Autor: Henning Frechen

Für die Isolierschicht moderner Mittel- und Hochspannungskabel werden vernetzte Polymere eingesetzt, um die zulässige Betriebstemperatur und somit die Übertragungsleistung des Kabels zu maximieren. Den mit Abstand größten Marktanteil nimmt hierbei vernetztes Polyethylen (XLPE) ein. Die messtechnische Überwachung des Vernetzungsprozesses kann heutzutage jedoch nur stichprobenartig zu Beginn und Ende der Produktion mittels eines Hot-Set-Tests er-folgen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein kontinuierliches Messverfahren entwickelt, das Prozessfehler frühzeitig detektiert und ein Werkzeug zur Prozessoptimierung bereitstellt. Durch eine kontinuierliche Prozessüberwachung kann Ausschuss reduziert und die Gesamtanlageneffektivität gesteigert werden. Da die Vernetzung eines Polymers die mechanischen Materialparameter ändert, ist eine Messbarkeit des Vernetzungsgrades mittels Ultraschall zu erwarten. Die detaillierte Abhängigkeit der akustischen Messgrößen vom Vernetzungsgrad ist für XLPE und Leitschichtmaterialien nicht bekannt. Daher wird zu Beginn eine umfangreiche Parameterstudie an Laborprüfkörpern durchgeführt, wobei Vernetzungsgrad, Materialtemperatur, Wandstärken und Prüffrequenzen variiert wer-den. Die Auswertung zeigt, dass alle akustischen Materialparameter eine unter Laborbedingungen messbare Abhängigkeit vom Vernetzungsgrad für XLPE auf-weisen. Zur Differenzierung zwischen verschiedenen Vernetzungsgraden anhand eines Einzelparameters ist die Schallgeschwindigkeit am besten geeignet. Das Leitschichtmaterial hingegen zeigt keine Abhängigkeit vom Vernetzungsgrad. Aufgrund der geringen Änderung einzelner Messgrößen mit dem Vernetzungsgrad werden Methoden der multivariaten Klassifikation und des maschinellen Lernens angewandt, um die gesamte Signalinformation des Ultraschallsignals auszunutzen. Es erfolgt ein Vergleich verschiedener Klassifikationsmodelle mit dem Ergebnis einer sehr hohen Klassifikationsgenauigkeit zur Bestimmung des Vernetzungsgrades. Eine nachfolgende Sensitivitätsanalyse zeigt, dass die meis-ten Modelle sehr empfindlich auf Fehler in den Eingangsdaten reagieren. Ein Mo-dell basierend auf der Subspace k-Nächsten-Nachbar Methode weist jedoch eine hohe Robustheit gegenüber Variationen der Eingangsdaten auf und ist prinzipiell für eine quantitatives Monitoringsystem im industriellen Umfeld geeignet. Es bietet außerdem den großen Vorteil unabhängig von der Kenntnis der Materialtemperatur eine Klassifikation des Vernetzungsgrades zu ermöglichen. Zusätzlich wird ein univariates Verfahren für die qualitative Überwachung des Vernetzungsprozesses von Energiekabelisoliersystemen anhand der Schallgeschwindigkeit vorgestellt. Beide Verfahren werden im Labor durch Messungen an einer Modellkabelader validiert. Mit Hilfe statistischer Auswertungen wird erstmalig eine kontinuierliche, messtechnische Überwachung des Vernetzungsprozesses inklusive Handlungsempfehlungen für den Linienführer ermöglicht.

Für die Isolierschicht moderner Mittel- und Hochspannungskabel werden vernetzte Polymere eingesetzt, um die zulässige Betriebstemperatur und somit die Übertragungsleistung des Kabels zu maximieren. Den mit Abstand größten Marktanteil nimmt hierbei vernetztes Polyethylen (XLPE) ein. Die messtechnische Überwachung des Vernetzungsprozesses kann heutzutage jedoch nur stichprobenartig zu Beginn und Ende der Produktion mittels eines Hot-Set-Tests er-folgen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein kontinuierliches Messverfahren entwickelt, das Prozessfehler frühzeitig detektiert und ein Werkzeug zur Prozessoptimierung bereitstellt. Durch eine kontinuierliche Prozessüberwachung kann Ausschuss reduziert und die Gesamtanlageneffektivität gesteigert werden. Da die Vernetzung eines Polymers die mechanischen Materialparameter ändert, ist eine Messbarkeit des Vernetzungsgrades mittels Ultraschall zu erwarten. Die detaillierte Abhängigkeit der akustischen Messgrößen vom Vernetzungsgrad ist für XLPE und Leitschichtmaterialien nicht bekannt. Daher wird zu Beginn eine umfangreiche Parameterstudie an Laborprüfkörpern durchgeführt, wobei Vernetzungsgrad, Materialtemperatur, Wandstärken und Prüffrequenzen variiert wer-den. Die Auswertung zeigt, dass alle akustischen Materialparameter eine unter Laborbedingungen messbare Abhängigkeit vom Vernetzungsgrad für XLPE auf-weisen. Zur Differenzierung zwischen verschiedenen Vernetzungsgraden anhand eines Einzelparameters ist die Schallgeschwindigkeit am besten geeignet. Das Leitschichtmaterial hingegen zeigt keine Abhängigkeit vom Vernetzungsgrad. Aufgrund der geringen Änderung einzelner Messgrößen mit dem Vernetzungsgrad werden Methoden der multivariaten Klassifikation und des maschinellen Lernens angewandt, um die gesamte Signalinformation des Ultraschallsignals auszunutzen. Es erfolgt ein Vergleich verschiedener Klassifikationsmodelle mit dem Ergebnis einer sehr hohen Klassifikationsgenauigkeit zur Bestimmung des Vernetzungsgrades. Eine nachfolgende Sensitivitätsanalyse zeigt, dass die meis-ten Modelle sehr empfindlich auf Fehler in den Eingangsdaten reagieren. Ein Mo-dell basierend auf der Subspace k-Nächsten-Nachbar Methode weist jedoch eine hohe Robustheit gegenüber Variationen der Eingangsdaten auf und ist prinzipiell für eine quantitatives Monitoringsystem im industriellen Umfeld geeignet. Es bietet außerdem den großen Vorteil unabhängig von der Kenntnis der Materialtemperatur eine Klassifikation des Vernetzungsgrades zu ermöglichen. Zusätzlich wird ein univariates Verfahren für die qualitative Überwachung des Vernetzungsprozesses von Energiekabelisoliersystemen anhand der Schallgeschwindigkeit vorgestellt. Beide Verfahren werden im Labor durch Messungen an einer Modellkabelader validiert. Mit Hilfe statistischer Auswertungen wird erstmalig eine kontinuierliche, messtechnische Überwachung des Vernetzungsprozesses inklusive Handlungsempfehlungen für den Linienführer ermöglicht.

Für die Isolierschicht moderner Mittel- und Hochspannungskabel werden vernetzte Polymere eingesetzt, um die zulässige Betriebstemperatur und somit die Übertragungsleistung des Kabels zu maximieren. Den mit Abstand größten Marktanteil nimmt hierbei vernetztes Polyethylen (XLPE) ein. Die messtechnische Überwachung des Vernetzungsprozesses kann heutzutage jedoch nur stichprobenartig zu Beginn und Ende der Produktion mittels eines Hot-Set-Tests er-folgen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein kontinuierliches Messverfahren entwickelt, das Prozessfehler frühzeitig detektiert und ein Werkzeug zur Prozessoptimierung bereitstellt. Durch eine kontinuierliche Prozessüberwachung kann Ausschuss reduziert und die Gesamtanlageneffektivität gesteigert werden. Da die Vernetzung eines Polymers die mechanischen Materialparameter ändert, ist eine Messbarkeit des Vernetzungsgrades mittels Ultraschall zu erwarten. Die detaillierte Abhängigkeit der akustischen Messgrößen vom Vernetzungsgrad ist für XLPE und Leitschichtmaterialien nicht bekannt. Daher wird zu Beginn eine umfangreiche Parameterstudie an Laborprüfkörpern durchgeführt, wobei Vernetzungsgrad, Materialtemperatur, Wandstärken und Prüffrequenzen variiert wer-den. Die Auswertung zeigt, dass alle akustischen Materialparameter eine unter Laborbedingungen messbare Abhängigkeit vom Vernetzungsgrad für XLPE auf-weisen. Zur Differenzierung zwischen verschiedenen Vernetzungsgraden anhand eines Einzelparameters ist die Schallgeschwindigkeit am besten geeignet. Das Leitschichtmaterial hingegen zeigt keine Abhängigkeit vom Vernetzungsgrad. Aufgrund der geringen Änderung einzelner Messgrößen mit dem Vernetzungsgrad werden Methoden der multivariaten Klassifikation und des maschinellen Lernens angewandt, um die gesamte Signalinformation des Ultraschallsignals auszunutzen. Es erfolgt ein Vergleich verschiedener Klassifikationsmodelle mit dem Ergebnis einer sehr hohen Klassifikationsgenauigkeit zur Bestimmung des Vernetzungsgrades. Eine nachfolgende Sensitivitätsanalyse zeigt, dass die meis-ten Modelle sehr empfindlich auf Fehler in den Eingangsdaten reagieren. Ein Mo-dell basierend auf der Subspace k-Nächsten-Nachbar Methode weist jedoch eine hohe Robustheit gegenüber Variationen der Eingangsdaten auf und ist prinzipiell für eine quantitatives Monitoringsystem im industriellen Umfeld geeignet. Es bietet außerdem den großen Vorteil unabhängig von der Kenntnis der Materialtemperatur eine Klassifikation des Vernetzungsgrades zu ermöglichen. Zusätzlich wird ein univariates Verfahren für die qualitative Überwachung des Vernetzungsprozesses von Energiekabelisoliersystemen anhand der Schallgeschwindigkeit vorgestellt. Beide Verfahren werden im Labor durch Messungen an einer Modellkabelader validiert. Mit Hilfe statistischer Auswertungen wird erstmalig eine kontinuierliche, messtechnische Überwachung des Vernetzungsprozesses inklusive Handlungsempfehlungen für den Linienführer ermöglicht.