Online-Zustandsüberwachung von Stromkabeln: Technologien, Vorteile und zukünftige Trends

Das globale Stromnetz erlebt den bedeutendsten Ausbau seit Jahrzehnten. Das Wachstum der städtischen Last, die Elektrifizierung des Verkehrs und der beschleunigte Ausbau der erneuerbaren Energieerzeugung – Windparks, Solaranlagen und Batteriespeicher – haben zu einer beispiellosen Nachfrage nach Erdkabelleitungen geführt. Wo einst Freileitungen große Mengen Strom durch Städte transportierten, verlaufen heute extrudierte XLPE- und papierisolierte bleiummantelte (PILC) Kabel unter Straßen, Tunneln und Flussüberquerungen und tragen oft 50–100 % mehr Last, als sie ursprünglich ausgelegt waren.

Diese Erweiterung bringt eine wachsende Wartungsherausforderung mit sich. Kabelausfälle gehören zu den störendsten Ereignissen in einem Verteilungsnetz: Sie erfordern Ausgrabungen, Fehlerortung, Spleißen und Reparaturen – oft kosten sie Zehntausende von Dollar pro Ereignis, zuzüglich Vertragsstrafen für Kundenunterbrechungen. In der Vergangenheit stützte sich die Kabelwartung auf regelmäßige Offline-Tests: VLF-Belastbarkeit, Isolationswiderstand und Teilentladungsprüfungen, die alle ein bis fünf Jahre durchgeführt wurden. Obwohl diese Tests effektiv sind, handelt es sich um Momentaufnahmen. Sie lassen das Kabel zwischen den Inspektionen unbeaufsichtigt, und ein Defekt, der kurz nach einem sauberen Test auftritt, kann vor dem nächsten geplanten Besuch zum Ausfall führen.

Um diese Lücke zu schließen, setzen Energieversorger, Industriebetreiber und Projektentwickler für erneuerbare Energien zunehmend auf die Online-Zustandsüberwachung von Stromkabeln. Anstatt das Kabel zum Testen außer Betrieb zu nehmen, messen fest installierte Sensoren kontinuierlich seinen elektrischen und thermischen Zustand, während es unter Spannung steht. In diesem Artikel wird untersucht, was Online-Überwachung ist, welche Technologien verfügbar sind, welche Systemarchitektur erforderlich ist und wohin sich das Feld mit der Weiterentwicklung der Smart-Grid-Infrastruktur entwickelt.

Bei der Online-Zustandsüberwachung von Stromkabeln handelt es sich um die kontinuierliche Echtzeitmessung von Kabelzustandsparametern mithilfe fest installierter Sensoren – ohne Betriebsunterbrechung. Ein Überwachungssystem sammelt Daten am Kabelzubehör (Verbindungsstellen, Endverschlüsse) und entlang der Kabelstrecke, überträgt sie an eine Zentraleinheit oder Cloud-Plattform und wendet Diagnosealgorithmen an, um den Isolationszustand, die thermische Belastung und die Integrität des Zubehörs zu bewerten.

Im Gegensatz zu Offline-Tests, die eine Messung zu einem bestimmten Zeitpunkt ermöglichen, liefert die Online-Überwachung einen kontinuierlichen Datenstrom. Zu den wichtigsten Merkmalen gehören:

Das Ziel besteht nicht darin, Offline-Tests vollständig zu ersetzen, sondern sie zu ergänzen: Die Online-Überwachung sorgt für ein kontinuierliches Situationsbewusstsein, während periodische Offline-Tests weiterhin die akzeptierte Methode zur quantitativen Zustandsbewertung und Fehlerortung bleiben.

Ausfälle von Erdkabeln treten selten plötzlich auf. Die meisten folgen einem vorhersehbaren Abbauverlauf über Monate oder Jahre. Zu den wichtigsten Ausfallmechanismen gehören:

Jeder dieser Mechanismen hinterlässt messbare Spuren. Die Alterung der Isolierung verändert den dielektrischen Verlust; PD erzeugt Hochfrequenzimpulse; Wasserbaumbildung verändert die Tan-Delta-Charakteristik; Überhitzung erzeugt entlang der Strecke eine Temperatursignatur. Die Online-Überwachung erfasst diese Spuren, während sie entstehen – lange bevor das Kabel offline geht. Durch die frühzeitige Erkennung wird aus einem ungeplanten Ausfall ein geplantes Wartungsereignis.

Die Teilentladungsüberwachung ist die empfindlichste und am weitesten verbreitete Online-Technik. Hochfrequenz-Stromwandler (HFCTs), die an Kabelverbindungen und Endverschlüssen um das Erdungsband geklemmt werden, erfassen die durch interne Entladungen erzeugten Impulsströme. Koppelkondensatoren oder VHF/UHF-Sensoren können auch in Hochspannungszubehör eingebettet sein. Die Signale werden im Bereich der phasenaufgelösten Teilentladung (PRPD) analysiert: Das Muster der Impulse relativ zum Wechselspannungszyklus zeigt, ob Entladungen von inneren Hohlräumen, Oberflächenverfolgung, Korona oder schwebenden Potentialen stammen. Fortgeschrittene Systeme nutzen automatisiertes Clustering, um PD von Rauschen zu trennen.

Bei der verteilten Temperaturmessung (DTS) wird ein Glasfaserkabel verwendet, das neben (oder innerhalb) des Stromkabels installiert ist. Ein durch die Faser geschickter Laserimpuls erzeugt Raman-Rückstreuung; Die Wellenlängenverschiebung gibt die lokale Temperatur an, und die Zeitverzögerung lokalisiert sie auf mehreren Dutzend Kilometern der Strecke auf einen Meter genau. DTS erkennt Hotspots, die durch verstopfte Kanäle, schlechte Verbindungen oder anhaltende Überlastung verursacht werden. Es unterstützt auch die dynamische Bewertung: Durch die Messung der tatsächlichen Leitertemperatur statt deren Annahme können Bediener die Last bei günstigen Bedingungen erhöhen und bei Hitzewellen reduzieren.

Bei der Mantelüberwachung werden Stromwandler an Kreuzungs- und Erdungspunkten verwendet, um zirkulierende Ströme und Mantelkontinuität zu messen. Eine plötzliche Änderung des Stromverhältnisses der Hülle oder das Auftreten einer Gleichstromkomponente weist auf eine Beschädigung der Hülle, einen Kabelbruch oder eine Verschlechterung der Erdung hin. Da Mantelfehler ein Vorbote für Hauptisolationsausfälle sind, bietet die kontinuierliche Überwachung dieser Parameter eine frühzeitige Warnung vor sich entwickelnden Defekten.

Grundlegende elektrische Parameter – Laststrom, Leitertemperatur (über thermisches Modell), Spannung und Leistungsfaktor – sind normalerweise von vorhandenen SCADA- oder RTU-Systemen verfügbar. Wenn sie mit PD- und Temperaturdaten korreliert werden, helfen diese Parameter bei der Interpretation, ob eine gemessene Anomalie einen echten Isolationsdefekt oder einen harmlosen Übergang widerspiegelt, der durch Schalten oder Motorstart verursacht wurde.

Die von kontinuierlichen Sensoren erzeugte Datenmenge übersteigt bei weitem das, was eine manuelle Inspektion verarbeiten kann. Algorithmen für maschinelles Lernen – trainiert anhand historischer Fehleraufzeichnungen, Inbetriebnahme-Baselines und bekannter Fehlermuster – führen automatisierte Aufgaben aus, z. B. die Klassifizierung von TE-Quellen, die Erkennung subtiler Trends bei Tan Delta oder dem Isolationswiderstand, die Vorhersage der verbleibenden Nutzungsdauer und die Priorisierung von Wartungsaufträgen nach Risiko. Diese Modelle laufen je nach Anforderungen an Datensicherheit und Netzwerkkonnektivität entweder am Edge (in der Felddatenerfassungseinheit) oder in der Cloud.

Ein typisches Online-Kabelzustandsüberwachungssystem besteht aus fünf Schichten:

Die Systemarchitektur folgt einer standardmäßigen Sensor-zu-Entscheidungskette: Erfassen, Erfassen, Übertragen, Analysieren, Handeln.

Die beiden Ansätze ergänzen sich. Offline-Tests ermöglichen quantitative Fehlerlokalisierung und Proof-Tests; Online-Überwachung sorgt für kontinuierliches Bewusstsein. Ein ausgereiftes Programm nutzt beides.

Szenario 1: Überwachung von unterirdischen Verteilerkabeln.Ein kommunales Versorgungsunternehmen mit 3.000 km unterirdischen 10–35-kV-Einspeisungen installiert HFCT-Sensoren an kritischen Verbindungsstellen in Gebieten mit hoher Bevölkerungsdichte. Das System gibt einen Alarm aus, wenn die PD-Aktivität den Basiswert überschreitet, und weist die Teams an, während geplanter Wartungsfenster bestimmte Verbindungen zu untersuchen, wodurch ungeplante Ausfälle im Stadtzentrum reduziert werden.

Szenario 2: Überwachung von Hochspannungsübertragungskabeln.Ein Übertragungsnetzbetreiber nutzt DTS entlang eines 15 km langen 110-kV-Flusskabels. Das Glasfaser-Temperaturprofil zeigt einen Hotspot bei 7,2 km, wo das Kabel in der Nähe einer Rohrkreuzung durchhängt. Wartungsteams beseitigen das Hindernis, bevor die thermische Alterung dauerhafte Schäden verursacht.

Szenario 3: Kabelüberwachung für erneuerbare Energien.Ein Offshore-Windparkbetreiber überwacht Inter-Array-Kabel mit einer Kombination aus DTS und Online-PD. Das System korreliert Temperaturspitzen mit TE-Impulsen, um Kabel zu identifizieren, bei denen nach einem Sturm Wasser eindringt, und veranlasst den Austausch in der nächsten ruhigen Jahreszeit und nicht erst nach einem Ausfall.

Die Online-Zustandsüberwachung von Stromkabeln stellt einen Wandel von kalenderbasierten Tests hin zu datengesteuertem Asset-Management dar. Durch die kontinuierliche Messung von Teilentladung, Temperatur, Mantelzustand und elektrischen Parametern, während das Kabel unter Spannung bleibt, erhalten Bediener frühzeitig Warnungen vor Isolationsverschlechterungen, Verbindungsfehlern und thermischer Überlastung – und können eingreifen, bevor Fehler zu Ausfällen werden. In Kombination mit regelmäßigen Offline-Tests und KI-basierten Trendanalysen verbessert die Online-Überwachung die Netzzuverlässigkeit, erhöht die Sicherheit des Personals während der Wartung und optimiert die Investitionsausgaben, indem der Austausch auf die Kabel ausgerichtet wird, die ihn wirklich benötigen.

Da die Netze altern und die Verbreitung erneuerbarer Energien zunimmt, werden die wirtschaftlichen Argumente für eine kontinuierliche Überwachung immer stärker. XZH TEST bietet professionelle Kabeltest- und Diagnoselösungen – darunter VLF-Wechselstrom-Hochleistungstester, Teilentladungserkennungssysteme, TDR-Kabelfehlerortungsgeräte und Online-Überwachungsinstrumente –, die zur Unterstützung des Kabel-Asset-Managements bei der Inbetriebnahme, der regelmäßigen Prüfung und der kontinuierlichen Zustandsbewertung entwickelt wurden.

XZH TEST (Xian Xuzhihui Electromechanical Technology Co., Ltd.) stellt elektrische Kabelprüf- und Diagnosegeräte für Versorgungsunternehmen, Industrieanlagen und Projekte im Bereich erneuerbare Energien her. Die Produktpalette umfasst Kabelfehlerortungsgeräte, TDR-Vorortungsgeräte, VLF-Wechselstrom-Hochspannungsprüfgeräte, Teilentladungserkennungssysteme und Online-Kabelüberwachungslösungen. Die Ausrüstung ist auf Feldhaltbarkeit, Messgenauigkeit und Einhaltung internationaler Prüfstandards ausgelegt.

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