Zerstörungsfreie Messung des Vernetzungsgrades in Energiekabelisoliersystemen

Aachen / Verlagshaus Mainz GmbH (2020) [Buch, Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (134 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Für die Isolierschicht moderner Mittel- und Hochspannungskabel werden vernetzte Polymere eingesetzt, um die zulässige Betriebstemperatur und somit die Übertragungsleistung des Kabels zu maximieren. Den mit Abstand größten Marktanteil nimmt hierbei vernetztes Polyethylen (XLPE) ein. Die messtechnische Überwachung des Vernetzungsprozesses kann heutzutage jedoch nur stichprobenartig zu Beginn und Ende der Produktion mittels eines Hot-Set-Tests erfolgen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein kontinuierliches Messverfahren entwickelt, das Prozessfehler frühzeitig detektiert und ein Werkzeug zur Prozessoptimierung bereitstellt. Durch eine kontinuierliche Prozessüberwachung kann Ausschuss reduziert und die Gesamtanlageneffektivität gesteigert werden. Da die Vernetzung eines Polymers die mechanischen Materialparameter ändert, ist eine Messbarkeit des Vernetzungsgrades mittels Ultraschall zu erwarten. Die detaillierte Abhängigkeit der akustischen Messgrößen vom Vernetzungsgrad ist für XLPE und Leitschichtmaterialien nicht bekannt. Daher wird zu Beginn eine umfangreiche Parameterstudie an Laborprüfkörpern durchgeführt, wobei Vernetzungsgrad, Materialtemperatur, Wandstärken und Prüffrequenzen variiert werden. Die Auswertung zeigt, dass alle akustischen Materialparameter eine unter Laborbedingungen messbare Abhängigkeit vom Vernetzungsgrad für XLPE aufweisen. Zur Differenzierung zwischen verschiedenen Vernetzungsgraden anhand eines Einzelparameters ist die Schallgeschwindigkeit am besten geeignet. Das Leitschichtmaterial hingegen zeigt keine Abhängigkeit vom Vernetzungsgrad. Aufgrund der geringen Änderung einzelner Messgrößen mit dem Vernetzungs-grad werden Methoden der multivariaten Klassifikation und des maschinellen Lernens angewandt, um die gesamte Signalinformation des Ultraschallsignals auszunutzen. Es erfolgt ein Vergleich verschiedener Klassifikationsmodelle mit dem Ergebnis einer sehr hohen Klassifikationsgenauigkeit zur Bestimmung des Vernetzungsgrades. Eine nachfolgende Sensitivitätsanalyse zeigt, dass die meisten Modelle sehr empfindlich auf Fehler in den Eingangsdaten reagieren. Ein Modell basierend auf der Subspace k-Nächsten-Nachbar Methode weist jedoch eine hohe Robustheit gegenüber Variationen der Eingangsdaten auf und ist prinzipiell für eine quantitatives Monitoringsystem im industriellen Umfeld geeignet. Es bietet außerdem den großen Vorteil unabhängig von der Kenntnis der Materialtemperatur eine Klassifikation des Vernetzungsgrades zu ermöglichen. Zusätzlich wird ein univariates Verfahren für die qualitative Überwachung des Vernetzungsprozesses von Energiekabelisoliersystemen anhand der Schallgeschwindigkeit vorgestellt. Beide Verfahren werden im Labor durch Messungen an einer Modellkabelader validiert. Mit Hilfe statistischer Auswertungen wird erstmalig eine kontinuierliche, messtechnische Überwachung des Vernetzungs-prozesses inklusive Handlungsempfehlungen für den Linienführer ermöglicht.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Frechen, Henning

Gutachterinnen und Gutachter

Schnettler, Armin
Hirsch, Holger

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-95886-363-7
  • REPORT NUMBER: RWTH-2020-08170

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