Die Macht der Präzision: Wie Wanderwellensysteme die Fehlerortung revolutionieren und die Netzzuverlässigkeit erhöhen

In der heutigen vernetzten Welt ist eine zuverlässige Stromversorgung von größter Bedeutung. Stromausfälle beeinträchtigen Menschenleben, Unternehmen und wichtige Infrastrukturen, was zu wirtschaftlichen Verlusten und Sicherheitsbedenken führt. Versorgungsunternehmen sind ständig bestrebt, die Dauer von Stromausfällen zu minimieren und die Widerstandsfähigkeit des Netzes zu verbessern.

Ein Schlüsselfaktor bei der Erreichung dieses Ziels ist die Fähigkeit, Fehler auf Übertragungsleitungen schnell und genau zu lokalisieren. Dieser Blog-Beitrag befasst sich mit der innovativen Technologie der Wanderwellen-Fehlerortung (TWFL) und ihrer transformativen Wirkung auf die Fehlerortung und Netzzuverlässigkeit.

Die Dringlichkeit einer schnellen Fehlerortung

Wenn ein Fehler in einer Übertragungsleitung auftritt, muss der fehlerhafte Abschnitt unbedingt isoliert, die Reparatur eingeleitet und der normale Betrieb so schnell wie möglich wiederhergestellt werden. Diese Dringlichkeit ergibt sich aus den wirtschaftlichen Auswirkungen längerer Ausfälle und dem Druck der Regulierungsbehörden, eine hohe Versorgungsqualität zu gewährleisten.

Die Versorgungsunternehmen sind für die Minimierung der "verlorenen Kundenminuten" verantwortlich, ein wichtiger Leistungsindikator, der von den Regulierungsbehörden zur Bewertung ihrer Effizienz herangezogen wird.

Vor allem in Unterübertragungsnetzen, die mit weniger als 100 kV betrieben werden, ist die Notwendigkeit einer schnellen Fehlerortung noch größer. Diese Netze sind oft umfangreicher, weniger robust und verfügen über eine begrenzte Redundanz, was sie anfällig für Störungen macht und die Auswirkungen auf Kundenausfälle erhöht.

Fehlerspektrum: Permanent, intermittierend und transient

Fehler an Freileitungen können sich in drei Hauptkategorien manifestieren: permanent, intermittierend oder wiederkehrend und transient. Dauerhafte Fehler sind zwar selten, müssen aber umgehend lokalisiert und behoben werden. Vorübergehende Fehler, die durch Faktoren wie beschädigte Isolierung, Störungen durch Vegetation oder Zusammenstöße von Leitern ausgelöst werden, können immer wieder auftreten und stellen eine Gefahr für die langfristige Zuverlässigkeit dar. Vorübergehende Fehler, die oft durch Vögel, Blitzschlag oder Buschfeuer verursacht werden, sind in der Regel einmalige Ereignisse.

In der Vergangenheit wurde intermittierenden und vorübergehenden Fehlern weniger Aufmerksamkeit geschenkt. Der zunehmende Fokus auf die Versorgungsqualität und die Möglichkeit, dass sich diese Fehler zu dauerhaften Fehlern entwickeln, haben diese Sichtweise jedoch verändert. Die Analyse aller Leitungsauslösungen, unabhängig von ihrer Art, ist von entscheidender Bedeutung geworden, um eine Eskalation zu verhindern und die Netzstabilität proaktiv aufrechtzuerhalten.

Grenzen traditioneller impedanzbasierter Methoden

Traditionelle Fehlerortungsmethoden stützten sich hauptsächlich auf Impedanzberechnungen. Diese Verfahren erfüllen zwar ihren Zweck, doch fehlt es ihnen oft an der Präzision und Konsistenz, die für eine genaue Fehlerortung erforderlich sind, insbesondere bei intermittierenden oder transienten Ereignissen. Die Mehrdeutigkeit, die sich aus impedanzbasierten Ergebnissen ergibt, kann zu Ungewissheit darüber führen, welcher Mast einen beschädigten Isolator aufweist oder welche Spannweite von Vegetationseinwuchs betroffen ist, was gezielte Instandhaltungsmaßnahmen behindert.

Enter Traveling Wave Systems: Ein Paradigmenwechsel in der Fehlerortung

Moderne Wanderwellen-Fehlerortungssysteme (TWFL) haben sich als eine hochpräzise und zuverlässige Alternative zu herkömmlichen Methoden erwiesen. TWFL nutzen das Phänomen der Wanderwellen, die durch einen Fehler erzeugt werden. Wenn ein Fehler auftritt, erzeugen der entstehende Lichtbogen und die Spannungssprünge Wanderwellen, die sich entlang der Übertragungsleitung in beide Richtungen ausbreiten. TWFL-Fehlerortungsgeräte, die strategisch an den Leitungsenden positioniert sind, erfassen die Ankunftszeit dieser Wellen mit Hilfe von GPS als Zeitreferenz genau.

Die erfassten Zeitmarken werden dann an eine zentrale Stelle übertragen, wo hochentwickelte Algorithmen in Verbindung mit Informationen über die Leitungslänge und die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit die Entfernung zum Fehler berechnen. Diese Methode mit zwei Enden (Typ D) macht ein Eingreifen des Bedieners überflüssig und liefert automatisierte Fehlerortungsdaten in Echtzeit.

Präzision neu definiert: Die Genauigkeit der TWFL-Methode

Die Genauigkeit der von der TWFL-Methode abgeleiteten Fehlerstellen hängt von drei entscheidenden Faktoren ab: der Genauigkeit der GPS-Zeitmarke, der Genauigkeit der Leitungslängendaten und der angenommenen Wellenausbreitungsgeschwindigkeit. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit auf Freileitungen wird im Allgemeinen als Lichtgeschwindigkeit (300 m/µs) angesehen und bleibt weitgehend unbeeinflusst von Leitereigenschaften, Mastkonstruktionen oder Phasenverschiebungen.

Die Leitungslänge, die in der Regel vom Versorgungsunternehmen bereitgestellt wird, stellt die Summe der Punkt-zu-Punkt-Entfernungen zwischen den Masten dar und wird oft als "physische" Leitungslänge bezeichnet. Um den Durchgang der Leitungen zu berücksichtigen, wird üblicherweise ein Standard-Geschwindigkeitsfaktor von 98,98 % (297 m/µs) angewandt.

Die Entwicklung der TWFL-Technologie hat bemerkenswerte Fortschritte bei der Genauigkeit der GPS-Zeiterfassung mit sich gebracht. Ältere TWFL-Geräte hatten eine GPS-Zeiterfassungsgenauigkeit von 1 µs, was zu einer erreichbaren Genauigkeit von etwa 200 Metern führte. Die neueste TWFL-Generation verfügt jedoch über eine GPS-Zeitgenauigkeit von 100 Nanosekunden mit einer Auflösung von 10 Nanosekunden, was eine theoretische Genauigkeit von etwa 30 Metern ermöglicht. Bei Feldversuchen im Fernen Osten wurden Genauigkeiten von bis zu 45 Metern nachgewiesen, wobei typische Genauigkeiten von 60 Metern nach einer Leitungskalibrierung mit Transienten aus Schaltvorgängen erreicht wurden.

Diese bemerkenswerte Genauigkeit bedeutet, dass Fehler mit vorhandenen TWFL-Ausrüstungen bis auf einen einzigen Bereich und, was noch beeindruckender ist, mit der neuesten Generation von TWFL bis auf einen einzigen Mast genau lokalisiert werden können.

Es ist wichtig zu beachten, dass Abweichungen in der Länge der Verkabelung von den Schutzstromwandlern (CTs) zum Relaisraum an jedem Ende der Leitung Fehler verursachen können. Diese Abweichungen sollten für eine optimale Genauigkeit berücksichtigt werden.

Die Früchte der Arbeit ernten: Vorteile der hochgenauen Fehlerortung

Die hohe Genauigkeit und Konsistenz von TWFL geben den Betriebsingenieuren ein nie dagewesenes Vertrauen in die Fehlerortungsdaten. Diese Präzision ermöglicht mehrere wichtige Vorteile:

• Schneller Einsatz von Reparaturteams: Die genaue Fehlerortung ermöglicht es Versorgungsunternehmen, Reparaturteams direkt zum Fehlerort zu schicken, wodurch die Zeit für die Suche nach dem Fehlerort entfällt. Dies führt zu schnelleren Reparaturen und einer schnelleren Wiederherstellung des Betriebs.
• Gezielte vorbeugende Wartung: TWFL liefert wertvolle Erkenntnisse über die Art und den Ort von intermittierenden oder vorübergehenden Fehlern. Die Analyse von Trends bei diesen Ereignissen ermöglicht es den Versorgungsunternehmen, wiederkehrende Probleme, wie verschmutzte oder beschädigte Isolatoren oder das Eindringen von Vegetation, zu erkennen und diese durch gezielte Wartung proaktiv anzugehen. Dieser proaktive Ansatz minimiert das Risiko, dass sich diese Fehler zu dauerhaften Ausfällen entwickeln.
• Besseres Verständnis der Fehlerursachen: TWFL-Daten können helfen, die Ursachen von Fehlern zu ermitteln. So liefert beispielsweise die Korrelation von Fehlerorten mit Blitzortungssystemen eindeutige Beweise für durch Blitze verursachte Fehler. In anderen Fällen hat TWFL die Aktivität von Vögeln als Ursache von Fehlern aufgedeckt, die zunächst dem Blitz zugeschrieben wurden, was die Fähigkeit des Systems unterstreicht, weniger offensichtliche Ursachen aufzudecken und die Genauigkeit der Fehlerklassifizierung zu verbessern.
• Verbesserte Systemwiederherstellung: Die schnelle und genaue Identifizierung von Fehlerorten ermöglicht eine schnellere Rückkehr zu normalen Betriebsbedingungen für fehlerhafte Netze. Dadurch werden die Ausfallzeiten für die Kunden minimiert und die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erhöht.

Kommunikationsinfrastruktur: Das Rückgrat der doppelseitigen TWFL

Die doppelseitige (Typ D) Fehlerortungsmethode der TWFL beruht auf dem nahtlosen Austausch von Informationen zwischen den Leitungsenden und einer zentralen Verarbeitungsstelle. Eine robuste Kommunikationsinfrastruktur ist daher für den effektiven Betrieb von TWFL unerlässlich. Es stehen mehrere Kommunikationsoptionen zur Verfügung, die jeweils ihre eigenen Erwägungen haben:

• Ethernet: Ethernet-Verbindungen bieten eine hohe Bandbreite und Zuverlässigkeit und sind daher die bevorzugte Wahl, wenn sie verfügbar sind.
• Wählmodems: Wählmodems bieten eine kostengünstige Lösung, insbesondere in Szenarien mit begrenzten Bandbreitenanforderungen.
• GSM/GPRS: GSM- (Global System for Mobile communications) und GPRS- (General Packet Radio Service) Modems nutzen die Allgegenwärtigkeit von Mobilfunknetzen und bieten Flexibilität in Gebieten, in denen andere Kommunikationsmöglichkeiten begrenzt sind.
• SCADA-Kanäle: Die Integration von TWFL-Daten in bestehende SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) gewinnt an Bedeutung, insbesondere in den USA. Dieser Ansatz nutzt etablierte Kommunikationskanäle und erfordert spezielle Software auf dem SCADA-Master, um TWFL-Daten zu verarbeiten und Fehlerorte zu berechnen.

Die Wahl der Kommunikationsmethode hängt von Faktoren wie der vorhandenen Infrastruktur, den Bandbreitenanforderungen, Kostenerwägungen und den spezifischen Bedürfnissen des Versorgungsunternehmens ab.

Installation und Signalüberwachung: Praktische Überlegungen

TWFL-Systeme werden häufig in bestehenden Umspannwerken nachgerüstet, was die Notwendigkeit einfacher und nicht-intrusiver Installationsverfahren unterstreicht. Die Methode der Signalüberwachung hängt von der Konfiguration des Leitungsabschlusses ab:

• Stromüberwachung: In Umspannwerken mit mehreren an eine Sammelschiene angeschlossenen Leitungen und niedriger Abschlussimpedanz wird die Überwachung der Stromkomponente der Wanderwelle bevorzugt. Dazu werden in der Regel kleine Stromzangen mit geteiltem Kern um die Stromwandlerverdrahtung in der Schutztafel angebracht. Ein Luftspalt wird eingefügt, um niederfrequente Stromsignale herauszufiltern.
• Spannungsüberwachung: Wenn Leitungen in Transformatoren oder Zweikreisleitungen enden und die Möglichkeit besteht, dass eine Leitung ausgeschaltet wird, wird die Abschlussimpedanz hoch. In diesen Fällen ist eine Überwachung der Spannungskomponente der Wanderwelle erforderlich. Die bevorzugte Methode besteht darin, den CVT (Capacitor Voltage Transformer) der Leitung zu verwenden, falls vorhanden.

Ein Ringkernwandler wird in den Erdanschluss des CVT-Kondensatorstapels eingebaut, um die hochfrequenten Komponenten der Netzspannung zu erfassen, die effektiv verstärkt werden. Das Signal wird dann über ein abgeschirmtes Kabel in den Relaisraum übertragen und mit einem Standard-Stromwandler mit geteiltem Kern überwacht. Diese Technik bietet zwar eine gute Hochfrequenzkopplung, erfordert aber eine Leitungsunterbrechung für die Installation des Ringkernwandlers und eine neue Verkabelung zum Relaisraum.

Zusätzlich zur Signalüberwachungseinrichtung wird in der Regel eine GPS-Antenne auf dem Dach des Umspannwerks montiert, um für eine genaue Zeitsynchronisation eine freie Sicht auf den Himmel zu gewährleisten.

TWFL in Aktion: Fallstudien und Feldergebnisse

Die Wirksamkeit von TWFL mit zwei Enden in realen Anwendungen ist durch zahlreiche Fallstudien und Feldeinsätze gut dokumentiert:

• Schottland: Eine zweijährige Studie an einem relativ kurzen 35,1 km langen 400-kV-Stromkreis in Schottland hat die Genauigkeit von TWFL durchweg bewiesen.
• Südafrika: Die Ergebnisse eines 140 km langen Stromkreises in Südafrika über einen Zeitraum von sechs Monaten haben die Zuverlässigkeit von TWFL weiter bestätigt, wobei Leitungspatrouillen die Genauigkeit der von TWFL abgeleiteten Fehlerstellen jedes Mal bestätigten. Im Gegensatz dazu wiesen die Ergebnisse der Impedanzrelais erhebliche Fehler auf, die zwischen 1,7 % und 23 % lagen.
• USA: Ein Versorgungsunternehmen in den USA rüstete 12 x 500-kV-Stromkreise mit TWFL-Geräten aus. Vergleiche zwischen TWFL-Daten und Blitzortungssystemen während eines Gewitters ergaben eine starke Korrelation, selbst in Fällen, in denen die Leitung nicht ausgelöst wurde, was die Empfindlichkeit von TWFL gegenüber blitzinduzierten Wanderwellen unterstreicht.
• Dominion 22 500 kV-Stromkreis: Diese 39,07 Meilen lange Leitung, die in den 1920er Jahren mit Holztürmen gebaut wurde, stellte aufgrund der typischerweise hochohmigen Erdschlüsse eine Herausforderung für traditionelle Fehlerortungsmethoden dar. TWFL hat jedoch alle 10 Leitungsauslösungen seit der Installation erfolgreich ausgelöst und geortet und damit seine Effektivität in schwierigen Szenarien bewiesen.

Diese Beispiele aus der Praxis unterstreichen die Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Vielseitigkeit von TWFL bei der Lokalisierung von Fehlern in verschiedenen Netzkonfigurationen und Fehlertypen.

Zukunftshorizonte: Ausweitung der Reichweite von TWFL

Der Erfolg von TWFL in Hochspannungsübertragungssystemen hat den Weg für die Ausweitung seiner Anwendung auf Niederspannungsnetze geebnet, die oft komplexe Gegebenheiten wie mehrere Abzweigungen und Verzweigungen aufweisen. Laufende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten konzentrieren sich auf die Verbesserung der TWFL-Algorithmen und Software-Schnittstellen, um diese Komplexität effektiv zu bewältigen.

Darüber hinaus bleibt die Erforschung alternativer Spannungswandler zur Erleichterung der Spannungsüberwachung in Szenarien, in denen CVTs nicht verfügbar sind, ein aktiver Untersuchungsbereich.

Abschluss: TWFL - ein Eckpfeiler der modernen Netzzuverlässigkeit

Traveling Wave Systems haben die Fehlerortung revolutioniert und bieten den Versorgungsunternehmen ein leistungsfähiges Instrument zur Verbesserung der Netzzuverlässigkeit und zur Minimierung der Ausfallzeiten. Die Genauigkeit, die Automatisierung und die Fähigkeit, alle Fehlertypen zu analysieren, machen TWFL zu einem unverzichtbaren Bestandteil moderner Stromnetze.

Da Forschung und Entwicklung die Grenzen dieser Technologie immer weiter ausdehnen, wird TWFL eine immer wichtigere Rolle bei der Gewährleistung eines stabilen, widerstandsfähigen und effizienten Stromnetzes in der Zukunft spielen.