Technische Randbedingungen beim Einsatz und Betrieb · PDF file400-kV-VPE-Einleiterkabel Quelle: Nexans 1 mehrdrähtiger Leiter 2 innere Leitschicht 3 VPE-Isolierung 4 äußere Leitschicht

Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik

Fachgebiet Elektrische Energieversorgung

http://www.iee.uni-hannover.de

Technische Randbedingungenbeim Einsatz und Betrieb

von Freileitungen und Erdkabeln

Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann

2Technische Randbedingungen beim Einsatz und Betrieb von Freileitungen und Erdkabeln

BegriffsdefinitionenEinleitung

Technische Eigenschaften

Betriebsverhalten

Zwischenverkabelung

Wirtschaftliche Gesichtspunkte

Zusammenfassung

Gliederung

Einleitung


Aufbau von Elektroenergiesystemen

Ver

teilu

ngsn

etz

Übe

rtra

gung

snet

z

Höchstspannungsnetz

Hochspannungsnetz

Mittelspannungsnetz

Niederspannungsnetz


220 / 380 kV

110 kV

10, 20 kV

0,4 kV

~ ~

~ ~~

~

~

DEA

~Offshore WEA

Leistungstransite

Einfluss der geänderten Einspeisung auf das Netz

Quelle: Vortrag Prof. Oswald, IEH


wachsender Energiebedarf (?), Energieeffizienz, Verknappung der fossilen Energieträger, CO2 Ziele der Bundesregierung

Wettbewerb und Intensivierung des europäischen Strommarkts

verstärkte Nutzung regenerativer Energieträger (20/2020), Energiemix aus zentraler und dezentraler Erzeugung

Kernenergieausstieg und Ersatz älterer thermischer Kraftwerke

Leistungsabführung aus GW-Offshore-Windenergieparks

stark veränderte bzw. sich verändernde Übertragungs- und Verteilungsaufgaben ⇔ Netze sind über Jahrzehnte gewachsen

Anreizregulierung, effiziente Netzbetreiber, kostenoptimale Netze

Rahmenbedingungen und Entwicklungstendenzen

„günstige“, umweltfreundliche und sichere Energieversorgung

lange Abschreibungs- und Nutzungsdauern ⇔ stranded investments


Stromkreislängen HS- und HöS-Ebene 1970 – 2006

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

Leitu

ngsl

änge

in T

sd.-

km

Freileitung Kabel Gesamt

• Freileitungen dominierend, geringer Kabelanteil

• Kabel z. B. nur in innerstädtischen Verbindungen


Stromkreislängen MS-Ebene 1970 – 2006

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

Leitu

ngsl

änge

in T

sd.-

km


• Standard Kabel, in städtischen und regionalen Netzen

• Zubau Freileitungen nur in ausgesprochen ländlichen R egionen


Stromkreislängen NS-Ebene 1970 – 2006

0,0

200,0

400,0

600,0

800,0

1.000,0

1.200,0

1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

Leitu

ngsl

änge

in T

sd.-

km


• Standard Kabel, in städtischen und regionalen Netzen

• Zubau Freileitungen nur in ausgesprochen ländlichen R egionen


• neue Übertragungs- und Verteilungsaufgaben

• Ausbau der Übertragungsnetze ist notwendig und unumst ritten

– z. B.: dena-Studie: 850 km neue Höchstspannungsleitungen bis 2015

– Verstärkung der Haupttransportwege

– Ausbau der Kuppelleitungskapazitäten

– Ausbau / Umtruktuierung der Verteilungsnetze

• Kabel oder Freileitung (oder GIL)

– technische Eigenschaften

– Betriebsverhalten

– wirtschaftliche Gesichtspunkte

– Umweltverträglichkeit (Einflüsse auf die Umwelt)und Einfluss der Umwelt

Schlussfolgerung aus Entwicklungstendenzen




Betriebsverhalten

Zwischenverkabelung


Zusammenfassung

Gliederung



380-kV-Freileitungsabspannmast mit 2 Drehstromsysteme n


380-kV-Freileitungstragmastmit sechs Stromkreisen

selbstheilende Isolation

Isolationsabstände :

• 380 kV: 5000 mm

• 110 kV: 2000 mm

• 20 kV: 180 mm


a) 20-kV-Tragmast mit Stützisolatoren;b) 110-kV-Einebenen-Tragmast;c) 110-kV-Tragmast (Donautyp);d) Tragmast mit 2×220-kV-Zweierbündelleitung und 2×380-kV-Viererbündelleitung;e) 735-kV-Tragmast (Kanada) mit V-Ketten und Viererbündelleitung

Größenvergleich von Freileitungsmasten


Freileitung mit 6 Stromkreisenbestehend aus:

• 2×380-kV-Doppelleitung (oben)

• 2×220-kV-Doppelleitung (mitte)

• 2×110-kV-Doppelleitung (unten

Freileitung mit 6 Stromkreisen


400-kV-VPE-Einleiterkabel

Quelle: Nexans

1 mehrdrähtiger Leiter 2 innere Leitschicht3 VPE-Isolierung4 äußere Leitschicht5 leitfähige Polsterung6 Schirm aus Kupfer7 Querleitwendel aus Kupfer8 Trennschicht9 Stahlbandbewehrung10 PE-Außenmantel

1

2

3456

7

810 9

fester Isolationsstoff

Isolationsabstände :

• 380 kV: 30 mm

• 110 kV: 18 mm

• 20 kV: 6 mm


1,75

3,0 3,0

11,0

1,5

9,0

1,0

0,3 0,3

≥0,6≥0,6

ca. 21,0

Fahrbahn

Erdaushub

60°

Bettungsmaterial (Magerbeton)

Kabelgrabenprofil für drei Systeme während Bauphase (Maß e in m)

Breite Kabelgraben u.a. abhängig von:• Anzahl Systeme• gewählte Kabelmittenabstände (hier 3 m)• Leitermittenabstände (hier 0,3 m)

• Übertragungskapazität• thermische Beeinflussung• Magnetfeld


Dimensionen im Bereich Höchstspannungserdkabel

Kabelgewicht bis 40 kg/mTrommelgewicht bis 40 toTrommeldurchmesser bis 4,40 mTrommelbreite bis 2,60 m

Regelgrabentiefen bis 1,75 mSohlenbreite bis 15 mBodenaushub bis 30 m³ pro m GrabenBedarf an Bettungsmaterial bis 10 m³ pro m Kabelgraben,gleichzeitig Abtransport überschüssiger BodenTrassenbreiten bis 50 m

große Herausforderung in Bezug auf Logistik und Verlegung

Quelle: Bohlen & Doyen


380-kV-Aufschiebemuffe aus EPDM (Ethylen-Propylen-Dien Kautschuk)

Quelle: BEWG Sonderdruck ew Nr. 4981

Besonderheiten 1/2

• Erstellung von Muffengruben oder Muffenbauwerken aus Beton in einem Abstand von max. 900 m (max. Transportlänge Kabel)

Länge ca. 3 m


Drehstrom-Einleiterkabel in Einebenenanordnung;Auskreuzen der Kabelmäntel, Crossbonding

Besonderheiten 1/2

• Erstellung von Muffengruben oder Muffenbauwerken aus Beton in einem Abstand von max. 900 m (max. Transportlänge Kabel)

• Auskreuzen der Kabelmäntel (Crossbonding): Reduzierung der Kabelmantelspannungen und Mantelstromwärmeverluste


Besonderheiten 2/2

• Kabelgräben sind bis zum Abschluss der Kabelverlegung offen, steinfrei und trocken zu halten

• Anfuhr und Einbau von großen Mengen Verfüllmaterial aus einem Sand-Zementgemisch oder geeignetem Sand und Abfuhr des überschüssigen Bodens

• hohe Gewichte und große Dimensionen ⇒ Sondertransporte im öffentlichen Straßenbereich und auf der Trasse

• Aufwendiger Kabelzug mit Hilfe von Kabelrollen und Kabelschubgeräten und einer entsprechend dimensionierten Kabelziehwinde mit Zugkraftbegrenzung

Quelle: Bohlen & Doyen


Quelle: Pfisterer

Kabelrollenbock


Quelle: Pfisterer

Verlegegeräte

Ziehwinde

Schubgerät


Beispiel für Tunnelverlegung: 380-kV Tunnel Vattenfal l Berlin

Quelle: Pfisterer




Betriebsverhalten

Zwischenverkabelung


Zusammenfassung

Gliederung

Betriebsverhalten


4749237239ZW in Ω

31002922610605PNat in MW

CuCuAL/StAL/StMaterial

1600 mm22500 mm24x564/724x264/34q in mm2

1116189846002720I in A

734125030001790S in MVA

66,677,21717G‘ in nS/km

21224514,214,2C‘ in nF/km

0,460,59810,7960,81L‘ in mH/km

1610,813,827,3R‘ in mΩ/km

Kabel 2Kabel 1Freileitung 2Freileitung 1UnN=380 kV

Vergleich elektrischer Eigenschaften von Übertragungssy stemen

S = thermisch zulässige Leistung, I = thermisch zulässiger Strom, PNat = natürliche Leistung,I und S der Kabel abhängig von Verlegung und Belastungsgrad


Übertragungskapazität in Abhängigkeit von der Leitung slänge

Übertragungskapazität max nN max3S U I=

max. dauernd zul. Strombelastbarkeit abhängig von• Querschnittsfläche und Leitermaterial,• Verlegeart,• Belastungsgrad,• zulässige Temperatur der Isolierung (VPE, Papier),• Bodenzusammensetzung (ggf. Bettung),• Feuchtigkeit,• Umgebungstemperatur,• Witterung und• externe Wärmequellen, z. B. Kabelhäufung

Kabel


1600 1800 2000 2200 2400 26000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800a/m

0,3

0,51,00,30,5

1,0

1,0

0,7

m

Rth

in der Trockenzone 1,2 Km/W

A/mm2

Sth

/MV

A

thermische Bettung

1600 1800 2000 2200 2400 26000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

a/m

0,3

0,51,0

0,3

0,5

1,0

1,0

0,7

m

Rth

in der Trockenzone 2,5 Km/W

A/mm2

Sth

/MV

A

keine thermische Bettung

Kabelbelastbarkeit für ein 380-kV-VPE-Kabel in Abhän gigkeit vom

• Kabelquerschnittsfläche A,

• dem Leitermittenabstand a und

• dem Belastungsgrad m

ohne und mit thermisch stabilisierte Bettung

Quelle: ForWind-Gutachten, Prof. Oswald, IEH


Strombelastbarkeit: 380-kV-Kabel mit Kupferleiterquersc hnitt 2500 mm 2

zul. Strom in Abhängigkeit von spezifischen thermischen Erdbodenwiderstand und spezifischen thermischen Bettungsmaterialwiderstand


Abstand von der Kabelachse

Grenzisotherme

dx

Kabeloberflächentemperatur

Temperatur

Erdbodenoberfläche

IsothermenTrockenbereich

Oberkante thermische Bettung

Bodenaustrocknung: Temperaturverlauf, Isothermen und Einfluss thermisch stabilisierter Bettung



Übertragungskapazität max nN max3S U I=

max. dauernd zul. Strombelastbarkeit abhängig von• Querschnittsfläche und Leitermaterial,• Verlegeart,• Belastungsgrad,• zulässige Temperatur der Isolierung (VPE, Papier),• Bodenzusammensetzung (ggf. Bettung),• Feuchtigkeit,• Umgebungstemperatur,• Witterung und• externe Wärmequellen, z. B. Kabelhäufung

Kabel

Freileitung max. dauernd zul. Strombelastbarkeit abhängig von• Querschnittsfläche und Leiterseilmaterial,• Belastungsgrad,• max. zul. Temperatur der Leiterseile bzw. max. zul. Durchhang,• klimatische Verhältnisse (Wind, Sonneneinstrahlung)


380-kV-Freileitung mit Vierer-bündeln Aldrey/St 564/72 („Finch“) in Abhängigkeit von

• der Windgeschwindigkeit und

• der Umgebungstemperatur

bei max. Seiltemperatur von 80 °C

3000 MVA, 4600 A bei 35°C Umgebungstemperatur und v=0,6 m/s Windgeschwindigkeit

Quelle: Vortrag Prof. Oswald, IEH

Kapazitätserhöhung durch

• Leiterseilmonitoring

• Hochtemperaturleiterseile


a) kapazitiver Ladestrom (Leerlauf am Leitungsende)

WLade B nNsinh( ) 'I Y l U C l Uγ ω= ⋅ ≈ ⋅


begrenzende Faktoren:


Produkt l ·U ist begrenzt: Länge, Spannung

Kapazitiver Ladestrom von Drehstromkabeln

2zulässig Übertra

2Kapgu azi tng täII I= +

2 / 2Kapazität

2 2zulässig zulässigÜbertragung ( )II lUI I Cω= − = −

IÜbertragung

IKapazität

C´

wirtschaftliche Kabellänge ist begrenzt: Kompensation erforderlich


a) kapazitiver Ladestrom (Leerlauf am Leitungsende)

WLade B nNsinh( ) 'I Y l U C l Uγ ω= ⋅ ≈ ⋅


begrenzende Faktoren:

b) Spannungsabfall entlang der Übertragungsleitung

( )W B ABBA B Bcosh( ) Z sinh( ) jU U U l U l I U R L l Iγ γ ω′ ′∆ = − = ⋅ + ⋅ − ≈ + ⋅

c) Ferranti-Effekt (Spannungsanstieg am leerlaufenden Leitungsende)

B A

1

cosh( )U U

lγ= ⋅


Übertragbare Leistung von 110-kV-Drehstromkabeln

0

50

100

150

0 50 100 150 200

Länge in km

Leis

tung

in M

VA

ÖlkabelGasdruck-kabel

VPE-Kabel

110-kV-Freileitung


Vergleich Blindleistungsbedarf und Verluste von Übert ragungssystemen


-12,00

-10,00

-8,00

-6,00

-4,00

-2,00

0,00

2,00

4,00

6,00

Freileitung VPE-Kabel

Q in

Mva

r/km

Leerlauf

1.500 MW

längenbezogener Blindleistungsbedarf für eine 380-kV- Freileitungund ein 380-kV-VPE-Kabel im Leerlauf und bei reiner Wirkleistungsabnahme von 1.500 MW


-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100

20

40

60

80

100

120

x / m

B /

µT

Bers

Bers

(Kab1B

)

Bers

(Kab2B

)

Bers

(Kab3B

)

Bers(Kab4B)

Bers(Kab5B)

Bers

(Kab6B

)

Bers

(Kab1A

)

Bers

(Kab2A

)

Bers

(Kab3A

)

Bers

(Kab4A

)

Bers(Kab5A)

Bers(Kab6A)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10-1.5

-1

-0.5

0

x / m

y /

mS = 900 MVAHöhe = 1 m

magnetische Leiter- und Gesamtinduktion für 4 Kabelsy steme (Var. 1)


-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100

20

40

60

80

100

120

x / m

B /

µT

Bers

Bers(Kab1B)

Bers

(Kab2B

)

Bers(Kab3B)

Bers

(Kab4B

)

Bers(Kab5B)

Bers

(Kab6B

)

Bers(Kab1A)

Bers

(Kab2A

)

Bers(Kab3A)

Bers

(Kab4A

)

Bers(Kab5A)

Bers

(Kab6A

)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10-1.5

-1

-0.5

0

x / m

y /

mS = 900 MVAHöhe = 1 m

magnetische Leiter- und Gesamtinduktion für 4 Kabelsy steme (Var. 2)

Magnetfeld ist belastungsabhängig, d.h. stromabhängig

• Kabel: Reduzierung durch Kabellegung und Grabentiefe

• Freileitungen: B < 100 µT

Elektrisches Feld ist spannungsabhängig, d.h. ≈ konstant

• Kabel: keine äußeres elektrisches Feld

• Freileitung: E > 5 kV/m für 380 kV, keine Dauerexposition


• elektrische Hoch- und Höchstspannungsnetze werden nach dem (n-1)-Kriterium geplant und betrieben (deterministisches Ausfallkriterium)

Versorgungssicherheit: Zuverlässigkeit der Leitungen

• störungs- und wartungsbedingt fallen Betriebsmittel aus ⇒ Untersuchung der Versorgungszuverlässigkeit des elektrischen

Gesamtsystems mit probabilistischen Methoden

• Kenntnis der durchschnittlichen Ausfallraten und Ausfalldauern der Betriebsmittel notwendig ⇒ VDN-Störungsstatistik

• erhebliche Unterschiede zwischen Freileitungen und Kabeln (z. B. wegen selbstheilender Isolation der Freileitung, größere Reparaturdauer Kabel)

68,2 h2,94 hAusfalldauer T

44,8 h/a1,04 h/aNichtverfügbarkeit für 100 km

0,00657 1/km ·a0,00353 1/km ·aAusfallhäufigkeit λλλλKabelFreileitungBeispielwerte VDN- Störungsstatistik

Zuverlässigkeitsdaten 380-kV-Daten sind mit Daten von 110-kV-Kabeln abgeschätzt worden.


• Überlastbarkeit von Betriebsmitteln bietet im Störfall notwendige Reserven

Überlastbarkeit und Überlastungsreserve

• Freileitungennur bei sehr ungünstigen Kühlungsverhältnissen wird thermische Grenztemperatur (Bodenabstände, Trassierung) erreicht

⇒ in kälteren Jahreszeiten oder in windstarken Zeiten besteht größte Überlastungsreserve

• KabelErdbodentemperatur weitgehend von Jahreszeit unabhängig

⇒ in Abhängigkeit von der Vorbelastung kann eine Überlastung nur bei Überschreitung der zulässigen Leitertemperatur möglich sein

⇒ Verkürzung der Lebensdauer


• LastflussverhältnisseKabel besitzen geringere Impedanz als Freileitungen

⇒ im vermaschten Netz (z. B. parallele Leitungen) werden Kabel höher ausgelastet als parallele Freileitungen (ungleiche Lastaufteilung)

⇒ bei Zubau wird auch bei gleicher Übertragungskapazität nicht die Gesamtkapazität verdoppelt

Lastfluss- und Kurzschlussverhältnisse und Sternpunktb ehandlung

• Kurzschlussverhältnissedurch geringere Impedanzen wird Kurzschlussstromniveau im Netz angehoben

⇒ Gefahr der Überschreitung der Kurzschlussfestigkeit der Betriebsmittel

• Sternpunkterdung (SPE)20- und 110-kV-Netzen mit Resonanzsternpunkterdung: Selbstlöschung der Lichtbögen bei 1-poligen Fehlern (Erdschlussstrom < Löschgrenze)

⇒ durch Kabelzubau starker Anstieg der kapazitiven Erdschlussströme⇒ Überschreiten der Löschgrenze ⇒ Netztrennung, Umstellung SPE




Betriebsverhalten



Zusammenfassung

Gliederung

Zwischenverkabelung


2 Kabelsysteme

3 Kabelsysteme

4 Kabelsysteme

KabelFreileitung Freileitung

Teilverkabelung: Varianten

Kabel bestimmen die Überlastbarkeit der gesamten Übertra gungsstrecke


ca. 50 m

ca. 50 m

2 Drehstromsysteme 380 kV

Flächenbedarf ca. 50 m × 50 m = 2.500 qm

Freileitung-Kabel-Übergangsanlage, Beispiel Madrid


• Grundstück inklusive Zaun, etc.

• Portal

• drei Endverschlüsse pro System

• drei Überspannungsableiter

• drei Stromwandler

• Sekundärtechnik insbesondere Schutztechnik

• Kabelprüfung

• ggf. zus. Erdseil und zus. Erdungsaufwand (erhöhter Blitzschutz)

• Sonstiges (Ketten, Leiter, Fundamente, Planung, Montage, etc.)

Aufwand für Freileitung-Kabel-Übergangsanlage

Kabel sind vor Überspannungen (Schalt- und Blitzstoßs pannungen)durch Überspannungsableiter an beiden Kabelenden zu s chützen!




Betriebsverhalten

Zwischenverkabelung

Einflüsse auf die Umwelt und Einfluss der Umwelt

Zusammenfassung

Gliederung



Investitions-kosten

Betriebskostensonstige Kosten z.B.

Reparaturkosten

Wirtschaftlichkeit

Verlustkosten Wartungskosten

spannungs-abhängige Verluste

Kompensations-verluste

stromabhängige Verluste

einmalig jährlich bei Ereignissen

Kostenvergleich unter Berücksichtigung aller Kostenant eile


1. stromabhängige Verluste und jährliche Kosten • steigen quadratisch mit der übertragenen Leistung⇒ schwanken mit der Netzlast

• steigen mit der Leitungslänge

Berechnung der Verluste und jährliche Verlustkosten

2. spannungsabhängige Verluste und jährliche Kosten• steigen quadratisch mit der Spannung ⇒ näherungsweise konstant, fallen „mit der Einschaltung“ an

• steigen mit der Leitungslänge

3. Kompensationsverluste und jährliche Kosten• steigen quadratisch mit der Spannung ⇒ näherungsweise konstant, fallen „mit der Einschaltung“ an

• steigen mit der Kompensationsleistung, d.h. mit der Leitungslänge an

Variantenvergleich durch Abzinsung der jährlichen Kostenauf Bezugszeitpunkt (z.B. Barwertmethode)


Vergleichende Studie zuStromübertragungstechniken im

Höchstspannungsnetz

Technische, betriebswirtschaftliche und umweltfachlicheBeurteilung von Freileitung, VPE-Kabel und GIL am Beispiel

der 380-kV-Trasse Ganderkesee - St. Hülfe


Beispiel für Wirtschaftlichkeitsvergleich Freileitung, Kabel, GIL

Quelle: ForWind-Studie

Beispiel




Betriebsverhalten

Zwischenverkabelung


Zusammenfassung

Gliederung

Zusammenfassung


• Ziel: sichere, „günstige“ und umweltverträgliche Energ ieversorgung

• Frage „Freileitung oder Kabel?“ ⇒⇒⇒⇒ Beantwortung auf Basis von– technischen Gesichtspunkten– wirtschaftlichen Gesichtspunkten und– Umweltverträglichkeit

• wesentliche Randbedingung: Spannungsebene!– in Verteilungsnetzen sind Kabel dominierend und Standard– in Übertragungsnetzen sind Freileitungen dominierend und

Standard

• Kabel und Freileitung sind bis 380 kV ausgereift und einsetzbar

• in der HöS-Ebene bestehen: – technische und betriebliche Nachteile sowie – wirtschaftliche Nachteile (Mehrkosten)der Kabel gegenüber der Freileitung

Zusammenfassung


Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik

Fachgebiet Elektrische Energieversorgung

http://www.iee.uni-hannover.de

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz [email protected]

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