Stromkabel per Glasfaserkabel kontinuierlich überwachen – Fehler frühzeitig erkennen und Ausfälle vermeiden

Mittel- und Hochspannungskabel gehören zu den kritischsten Komponenten moderner Energieinfrastrukturen. Besonders bei unterirdischen Kabelsystemen, Seekabeln, Windparks, Industrieanlagen und kritischer Infrastruktur können Beschädigungen oder Überhitzung erhebliche Ausfall- und Reparaturkosten verursachen.

Moderne faseroptische Kabelüberwachung (Distributed Fiber Optic Sensing / DFOS) ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung über große Leitungslängen. Dabei kann eine im oder neben dem Kabel verlegte Glasfaser selbst als verteilter Sensor dienen. Je nach eingesetzter Technologie lassen sich Temperatur, mechanische Dehnung, Vibrationen und akustische Ereignisse entlang der gesamten Kabelstrecke erfassen und lokalisieren.

Kombination aus Kabelüberwachung und Schutzrelais

Die größte Wirkung entsteht durch die Kombination kontinuierlicher Kabelüberwachung mit klassischer Schutztechnik. Während Schutzrelais elektrische Fehler wie Kurzschluss, Erdschluss, Überstrom oder Differentialfehler innerhalb von Millisekunden erkennen und abschalten, liefert die faseroptische Überwachung zusätzliche Informationen über den tatsächlichen Zustand der Kabelanlage. Temperaturanstieg, Hotspots, mechanische Belastungen, Vibrationen oder Fremdeinwirkungen können dadurch bereits erkannt werden, bevor daraus ein elektrischer Fehler entsteht. Die Verbindung beider Systeme ermöglicht somit einen ganzheitlichen Ansatz aus präventiver Zustandsüberwachung und schneller Fehlerabschaltung und erhöht damit Verfügbarkeit, Betriebssicherheit und Transparenz kritischer Energieinfrastrukturen.

Vorteile der kontinuierlichen Kabelüberwachung

Eine einzige Glasfaser kann Leitungs- oder Perimeterabschnitte von bis zu 100 km kontinuierlich überwachen. Bei Messintervallen von etwa 1 m entstehen rechnerisch bis zu 100.000 überwachte Positionen entlang der Strecke – ohne entsprechend viele einzelne Sensoren installieren und warten zu müssen.

Vorhandene Glasfasern können unter Umständen weiterverwendet werden, sodass keine (neue) separate Sensorkette entlang der gesamten Strecke erforderlich ist.

Weitere Vorteile für Betreiber von Stromnetzen und Energieanlagen sind:

• Frühzeitige Erkennung kritischer Veränderungen
• Präzise Lokalisierung von Ereignissen entlang der Kabeltrasse
• Kontinuierliche Überwachung statt punktueller Sensorik
• Reduzierung ungeplanter Ausfallzeiten
• Unterstützung zustandsorientierter und präventiver Wartung
• Höhere Betriebssicherheit kritischer Energieinfrastruktur
• Bessere Ausnutzung vorhandener Kabelkapazitäten
• Integration in Leit-, SCADA- und Asset-Management-Systeme möglich

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Weitere Einsatzmöglichleiten der faseroptischen Messmethode bei Stromnetzbetreibern

Für einen Stromnetzbetreiber sind neben der direkten Kabelüberwachung vor allem diese folgenden Anwendungen interessant:

Anwendung	Nutzen
Perimeterüberwachung von Umspannwerken	Erkennung von Personen, Fahrzeugen, Klettern, Schneiden am Zaun oder Grabungsarbeiten über Glasfaser
Freileitungsüberwachung	Nutzung vorhandener Glasfasern zur Erkennung von Schwingungen, Vereisung und mechanischen Veränderungen
Kabeltunnel-Überwachung	Kontinuierliche Temperaturmessung, Hot-Spot-Erkennung und frühe Branderkennung
Trassenüberwachung	Erkennung von Baggerarbeiten, Fremdeingriffen, Bodenbewegungen und Erdrutschen
Seekabel- und Offshore-Überwachung	Erkennung von Ankereinwirkungen, Schiffsnähe, mechanischer Belastung und Temperaturproblemen
Bauwerksüberwachung	Überwachung von Tunneln, Schächten, Fundamenten und Stützwänden auf Bewegung und Dehnung
Glasfasernetz-Überwachung	Nutzung vorhandener Telekommunikationsfasern als Sensor und Überwachung kritischer Kommunikationsinfrastruktur

Die faseroptische Messmethode kann außerdem für den Perimeterschutz mit einer Videoüberwachung oder mit physischen Schutzrohren kombiniert werden. Beim Perimeterschutz kann die Glasfaser am Zaun oder unterirdisch entlang des Zaunes verlegt werden. Dabei können Stromkabel oder Unterseekabel und Glasfaser gemeinsam in einem Schutzrohr verlegt werden, sodass mechanischer Schutz und kontinuierliche sensorische Überwachung miteinander verbunden werden.

Dynamische Strombelastbarkeit von Stromkabeln – Dynamic Cable Rating

Die dynamische Strombelastbarkeit von Stromkabeln (Dynamic Cable Rating) ermöglicht es, die tatsächlich verfügbare Übertragungskapazität eines Kabels kontinuierlich zu bestimmen. Statt ausschließlich mit konservativen statischen Grenzwerten zu arbeiten, werden reale Betriebsbedingungen wie Kabeltemperatur, Last, Umgebungstemperatur und thermische Belastung berücksichtigt. Durch faseroptische Temperaturüberwachung entlang des Kabels lassen sich kritische Hotspots frühzeitig erkennen und die zulässige Strombelastbarkeit in Echtzeit besser ausnutzen. Netzbetreiber können dadurch vorhandene Kabelkapazitäten effizienter nutzen, Überlastungen vermeiden und in vielen Fällen zusätzliche Übertragungsleistung erschließen, ohne unmittelbar neue Stromkabel verlegen zu müssen.

Dynamic Cable Rating kann zusätzliche Übertragungskapazitäten erschließen, indem die zulässige Strombelastbarkeit anhand der tatsächlichen thermischen Betriebsbedingungen bestimmt wird. In Netzstudien wurden für unterirdische Hochspannungskabel beispielsweise zusätzliche Kapazitätsreserven von rund 15 % angesetzt; der konkrete Zugewinn ist vom jeweiligen Kabelsystem und den Betriebsbedingungen abhängig.

Bei Freileitungen kann Dynamic Line Rating erhebliche zusätzliche Übertragungskapazitäten erschließen. Je nach Wetter- und Betriebsbedingungen sind zweistellige Steigerungen der nutzbaren Strombelastbarkeit möglich; unter günstigen Kühlbedingungen können zeitweise 30–50 % oder mehr zusätzliche Kapazität verfügbar sein. Quellen: CIGRE, U.S. Department of Energy und IEEE.

Mit „unter günstigen Kühlbedingungen“ sind bei Freileitungen vor allem Wetterbedingungen gemeint, bei denen der Leiter seine Wärme besonders gut an die Umgebung abgeben kann:

• höhere Windgeschwindigkeit – der wichtigste Faktor
• Wind quer zur Leitung – kühlt stärker als Wind parallel zur Leitung
• niedrige Außentemperatur
• geringe Sonneneinstrahlung, z. B. Bewölkung oder Nacht
• keine extreme Hitze

Beispiel: Bei 10 °C Außentemperatur, bewölktem Himmel und kräftigem Seitenwind kann eine Freileitung deutlich mehr Strom führen als an einem 35 °C heißen, windstillen Sommertag mit voller Sonneneinstrahlung.

Temperaturüberwachung und Hotspot-Erkennung – DTS

Mit Distributed Temperature Sensing (DTS) wird die Temperatur entlang eines Energiekabels kontinuierlich gemessen.

Dadurch können thermisch auffällige Bereiche und lokale Hotspots frühzeitig erkannt werden. Gerade bei erdverlegten Hochspannungskabeln können unterschiedliche Bodenbedingungen, Kabelkreuzungen, Rohrsysteme, Muffen oder andere thermische Engstellen die Wärmeabfuhr beeinflussen.

Die kontinuierliche Temperaturüberwachung über Glasfaser gehört zu den etablierten Verfahren zur Zustandsüberwachung von Hochspannungskabelsystemen.

Typische Anwendungen

• Hochspannungs- und Mittelspannungskabel
• Erdkabel
• Kabeltunnel
• Kabelkanäle
• Offshore- und Seekabel
• Windparkverkabelung
• Industrieanlagen
• Umspannwerke
• Kraftwerke
• Rechenzentren

Dynamische Kabelbelastbarkeit – Real-Time Thermal Rating (RTTR)

Die tatsächlich zulässige Strombelastbarkeit eines Kabels hängt wesentlich von seiner Temperatur und den jeweiligen Umgebungsbedingungen ab.

Durch die Kombination kontinuierlicher Temperaturmessung mit thermischen Kabelmodellen kann ein Real-Time Thermal Rating (RTTR) berechnet werden.

Damit lässt sich die vorhandene Kabelkapazität besser nutzen, ohne zulässige thermische Grenzwerte zu überschreiten. CIGRE behandelt DTS und RTTR ausdrücklich als Technologien zur verbesserten thermischen Überwachung und dynamischen Bewertung von Leistungskabeln.

Akustische Kabelüberwachung – DAS

Distributed Acoustic Sensing (DAS) macht eine Glasfaser zu einem über große Entfernungen verteilten akustischen beziehungsweise vibrationssensitiven Sensor.

Damit können charakteristische mechanische Ereignisse entlang einer Kabeltrasse erkannt und lokalisiert werden.

Erkennung von Fremdeinwirkungen

Eine der wichtigsten Anwendungen ist die frühzeitige Erkennung von Aktivitäten in unmittelbarer Nähe kritischer Kabel.

Beispiele:

• Bagger- und Erdarbeiten
• Bohrarbeiten
• Fahrzeuge und schwere Maschinen
• Manipulations- oder Eindringversuche
• Ankerbewegungen im Bereich von Seekabeln
• mechanische Einwirkungen auf Kabeltrassen

Gerade bei unterirdischen und submarinen Kabelsystemen können solche Fremdeinwirkungen erhebliche Schäden verursachen. DAS-Systeme können hierfür als zusätzliches Überwachungsinstrument eingesetzt werden.

Mechanische Belastung und Dehnung – DSS

Mit Distributed Strain Sensing (DSS) können mechanische Dehnungen entlang einer Glasfaser gemessen werden.

Damit lassen sich beispielsweise Veränderungen beobachten, die durch Bewegung, Zugbelastung, Bodenbewegungen oder mechanische Beanspruchungen entstehen.

Besonders interessant ist dies für:

• dynamische Offshore-Kabel
• schwimmende Windenergieanlagen
• Kabelübergänge und Hang-off-Bereiche
• freiliegende Kabelabschnitte
• geologisch aktive Bereiche
• Leitungen mit mechanischen Bewegungen

Bei dynamischen Offshore-Kabeln können akustische und Dehnungsmessungen unterschiedliche Belastungszustände erfassen und sich gegenseitig ergänzen.

Überwachung von Offshore- und Seekabeln

Seekabel stellen besonders hohe Anforderungen an die Zustandsüberwachung.

Mögliche Risiken sind unter anderem:

• mechanische Belastungen
• Ankerkontakt
• Bewegungen des Meeresbodens
• freiliegende Kabelabschnitte
• Temperaturprobleme
• Kabelbewegungen
• Belastung von Übergangs- und Aufhängungsbereichen

Faseroptische Sensorik erlaubt es, große Kabelabschnitte von einer zentralen Messstation aus kontinuierlich zu überwachen. Für Offshore-Windparks und andere maritime Energieinfrastrukturen bietet dies erhebliche Vorteile gegenüber ausschließlich punktueller Messtechnik.

Eine Glasfaser – mehrere Überwachungsfunktionen

Je nach Aufgabenstellung können unterschiedliche faseroptische Messverfahren über ein Glasfaserkabel kombiniert werden:

DTS – Distributed Temperature Sensing
→ Temperatur, thermische Hotspots und Kabelbelastung

DAS – Distributed Acoustic Sensing
→ Vibrationen, Bewegungen und Fremdeinwirkungen

DSS – Distributed Strain Sensing
→ Dehnung und mechanische Belastung

RTTR – Real-Time Thermal Rating
→ dynamische Berechnung der aktuellen Kabelbelastbarkeit

So entsteht aus einer klassischen Glasfaser eine kontinuierliche Sensorstrecke über große Entfernungen.

Für bestehende und neue Kabelanlagen

Faseroptische Kabelüberwachung kann sowohl bei neuen Kabelprojekten als auch bei bestehenden Anlagen interessant sein.

Bei Neubauten kann die Sensorfaser direkt in das Kabelsystem oder parallel zur Kabeltrasse integriert werden. Bei Bestandsanlagen ist zu prüfen, ob bereits vorhandene geeignete Glasfasern für bestimmte Messverfahren genutzt werden können. CIGRE beschreibt insbesondere für DAS auch die Möglichkeit, vorhandene optische Fasern für die verteilte Zustandsüberwachung zu verwenden.

Typische Einsatzbereiche des faseroptisches Kabelüberwachungssystems

Energieversorger und Netzbetreiber

Überwachung von MS-, HS- und Höchstspannungskabeln sowie kritischen Übertragungs- und Verteilnetzen.

Windenergie und Offshore

Monitoring von Exportkabeln, Inter-Array-Kabeln und dynamischen Kabelsystemen bei Offshore-Windenergieanlagen.

Industrie

Kontinuierliche Überwachung kritischer Energieversorgung in Chemie-, Stahl-, Automobil-, Halbleiter- und Produktionsanlagen.

Rechenzentren

Überwachung hoch ausgelasteter Mittel- und Hochspannungskabel für besonders versorgungskritische Infrastrukturen.

Bahn und Verkehr

Überwachung von Energie- und Versorgungskabeln entlang von Bahnstrecken, Tunneln und Verkehrsinfrastrukturen.

Erneuerbare Energien und Speicher

Überwachung der Kabelinfrastruktur von Solarparks, Windparks, Batteriespeichern und Netzanschlusssystemen.

Beratung für Kabelüberwachung

Die optimale Lösung hängt stark von Kabeltyp, Spannungsebene, Leitungslänge, vorhandener Glasfaserkabel, Verlegeart und der gewünschten Überwachungsfunktion ab.

Wir unterstützen Sie bei der Auswahl geeigneter Technologien für:

• Temperaturüberwachung / DTS
• akustische Überwachung / DAS
• Dehnungsmessung / DSS
• Hotspot-Erkennung
• Fremdeinwirkungserkennung
• Offshore-Kabelmonitoring
• dynamische Kabelbelastbarkeit / RTTR
• Einbindung in bestehende Leit- und Überwachungssysteme

Sie möchten ein Mittel- oder Hochspannungskabel kontinuierlich überwachen?

Senden Sie uns Informationen zu Kabeltyp, Spannungsebene, Kabellänge, Verlegeart und vorhandenen Glasfasern.

Wir prüfen gemeinsam mit unsren führenden spezialisierten europäischen Technologiepartnern, welche Mess- und Überwachungslösung technisch sinnvoll ist.

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