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Aug 12, 2023

Defekte Stromkabel bei Austin Energy

Zwischen 2022 und 2023 stieß das Sand Hill Energy Center auf zwei schwerwiegende Mängel in der Verkabelung, von denen einer zu einem Lichtbogenfehler führte. Dies waren Überraschungen und haben das Team dazu veranlasst, Inspektionen in Betracht zu ziehen

Zwischen 2022 und 2023 stieß das Sand Hill Energy Center auf zwei schwerwiegende Mängel in der Verkabelung, von denen einer zu einem Lichtbogenfehler führte. Dies waren Überraschungen und veranlassten das Team, Inspektionen und Tests in Betracht zu ziehen, die zuvor nicht in Betracht gezogen worden waren. Glücklicherweise wurde niemand verletzt, aber es waren zwei Beinaheunfälle zu viel.

Das Sand Hill Energy Center ist eine Stromerzeugungsanlage von Austin Energy in Del Valle, Texas. Das Zentrum ist eine Anlage mit einer Leistung von ca. 600 MW, wobei die Hälfte seiner Kapazität in einem Kombikraftwerk und die andere Hälfte in sechs LM6000-Gasturbinen untergebracht ist. Von den letztgenannten sechs waren vier Teil der ursprünglichen Anlage aus dem Jahr 2000, während die anderen beiden im Jahr 2010 hinzugefügt wurden.

Im August 2022 erhielt der Anlagenbetrieb eine unerwartete Reihe von Alarmen, die auf den Betrieb von Schutzrelais hindeuteten. Bei der Inspektion wies ein 4.160-V-Zuleitungskabel zu einem abgelegenen Gebäude Anzeichen eines Lichtbogenfehlers auf. Im Inneren des Schranks gab es deutliche Anzeichen dafür, dass ein Lichtbogenereignis aufgetreten war (Abbildung 1). Das auffälligste Zeichen war eine kleine Öffnung in einem Kabel, in der teilweise verschlacktes Kupfer sichtbar war.

1. Ort des Lichtbogenfehlers. Mit freundlicher Genehmigung: Austin Energy

Die Kabel für diesen Zubringer verlaufen in einem Schacht und durch einen Kanal zum entfernten Gebäude. Es wurde festgestellt, dass das Mannloch mit Wasser gefüllt war, das höher war als der Pegel der Leitungen. Es war nicht üblich, das Wasser vor diesem Ereignis abzupumpen, aber das Betriebspersonal pumpte den Schacht erst nach dem Ereignis ab. Es ist in der gesamten Elektroindustrie allgemein bekannt, dass sich unterirdische Einstiegsschächte, Schachtbänke und Leitungen häufig mit Wasser füllen. Dies ist normalerweise kein Problem.

Das zu diesem Abzweig gehörende Abzweigschutzrelais SEL 751 ist mit einem Lichtwellenleiter ausgestattet, um Licht im Schrank zu erkennen. Wenn das Relais sowohl Licht als auch einen Überstromzustand erkennt, wird dies als Lichtbogenereignis betrachtet. Das Relais schaltet dann den vorgeschalteten Hilfstransformator ab, um diesen Fehler zu beheben. Die Auslösegleichung im Relais enthält Begriffe für die Lichterkennung (TOL) und die Hochgeschwindigkeits-Überstromerkennung (50PAF).

Die Untersuchung der Ereignisdateien des Relais ergab, dass vor dem Ereignis für eine unbekannte Zeitspanne ein Effektivstrom von 325 A bei Vorhandensein von Licht vorhanden war. Dies deutet darauf hin, dass vor dem Ereignis über einen unbekannten Zeitraum hinweg eine Entladung niedrigerer Energie stattgefunden hat. Irgendwann ermöglichte der angesammelte Schaden dieser Entladung einen leitenden Pfad für einen viel größeren Lichtbogen (11.000 A RMS), der ausreichte, um den Abzweigschutz auszulösen. Sobald dieser Auslösezustand erreicht war, löschte der Lichtbogen innerhalb von zwei Leitungszyklen oder 33,3 Millisekunden.

Das im Schacht verbliebene Kabel hatte noch genügend Spielraum, um etwa einen Meter für einen neuen Anschluss herausziehen zu können. Techniker der Werkstatt für Instrumentierung, Steuerung und Elektrik (ICE) entfernten das beschädigte Segment, installierten es jedoch nicht wieder. Das Kabel blieb etwa drei Wochen lang in diesem Zustand, während das Team über Optionen nachdachte.

Während dieser Leerlaufzeit tropfte das Kabel weiterhin eine kleine Menge Wasser aus der Umgebung des Leiters. Außerdem bildete sich auf dem Kabel eine weiße, kalkhaltige Substanz, die fast bis zum Boden reichte (Abbildung 2). Es war bereits vor diesem Ereignis auch auf den anderen Phasenkabeln im Schrank vorhanden. Diese Substanz wurde vom Kabelhersteller als Ergebnis einer Hydrolysereaktion des auf den Kabelmantel aufgetragenen Öldichtmittels identifiziert.

2. Kabel drei Wochen später. Mit freundlicher Genehmigung: Austin Energy

Schließlich erreichte die Nachfrage nach der über diesen Stromkreis gespeisten Ausrüstung einen Punkt, an dem die Zuleitung wieder in Betrieb genommen werden musste. ICE-Techniker führten Messungen des Isolationswiderstands aller drei Phasenkabel durch, während diese von der Ausrüstung isoliert waren und noch einmal, während sie an die nachgeschalteten Leistungsschalter angeschlossen waren. Da es keine Vergleichsbasis gab, testeten sie auch die nächste Kabine auf die gleiche Weise, da diese eine identische Belastung und Lebensdauer aufweist. Da die Messwerte ähnlich waren, terminierten sie das Kabel neu und die Ausrüstung konnte ohne Zwischenfälle wieder in Betrieb genommen werden. Derzeit legt Austin Energy fest, wann und wie diese Kabel ausgetauscht werden müssen und wie der gepumpte Schacht trocken gehalten werden kann.

Im März 2023 kam es bei den LM6000-Einheiten 6 und 7 zu einem routinemäßigen Frühjahrsausfall, bei dem ungewöhnliche Inspektionsarbeiten an den Leiterverbindungen zwischen Generator, Leistungsschalter und Aufwärtstransformator durchgeführt wurden. Bei dieser zusätzlichen Inspektionsarbeit entdeckte einer der ICE-Techniker Schäden an den Ummantelungen der Generatorkabel dort, wo sie in den Schaltschrank im Schalthaus mündeten. Diese Kabel wurden durch Anschlüsse geführt, die in einer oberen Aluminiumplatte installiert waren. Dieses Schild ist in den ursprünglichen vier LM6000-Installationen (Einheiten 1–4) nicht vorhanden. Die Kabel verlaufen durch die Armaturen und biegen sich dann sofort, um die Zapfen des Leistungsschalters zu erreichen, wodurch die Kabel belastet werden, wenn sie über die Kanten der Armaturen laufen.

3. Kabelschaden wie festgestellt. Mit freundlicher Genehmigung: Austin Energy

Die Ummantelungen der Kabel wiesen eine Verfärbung auf (Abbildung 3), was darauf hindeutet, dass die Kabel zuvor entweder einer Teilentladung oder einer Koronaentladung ausgesetzt waren und einen sofortigen Austausch erforderten (Abbildung 4). Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, wurde der Geräteausfall um zwei Wochen verlängert.

4. Kabelschaden von unten. Mit freundlicher Genehmigung: Austin Energy

In der oberen Platte des Leistungsschaltergehäuses befanden sich 12 Anschlüsse, die jeweils vier Kabel enthielten. Das sind vier Kabel pro Phase, drei Phasen, eine Strecke zwischen Generator und Leistungsschalter sowie eine Strecke vom Leistungsschalter zum Transformator, und diese Anordnung besteht für jede der beiden Einheiten. Von der Unterseite der Armaturen aus betrachtet war der Kabelschaden sogar noch schwerwiegender als zunächst angenommen.

Die Reparatur war nicht so einfach. Die erste Hürde bestand darin, das Ersatzkabel selbst zu besorgen, das 750 MCM (1.000 Rundmils) hatte und auf eine geschätzte Länge von etwa 5.000 Fuß geschätzt wurde. Austin Energy hält keine Kabel dieser Stärke vorrätig. Der einzige Hersteller, der auf eine Angebotsanfrage antwortete, gab an, dass die Vorlaufzeit 40 bis 44 Wochen betragen würde. Glücklicherweise hatte ein örtlicher Händler diese Größe und Menge zur sofortigen Lieferung verfügbar.

Die nächste Hürde bestand darin, dass die Kabelrinnen für diese Kabel alle paar Fuß Streben hatten, um die Kabel gleichmäßig in der Rinnen verteilt zu halten. Diese Anordnung wird Kabelbus genannt. In diesem Fall bestanden die ursprünglichen Streben aus Holz, einige davon waren jedoch im Laufe der Zeit durch Witterungseinflüsse beschädigt worden. Der Hersteller der Zahnspangen war noch im Geschäft und konnte innerhalb kurzer Zeit neue Zahnspangen aus hochdichtem Polyethylen liefern. Danach kam die Netzwerkbauabteilung von Austin Energy vor Ort, um alle neuen Kabel zu schneiden, zu terminieren und zu installieren.

In der gesamten Branche werden Kabel nach der Installation häufig nicht berücksichtigt. Sie haben keine beweglichen oder verschleißenden Teile. Sie transportieren Ströme hin und her und funktionieren einfach. Sofern Kabel nicht bei irgendeiner Art von Arbeit mechanisch beschädigt werden, gelten sie im Allgemeinen als dauerhaft.

Diese Erfahrungen haben gezeigt, dass die Zeit, wie alles andere auch, dazu neigt, selbst etwas so Einfaches wie ein Kabel zu verschleißen. Austin Energy plant derzeit Inspektionen und Tests für die leistungsstärkeren Kabel und wird auf künftige Mängel achten.

—Matt Kuffler, PEist Anlageningenieur für das Sand Hill Energy Center bei Austin Energy.

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