Kontaktlose Messung der Leitertemperatur in der Energiekabelproduktion mittels Ultraschall

In den zukünftigen Energieübertragungsnetzen kommt den Kabelsystemen eine Schlüsselrolle vor dem Hintergrund erforderlicher Übertragungsleistung und gesellschaftlicher Akzeptanz zu. Moderne Energiekabel werden aus polymeren Kunststoffen gefertigt, wobei das Isoliersystem aus vernetztem Polyethylen (VPE) das Kernelement darstellt. Während der Produktion des Isoliersystems stellt die Leitertemperatur einen bedeutenden Einflussfaktor auf Qualität und Produktionsgeschwindigkeit dar. Nach aktuellem Stand wird die Leitertemperatur numerisch berechnet, wobei eine messtechnische Verifikation der Temperatur derzeit nicht möglich ist. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines kontaktlosen Messverfahrens mittels Ultraschall zur Bestimmung der Leitertemperatur während des kontinuierlichen Produktionsprozesses des Isoliersystems eines Energiekabels. Die Grundlage des Verfahrens bildet die Modellierung des temperaturabhängigen Reflexionsverhaltens an der inneren Leitschicht. Zur Evaluierung und Modellierung des Reflexionsverhaltens aus den Messdaten werden die akustischen Kenngrößen von VPE- und Leitschichtmaterial messtechnisch ermittelt. Die Modellierung wird anhand synthetischer Prüfkörper und für eine homogene Temperaturverteilung im Prüfobjekt verifiziert. Als Resultat lassen sich weitere äußere Einflussgrößen auf die Messunsicherheit des Verfahrens identifizieren. Somit führt eine nichtideale Reflexionsfläche sowie herstellungsbedingte Schwankungen in den Materialeigenschaften zu Differenzen zwischen modelliertem und gemessenen Reflexionsverhalten über der Temperatur. Unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren, kann die Leitschichttemperatur anhand des Modells mit einer Messunsicherheit von +/- 3,5 °C angegeben werden. Für die Betrachtung inhomogener Temperaturprofile innerhalb des Prüfobjektes wird das entwickelte Modell um eine volumenspezifische Beschreibung der akustischen Schallschwächung erweitert. Ein Vergleich zwischen gemessener und modellierter Reflexion an der Leitschicht führt auf eine Temperaturbestimmbarkeit bis auf +/-5 °C. Des Weiteren kann für die Stabilität des Auswertungsverfahrens die hohe Relevanz des verwendeten Referenzimpulses evaluiert werden. Die Messung eines Referenzimpulses in der Produktionslinie ist meist nicht realisierbar, weshalb die Möglichkeit untersucht wird, einen Referenzreflektor in vergleichbarer Tiefe der Leitschicht zu nutzen, wodurch sich unter anderem eine Kompensation der akustischen Materialeigenschaften erübrigt. Unter Verwendung einer internen Referenz, welche simultan mit der Reflexion an der Leitschicht gemessen werden kann, ergibt sich für die Untersuchungen an Blockprüfkörpern aus VPE eine Messgenauigkeit von +/-2 °C. In einem letzten Schritt werden die erlangten Ergebnisse auf die Messung der Leitertemperatur in einer Mittelspannungskabelader übertragen. Für stationäre Temperaturstufen, welche zu einem inhomogenem Temperaturprofil innerhalb der Kabelisolierung führen, lässt sich die Leitertemperatur mit dem entwickeltem Verfahren bis auf +/-1,5 °C bestimmen. Im Falle eines zeitlich veränderlichen Temperaturprofils stellt sich die temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit der Leitschicht als nicht zu vernachlässigender Einflussparameter heraus. Infolge des ungleichmäßigen Aufheizungsprozesses der polymeren Schichten, weist die Bestimmung der Leitertemperatur eine Messunsicherheit von +/-5 °C auf, wobei die Evaluierung der Leitertemperatur zudem auf den Temperaturbereich von 70 °C bis 105 °C beschränkt ist.