Prüfempfehlung für Kabelstrecken

Die zunehmende Dichte der Wohnbevölkerung und der technischen Infrastruktur in der Schweiz führt dazu, dass immer mehr Kabelstrecken installiert werden. Kabel sind zwar deutlich teurer als Freileitungen, haben aber Vorteile in der Verfügbarkeit, da beispielsweise keine direkten Blitzeinschläge in Kabelleitungen auftreten können.

Über Jahrzehnte durfte die FKH mit Vor-Ort-Prüfungen zur Qualitätssicherung dieser Kabelstrecken beitragen [1– 7]. In diesem Artikel wird die Statistik aus 38 Jahren Kabelprüfung ausgewertet, und es werden die in der Schweiz praktizierten Prüfempfehlungen für neue und gealterte Kabel von 45 kV bis 380 kV Nennspannung begründet.

Bei grösseren Längen werden Kabelsysteme in Teil­strecken unterteilt, die mittels Muffen verbunden werden. Das Transport­volumen der Kabel­trommeln begrenzt dabei die Länge der Teilstrecken. An den Enden der Kabelstrecken befindet sich meist ein Über­gangs­bauwerk zu einer Freileitung, oder das Kabel wird direkt in eine Schaltanlage eingeführt. Oft werden auch Kompo­nenten in Schaltanlagen mit kurzen Kabelstrecken verbunden. Je nach Komponente werden auf das Kabelende unter­schiedliche Kabel­end­verschlüsse montiert.

Hochspannungs­kabel werden in der Schweiz üblicher­weise unterirdisch in Kabel­rohr­blöcken oder begehbaren Stollen verlegt. Beim Verlegen der Kabel mit Zug­maschi­nen kann der Aussen­mantel oder sogar die Isolierung beschädigt werden. Die Montage von Muffen, meist in gemauerten Muffenschächten, und End­ver­schlüssen an einem Gerüst oder im Kabel­keller erfordern viel Handarbeit.

Vor der Auslieferung werden die Kabel und Garnituren im Werk gemäss oben­stehender Tabelle geprüft. Die Vor-Ort-Prüfung dient daher primär der Kontrolle der Mon­tage. Parallel zur AC-Haltespannungs­prüfung, die aufgrund der grossen Kabel­kapazitäten meist mit dem Serie-Resonanz­prinzip [1, 2] erfolgt (Bild 1), wird je nach Spannungsebene und Wichtigkeit auch eine Teil­ent­ladungs­messung durchgeführt [4 – 7].

Durchgeführte Kabelprüfungen

Die FKH hat seit 1986 insgesamt 1430 Vor-Ort-Prü­fun­gen von Kabeln mit Nenn­span­nungen von 10 bis 380 kV durchgeführt (Tabelle unten). Dabei wurden 1734 Systeme mit einer Länge von 2199 System­kilo­metern geprüft. Bild 2 zeigt die Gesamtlänge der pro Jahr geprüften Systeme.

Die für die Kabelprüfungen eingesetzten Serie-Reso­nanz­anlagen wurden in den 1980er-Jahren von der ETH zusammen mit der FKH entwickelt und zunächst vor allem für die Prüfung von gas­isolierten Schaltanlagen verwendet [1, 2]. Durch den Ausbau der modularen Anlagen konnte deren Leistung schrittweise erhöht werden, sodass sie auch für Kabelprüfungen eingesetzt werden konnten. Die ersten Aufträge kamen fast alle aus Deutschland. Erst ab Anfang der 1990er-Jahre setzten sich Kabelprüfungen auch in der Schweiz durch.

Durchschlagsstatistik

Die Tabelle oben zeigt die Durchschlagsstatistik der vor Ort geprüften Kabelsysteme aufgeschlüsselt nach Kabeln, Endverschlüssen und Muffen. Die Anzahl der Muffen ist geschätzt, da sie nicht vollständig erfasst wurden.

Insgesamt haben 3,9% der geprüften Kabelsysteme während der Prüfung einen Durchschlag erlitten. Die Ausfallraten der End­ver­schlüsse (0,39%) und der Muffen (0,45%) liegen nahe beieinander. Insgesamt traten nur 5 von 68 Durch­schlägen im Kabel auf. 93% aller Durch­schläge betreffen die Garnituren.

Die Statistik weist auf eine klare Häufung von Fehlern an Endverschlüssen und Muffen hin, Durchschläge im Kabel selbst sind eher Ausnahmen. Bei den End­ver­schlüssen und Muffen wird als Ausfallgrund in der Regel ein Montage­fehler vermutet, was sich aber oft nicht vollständig beweisen lässt, weil nicht immer eindeutige Spuren vorhanden sind. Bei den fünf Ausfällen von Kabeln war in einem Fall eine Verletzung (wahr­scheinlich während des Kabelzugs) und in einem anderen Fall ein Herstellungs­problem (Verunreinigung der Isolierung durch Partikel) die Ursache. Die drei weiteren Durch­schlags­ursachen sind unbekannt.

Insgesamt wurden 95% der Prüfungen in der Schweiz durchgeführt. Im Ausland wurden total 81 Kabel­prü­fungen durchgeführt, bei welchen 3,4% der System­kilometer geprüft wurden. Dabei traten 10,3% der Durchschläge auf. Die Prüfungen in Deutschland machten 56% der Auslands­prüfungen und 1,8% der System­kilometer aus. Die meisten Prüfungen in Deutschland wurden in den 1980er- und 1990er-Jahren durchgeführt. Alle Durchschläge im Ausland traten in Deutschland und im genannten Zeitraum auf.

Nach einem Durchschlag bei der Vor-Ort-Spannungs­prüfung wird der Durchschlagsort gesucht und die betroffene Komponente ersetzt bzw. repariert. Nach der Reparatur findet in aller Regel eine Nachprüfung statt.

Nutzen von Vor-Ort-Kabelprüfungen

Das Ziel von Vor-Ort-Kabel­prüfungen besteht darin, Ausfälle durch Schäden nach der Inbetriebnahme zu verhindern. Um die Wirksamkeit zur Erreichung dieses Ziels zu beweisen, müsste es eine Statistik geben, die die Ausfall­wahr­schein­lichkeit von Kabelanlagen, die ohne Vor-Ort-Prüfung in Betrieb genommen wurden, mit solchen vergleicht, bei denen eine Vor-Ort-Prüfung durchgeführt wurde. Eine solche Statistik existiert unseres Wissens nach nicht.

Ein klarerer Hinweis für den Erfolg der Kabel­prüfungen ist, dass bei geprüften Kabel­strecken praktisch keine Fälle bekannt sind, in welchen nach bestandener Vor-Ort-Prüfung innerhalb einiger Monate bis wenigen Jahren im Betrieb ein Durchschlag auftrat. Von den durch die FKH geprüften Kabelanlagen sind der FKH nur drei Fälle bekannt, bei denen es zu einem Durchschlag (Fremd­ein­wirkung ausgeschlossen) gekommen ist. Die FKH ist diesen Fehlern nachgegangen. Die Ursachen wurden meist gefunden.

Im ersten Fall handelt es sich um eine 380-kV-Muffe, die etwa sechs Monate nach der Vor-Ort-Prüfung (mit Teil­ent­ladungs­messung) durch­geschlagen hat. Die mutmass­liche Ursache war das Rutschen des Kabels in einer Gefäll­strecke. Im zweiten Fall hat ein 110-kV-GIS-End­verschluss rund zwei Jahre nach der Vor-Ort-Prüfung (ohne TE-Messung) durch­geschlagen. Als Ursache wurden Federpakete gefunden, die nicht deblockiert waren, d.h. der Anpress­druck des Steuerteils war unge­nügend. Beim dritten Fall handelt es sich um einen 380-kV-Frei­luft­end­verschluss. Dieser war nach der Vor-Ort-Prüfung (mit TE-Messung) nie in Betrieb und hat rund zwei Jahre später beim erstmaligen Einschalten sofort durchgeschlagen. Die Unter­suchungen haben ergeben, dass ein weiterer End­verschluss dieses Systems zu viel Wasser in der Isolier­flüs­sig­keit hatte. Vermutlich war dies auch beim ausgefallenen Endverschluss der Fall. Die mutmassliche Erklärung für das Versagen trotz bestandener Vor-Ort-Prüfung ist also in allen Fällen eine Veränderung, die im Betrieb stattgefunden hat, zum Zeitpunkt der Prüfung aber noch keinen Einfluss auf die Spannungsfestigkeit hatte. Es ist nicht auszuschliessen, dass es weitere Fälle gegeben hat, diese sind uns aber nicht bekannt.

Die beschriebenen Fälle zeigen, dass die Spannungs­prüfung nur Fehler aufdecken kann, welche erstens zum Zeitpunkt der Prüfung bereits existieren und zweitens Einfluss auf die Spannungsfestigkeit haben. Zusätzliche Fehler können existieren, welche zum Zeitpunkt der Messung zwar eine Entladungsaktivität aufweisen, aber erst über einen Alterungs­mechanismus zu einem Durchschlag führen würden. Einige dieser Fehler können mittels Teil­ent­ladungs­messung aufgedeckt werden. Insbesondere bei wichtigen Kabelsystemen wird parallel zur Hochspannungs­prüfung eine Teil­ent­ladungs­messung empfohlen. Die Teil­ent­ladung wird hierzu meist über den Kabelschirm mit einer Koppelimpedanz gemessen [5 – 7]. Üblicherweise wird pro Endverschluss und Muffe jeweils ein Messgerät installiert. Bei vorhandenem Lichtwellenleiter parallel zur Kabelstrecke können diese Signale an ein Ende übermittelt und zentral ausgelesen werden.

Die Statistik zeigt, dass durch die Spannungs­prüfung bei 3,9% der geprüften Kabelsysteme eine Schwachstelle aufgedeckt und damit in den meisten Fällen ein folgenschwerer Durchschlag im Betrieb verhindert werden konnte. Aufgrund der geringen Prüfenergie konnten die Fehler lokalisiert und repariert werden, sodass die Kabelsysteme jeweils nach einer Nachprüfung wieder in Betrieb gehen konnten. Bei Fehlern im Betrieb wären die Schäden am Kabel und an den umgebenden Anlagen deutlich grösser.

Empfohlene Prüfdauer

Um beurteilen zu können, wie lange eine Prüfspannung angelegt werden muss, um eventuell vorhandene Fehler innerhalb der Prüfdauer zuverlässig zum Durchschlag zu bringen, wurde für die aufgetretenen Durchschläge die Prüfzeit bis zum Durchschlag ausgewertet. Bild 3 zeigt die Zeit bis zum Durchschlag von 53 Vor-Ort-Kabel­prüfungen. 50 Durchschläge traten innerhalb der ersten 10 Minuten auf, die restlichen drei nach 11, 13 und 14,6 Minuten.

Es zeigt sich, dass die Durch­schlags­wahr­schein­lichkeit mit zunehmender Prüfzeit markant abnimmt. Nur in 3 von 53 Fällen traten Durchschläge erst nach einer Prüfzeit über 10 Minuten auf. Entsprechend ist in Bild 3 ein deutliches Abflachen der Kurve der kumulierten Durch­schlags­häufig­keit mit zunehmender Prüfzeit zu erkennen. Die vorliegende Durchschlagsstatistik bestätigt somit die Angemessenheit einer Prüfdauer von 15 Minuten bei den gewählten Prüfspannungen.

Prüfempfehlung für neue Kabel

Die FKH hat mit den Hochspannungskabel-Resonanzprüfungen seit den 1980er-Jahren weltweit die mit Abstand längste Erfahrung mit Kabelprüfungen. Aufgrund dieser Erfahrung hat sich in der Schweiz ein Prüfverfahren mit 15 Minuten und leicht höherer Spannung durchgesetzt, als dies in den heutigen internationalen Normen empfohlen wird.

In der 1. Ausgabe der IEC-Publikation 840 von 1988 (heute IEC 60840 für Kabel mit Nennspannungen von 30 kV bis 150 kV) wurden für Vor-Ort-Kabelprüfungen folgende Prüfbedingungen vorgeschlagen:

• AC-Prüfung: 1,7 x U₀ / 5 min oder U₀ / 24 h
• DC-Prüfung: 4 x U₀ / 15 min

Sämtliche Prüfspannungen werden mit einem Prüf­span­nungs­faktor auf die Phasen-Erde-Spannung U₀ bezogen, die um den Faktor √3 kleiner ist als die verkettete Nennspannung U.

Es war schon in den 1980er-Jahren klar, dass die bei Ölkabeln angewandte und effektive DC-Prüfung bei Kunststoffkabeln auch grobe Fehler nicht aufzudecken mag. Nach Ansicht der FKH war die AC-Prüfung mit 1,7 x U₀ / 5 min auch nicht geeignet, um kleinere Fehlerstellen, bei denen sich ein Entladungskanal durch Teilentladungen zuerst entwickeln muss, zum Durchschlag zu bringen.

Die FKH hat deshalb bis 2005 fast ausschliesslich mit 2,5 x U₀ während 15 Minuten geprüft (gleiche Spannung wie bei der Werksprüfung). Im Jahr 2005 fanden zwei Besprechungen mit Vertretern von Netzbetreibern, den Schweizer Kabelwerken und der FKH statt. Vor allem vonseiten der Kabelwerke wurde argumentiert, dass die Vor-Ort-Prüfspannung kleiner als die Werks­prüf­spannung sein sollte. Aufgrund dieser fachlichen Aussprache hat man sich 2005 auf die Prüfpegel nach Tabelle 2 geeinigt. Die empfohlenen Werte für Vor-Ort-Prüf­spannungen während 15 Minuten sind:

• für Spannungsreihen bis 150 kV: 2,2 x U₀
• für Spannungsreihen zwischen 220 kV und 275 kV: 2,0 x U₀
• für die Spannungsreihe 380 kV: 1,8 x U₀

Die meisten in der Schweiz durch­geführten Prü­fungen wurden nach diesen Prüfkriterien durchgeführt. In Tabelle 2 sind zum Vergleich ebenfalls die Prüfpegel für Werks- und Vor-Ort-Prüfungen nach IEC 60840 und IEC 62067 aufgeführt.

Prüfempfehlung für betriebsgealterte Kabel

Gealterte Systeme sind Systeme, die bereits einige Jahre im Betrieb waren. Wenn ein praktisch neues Kabel in den ersten Jahren nach der Inbetriebnahme erneut geprüft werden muss, werden in der Regel die Prüfniveaus für neue Kabelsysteme angewendet.

Kabelsysteme, die bereits Jahrzehnte in Betrieb waren, können aufgrund von Alterungsprozessen geringere Reserven aufweisen als neuwertige Kabel. Im Gegensatz zu selbstheilender Isolation (z. B. Luft) kann Feststoffisolation während der Lebensdauer des Betriebsmittels altern. Bei der Prüfung gealterter Kabelsysteme wird deshalb ein tieferer Prüffaktor angewendet als bei neuen Kabeln. Der Faktor muss aber hoch genug sein, um die nötige Isolationsreserve nachzuweisen.

In der Praxis tritt häufig das Problem auf, dass einzelne neue Komponenten in ein gealtertes Kabelsystem integriert werden. Wird beispielsweise die Schaltanlage am Kabelende ersetzt, muss meist auch der Kabel­end­verschluss ausgetauscht und das Kabel neu gesteckt werden. Dem Wunsch, die Qualität der neuen Komponenten zu prüfen, steht der Wunsch gegenüber, das bestehende Kabelsystem nicht zu sehr zu belasten. Bei der Prüfung kann auch ein nicht veränderter Teil des Systems durchschlagen.

Ein Durchschlag während der Prüfung deutet auf eine reduzierte Isolations­reserve hin und könnte auch durch eine entsprechende Überspannung im Betrieb ausgelöst werden, jedoch mit viel gravierenderen Folgen. Bei einem Isolationsversagen während der Prüfung muss wegen der geringen Prüfenergie meist nur eine Kabelgarnitur ausgewechselt werden. Ein Fehler im Betrieb führt in der Regel zu grösseren Schäden, sodass meist mehr als eine Kabelgarnitur (Kabel bzw. andere Anlagenteile) ausgetauscht werden muss.

Bei der Vor-Ort-Prüfung gealterter Kabel ist der Prüfpegel in Abhängigkeit von der Netz- und Betriebssituation zu wählen. Das Prüfkriterium bei betriebsgealterten Kabeln ist somit immer das Ergebnis einer ökonomischen und technischen Abwägung und soll das Ausfallrisiko während einer gewissen weiteren Lebensdauer in Betrieb möglichst klein halten. Darüber hinaus sollen Schäden durch die Prüfung vermieden werden.

In der FKH-Prüfempfehlung für gealterte Kabel werden nenn­span­nungs­abhängig folgende Werte empfohlen:

• Kabelsysteme bis 150 kV weisen konstruktionsbedingt in der Regel geringere Feldbelastungen und damit intrinsisch mehr Reserve auf. Entsprechend ist eine Schädigung durch die Prüfung unwahrscheinlich und eine Reparatur aufgrund der besseren Verfügbarkeit von Ersatzteilen leichter durchführbar. Eine Prüfung gealterter Kabelsysteme wird mit 2 U₀ für 15 Minuten empfohlen, was 80% der Werk­prüf­spannung entspricht.
• Bei Kabelsystemen ab 220 kV wird ein Prüfwert von 1,7 U₀ für 15 min empfohlen. Die nach­zuweisende Isolations­reserve soll den geplanten Weiterbetrieb des Kabelsystems mitberücksichtigen. Die notwendige Reserve ergibt sich aus der geforderten Restlebensdauer für das Kabelsystem sowie der Höhe der zu erwartenden Überspannungen im Betrieb. Wird für Kabelsysteme nur noch eine geringe Restbetriebsdauer angestrebt und sind aufgrund der Betriebssituation des Kabels Überspan­nungen unwahr­scheinlich, kann der Prüf­span­nungs­faktor für Systeme ab 220 kV auf 1,5 reduziert werden.
• Eine Teil­ent­ladungs­messung an gealterten Kabelgarnituren wird unabhängig von der Spannungsebene empfohlen. Damit können mögliche kritische Alterungsvorgänge in betriebsgealterten Kabelsystemen frühzeitig erkannt werden. Zudem kompensiert die Teil­ent­ladungs­messung bis zu einem gewissen Grad die geringere Aussagekraft der Prüfung, die sich aus dem niedrigeren Prüfpegel ergibt. Im Optimalfall wird an allen Garnituren eine TE-Messung durchgeführt.

Bei Fragen zur Isolationskoordination und Risikoabschätzung in einem konkreten Projekt steht die FKH gerne beratend zur Verfügung.

Fazit

Die in der Schweiz seit den 1990er-Jahren ab der Spannungs­ebene 45 kV fast standardmässig durchgeführten Vor-Ort-Kabelprüfungen haben sich als wirksam erwiesen, Fehlerstellen beim Zubehör und in Einzelfällen auch Kabelschäden aufzudecken. Der Prüfpegel von 2,2 x U₀ (bis 150 kV) und die Prüfdauer von 15 Minuten sind geeignet, die meisten Fehlerstellen während der Prüfung zum Durchschlag zu bringen. Dies wird durch die Tatsache untermauert, dass nur sehr wenige Durchschläge im Betrieb nach bestandener Vor-Ort-Prüfung bekannt sind.

Eine Teil­ent­ladungs­messung parallel zur AC-Prüfung erhöht die Aussagekraft der Prüfung und wird insbesondere für wichtige Kabelstrecken empfohlen. Bei gealterten Kabelsystemen kann eine TE-Messung parallel zur Hochspannungs­prüfung mögliche Schwachstellen durch Alterungsvorgänge aufdecken.

Jede Prüfung ist eine Momentaufnahme und gibt nur den Zustand des Kabelsystems zum Zeitpunkt der Prüfung wieder. Es kann keine Aussage über Fehler gemacht werden, die erst nach der Prüfung auftreten (beispiels­weise Wasser­eintritt in einen Kabel­end­verschluss). Zum Zeitpunkt der Prüfung kann nachgewiesen werden, dass eine aus­reichende Isolations­reserve vorhanden ist und keine messbare Teil­ent­ladungs­aktivität nachweisbar ist.

Referenzen

[1] H.G. Gerlach, «Hochleistungs-Resonanz­anlage für die Wechsel­spannungs-Isolations­prüfung an Kabeln mit einer Betriebs­spannung über 110 kV», Bulletin SEV/VSE 23/1988, S. 1464–1471.

[2] H. Binz, H.G. Gerlach, «Vor-Ort-Wechselspannungs­prüfung an SF₆-Schalt­anlagen und an PE-Hoch­span­nungs­kabeln nach dem Serien­resonanz-Prinzip», Bulletin SEV/VSE 13/1988, S. 763–768.

[3] Th. Aschwanden, «Vor-Ort Prüfung von Hoch­spannungs-Kabel­anlagen», Bulletin SEV/VSE 15/1992, S. 31–40.

[4] Th. Heizmann, «Ein Beitrag zur Beurteilung des Alterungs­zustandes von verlegten, kunststoff­isolierten Hoch­span­nungs­kabeln», ETG-Kabel­seminar für Spannungen ≥ 20 kV, ETH Zürich, 10.–11. März 1992.

[5] Th. Heizmann, Th. Aschwanden, H. Hahn, M. Laurent, L. Ritter, «Vor-Ort-Teil­ent­ladungs­messung an 170-kV-Kabel-Aufschiebe­muffen», Bulletin SEV/VSE 4/1998, S. 35–38.

[6] G. Storf, Th. Heizmann, Teil­entladungs­erfas­sung an Hoch­span­nungs­kabel­end­verschlüssen und -muffen vor Ort: Methoden und Erfahrungen, 2001.

[7] R. Bräunlich, Th. Brügger, «Vor-Ort-TE-Detektion an Kabelendverschlüssen mittels Ankoppelvierpol ohne Koppelkondensator?», Fachtagung ETG-VDE Diagnostik, 25.-26.11.2014, Berlin, S. 1–6.