netzen ......................... 4
Netzstrukturen .............................................................................................................. 4
4.1. TN-System (frz. Terre Neutre)............................................................................... 4
4.2. TN-C-System (frz. Terre Neutre Combiné)............................................................ 4
4.3. TN-C-S-System (frz. Terre Neutre Combiné Séparé)............................................ 5
4.4. TN-S-system (frz. Terre Neutre Séparé) ............................................................... 5
4.5. TT-System (frz. Terre Terre) ................................................................................. 5
4.6. IT-System (frz. Isolé Terre) ................................................................................... 5
5. Übersicht der Messverfahren ....................................................................................... 6
6. Vororten auf Basis Impulsreflexionsverfahren .............................................................. 7
6.1. Grundlagen ........................................................................................................... 7
7. Beispiele und Messergebnisse................................................................................... 11
7.1. Änderung der Impulsbreite .................................................................................. 11
7.2. Adervergleich ...................................................................................................... 12
7.3. IFL – Fehlerortung intermittierender Fehler......................................................... 15
8. Messen an unter Spannung stehenden NS-Netzen ................................................... 16
8.1. Sicherheit bei Messungen an unter Spannung stehenden Netzen...................... 16
8.1.1. Messkategorie IV ......................................................................................... 17
8.1.2. Messkategorie III –....................................................................................... 17
8.1.3. Messkategorie II........................................................................................... 17
8.1.4. Messkategorie I............................................................................................ 17
9. ARM Verfahren........................................................................................................... 18
9.1. EZ Thump ........................................................................................................... 19
9.2. Teleflex LV Monitor – On-line Reflektometer Monitoring ..................................... 20
10.
Vororten auf Basis transienter Messverfahren .................................................... 23
10.1. Teleflex LV Monitor – TRS Mode (Wanderwellenmethode) ................................ 23
10.2. ICEPlus Verfahren............................................................................................... 26
10.3. ICE 3-phasig (Stromauskopplung) ...................................................................... 29
10.3.1.
Direkte Methode ....................................................................................... 29
10.3.2.
Vergleichs-Methode.................................................................................. 29
10.3.3.
Differential-Vergleichsmethode................................................................. 29
10.3.4.
Loop On - Loop Off- Methode................................................................... 29
11.
Fehlerortung über den Verbrennungsgeruch ...................................................... 30
11.1. LV Fehlerortungset.............................................................................................. 31
12.
Ergänzende Verfahren ........................................................................................ 33
12.1. Powerfuse ........................................................................................................... 33
12.2. Vororten in isolierten Netzwerken (IT Netze)....................................................... 34
12.3. Vororten nach der Spannungsabfallmethode ...................................................... 36
12.4. Null- (Neutral) Leiter-Unterbrechung - Impedanzmessung.................................. 37
13.
Brückenmessverfahren ....................................................................................... 38
14.
Gerätezusammenstellung (Beispiele).................................................................. 39
14.1. Nichtverzweigte Netze......................................................................................... 39
14.2. Verzweigte Netze ................................................................................................ 40
14.3. Online Fehlerortung für verzweigte und unverzweigte Netze .............................. 40
2
1. Einleitung
Bei Störungen in Mittelspannungsnetzen ist durch Redundanzen und entsprechende
Schaltmaßnahmen in der Regel eine Weiterversorgung gewährleistet und eine längere
Wartezeit bis zur Behebung eines Fehlers erhöht lediglich das Risiko durch eventuelle
Folgestörungen.
In Niederspannungsnetzen, die meistens über keinerlei redundante Versorgungsmöglichkeit verfügen, sind jedoch die Zeiträume bis zu einer Wiederversorgung der
Kunden wesentlich von der Schnelligkeit einer Fehlerortung abhängig und die sich
abzeichnenden längeren Wartezeiten auf eines der möglicherweise weit entfernten
Fehlerortungssysteme sehr problematisch.
Allerdings hat eine Niederspannungsinstallation auch Vorteile. Die Strecken sind
relativ kurz, oft auch überschaubar, und normalerweise lässt sich, basierend auf den
bekannten Positionen der Hausanschlüsse, auch die Muffenposition schon klar
eingrenzen. Da aber Kabelfehler zu 80 - 90% in Muffen auftreten ist eine
vorausschauende Fehlereingrenzung durchaus möglich.
2. Typ und Verhalten von Kabelfehlern im Niederspannungsnetz
Transient
Intermittierend
Anhaltend
Permanent
unregelmäßige, kurzzeitige Spannungseinbrüche
ohne Sicherungsauslösung
unregelmäßiges Auslösen der Sicherungselemente
in längeren Zeitabständen
wiederholtes Auslösen der Sicherungselemente
in kürzeren Zeitabständen
Unterbrechungen und satte Kurzschlüsse
Viele NS-Kabelfehler verändern ihr Verhalten von transienten zu permanenten Fehlern
(„flackernde Lichter“ sind mögliche Zeichen eines transienten Fehlers).
Desweiteren sind NS-Kabelfehler oftmals unstabil / nicht-linear und sind daher nur zu
orten, wenn am Kabel Netzspannung anliegt.
Nur wenn sich der Fehler zu einem „permanenten“ Fehler entwickelt hat, lässt er sich
im spannungsfreien Zustand mit traditionellen Fehlerortungsmethoden lokalisieren.
Alle unstabilen NS-Kabelfehler benötigen eine „Fehlerwandlung“ um sie orten zu
können. Die einzige Möglichkeit dazu – mit angeschlossenen Verbrauchern – ist das
Wiedereinschalten der Netzspannung.
Wenn die Zeitabstände zwischen Wiedereinschalten und Fehlerauslösen groß sind, ist
die wirtschaftlichste und bequemste Methode das Zuschalten über eine
Netzsicherung. Bei kurzen Zeitabständen und wenn der verfügbare Platz es
ermöglicht, sind automatische Wiederzuschalteinrichtungen wie z.B. PowerFuse
geeignet, den Netzbetrieb aufrecht zu erhalten und bewirken gleichzeitig eine Form
der „Fehlerwandlung“.
3
3. Das technische Problem bei der Fehlerortung in verzweigten Netzen
Da für eine Ortung hochohmiger Kabelfehler berührungsgefährliche Gleich- und
Stoßimpulsspannungen verwendet werden müssen, ist es erforderlich, die
Hausanschlusssicherungen zu entfernen. Dabei besteht immer das Problem der
Zugänglichkeit des Hausanschlusskastens, der nicht immer zugänglich ist.
Ein echtes messtechnisches Problem für die Vorortung von Fehlern an Kabeln mit
vielen T-Abzweigen besteht in der starken Dämpfung der Reflexionsmesssignale und
der Komplexität der Reflektogramme durch die Impedanzsprünge an den Muffen und
Abzweigen.
Oftmals sind Fehler hinter der dritten oder vierten T-Muffe durch diese Effekte nicht
mehr erkennbar. Noch schwieriger ist die Situation bei Fehlern in Abzweigmuffen, da
diese selbst eine starke Eigenreflexion verursachen. Auch die seit Jahren bewährte
Lichtbogen-Reflexionsmessung (ARM®) ist gleichermaßen von diesen Limitierungen
betroffen.
Insofern müssen heute auch erfahrene Messtechniker oft durch Messungen von
verschiedenen Endpunkten des verzweigten Kabels ausgehend den Fehler
lokalisieren. Unter Umständen wird sogar die Messstrecke durch Schneiden des
Kabels eingegrenzt.
In diesem Artikel möchten wir Ihnen einen Überblick über Messmethoden geben, die
sich in Niederspannungsnetzen bewährt haben. Weitere Grundlagen finden sie in den
bereits veröffentlichten Informationen über Vororten von Kabelfehlern.
4. Netzstrukturen
4.1. TN-System (frz. Terre Neutre)
Im TN-System ist der Sternpunkt des speisenden Transformators geerdet.
Im Gegensatz zum TT-System wird in einem TN-System an diesem Punkt
eine Nullung durchgeführt.
Je nach Ausführung des Schutzleiters wird in TN-C-Systeme, TN-C-S-Systeme
und TN-S-Systeme unterschieden.
4.2. TN-C-System (frz. Terre Neutre Combiné)
In einem TN-C-System wird ein sogenannter
PEN-Leiter eingesetzt, der gleichzeitig
Schutzleiter (PE) und Neutralleiter (N) ist.
4
4.3. TN-C-S-System (frz. Terre Neutre Combiné Séparé)
Das TN-C-S-System ist vom Transformator aus wie
ein TN-C-System aufgebaut. An einem bestimmten
Punkt wird PEN-Leiter in Neutralleiter und
Schutzleiter aufgeteilt.
4.4. TN-S-system (frz. Terre Neutre Séparé)
In einem TN-S-System sind separate
Neutralleiter und Schutzleiter vom
Transformator bis zu den Verbrauchern
geführt.
4.5. TT-System (frz. Terre Terre)
In einem TT-System ist der Sternpunkt des
einspeisenden Transformators geerdet. Der
Schutzleiter des Verbrauchers ist nicht bis an
diesen Sternpunkt geführt, sondern separat geerdet.
4.6. IT-System (frz. Isolé Terre)
In einem IT-System ist der Sternpunkt des
einspeisenden Transformators nicht geerdet.
Der Schutzleiter des Verbrauchers ist separat
geerdet. Man setzt diese Netzart z.B. in
explosions-gefährdeten Bereichen, bei der
Deutschen Bahn AG und in Operationssälen
von Krankenhäusern ein.
5
5. Übersicht der Messverfahren
Vororten auf Basis Impulsreflexionsverfahren
LV Monitoring
Impulsreflexion
Verbraucher muss nicht
vom Netz getrennt sein
Verbraucher muss nicht vom
Netz getrennt sein
Ankopplung über
Trennfilter 400 V
Ankopplung über
eingebauten Trennfilter 400 V
Lokalisation von
Impedanzänderungen
Kurzschluss
Unterbrechung
Muffen
Lokalisation von
transienten
intermittierenden
anhaltenden
permanenten
Fehlern
In verzweigten Netzen
Auswertung nur durch
Adervergleich
Vergleich durch
Gesund- und Fehlerbild
ARM
Verbraucher muss vom Netz
getrennt sein
Lokalisation von
hochohmigen Fehlern
Vergleich
Gesund- und Fehlerbild
Der Aufbau des Netzes
bestimmt die Höhe der
Stossspannung
(max. 4 kV)
Vororten auf Basis transienter Verfahren
TRS – LV Monitor
ICEPlus
ICE-dreiphasig
Verbraucher muss nicht
vom Netz getrennt sein
Verbraucher muss vom Netz
getrennt sein
Verbraucher muss vom Netz
getrennt sein
Lokalisation von hochohmigen transienten
Fehlern nach der
Wanderwellenmethode
durch Synchronisation
zweier Teleflex LV
Monitore
Lokalisation von nieder- und
hochohmigen parallelen
Fehlern in verzweigten
Netzen
Lokalisation von nieder- und
hochohmigen, parallelen
Fehler in verzweigten
Netzen
Aufbau des Netzes bestimmt
die Höhe der
Stossspannung
(max. 4 kV)
Aufbau des Netzes
bestimmt die Höhe der
Stossspannung
(max. 4 kV)
Ergänzende Messverfahren
Powerfuse
Spannungsabfall
Messbrücke
Verbraucher muss nicht
vom Netz getrennt sein
Verbraucher muss vom
Netz getrennt sein
Verbraucher muss vom
Netz getrennt sein
Elektronische Sicherung
zur Zeitüberbrückung bei
intermittierenden Fehlern
Vorortung und Nachortung bedingt möglich
Lokalisation von niederohmigen Fehlern durch
Messen des Spannungsabfalls in den HAK.
Einspeisung eines hohen
Stromes
6
Lokalisation von niederund hochohmigen Fehler
nach dem
Brückenverfahren
6. Vororten auf Basis Impulsreflexionsverfahren
6.1. Grundlagen
Der Einsatz von T-Abzweigen in Niederspannungsnetzen erschwert die Auswertung
von Reflektogrammen erheblich. Nur durch Vergleichsmessung „Gesunde Ader“ und
„Fehlerhafte Ader“ sind auswertbare Ergebnisse zu erzielen. Die Messimpulse des
Teleflex werden teilweise an der T-Muffe mit negativen Vorzeichen reflektiert und
weiterlaufenden Messimpulse gleichzeitig in der Amplitude reduziert. Die Größe der
Reflexion ist vom Wellenwiderstand der Hauptleitung und der weiterführenden Leitung
abhängig. Die T-Muffe ist nach der Leitungstheorie eine Parallelschaltung der
Wellenwiderstände zweier Leiter.
ZL
weiterführende
Leitung
ZL
ZL
weiterführende
Leitung
Bild 1: T-Abzweig
ZX =
ZL2
2 x ZL
=
1
2
ZL
Bild 2: Formel zur Berechnung des Wellenwiderstandes
Bei gleichen Wellenwiderständen der weiterführenden Leitungen ergibt sich eine
Reduzierung von Z an der T-Muffe um 50 %. Dies kommt in der Praxis aber selten vor.
In der Regel hat die Hauptleitung einen größeren Querschnitt als die Nebenleitung und
damit einen anderen Wellenwiderstand.
Der Reflexionsfaktor „r“ lässt sich nach folgender Formel berechnen:
1
1
ZL - ZL − ZL
Z - ZL
1
r= X
== 2
= 2
2
ZX + ZL 1
3
ZL + ZL + ZL
2
3
Bild 3: Formel zur Berechnung des Reflexionsfaktors
7
Das Ergebnis zeigt, dass bei gleichen Wellenwiderständen 33% des Messimpulses mit
negativen Vorzeichen reflektiert werden und jeweils 33% in die beiden
weiterführenden Leitungen laufen. Auf Grund der unterschiedlichen Querschnitte der
Haupt- und Nebenleitung und der damit verbundenen unterschiedlichen
Wellenwiderstände liegen die Reflexionen an T-Abzweigen in der Regel zwischen
10% und 30%. Praktische Messergebnisse zeigen, dass in einfach verzweigten
Netzen auch nach 10 T-Muffen noch positive Resultate erzielt werden können,
schwieriger ist die Situation in mehrfach verzweigten Netzen.
Bild 4: Mehrfach verzweigtes Netz
Bild 5: Einfach verzweigtes Netz
Der folgende Plan zeigt ein
verzweigtes NS-Netz mit 12 TAbzweigen
und
zwei
Verbindungsmuffen. Das Ende der
roten
Linie
entspricht
der
Fehlerentfernung, welche sich auf
der Straße oder im T-Abzweig
befinden kann.
Bild 6: Typische Installation (GIS Daten)
8
In den folgenden Zeichnungen sind die oben dargestellten Abzweige und Muffen als
grafische Darstellung und als Reflexionen dargestellt.
Bild 7: Fehler nach der 7. T-Muffe
Durch grafische Transformation der Kabelenden der T-Abzweige in die Hauptleitung
sind die möglichen Reflexionen von T-Abzweigen und Kabelenden zu erkennen.
Bild 8: Fehler nach der 7. T-Muffe grafisch angepasst
Folgendes Bild dient als Grundlage für den Vergleich von Reflektogramm und Netz.
Bild 9: Idealisiertes Reflektogramm und Netz
9
Die Endreflexionen der Abzweige und negative Reflexionen der T-Muffen überlagern
sich und können so nicht eindeutig zugeordnet werden. Das folgende Bild zeigt die
Reflexionen noch idealisiert und ohne Dämpfung und Dispersion
Bild 10: Idealisiertes Reflektogramm ohne Dämpfung und Dispersion
In Abhängigkeit vom Aufbau des Kabels und der Anzahl der Muffen werden die
Messimpulse unterschiedlich stark in der Amplitude gedämpft.
Bild 11: Idealisiertes Reflektogramm mit Dämpfung
Hohe Frequenzen (steile Flanken) werden mit größer werdender Entfernung reduziert
(Dispersion).
Bild 12: Idealisiertes Reflektogramm mit Dämpfung und Dispersion
Eine Fehlererkennung aus solch einer Messkurve ist sehr schwierig.
Durch Kurzschließen der Kabelenden in den HAK´s oder Verteilerschränken kann man
festzustellen, ob man sich vor oder nach dem Fehler befindet.
Umfangreiche Kenntnisse über das fehlerhafte
NS-Kabelnetze erleichtern die
Kabelfehlerortung erheblich. Der Messtechniker sollte folgende Daten kennen.
1. Anzahl der Sektionen (Kabeltypen, unterschiedliche Querschnitte)
2. Typ der Isolation: PVC oder Papier/Masse (PILC)
3. Typ des Schirms: Kupfer, Aluminium, kein Schirm
4. Typ der Armierung: Blei, Stahl, Kunststoff
5. Anzahl der Adern und Querschnitt: 3, 4, 5 Leiter Kabel
6. Position des Fehlers: Ader/Ader, Ader/Schirm
7. Fehlerwiderstand des Fehlers
8. Anzahl der Muffen, Länge der Sektionen etc.
10
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit v/2 ändert sich mit der Art der Ankopplung des
Reflektometers an das Kabel.
Bestimmend für die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Messimpulses, und damit auch
für die Messgenauigkeit sind hierbei die Position der Adern, aber auch Unterschiede
oder Veränderungen im Dielektrikum.
Typische, bekannte Effekte beruhen z.B. auf:
1. Der Lage der Leiter zueinander
a. Ader/Ader nebeneinander
b. Ader/Ader diagonal
c. Ader/Schirm
2. Der Konstruktion
a. Farbe der PVC Isolation
b. Material
3. Dem Feuchtegehalt (z.B. Vollabsuff) – Reduzierung der V/2 um bis zu 30 %
7. Beispiele und Messergebnisse
In
verzweigten
Niederspannungsnetzen
können
niederohmige
Fehler,
Unterbrechungen und große Impedanzänderungen nur durch Adervergleich „Gesunde
Ader“ und „Fehlerhafte Ader“ lokalisiert werden.
7.1. Änderung der Impulsbreite
Breite Messimpulse erzeugen eindeutigere
Adervergleich. Die Auflösung nimmt jedoch ab.
L1 – Ende offen
L2 – Ende 0
180
147
151
84
52
97
144
11
Reflexionen
in
der
Betriebsart
Bild 13: Impulsbreite 50 ns
L1 – Ende offen
L2 – Ende 0
180
147
151
84
52
97
144
Bild 14: Impulsbreite 200 ns
7.2. Adervergleich
Durch einen Adervergleich können kleine Impedanzänderungen sichtbar gemacht
werden.
L1 – gesunde Ader wird mit L2 und L3 fehlerhafte Ader verglichen
12
L1/N – 0 Ohm Ende Abzweig 2
L1M/N – = Ohm Muffe 3
180
147
151
84
52
97
144
Bild 15: Adervergleich
Am folgenden Beispiel können Sie erkennen, wie schwierig eine Vorortung mit der
Reflexionsmethode in stark verzweigten Netzen ist. Der Kabelfehler befand sich
außerhalb von Melborne in einem Gebiet mit 150 bis 200 Eigenheimen. Die
Einspeisung konnte von zwei Seiten vorgenommen werden. Nach Entfernen aller
Sicherungen (befinden sich immer außerhalb des Hauses) wurden alle drei Phasen
mit dem Teleflex (Compact System) eingemessen und abgespeichert. Der
Fehlerwiderstand lag im Bereich von ca. 100 Ohm. Nur durch Adervergleich aller drei
Phasen konnte die Fehlerstelle in 193 m Entfernung vorgeortet werden. Die
Reflexionen zwischen gesunder und fehlerhafter Ader waren auf Grund der Dämpfung
an jeder T-Muffe so gering, dass erst durch Kurzschließen einer Phase im HAK (201
m) nahe des Fehlers die Fehlerstelle bestätigt werden konnte. Erschwert wurde die
Vorortung durch Zusatzreflexionen von Kabelendverschlüssen und Abzweigungen.
Eine Vorortung ohne Adervergleich Gesundbild und Fehlerbild ist in einem
verzweigten Netz kaum möglich. Die akustische Nachortung bestätigte die Vorortung.
193 m
201 m
13
Bild 16: Adervergleich L1/L2/L3 in einem stark verzweigten NS-Netz Melbourne Australien
(Fehler bei 193 m, Kurzschluss im HAK bei 203 m hergestellt, geöffnete Muffe Verbindung zum HAK)
14
7.3. IFL – Fehlerortung intermittierender Fehler
Intermittierende Fehler sind sehr schwer zu lokalisieren. Auf Grund vieler Muffen und
Anschlüsse treten diese Fehler gehäuft in NS und Straßenbeleuchtungsnetzen auf.
Korrosion in Lampenmasten, schlechte Verbindungen in Muffen führen zu diesen
Fehlern.
Das Digiflex Com und Teleflex MX wurden mit der Betriebsart “IFL-Mode” ausgerüstet.
Beide Geräte führen kontinuierlich Messungen durch und speichern diese ab.
Jede Impedanzänderung, Kurzschluss und Unterbrechung, werden automatisch
abgespeichert und zur Referenzkurve dargestellt.
Bild 17: IFL Mode beim Digiflex (links) und Teleflex MX rechts
Vorteile des IFL-Mode:
- Zeitsynchronisation ist nicht notwendig, jede Änderung wird automatisch
gespeichert.
- Der Bediener kann ohne Hilfe die Messung durchführen und das Ende einer
Leitung bestimmen.
- Das Reflektometer kann über einen längeren Zeitraum mit den fehlerhaften
Kabel
verbunden sein. Alle Events werden dargestellt..
- Im Differenz-Mode sind auch kleine Impedanzänderungen sichtbar.
- Keine Triggereinrichtung notwendig.
- Es wird keine Hochspannung benötigt.
15
8. Messen an unter Spannung stehenden NS-Netzen
Trennfilter (400 V) ermöglichen den direkten Anschluss eines Reflektometers
an unter Spannung stehende Niederspannungsnetze.
Die Messung sollte immer vom Kabelende oder Hausanschlusskasten in
Richtung der versorgenden Station erfolgen. Transformatoren, Schaltanlagen
und Verteilerschränke erzeugen große Reflexionen welche die Messsignale
überlagern. Zusätzlich läuft der Messimpuls in alle abgehenden Leitungen und
erhält aus diesen auch mehrfache Signale zurück. Dadurch wird die
Auswertung der eigentlichen Fehlerreflexionen, sehr erschwert. Eine Messung
vom Verteilungsfernen Ende hat dagegen normalerweise nur eine definierte
Ausbreitungsrichtung.
Digiflex Com
Impulsbreite 5 ns
Hohe Auflösung
10 m
Unterbrechungen, Kurzschlüsse bis
zu den T-Muffen können auf Grund
der schmalen Impulse sehr gut
lokalisiert werden
Bild 18: Anschluss Digiflex Com am Hausanschlusskasten
In einigen Ländern werden solche Life Messungen eingesetzt um illegale
Verbraucher zu erkennen. Vorraussetzung dafür ist eine Vergleichsmessung
mit schon vorher aufgenommenen Referenzbildern. Eine Messung, im
Nahbereich eines Hausanschlusses und des Zählers, enthält so viele
Reflexionen, dass eine Erkennung von zusätzlichen Leitungen und
Verbrauchern nur über eine Vergleichsmessung möglich ist.
Eine solche Messung erforder aber die Einhaltung bestimmter
Sicherheitskriterien, z.B. der Anschlussleitungen. Diese Sicherheitskriterien sind
im nächsten Artikel beschrieben.
8.1. Sicherheit bei Messungen an unter Spannung stehenden Netzen
Messstromkreise unterliegen der Belastung durch die Arbeitsspannung und der
transienten Belastungen des Stromkreises, mit dem sie während der Messung
oder Prüfung verbunden sind
Die Verwendung von Messgeräten an unter Spannung stehenden Netzen
erfordern bestimmte konstruktive Sicherheitsmassnahmen und eine
entsprechende Kennzeichnung. Diese sind durch die VDE 0411 / IEC 61010
Normung definiert und in die Kategorien, CAT 1 bis CAT 4 unterteilt.
Definierendes Element ist dabei die im entsprechenden CAT Bereich
bestehende Gefährdung durch Überspannungen und Spannungsspitzen. Die
vorhandene Isolationsstärke im Gerät und der dazugehörenden Messleitungen
muss diese Spannungen sicher isolieren. Im Falle eines durch Überspannung
gezündeten Lichtbogens könnten, je nach Anschlussbereich, einige tausend
Ampere fließen, bevor die vorgeschalteten Sicherungselemente auslösen.
16
HAK
CAT 4
Gerät
Steckd.
CAT 3
CAT 2
CAT 1
Bild 19: Beispiel für die Kategorisierung der LV Messbereiche
8.1.1. Messkategorie IV
Dreiphasiger Anschluss an der LV Spannungsquelle sowie Niederspannungsfreileitungen,- ist für Messungen an der Quelle der Niederspannungsinstallation
vorgesehen. Beispiele sind Zähler und Messungen an primären
Überstromschutzeinrichtungen und Rundsteuergeräten
8.1.2. Messkategorie III –
Für dreiphasige Verteilungen, sowie öffentliche / industrielle einphasige
Beleuchtungsanlagen,- ist für Messungen in der Gebäudeinstallation
vorgesehen.
Beispiele sind Messungen an Verteilern, Leistungsschaltern, der Verkabelung.
Schienenverteilern, Vorteilerkästen, Schaltern, Steckdosen der festen
Installation, Geräten für industriellen Einsatz und einigen anderen Geräten
sowie an fest Installierten Motoren.
8.1.3. Messkategorie II
Für Einphasige Steckerbetriebene Einsatzbereiche,- ist für Messungen an
Stromkreisen, die elektrisch direkt mit dem Niederspannungsnetz verbunden
sind, vorgesehen.
Beispiele sind Messungen an Haushaltgeräten, tragbaren Werkzeugen und
ähnlichen Geräten.
8.1.4. Messkategorie I
Elektronik,- ist für Messungen an Stromkreisen, die nicht direkt mit dem NETZ
verbunden sind, vorgesehen.
Beispiele sind Messungen an Stromkreisen, die nicht vom Netz abgeleitet sind,
und besonders geschützten Stromkreisen, die vom NETZ abgeleitet sind.
Arbeitsspannung CAT IV
Bis 150 V
4,000 V
Bis 300 V
6,000 V
Bis 600 V
8,000 V
Bis 1000 V
12,000 V
CAT III
2,500 V
4,000 V
6,000 V
8,000 V
CAT II
1,500 V
2,500 V
4,000 V
6,000 V
CAT I
800 V
1,500 V
2,500 V
4,000 V
Bild 20: Spannungsbereiche und entsprechende Kategorien mit den erforderlichen Isolationswerten
17
9. ARM Verfahren
Hochohmige Kabelfehler in NS-Netzen können mit dem Lichtbogenstossverfahren
lokalisiert werden. Zur Auswertung werden ein Gesund- und Fehlerbild benötigt.
Die Nachteile in verzweigten Netzen wie Dämpfung der Messimpulse an T-Muffen und
Zusatzreflexionen von den Kabelenden in verzweigten Netzen gelten auch bei diesem
Vorortungsverfahren. Das Kabel muss frei geschaltet sein, alle Sicherungen müssen
aus den Hausanschlusskästen entfernt sein. Befindet sich der Kabelfehler nach
mehreren T-Muffen, so wird der Unterschied zwischen Gesund- und Fehlerbild sehr
klein sein. Durch Vergrößerung der Impulsbreite lässt sich der Unterschied besser
sichtbar machen. Bei Bedarf ist das Fehlerortungssystem umzusetzen. In den
nachfolgenden Bildern sind einige Messbeispiele aufgeführt.
Bild 21: Gesundbild/Fehlerbild, Fehler bei 167 m nach 6 T-Muffen in einem verzweigten NS-Netz, Niederlande
Fehler bei ca. 270
Bild 22: Gesundbild/Fehlerbild, Fehler bei ca. 270 m nach 12 T-Muffen in einem verzweigten NS-Netz, Niederlande
18
Zum ARM Verfahren lässt sich im Prinzip jedes Messsystem einsetzen. Eine
Limitierung ergibt sich durch die niedrigste verfügbare Stossspannungsebene.
Optimal sind 3 bis maximal 4 KV, wobei auch hier gilt. „Weniger ist besser“!
Muss die Spannung z.B. in einer 8 kV Stufe erst auf 3 kV reduziert werden, bleibt nur
eine geringe Stossenergie verfügbar. (W = 0,5 x C x U²).
Für die Vorortung ist das nicht ganz so wichtig, aber für eine Nachortung sollten doch
mindestens 300 - 500 J verfügbar sein.
9.1. EZ Thump
Ein kompaktes, praktisches System für diesen Einsatz ist
der EZ-Thump, der ein komplettes Fehlerortungssystem
darstellt.
Der EZ-Thump verfügt über eine 4 kV Stufe (alternativ
auch 12 kV), die zur Prüfung, Durchschlagserkennung,
Vorortung und Nachortung eingesetzt wird.
Eine automatische Routine ermöglicht eine Fehlerortung
„fast“ ohne Gerätekenntnisse. Das System führt den
Bediener automatisch durch die diversen Anwendungen,
erkennt die Situation im Prüfling und informiert den
Anwender entsprechend.
Die Messergebnisse werden direkt als alphanumerische
Werte auf dem Display angezeigt.
Dabei werden Muffenpositionen, die
erkannte Endentfernung und die
Fehlerposition angezeigt.
Zur Kontrolle werden die Reflektogramme
von Gesund- und Fehlerbild angezeigt.
Ein Corsor markiert die Fehlerstelle.
Fig. 23: Gesundbild./Fehlerbild, Fehler bei 23 m
Mit der von 0 bis maximal 4 kV
regelbaren Spannung stellt der
EZ-Thump eine ideale Lösung für die
Fehlerortung im Beleuchtungs- und
Niederspannungsnetz dar.
19
9.2. Teleflex LV Monitor – On-line Reflektometer Monitoring
Der Teleflex LV-Monitor dient der Ortung aller Fehler an Niederspannungsnetzen;
insbesondere jedoch für intermittierende Fehler. Dabei arbeitet der LV Monitor unter
Spannung ohne Abschaltung der Verbraucher.
Im Reflektometer/TDR-Modus wird mit einem Gerät eine herkömmliche
Reflexionsmessung durchgeführt. Es gelten die gleichen Gesetze der Leitungstheorie
wie bei der klassischen Reflexionsmessung.
Im Gegensatz zu normalen Reflektometer-Fehlerortungsgeräten ist der Teleflex
LV-Monitor on-line gleichzeitig mit allen drei Phasen eines in Betrieb befindlichen NSKabels verbunden und ermöglicht dem Bediener, die Reflexionsmessung im lokalen
oder Fernbetrieb an jeder beliebigen Phasenkombination durchzuführen. Die
Stromversorgung des Teleflex LV-Monitors erfolgt dabei über eine Leitung des
dreiphasigen Anschlusses, wobei zumindest eine Phase Spannung führen muss.
Im Falles des Teleflex LV Monitors erfolgt die Messung immer am unter Spannung
stehenden Kabel. Nach Einstellung aller Grundparameter wie Verstärkung,
Impulsbreite, Messbereich, Auswahl fehlerhafte Ader sendet der LV Monitor
kontinuierlich Messimpulse in das fehlerhafte Kabel. Bei Spannungseinbrüchen oder
Ansprechen von Sicherungen werden 64 Reflektogramme zeitlich um diesen Event
abgespeichert. Durch den Vergleich Messung vor dem Event „Gesundes Bild“ und
während des Events „Fehlerhaftes Bild“ kann eine Fehlerortung vorgenommen
werden. Da die Messung an unter Spannung stehenden Kabeln durchgeführt wird,
muss der Zeitabstand der Messungen zwischen „Gesundbild“ und „Fehleraftes Bild“
sehr kurz sein, sonst würde die Zuschaltung von leistungsstarken Verbrauchern
(Kurzschluss für Reflektometer Impuls) zu falschen Interpretationen führen.
Spannungsform und Verlauf der Fehlerentwicklung der einzelnen Phasen sowie
Stromverlauf sind während des Zeitfenster des Events zu erkennen und können zur
Auswertung herangezogen werden.
Anschaltung Teleflex LV Monitor Spannungstriggerung
von Trafostation
HAK
HAK
Überschlag
Triggerpuls
(Spannungs-Ereignis)
HAK
Verteiler
Power Fuse mit
Drossel bei Bedarf
Fehlerbild
Gesundbild (Test)
Bild 24: Teleflex LV Monitor – Anschluss am HAK Spannungstriggerung am Kabelende und HAK
20
Anschaltung Teleflex LV Monitor Stromtriggerung
von Trafostation
Überschlag
Triggerpuls
(Strom-Event)
HAK
HAK
Verteiler
Power Fuse mit
Drossel
bei Bedarf
Fehlerbild
Gesundbild (Test)
Bild 25: Teleflex LV Monitor – Anschluss am Verteilerschrank oder Verteilerstation
Im Reflektometer – Modus können ein oder zwei Geräte eingesetzt werden. Die
Positionierung der Geräte erfolgt an HAK´s und Verteilerschränken des NS-Netzes.
Netzkenntnisse und Fehlervoreingrenzung (Flackern in Häuser) sollten dabei beachtet
werden. Nach Anschluss der Geräte müssen die Messparameter analog eines
Teleflex durch Einzelmessung angepasst werden.
Phasenwahl „Fehler“
Interne Nachbildung „Balance internal“
Differenzbildung zwischen zwei Phasen „Balance external“
Verstärkung „Gain“
Pulsbreite „Pulse“
Messbereich „Range“ 400 m oder 800 m
Triggerung der Ereignisse
Bild 26: Teleflex LV Monitor Messparameter
21
Je nach Konstellation der Fehlersituation Phase/N oder Phase/Phase, die aus dem
Spannungsmonitor ersichtlich ist, können im „Control Panel“ die Einstellungen für die
weiteren Messungen vorgenommen werden.
Im nächsten dargestellten Bild ist im Monitor deutlich zu erkennen, dass Spannungen
der roten und gelben Phase zeitgleich zusammenbrechen und die blaue Phase kurz
danach involviert wird. Für diese Messung wurde der LV Monitor sinnvoller weise RY=Model programmiert. Im Spannungsmonitor sind wesentliche Informationen zur Art
und
Verlauf
der
Fehlerentwicklung
zu
erkennen.
Es sind alle Variationen der
Messung Phase=N oder
Phase=Phase
mit
der
„Balance“
gegen
eine
interne
Nachbildung
„Model“
möglich.
Die
„Model“ Einstellung sollte so
gewählt werden, dass der
Einschwingvorgang
des
Reflexionsbildes möglichst
klein ist. Typische Werte
liegen zwischen Model= 10
bis 40.
Bild 27: Teleflex LV Monitor Spannungsmonitor
An Stelle der internen Nachbildung kann die „Balance“ auch gegen eine zweite
Phase=N oder Phase=Phase Auswahl eingestellt werden. Bei dieser Einstellung
erfolgt eine Differenzmessung zwischen den gewählten Phasen. Diese
Messeinstellung ermöglicht eine größere Verstärkungseinstellung, da nur Differenzen
der Reflektometer Kurven dargestellt werden.
Durch verschieben des Zeitfensters im Spannungsmonitor können Gesund- und
Fehlerbild dargestellt werden. Die Messung der Entfernung erfolgt analog Teleflex mit
einem Cursor.
Bild 28: Teleflex LV Monitor Spannungsmonitor
Bild 29: Teleflex LV Monitor Gesundbild/Fehlerbild
22
10. Vororten auf Basis transienter Messverfahren
10.1.
Teleflex LV Monitor – TRS Mode (Wanderwellenmethode)
Zur Lokalisierung von transienten Fehlern im TRS-Modus werden ebenfalls
Messimpulse benutzt, jedoch nur zur Synchronisierung der 2 Geräte, welche für die
Messung benutzt werden. D.h. die Pulse müssen nur den einfachen Durchlaufweg
zwischen 2 installierten Geräten zurücklegen, wodurch sich die „Reichweite“ des
Messverfahrens gegenüber der Impulsreflexionsmethode quasi verdoppelt.
Es werden 2 LV-Monitore im Netz derart installiert, dass sich die vermutete
Fehlerstelle zwischen den beiden Geräten befindet.
Unit 63
Test im TRS Mode
Synchronisationspulse
Unit 64
Test im TRS Mode
Synchronisationspulse
von Trafostation
HAK
Überschlag
Triggerpuls
(Spannungs-Event)
HAK
Verteiler
Power Fuse mit
Drossel bei Bedarf
Testmessung Unit 63 und 64
Synchronisation
Wanderwelle in
Richtung Unit 64
Wanderwelle in
Richtung Unit 63
Bild 30: Prinzip TRS Methode (Wanderwellenmethode) mit Teleflex Monitor
Im nachstehenden Bild sind die Verläufe der transienten Aufzeichnungen dargestellt,
in diesem Beispiel sendet nur ein Gerät (Master) Synchronisierungspulse aus:
eingespeiste Synchronisierungspulse
Aufzeichnung
Master-Gerät
FehlerImpuls
Aufzeichnung
Slave-Gerät
Bild 31: Prinzip
empfangene
Synchronisierungspulse
23
Die Wanderwelle des Fehlerimpulses (rote Ausbreitungslinie) trifft in diesem Beispiel
am Slave-Gerät früher ein, als am Master-Gerät.
In der LV-Monitor-Software werden die Fehlerimpulse durch eine Verschiebung der
Kurven zur Deckung gebracht und die Fehlerentfernung vom Master-Gerät anhand
des Abstandes der gesendeten und empfangenen Synchronisierungsimpulse ermittelt.
FehlerImpuls
eingespeiste Synchronisierungspulse
empfangener Synchronisierungspuls
Fehlerentfernung
Bild 32: Prinzip
Wenn beide Geräte Synchronisierungspulse senden, kann die Fehlerentfernung auch
von beiden Enden des Kabels aus bestimmt werden.
Nachdem das Master-Gerät armiert wurde, sollte am Slave-Gerät ein manueller Test
ausgeführt werden, um zu testen, ob der Synchronisationsimpuls des Masters
empfangen wird. Falls die Pulse des Masters nicht oder nur schwach zu erkennen
sind, sollten Pulsbreite und Verstärkung in beiden Geräten erhöht und der Test
wiederholt werden. Ohne sichtbare Synchronisationspulse der Gegenstelle kann die
TRS-Messung nicht ausgewertet werden!
Auswertung
Im Spannungsmonitor können z.B. Phasenlage und Größe des Spannungseinbruchs
erkannt werden. Der Spannungseinbruch hinter der Fehlerstelle (Far End) ist an
diesem Beispiel wesentlich deutlicher, als vor der Fehlerstelle.
Bild 33: Spannungseinbruch zweier synchronisierter Geräte
24
Das folgende Bild zeigt ein Beispiel für die Fehlerentfernung vom „braunen Gerät“:
Bild 34: Einmessen der Fehlerentfernung vom „braunen Gerät“
Das folgende Bild zeigt ein Beispiel für die Fehlerentfernung vom „blauen Gerät“:
Bild 35: Einmessen der Fehlerentfernung vom „braunen Gerät“
Mit Hilfe der Locate #2 Tasten können weiterer Synchronisierungspulse ausgewertet
werden.
Als auslösender Grund für eine Messung des Teleflex LV Monitor kann ein echter
Fehler selbst dienen. Dies ist eine Vorgehensweise in Situationen, in denen Fehler oft
oder sehr regelmäßig auftreten, und wenig akuter Handlungsbedarf besteht. D.h. in
Situationen, in denen auf Grund vorheriger Erfahrungen ohnehin innerhalb kurzer Zeit
eine weitere Auslösung zu erwarten ist
In Situationen, in denen das Auslösen der Sicherung ein größeres Problem für die
angeschlossenen Verbraucher, z.B. Industriebetriebe darstellt, aber grundsätzlich ist
es sinnvoll, den Teleflex LV Monitor mit der nachfolgend beschriebenen Powerfuse zu
kombinieren.
Dadurch sind die Verbraucher auch nach einer Auslösung sofort wieder am Netz, und
der LV Monitor erzeugt von jedem Ereignis eine Messung. Damit lassen sich die
Ergebnisse vergleichen, und unter Umständen über den Zeitpunkt des Ereignisses
Zuordnungen zu möglichen Auslösefaktoren erkennen.
Permanente Fehler können durch gezielte Zu- oder Abschaltung der Sicherung
(Powerfuse) eingemessen werden. D.h. es erfolgt eine LV ARM Fehlerortung mit
Netzspannung. Auch hier können die Verbraucher am Netz angeschlossen bleiben, da
die normale Netzspannung durch diese Anwendung nicht überschritten wird.
25
10.2.
ICEPlus Verfahren
Seit den Anfängen der Kabelfehlerortung ist das so genannte Stromimpulsverfahren
(engl. ICE) bekannt. Bei diesem Verfahren wird das transiente Stromsignal einer
Stoßimpulsentladung bei der Zündung eines Kabelfehlers aufgezeichnet wird. Dieses
Verfahren ist sehr erfolgreich an Mittelspannungskabeln ohne Verzweigungen
verwendbar.
An Kabeln mit T-Muffen ist wie bei der Reflexionsmessung durch die ImpedanzStoßstellen der Abzweigungen eine sehr komplizierte bis unmögliche Auswertung
gegeben.
Das
bei
einem
Fehlerdurchschlag
entstehende Messsignal enthält nicht nur die
bekannten
oszillierenden
Stromimpulse,
sondern es fließt ein weiterer, ebenfalls
oszillierender Strom (Grundwelle), welchem
die transienten Stromimpulse überlagert sind
(Bild 24) und dessen Schwingfrequenz sich
aus den Parametern der Messanordnung
ergibt.
Bild 36: Transiente Stromauskopplung und Gesamtstrom mit Grundwelle
Die bekannte Kapazität des verwendeten Stoßkondensators (z.B. im SPG 5-1000) und
der Induktivitätsbelag des Kabels bis zur Fehlerstelle sind die dominierenden
Einflussgrößen, welche die Schwingfrequenz der Grundwelle beeinflussen (Bild 25).
Die Kapazität des Fehlerkabels ist gegenüber der Stoßkapazität zu vernachlässigen
und die Eigeninduktivität des Meßsystems und Anschlusskabels sind bekannt und
werden in der Auswertung entsprechend berücksichtigt.
Bild 37: Stoßkapazität und Kabelinduktivität als dominierende Komponenten des Schwingkreises
26
Durch die Ermittlung der Schwingfrequenz der Grundwelle kann mit der bekannten
Schwingkreisformel
1
fo =
2π LC
die Induktivität des Schwingkreises berechnet werden.
1
L=
ω o ²C
Die Auswertung der Messsignale mit starker Dämpfung der Grundwelle, bis hin zur
Auswertung von aperiodischen Halbschwingungen oder durch den intermittierenden
Lichtbogen stark verrauschten Signalgrößen erfolgt über einen digitalen
Signalprozessor (DSP) und eine mehrstufige Approximations-Software, sowie diverse
Auswertealgorithmen.
Mit der gemessenen Kreisfrequenz ϖ und der berechneten Schwingkreisgüte Q kann
die Induktivität bis zur Fehlerstelle L F berechnet werden.
1
LF =
ω ²C S (1 + 1 4Q ²)
Aus dem so ermittelten Induktivitätswert LF wird über den kilometrischen
Induktivitätsbelag L k des Kabels, welcher vom Leiterquerschnitt und der
geometrischen Anordnung der Leiter abhängt, die Fehlerentfernung berechnet.´
Um eine gute Datenbasis für die Berechnung der Fehlerentfernung zu erhalten,
wurden umfangreiche Feldtests zur Ermittlung der typischen Induktivitätswerte der
verschiedenen Kabeltypen und Leiteranordnungen durchgeführt.
Durch eine einfache Messanordnung mit bekannter Kabellänge können zukünftig auch
die Parameter von „exotischen“ Kabeltypen, welche derzeit noch nicht in der
Gerätedatei enthalten sind, ermittelt werden.
Mit diesem patentierten ICEPlus Verfahren kann auch jeder ungeübte Benutzer
problemlos die Vorortung von Kabelfehlern durchführen.
Für die punktgenaue Nachortung der Kabelfehler stehen die üblichen Messverfahren
wie im folgenden Abschnitt beschrieben zur Verfügung.
Einfachste Fehlerortung
Die Bedienung durch einen Drehgeber mit
Enterfunktion ermöglicht ein einfaches
Navigieren im Menü und schnelles Einstellen
der Parameter.
Zur schnellen Orientierung des Benutzers
welche Fehlerkonstellation vorliegt, werden
bei der Prüffunktion gleichzeitig Ableitstromund Isolationswiderstandwerte angezeigt. Bild
38: Hauptmenü für Auswahl der Messfunktionen
27
Eine weitere hilfreiche Funktion ist die „Durchschlagerkennung“. Dabei wird
automatisch die Überschlagspannung des Fehlers ermittelt, um in der Vor– und
Nachortungsfunktion die effektivste Amplitude der Stoßimpulsspannung einzustellen.
Dadurch wird erreicht, dass das Kabel nicht mit unnötig hoher Stoßspannung
beaufschlagt und die Gefahr von Sekundärschäden reduziert wird.
In der Vorortungsfunktion mit ICEPlus folgt der Benutzer den Eingabe-Aufforderungen
am Display, welche im Wesentlichen aus der Eingabe des Leiterquerschnitts, der
Kabelkonstruktion und der AderPosition beim Anschalten des Gerätes
bestehen. Dabei wird dem Benutzer
jeweils
eine
Auswahlliste
bzw.
graphische Darstellung der Kabeldaten
(z.B. 4 Leiter-Kabel o. Dreileiterkabel
mit Schirm oder der Anschaltung
benachbarter
Adern
oder
gegenüberliegender
Adern)
angeboten.
Bild 39: Eingabemaske für die Vorortung mit
ICEPlus
Sollte die Kabelstrecke aus verschiedenen Kabeltypen zusammengesetzt sein, so ist
eine sektionsweise Eingabe möglich. Die richtige Angabe des Leiterquerschnittes und
der Anschlusssituation sind Voraussetzung für eine genaue Entfernungsberechnung
des Kabelfehlers. Liegt der Fehler in einem Abzweig, z.B. im Bereich des
Hausanschlusskabels, tritt durch die nicht berücksichtigte Querschnittsänderung eine
Verschiebung des Vorortungs-ergebnisses ein. Diese liegt aber im Bereich der
Ungenauigkeiten wie sie durch die Übertragung der Entfernung ins Gelände ohnehin
entsteht.
Wenn die gemessene Fehlerentfernung auf die Lage des Fehlers in einem Abzweig
schließen lässt und dieser Abzweig eine Länge größer 20 m hat, so ist eine
Ergänzungsmessung vom Ende des betreffenden Abzweiges aus sinnvoll.
Die Fehlerentfernung wird bei ICEPlus
direkt in Meter angegeben und es ist
keine
Interpretation
komplizierter
Reflexionsbilder notwendig!
Um stabile Schwingfrequenzen zu
erhalten, sollte die Stoßspannung
mindestens 2kV besser 4kV betragen.
Bild 40: Ergebnisdarstellung ICEPlus
28
Zur punktgenauen Nachortung von Kabelfehlern stehen im SPG 5-1000 die DCSchrittspannungsmethode und die Schallfeldmethode zur Auswahl.
Für die Schrittspannungsmethode wird ein regelbarer Gleichstrom mit wählbaren
Taktzeiten benutzt. Dabei ist der Stoßkondensator nicht mit angeschaltet.
Für die Schallfeldortung stehen die Spannungsstufen 2 bzw. 4 kV mit jeweils 1000 Ws
Stoßenergie zur Verfügung. Damit ist auch unter Bedingungen mit starken
Nebengeräuschen eine effektive Ortung des Schallfeldes der Kabelfehler möglich.
10.3.
ICE 3-phasig (Stromauskopplung)
Es haben sich vier Stromkoppler-Schaltungen durchgesetzt, die es ermöglichen
hochohmige und intermittierende Fehler in Energie-Kabeln vorzuorten. Es sind dies
die
“Direkte Methode“
“Vergleichs-Methode“
“Differential-Vergleichsmethode“
“Loop On - Loop Off- Methode“.
10.3.1.
Direkte Methode
Als Quelle dient ein Stoßwellengenerator oder ein Gleichspannungs-Prüfgerät. Jede
Abzweigung zwischen Kabelanfang und Fehler führt unvermeidlich zu Mehrfachreflexionen und stört somit den auszuwertenden Reflexionsvorgang. Die direkte
Methode wird deshalb nur bei Kabeln ohne Abzweigungen angewendet.
10.3.2.
Vergleichs-Methode
Als Generator dient ein Hochspannungs-Prüfgerät oder ein Stoßwellengenerator (bei
gedrückter Impuls-Taste). Diese Methode wird hauptsächlich bei verzweigten Netzen
angewendet.
Bedingung: Es muss eine intakte Ader vorhanden sein und das Kabel muss sich aufladen lassen (kein Parallelwiderstand).
10.3.3.
Differential-Vergleichsmethode
Als Quelle dient ein Stoßwellengenerator. Diese Methode wird hauptsächlich bei verzweigten Netzen angewendet.
Bedingung: Es muss ein intakter Leiter vorhanden sein.
10.3.4.
Loop On - Loop Off- Methode
Als Generator dient ein Hochspannungs-Prüfgerät oder ein Stoßwellengenerator.
Diese Methode wird bei unverzweigten Netzen angewendet.
Bedingung: Das Hochspannungs-Verbindungskabel muss genügend lang sein
(1' >> 50 m).
Detaillierte Informationen zu den o.g. Messverfahren im Artikel ICE 3phasig.
29
11. Fehlerortung über den Verbrennungsgeruch
Bei Tiefbauarbeiten kann man oft schon am Geruch der Erde feststellen, ob man sich
in der Nähe des Fehlers befindet. Einige Versorgungsunternehmen nutzen den
„Brandgeruch“ aus und setzen hierfür speziell ausgebildete Spürhunde ein um Fehler
punktgenau zu lokalisieren. Bei einem
Kabelfehler findet eine Verbrennung statt, bei
der das Isoliermaterial durch den Lichtbogen
verschmort wird. Dieser Vorgang setzt eine
Reihe von unterschiedlichen
Verbrennungsgasen frei. Diese Gase kann man
(oder Hund) riechen oder mit einem
Gaschromatographen in die wesentlichen
Bestandteile zerlegen und lokalisiert werden.
Da Kabel, Endverschlüsse und Muffen aus sehr
unterschiedlichen Materialien bestehen,
Bild 41. Fehlersuchhund bei der Arbeit
werden entsprechend unterschiedliche Gase erzeugt. Bei den Untersuchungen wurde
festgestellt, dass einige dieser Kohlenstoffverbindungen von allen Isoliermaterialien,
und vor allem auch in ausreichenden Mengen, freigesetzt werden.
Mit diesem Wissen wurde dann eine neue Technologie, der FaultSniffer, entwickelt,
und auf das Aufspüren genau dieser Gase spezialisiert.
Die bei einem Fehlervorgang entstehenden Gase sind nicht flüchtig, d.h. sie halten
sich im umgebenden Erdreich, und sind auch noch nach Tagen messbar. Die
Ausbreitung, und damit die Messbarkeit dieser Gase hängt stark von den
Umgebungsbedingungen ab. Lockerer Boden, ohne versiegelnde Deckschicht hat
eine geringere Konzentrationen zur Folge, als zum
Beispiel verdichteter Boden mit einer dicken
Asphaltdecke. Entsprechend ist eine Lokalisierung
der Gase nicht von deren Konzentration, sondern
von deren Verteilung abhängig. Die Fehlerortung
basiert auf dem Maximum der feststellbaren
Konzentration.
Sofern der Fehler selbst nur temporär aufgetreten ist
und die Versorgung weiterbesteht, ist für die
Fehlerortung keine Abschaltung erforderlich.
Für die eigentliche Messung ist es nur erforderlich
aus dem Boden Gasproben zu entnehmen.
Dazu kann, sofern keine feste Oberfläche besteht, einfach ein kleines Loch erzeugt
werden,
Bild 42 Gasspürgerät für Fehlergase
und aus diesem mit einem Probeschlauch,
mittels einer Pumpe im FaultSniffer, die Gasproben aus dem Erdreich entnommen
werden.
Bei festen Oberflächen, wie Beton oder Asphalt wird mit einem Akkubohrhammer ein
Probenloch gebohrt, und nach Probenentnahme mit einer Vergussmasse wieder
korrekt verschlossen.
30
Ein grundlegendes Prinzip dieser Fehlerortung ist die Tatsache, dass Fehler
hauptsächlich in Muffen oder im Bereich von Bautätigkeiten auftreten.
Bauarbeiten sind relativ leicht zuerkennen. Die Muffen befinden sich vorrangig im
Bereich der Hauseinführung. Teilweise sind Verbraucher noch versorgt, während
Verbraucher hinter dem Fehler möglicherweise keine Versorgung mehr haben. Durch
solche einfachen Beobachtungen, Feststellungen und bekannte Daten, z.B. aus den
Verlegeplänen lässt sich schon vorab die grobe Position eines Fehlers schon relativ
eng eingrenzen.
Da die entstehenden Gase durchaus noch im Bereich von zwei bis vier Metern
messbar sind, ist hier die Anforderung an eine genaue Positionierung der
Probenentnahme nicht sehr hoch. Es muss also auch nicht unbedingt im Gehweg
gebohrt werden,
Gas ppm
sondern oft reicht es, in
50,000
Garten zwei Schritte
40,000
weiter das Probenloch
30,000
zu machen, und erst
20,000
einmal zu sondieren,
bevor man richtig
10,000
bohren muss.
0
4
0
2
4
2
Probenlöcher
Strassenoberfläche
Kabel
Fehlergas
Fehler
Höchste Gaskonzentration
Bei der Messung sucht
man zuerst die Stelle,
an der sich Gase
feststellen lassen, und
zentriert diese Suche
dann auf einen
Maximalen Wert.
Dieses Maximum stellt
dann auch die
Fehlerstelle dar und ist
genauer als es für eine
Schachtung erforderlich ist.
Bild 43: Fehlerortung anhand des Maximums der Gaskonzentration
Vorteile dieser Methode.
Kunden müssen nicht abgeschaltet werden
Es ist keine Vorortung erforderlich
Der Anwender benötigt weder Schaltberechtigung noch elektrische Kenntnisse
Nachteile.
Funktioniert eher bei Niederspannungskabeln
Erfordert, dass die Gase aus der Muffe oder dem Kabel austreten können
Ist von Umgebungsfaktoren, wie Dichte, Versiegelung etc. abhängig.
11.1.
LV Fehlerortungset.
31
Als Kombination mit den im Teil 10.1 beschreiben Teleflex LV Monitor bildet der
FaultSniffer die Möglichkeit einer Fehlerortung ohne die Erfordernis, Verbraucher
abzuschalten. Fehlervorortung wie Nachortung laufen unter Spannung ab.
32
12. Ergänzende Verfahren
12.1.
Powerfuse
Die Powerfuse dient als automatischer Sicherungsersatz und zur Vorortung
intermittierender Fehlern im Niederspannungsnetz bei
angeschlossenen Verbrauchern.
Niederspannungsnetze werden größtenteils mit NHSicherungselementen abgesichert. Bei Ausfall der
Sicherung durch einen Isolationsfehler ist der Kunde
vom Netz getrennt. Eine Wiederversorgung erfordert
den manuellen Ersatz der defekten NH-Sicherung.
Speziell bei intermittierenden Fehlern erfolgt die
Auslösung der Sicherung in unregelmäßigen
Abständen und erfordert einen hohen Arbeitsaufwand.
Mit Hilfe der Powerfuse wird der betreffende
Kabelabschnitt automatisch wieder zugeschaltet.
Bild 44: Powerfuse im
Verteilerschrank
In Verbindung mit einem Reflektometer ist gleichzeitig eine Kabelfehlervorortung
Gesundbild/Fehlerbild möglich. Nach 9-maligen Wiedereinschalten innerhalb von 5
Minuten schaltet das Gerät ab. Die Auslöseströme sind von 125 bis 315 A in Schritten
einstellbar.
3
MS-Anlage
Transformator
NS-Verteilung
Power
fuse
2
3
3
3
Power
fuse
2
NYY-J
NYY-J
3
Kabelverteiler
M
32
Hausanschlußkasten 1
2
Power
fuse
3
3
3
Hausanschlußkasten 2
NYY-J
Bild 45: Powerfuse Anschaltmöglichkeiten
33
12.2.
Vororten in isolierten Netzwerken (IT Netze)
Bei Fehlern in IT Netzen, aber auch Steuerleitungen
und z.B. Signalleitungen bei Bahnen etc. spricht man
nicht sofort von Fehlern, sondern bezeichnet diesen
Zustand als Erdschluss.
IT Netze sind besonders geschützte Netze, deren Aufbau
so gestaltet ist, dass eine Berührung spannungsführender
Leiter ungefährlich ist (Krankenhaus) und dass bei einem
Kurzschluss gegen Erde kein Strom fliesst (EX Schutz).
Speziell bei industriellen Anlagen, bei denen die Kabel fast
immer in einer elektrisch gut leitenden Umgebung verlaufen,
sind Kurzschlüsse eines der grössten Gefährdungspotentiale
überhaupt.
L1
L2
L3
Bild 46
Erdberührungsfehler
Normalerweise löst ein Erdschluss in einem IT Netz erst
einmal keine Sicherung aus, und unterbricht damit auch keinerlei Prozesse.
Aber der Schluss bewirkt, dass sich das bis dahin ungeerdete, potentialfreie System
auf
ein durch den Fehler hervorgerufenes Erdungspotential einstellt.
Folglich nehmen die nicht betroffenen Phasen ein definiertes Potential gegen Erde an.
Ein weitere Kurzschluss einer anderen Phase (Doppelerdschluss) kann jetzt zum
einem echten Kurzschluss, und damit zum Totalausfall der Versorgung führen, und
dadurch zum Beispiel kritische Fertigungsprozesse stoppen, wie auch durch den jetzt
möglichen hohen Stromfluss einen Lichtbogen erzeugen, welcher in einer Ex
geschützten Umgebung höchstes Gefahrenpotential birgt.
Um diesen Zustand zu erkennen, verfügen solche Installationen über eine Isolationsoder Erdschlussüberwachung, die im Falle eines Erdschlusses diesen Zustand
anzeigt, und den Betreiber warnt.
Für den Betreiber bedeutet dies, diesen Erdschluss schnellstmöglich zu lokalisieren
und zu beheben, um den betriebssicheren Zustand des Systems wieder herzustellen.
60 V
Signalanlagen
ITotal
Kapazitiver Strom 5 Hz
~
5 Hz
IC
RF1 = 100 kΩ
I1
I2
RF2 = 100 kΩ
Bild 47: Signalfluss und Stromaufteilung im IT Netz
34
I3
RF3 = 100 kΩ
Signalstrom 5 Hz
RTotal = 33 kΩ
Eine der einfachsten und vor allem auch schnellsten Möglichkeiten, diesen Erdschluss
zu lokalisieren stellt die im Geolux verwendete Technologie dar. Das Ortungsverfahren
ist so ausgelegt, dass die Ortung der Erdberührungsstelle ohne Unterbrechung der
Netzfunktion
oder Beeinflussung von Signalund Steuerkreisen geschehen
kann. Beim Geolux System wird
ein niederfrequenter Signalstrom
von 5 Hz direkt auf den Erdschluss
behafteten Leiter angekoppelt.
Bild 48: Geolux mit Zubehör
Der integrierte Trennfilter erlaubt dabei eine direkte galvanische Kopplung bis zu 660
VAC und DC. Das elektromagnetische Feld dieses Signalstromes wird mit induktiven
Sonden verfolgt und führt so zu der Fehlerstelle. Zur besseren Identifizierung des
Signalstromes dient eine Taktung, wobei die Signalflusszeit des Generators über eine
Synchronisationsschaltung am Messempfänger angezeigt wird. Mit einer
Kompensationsschaltung lassen sich störende Kabelkapazitäten kompensieren, so
dass Fehlerwiderstände bis zu 200 kOhm lokalisierbar sind.
Der Anwender folgt dem Pfad des Signalstromes gegen Erde mit einer Anlegezange,
oder wo die Kabelbündelung dies nicht zulässt, mit einem induktiven Aufsetzsensor
bis zum Fehlerpunkt. Dort verteilt sich das Signal und ist nicht mehr feststellbar.
60 V
~
5
Bild 49: Fehlersignalverfolgung im IT Netz
Eine detailliertere Beschreibung diese Anwendung wird noch mal separat in einem
gesonderten Artikel zum Thema Mantelfehler / Erdfühlige Fehler erscheinen.
35
12.3.
Vororten nach der Spannungsabfallmethode
Das Hauptanwendungsgebiet des Messverfahrens sind stark verzweigte
Niederspannungsnetze (Hausanschlussnetze, Beleuchtungsnetze). Dabei geht es um
die Suche eines niederohmigen Kabelfehlers bei nahezu galvanischen Verbindungen
(z. B. Fehler in Verbindungsmuffen oder Abzweigmuffen).
Der Spannungsabfall, der bei hohen Strömen entsteht, wird zur Vorortung von diesen
sehr niederohmigen Fehlern im NS-Netz verwendet. Der hohe Strom kann vom
Brenngerät (z.B. BT 5000) eingespeist werden. Mittels eines Digitalvoltmeter wird der
Spannungsabfall oder mit einem Amperemeter wird der Strom an den HAK´s
gemessen. Je nach Betriebsspannung der Kabelanlage oder des vorhandenen
Fehlerwiderstandes wird eine Spannungsstufe (max. 400 V) eingestellt. Ergebnis ist
ein Stromfluss durch den Fehlerwiderstand RF. Ausgehend vom Kabelverteiler erfolgt
eine Parallelschaltung des Strommesser (Indikator) zum Fehlerwiderstand an den
Hausanschlusskästen. Der angezeigte Strommesswert dient zur Auswertung und wird
zur Beurteilung der Fehlerlage herangezogen.
An einer Messstelle nach dem fehlerhaften Abzweig ist ein signifikanter Stromabfall zu
verzeichnen. Dies deutet auf die Fehlerart im vorangegangenen Abzweig hin.
Bild 50: Prinzip Spannungsabfall im Niederspannungsnetz
Eine weitere Anwendung in Verbindung mit der Spannungsabfallmethode ist die
direkte Belastung des Kabels durch eine entsprechende Last. Eine solche
Vorgehensweise erzeugt hinter der Fehlerstelle einen deutlichen Einbruch der
Spannung
Mit dieser Methode sind vor allem auch Längsfehler relativ einfach feststellbar.
Längsfehler sind hier je nach Situation z.B. Korrosion oder schlechte Kontaktierung in
Muffen, direkte Abrisse oder auch vollständig wegkorrodierte Leitungen, ein Vorgang,
der insbesondere bei Aluminiumleitern auftritt.
Durch die hohe Strombelastung wirkt sich der Übergangswiderstand der Fehlerstelle
sehr stark auf die Spannung nach dem Fehler aus. Wie schon beim vorher
angesprochenen Flackern des Lichts, bricht hier die Spannung unter Belastung
teilweise völlig ein.
D.h. ein solcher Fehler lässt sich so auf relativ einfache Weise Reproduzieren, und auf
eine Position im Bereich eines Hausanschlusses eingrenzen.
36
12.4.
Null- (Neutral) Leiter-Unterbrechung - Impedanzmessung
Der N-Leiter ist der wichtigste Leiter im Netz, da er von allen Phasen benötigt wird.
Flackerndes Licht können Anzeichen einer Neutralleiterunterbrechung sein. Durch
eine erhöhte Strangspannung sind Schäden beim Nutzer nicht auszuschließen. Die
häufigsten Neutralleiterunterbrechungen kommen in Muffen vor. Korrosion durch
Feuchtigkeit an der Klemmstelle, Montagefehler und mechanische äußere
Beschädigungen durch Tiefbauarbeiten sind Auslöser und Gründe dieses Fehlers. Die
Neutralleiterunterbrechung ist eine Versorgungsstörung und führt zu einer hohen
Unsymmetrie im Netz. In Abhängigkeit von der Art dieses Fehlers, z.B. erdfühlig,
können folgende Messmethoden zur Vorortung angewandt werden.
Impulsreflexionsverfahren (Impedanzänderung)
Mantelfehlerortung bei Erdfühligkeit
Impedanzmessung
Die auf dem Markt befindlichen Impedanzmessgeräte sind in der Regel KombiInstrumente mit denen die
Z – Impedanz
ΙK – Kurzschlussstrom
R – Widerstandsschleife
XL – Induktionsschleife
Um – Netzspannung gemessen werden kann.
Bei einer Unterbrechung des Neutralleiters oder einer schlechten Klemmverbindung
ergeben sich hohe Widerstandswerte der Schleife. Ohne Leitungsunterbrechung
liegen die Werte typisch im mΩ Bereich.
Der Kurzschlussstrom Ik muss am
entferntesten Punkt des Netzes den
mindestens erforderlichen Abschaltstrom
Ιa der vorgeschalteten Überstromschutzeinrichtung erreichen.
Ω
Abschaltbedingungen:
Ιk > Ιa
Ιk = Ub / ZSchleife
Bild 51: Impedanzschleife im Netz
37
13. Brückenmessverfahren
Mit einer Hochspannungsmessbrücke können erdfühlige Fehler aber auch
Isolationsfehler vorgeortet werden.
Detaillierte Informationen zu diesem Thema erscheinen in einem der folgenden Artikel
zum Thema „Mantelfehlerortung“.
38
14. Gerätezusammenstellung (Beispiele)
14.1.
Nichtverzweigte Netze
Methode/Gerät
Isolationsmessung
500 und 1000 V
Vorortung
Reflektometer T30E
Digiflex
Easyflex
Impulsreflexionsmethode
Wie
Fehler
Integrierter ISO Tester
Megger BM 222
Veränderungen des IsolationsWiderstandes. Phasenvergleich
Messbereich: 10 m … 50 km
Pulsbreite: 35 ns to 4 µs
Ortung niederohmiger Fehler bis ca.
100 Ohm und von Unterbrechungen
Direkt L1, Direkt L2
Adervergleich L1 / L2
Differenz L1 – L2
Ortung hochohmiger und
intermittierender Fehler
ARM Filter 8 kV
Stoßgenerator 2-4-8 kV
0 – 2 kV 1000 J
0 – 4 kV 1000 J
0 – 8 kV 1000 J
EZ-Thump
0 – 4 kV 500 J
HV Methode
ARM (Lichtbogenstoßen)
ICE (Impulsstrommethode)
Trassenortung und
Kabelauslese
FL 10
FLE / FLG
Passive Methode
Aktiver Mode: 491 Hz / 982 Hz /
8440 Hz
Trassenortung von Kabeln und
metallischer Leitungen
Tiefenmessung
Trassenortung durch
Tonfrequenz
Normal Minimum Mode
Normal Maximum Mode
Super Maximum Mode
Signal select
Kabelauslese nach der
Drallfeldmethode
FLA 10
(Mini Antenne)
Kabelauslese
Nachortung
Punktgenaue Ortung nach der
akustischen Methode
Stossgenerator 2-4-8 kV
0 – 2 kV 1000 J
0 – 4 kV 1000 J
0 – 8 kV 1000 J
Stossgenerator SPG 5-1000
0 – 2 kV 1000 J
0 – 4 kV 1000 J
EZ-Thump
0 – 4 kV 500 J
Digiphone
Akustischer Empfänger
Ortung des elektromag-netischen und
akustischen Feldes, Laufzeitdifferenzmessung zwischen diesen
Ereignissen.
ESG 80
Schrittspannungsmethode
Ortung erdfühliger Fehler
Fault Sniffer
Analyse der Verbrennungsgase
Muffenfehler
39
14.2.
Verzweigte Netze
Methode/Gerät
Isolationsmessung
500 und 1000 V
Vorortung
Digiflex
Easyflex
Wie
Integriert z.B. SFX 5-1000
Megger BM 222
Veränderungen des IsolationsWiderstandes. Phasenvergleich
Messbereich: 10 m … 15 km
Impulsbreite: 5 to 750 ns
Ortung niederohmiger Fehler bis
ca. 100 Ohm und von
Unterbrechungen
Impulsreflexionsmethode
Methode:
Direkt L1, Direkt L2
Adervergleich L1 / L2
Differenz L1 – L2
SFX 5-1000 (ICE Plus)
0 – 4 kV 1000 J
0 – 8 kV 1000 J
HV Methode
ICEPlus
Brennen
1A
Prüfen
5 kV
Trassenortung und
Kabelauslese
FL 10
FLE / FLG
Fehler
Ortung hochohmiger und
intermittierender paralleler
Passive Methode
Aktiver Mode: 491 Hz / 982 Hz /
8440 Hz
Trassenortung durch
Tonfrequenz
Normal Minimum Mode
Normal Maximum Mode
Super Maximum Mode
Signal select
Trassenortung von Kabeln und
metallischer Leitungen
Tiefenmessung
FLA 10
(Mini Antenne)
Nachortung
SPG 5-1000
Kabelauslese
Kabelauslese nach der
Drallfeldmethode
0 – 4 kV 1000 J
0 – 8 kV 1000 J
Punktgenaue Ortung nach der
akustischen Methode
Digiphone
Akustischer Empfänger
Ortung des elektromagnetischen
und akustischen Feldes, Zeitdifferenzmessung zwischen
diesen Feldern.
ESG 80
Schrittspannungsmethode
Ortung erdfühliger Fehler
Fault Sniffer
Analyse der Verbrennungsgase
Muffenfehler
14.3.
Online Fehlerortung für verzweigte und unverzweigte Netze
Vorortung
Teleflex LV Monitor
Nachortung
Fault Sniffer
Direkte Online Messung ohne
abschaltung.
Erst bei Reparatur muss ggf.
Abgeschaltet werden
Life Ortung und Speicherung von
Fehlern im Moment des
Auftretens. Auch temporäre,
intermittierende und transiente
Fehler werden so gefunden
Analyse der Verbrennungsgase
Speziell für Muffenfehler
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