Die Erfassung des Koronaeffekts wird als Diagnosewerkzeug zur Kontrolle kritischer Komponenten eines elektrischen Netzes eingesetzt. Mit einer hochempfindlichen Kamera für ultraviolette Strahlung wie der CoroCAM von Amperis lassen sich Korona und ultraviolette Strahlung aufzeichnen und so der Zustand eines Betriebsmittels bewerten. Fehler an Hochspannungsbetriebsmitteln bergen ein sehr hohes Risiko, weshalb vorbeugende Instandhaltung hohe Kosten vermeidet. Teilentladungen können auch durch strukturelle Defekte oder Probleme der Isolierung entstehen.
Treten Teilentladungen und Koronaphänomene auf, wird ultraviolette Strahlung in großen Mengen freigesetzt. Sie gibt Auskunft über den Zustand der Isolierung des in Betrieb befindlichen Betriebsmittels und ermöglicht das Auffinden von Defekten. Das optische Verfahren ist eindeutig die am besten geeignete Diagnosemethode für Entladungen und bietet unter allen Bedingungen die höchste Empfindlichkeit und Auflösung.
Mit einem hochempfindlichen Empfänger für ultraviolette Strahlung lassen sich Korona und ultraviolette Strahlung aufzeichnen und der Zustand des Betriebsmittels über die Verarbeitung und Auswertung der gewonnenen Daten bewerten.
Abb. 1: Hochspannungsleitung – Teilentladung. Abb. 2: Entladung infolge eines Risses im Isolator
Das Prinzip der Koronaentladungserfassung mit einer UV-Bildkamera
Tritt in einem Hochspannungsbetriebsmittel eine Ionisationsentladung auf, können infolge der unterschiedlichen elektrischen Feldstärke eine Korona, ein Flattern oder ein Lichtbogen entstehen. Bei diesem Prozess der Elektronenionisation (Entladung) wird Energie frei; es werden Licht, Schall, Ozon, ultraviolette Strahlung und weitere Emissionen abgegeben. Die UV-Bildtechnik erfasst genau diese ultravioletten Signale, die während des Entladungsvorgangs entstehen. Damit lassen sich Ort und Intensität der Korona nach der Verarbeitung von Daten und Bildern und der Überlagerung mit Aufnahmen im sichtbaren Licht bestimmen.
Von allen Frequenzen des emittierten Lichts haben sich UV-Wellen als der einzige wirksame Weg für diese Art von Prüfungen erwiesen. Der UV-Wellenlängenbereich liegt üblicherweise bei 40–400 nm. Das solare Ultraviolett, das die Erdoberfläche erreicht, hat Wellenlängen über 300 nm (aufgrund der Ozonschicht, die einen Teil des langwelligen Ultravioletts absorbiert).
Ultraviolette Lichtwellen unter 280 nm liegen im Solar-Blind-Bereich. Werden sie erfasst, können sie nur von einer Quelle am Boden stammen.
Abbildung 3. Lichtemission der Koronaentladung. Zu beachten ist, dass der größte Teil des emittierten Lichts im UV-Bereich liegt
Die CoroCAM-Kameras nutzen den Solar-Blind-Bereich mithilfe spezieller Filter: Das Gerät arbeitet tagsüber im UV-Wellenlängenbereich von 240 bis 280 nm (Solar-Blind-UV-Band), sodass der Koronaeffekt auch bei Tageslicht beobachtet werden kann. Manche UV-Bildkameras lassen sich wegen der Störung durch die ultraviolette Strahlung der Sonne nur zu bestimmten Tages- oder Nachtzeiten einsetzen.
In der Anfangsphase der Entladung ist der Koronaeffekt an einem Hochspannungsbetriebsmittel nicht kontinuierlich, sondern flüchtig. Die UV-Bildkameras CoroCAM erlauben die Beobachtung der Korona in zwei Betriebsarten: Echtzeitüberwachung und integrierender Modus, der die Anzahl der ultravioletten Photonen in einer bestimmten Zeit und einem bestimmten Bereich (der Bereich ist einstellbar) auf dem Bildschirm anzeigt und festhält und dabei in Echtzeit aktualisiert wird.
Die Korona ist somit ein Lichteffekt, der von hohen örtlichen elektrischen Feldern ausgelöst wird, die einen bestimmten kritischen Wert überschreiten, die Luft ionisieren und die Entladung erzeugen. Unter normalen atmosphärischen Bedingungen liegt dieser kritische Wert zwischen 20 und 30 kV/cm
Während des Teilentladungsvorgangs (TE) werden die Stickstoffmoleküle der Luft angeregt und geben ultraviolette Strahlung ab, in der Regel im Wellenlängenbereich 200–405 nm.
Die wichtigsten Einflussfaktoren auf die UV-Erfassung
Mit der Koronaeffekt-Kamera wird die Anzahl der Photonen erfasst; dieser Wert dient als Intensitätsindex der Korona am beobachteten Objekt. Zahlreiche Faktoren wirken sich unmittelbar auf die Photonenzählung aus: der Erfassungsabstand, die Luftfeuchte, die Umgebungstemperatur, der Druck, die Höhe über dem Meer und die Verstärkungseinstellung des Geräts.
- Erfassungsabstand: Der Erfassungsabstand hat erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse. Je größer der Erfassungsabstand, desto kleiner das Sichtfeld und desto geringer die Empfindlichkeit.
- Feuchte und Verschmutzung: Die Feuchte spielt eine wichtige Rolle und muss beherrscht werden, damit eine Auswertung möglich ist. Mit steigender Feuchte verbessert sich die Leitfähigkeit der Isolatoroberfläche, was die Entladung begünstigt. Je mehr Feuchte die Atmosphäre enthält, desto mehr ultraviolettes Licht wird absorbiert, sodass die Erfassung der ultravioletten Strahlung abnimmt.
Abb. 4: isolierende Stahlabdeckung. Abb. 5: Entladung infolge einer lockeren Verbindung
- Einfluss von Luftdruck und Temperatur: Steigt der Druck oder sinkt die Temperatur, nimmt die elektrische Feldstärke der Korona zu, da die Dichte der Luft zunimmt. Dadurch vergrößert sich der mittlere Abstand zwischen den Luftmolekülen, die freie Weglänge der Elektronen verringert sich und die Luft lässt sich schwerer ionisieren, was die elektrische Feldstärke der Korona erhöht.
- Einfluss der Höhe: Mit zunehmender Höhe sinkt der Druck, sodass die Spannung sinkt, bei der die Korona einsetzt. Das heißt: in größerer Höhe ein geringerer Koronaeffekt.
- Einfluss der Detektorverstärkung: Die Verstärkung der Kamera ist einstellbar, sodass das Gerät empfindlich auf die Korona reagiert und gleichzeitig der Einfluss von Störungen aus dem Hintergrund verringert werden kann.
Merkmale der Inspektion mittels Koronaeffekt
Die UV-Inspektion ist darauf ausgelegt, äußere Phänomene an der Oberfläche des Betriebsmittels zu erfassen.
Wie gezeigt, beeinträchtigt Feuchte die Messung; die Inspektionen lassen sich jedoch praktisch unter allen Witterungsbedingungen durchführen (Regen ausgenommen). Sie ermöglichen es, mögliche Probleme in einem frühen Stadium zu erkennen, bevor daraus ein schwerer Schaden und die Notwendigkeit eines schnellen Austauschs des betroffenen Bauteils entstehen. Da die Koronaentladung von der Spannung und nicht vom Strom abhängt, tritt sie intermittierend und periodisch entsprechend dem sinusförmigen Verlauf der Leitung auf.
Korrosion und Erosion durch Ozon und Stickoxide, die von der Korona erzeugt werden, sind Prozesse, die die Koronaentladung begleiten. Die Korrosion tritt daher am Porzellanisolator auf (im folgenden Bild sind die 2 entstandenen Trennstellen zu erkennen).
Koronaeffekt: Umwelt- und Sicherheitsaspekt
Wie erwähnt, ist die Teilentladung eine Quelle von Geräuschemissionen (AN) sowie von Radio- und Fernsehstörungen (RI oder TVI) und muss daher beseitigt werden, auch wenn sie die Zuverlässigkeit der Leitung nicht unmittelbar beeinträchtigt. Als Erstes ist die TE-Quelle genau zu lokalisieren, indem nach der Korona gesucht wird. Mit der Baureihe der Koronaeffekt-Kameras CoroCAM von Amperis lassen sich die Entladungsquellen in wenigen Minuten genau orten und identifizieren.
Korona als aktives Abbaumittel
Die CoroCAM von Amperis erfasst koronaartige Aktivitäten auch an Polymerisolatoren. Diese nichtkeramischen Isolatoren sind anfällig für den Abbau durch den Koronaeffekt, da die Salpetersäure, die aus dem entstehenden Stickoxid und dem Wasserdampf gebildet wird, die Polymerhülle schädigt. Zudem lässt ein Riss oder ein Durchschlag im Polymergehäuse Feuchte in den Glasfaserstab eindringen. Die Verbindung von Feuchte und saurem Material baut den Glasfaserstab ab, bis er bricht.
Auch Porzellanisolatoren unterliegen den Auswirkungen von Teilentladungen. In diesen Fällen zeigt die Koronaeffekt-Kamera kurze oder innere Lichtbögen, gerissenen oder erodierten Zement, verrostete Armaturen und Ähnliches an.
Korona als Indikator
Wie dargestellt, ist der Koronaeffekt ein Indikator für fehlerhafte Konstruktionen und Installationen sowie für mangelhaftes Material. Das Auftreten einer Korona zeigt laufende Abbauprozesse an und dient als Frühwarnung. Eine der Anwendungen der Koronainspektion liegt in der Inbetriebnahmephase einer neuen elektrischen Anlage. Die CoroCAM ist ein Werkzeug, mit dem der Betreiber des Energiesystems überprüfen kann, ob die Installation korrekt ausgeführt wurde. Der Einsatz der Koronaeffekt-Kameras während der Inbetriebnahme senkt den späteren Instandhaltungsaufwand.
Fazit
Eine Koronaeffekt-Kamera, die UV-Bilder erzeugt, spielt eine wichtige Rolle bei der Erkennung von Defekten in Hoch- und Mittelspannungsanlagen. Auf diese Weise wird der tatsächliche Ort der Entladung dank der hohen Auflösung der CoroCAM erfasst und identifiziert.
Die Koronaerfassungskameras von Amperis nutzen die UV-Bildgebung, eine vergleichsweise junge, aber einfach zu handhabende, effiziente und intuitive Technik; die Live-Überwachung erleichtert Erfassung und Instandhaltung. Diese Kameras liefern eine unmittelbare Rückmeldung zu Vorgängen mit Auffälligkeiten, die sonst unerkannt und unbearbeitet blieben. Die UV-Inspektion an Freileitungen des Verteilnetzes und in Schaltanlagen liefert Informationen über den Zustand der Leitung (Früherkennung von Fehlern) sowie über die Qualität der Planung und der Ausführung während der Installationsphase.
In der Energiewirtschaft gibt es viele weitere Anwendungen, die sich mit dieser Technik nutzen lassen. Die Erfassung von Koronaentladungen ist nur eine davon.