Überblick

Das Forschungsprojekt mit dem Titel „Sicherer Netzbetrieb durch Erkennung von betriebsgefährdenden Zuständen in Hoch- und Mittelspannungs-Betriebsmitteln unter Verwendung von integrierbaren faseroptischen Sensorsystemen“ (Akronym: Monalisa), Förderkennzeichen 03EK3531 strebt die Integration unterschiedlicher faseroptischer Sensoren in Anlagen und Betriebsmittel auf Hochspannungspotential an, wodurch sowohl eine direkte Fehler-Früherkennung, Fehleranalyse, Fehlerortung als auch eine Netzsteuerung möglich sein soll.

Neben einer optimalen Steuerung des Stromnetzes, um beispielsweise auf schwankende Stromerzeugung aus Wind und Solarenergie effektiv reagieren zu können, hat auch das sorgfältige Überwachen der Betriebsmittel von Hochspannungs- und Mittelspannungsanlagen essentielle Bedeutung. Anlagenzuverlässigkeit erfordert ein integriertes Betriebsmittel-Monitoring. Dieser Aufgabe widmet sich das BMBF-Verbundvorhaben „Monalisa“. In einem Forschungsverbund von Industriepartnern mit Berliner Hochschulen und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) werden innovative faseroptische Sensortechnologien mit ihren multisensorischen Fähigkeiten nutzbar gemacht, um eine Online-Diagnostik in Anlagen künftiger Versorgungs-, Verteilungs- und Übertragungsnetze für eine umfassende Schadensfrüherkennung zu betreiben. Diese Sensorik soll auch zur effizienteren Prüfung von Hoch- und Höchstspannungs-Betriebsmitteln eingesetzt werden.

Laufzeit

01. August 2015 bis 31. Dezember 2019

Projektbeschreibung

An zukunftsfähige Stromnetze, die das Herzstück der neuen Energieinfrastruktur zur Sicherstellung der Energieversorgung in der Zukunft bilden, werden hohe Anforderungen gestellt, um beispielsweise auf schwankende Stromerzeugung aus Wind und Solarenergie effektiv reagieren zu können. Neben optimaler Systemsteuerung durch intelligente Messsysteme und effizientes Lastmanagement hat aber das sorgfältige Überwachen der Betriebsmittel von Hochspannungs- und Mittelspannungsanlagen essentielle Bedeutung. Recherchen zum Ausfallgeschehen von Anlagen im On- und Offshore-Betrieb, zum Stand der Technik auf dem Gebiet des Funktionsmonitorings sowie von Netzbetreibern vorgelegte Anforderungen machen deutlich, wie wichtig und dringend ein komplexes Online- Monitoring ist. Eine Maximierung der Anlagenzuverlässigkeit ist nur durch integriertes Betriebsmittelmonitoring zu erreichen.

Das Verbundprojekt zielt daher auf die beschleunigte Entwicklung innovativer Diagnose- und Monitoringverfahren zur

• Früherkennung schädigender Beeinträchtigungen von Betriebsmitteln,
• Vermeidung von Komponentenausfällen,
• Vermeidung von kompletten Anlagenausfällen.

Es wird ein Frühwarnsystem entwickelt, das schwerpunktmäßig für Hoch- und Höchstspannungs-Anlagen einschl. HGÜ-Anlagen sowie für die Anbindung von Offshore-Anlagen nutzbar gemacht werden soll. Die angestrebten Ergebnisse werden aber auch in Anlagen der Öl- und Gas-Industrie genutzt werden können.

Die zum Einsatz kommende Kerntechnologie für das Überwachen der Funktion bzw. das frühe Erkennen von sich entwickelnden Schädigungen in Hoch- und Höchstspannungs-Anlagen ist die faseroptische Sensorik. Da die unterschiedlichen Wirkprinzipien der faseroptischen Sensorik grundsätzlich rein-optisch funktionieren, d. h. prinzipiell ohne elektrische Teile auskommen, ist deren Integration in den elektrisch aktiven Bereich von Hochspannungsanlagen unter Beachtung einiger wichtiger Aspekte möglich. Diese Integration bringt den Sensor direkt in den Bereich, in dem Störungen bzw. Schäden auftreten und „von außen“ nicht oder erst sehr spät erkannt werden können. Die rückwirkungsfrei in die jeweiligen Hochspannungseinrichtungen und -anlagen integrierten sensorischen Elemente einschl. der Zuleitungsfasern werden mit einem intelligenten Datenmanagementsystem verbunden. Auf diese Weise wird es praxisgerecht möglich, alle erforderlichen Informationen, Signale und Daten zusammenzuführen, zu analysieren, zu bewerten und zu visualisieren. Dieses Messsystem ist auch vorwärtskompatibel für die Aufnahme weiterer Messinformationen aus Sensortechnik anderer physikalischer Prinzipien. Das Verbundprojekt wird mit einem Demonstrator zum Nachweis der Machbarkeit abgeschlossen werden.

Die Verbundpartner im Projekt „Monalisa“ adaptieren bekannte innovative Messprinzipien und integrieren diese für die beabsichtigten Monitoringzwecke in die jeweiligen Anlagenkomponenten. Es geht beispielsweise um die verteilte (d. h. kontinuierlich durchgängige) bzw. lokale Erfassung von Temperatur, Feuchte, Dehnung/Vibration sowie um die Detektion von Teilentladungen in Schalt- und Kabelanlagen (Kabel und Garnituren). Hierfür erfolgt eine enge Kooperation der Messtechniker mit den Experten aus unterschiedlichen Bereichen der Hochspannungstechnik. Die Arbeitskomplexe der Verbundpartner werden im Weiteren beschrieben.

Wesentliche Zielsetzungen

• Optimale Ausnutzung der Leistungsparameter der Stromnetze durch Online-Monitoring einschl. steuerungstechnischer Maßnahmen und sicherheitstechnischer Entscheidungen durch Zusammenführen der Sensor-Informationen in einem Datenmanagement-System
• Nutzbarmachung neuer physikalischer Wirkprinzipien von faseroptischen Sensoren zur verteilten bzw. lokalen Erfassung von Temperatur, Feuchte, Dehnung/Vibration sowie zur Detektion von Teilentladungen, speziell in Schalt- und Kabelanlagen (Kabel und Garnituren)
• Untersuchung der Wirkung isolierstoff-integrierter Sensorsysteme auf die elektrischen Eigenschaften der Hochspannungsanlagen - Nachweis der Integrierbarkeit von faseroptischen Sensoren
• Entwicklung der erforderlichen technologischen Fertigkeiten zur Integration der Sensorsysteme in die Komponenten der Stromnetze
• Demonstration an einer ausgewählten Netz-Anlage.

Verbundpartner und deren Aufgaben

Folgende Verbund- und assoziierte Partner sind derzeit im Vorhaben aktiv:

• Technische Universität Berlin (Sprecher/Vorhabenskoordination) Fakultät IV Elektrotechnik und Informatik, Institut für Energie- und Automatisierungstechnik, Fachgebiet Hochspannungste
• Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Fachbereich 8.6: Faseroptische Sensorik
• IPH Institut „Prüffeld für elektrische Hochleistungstechnik“ GmbH
• Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich VII: Elektrotechnik - Mechatronik - Optometrie
• HTW Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin Fachbereich 1: Ingenieurwissenschaften - Energie und Information

Als assoziierte Partner sind derzeit beteiligt:

• 50Hertz Transmission GmbH Berlin