Welche Formen der Erdverkabelung gibt es?

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1 Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Lutz Hofmann (Bürger)Konferenz: Alles unter die Erde? Stromnetzausbau mit Erdverkabelung, Hannover, Institut für Elektrische Energiesysteme

2 Gliederung Begriffsdefinitionen Übersicht Hochspannungs-Drehstrom- HDÜ- und HGÜ mit und Freileitung -Gleichstrom-Übertragung oder Kabel Eigenschaften Drehstrom-Kabel Eigenschaften HGÜ und Gleichstrom-Kabel Grundsätzlicher Vergleich HDÜ- und HGÜ Grundsätzlicher Vergleich Freileitung und Kabel Seite 2

3 Höchstspannungsnetzausbau mit HDÜ und HGÜ Hochspannungs-Energie-Übertragung Hochspannungs- Drehstrom-Übertragung (HDÜ) Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) Seite 3

4 Prinzipieller Aufbau einer Hochspannungs-Drehstromübertragung (HDÜ) Drehstrom- Netz mit 50 Hz Drehstromleitung (Kabel oder Freileitung) Drehstromnetz mit 50 Hz L1 L1 L2 L3 L2 L3 Quelle: Nexans Seite 4

5 Prinzipieller Aufbau einer Hochspannungs-Drehstromübertragung (HDÜ) Transformator Drehstromleitung (Kabel oder Freileitung) Transformator Kompensationsanlage L1 L1 L2 Kompensationsanlage nur bei Bedarf L2 L3 L3 nur bei Bedarf Quelle: Nexans Seite 5

6 Prinzipieller Aufbau einer VSC-Hochspannungs-Gleichstromübertragung (VSC-HGÜ) Transformator Konverterstation ~ = Gleichstromleitung (Kabel oder Freileitung) + - Konverterstation = ~ Transformator Drehstrom- Netz mit 50 Hz Filteranlage + - Drehstromnetz mit 50 Hz Filteranlage nur bei Bedarf nur bei Bedarf + - ggf. zus. Neutralleiter (N) Seite 6

7 Höchstspannungsnetzausbau mit HDÜ und HGÜ Höchstspannungsnetzausbau* Hochspannungs- Drehstrom-Übertragung (HDÜ) Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) Freileitung Kabel Teilverkabelung *Netzausbau mit Gasisolierter Übertragungsleitung (GIL) nicht berücksichtigt Seite 7

8 Stromkreislänge in km Verkabelungsgrad in % Institut für Elektrische Energiesysteme Stromkreislänge und Verkabelungsgrad HöS-Ebene , Zubau von 75 km Kabel in ,5 0,4 0, ,2 Freileitungen Kabel 0, Verkabelungsgrad 0 0, Jahr Quelle: BDEW, Werte interpoliert Seite 8

9 Höchstspannungsnetzausbau mit HDÜ und HGÜ Höchstspannungsnetzausbau* Hochspannungs- Drehstrom-Übertragung (HDÜ) Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) LCC HGÜ netzgeführt VSC HGÜ selbstgeführt Freileitung Kabel Freileitung Kabel Teilverkabelung Teilverkabelung *Netzausbau mit Gasisolierter Übertragungsleitung (GIL) nicht berücksichtigt Seite 9

10 Kabel Freileitung Institut für Elektrische Energiesysteme VSC-HGÜ-Projekte in Europa ab 2004 Name Konverterstation 1 Konverterstation 2 Länge Kabel in km Volt in kv Leistung in MW Jahr HVDC Troll Norway - Kollsnes Norway - Offshore platform Troll A Estlink Estonia - Harku Finland - Espoo NordE.ON 1 Germany - Diele Germany - Borkum 2 platform HVDC Valhall Norway - Lista Norway - Valhall, Offshore platform BorWin1 Germany - Diele Germany - BorWin Alpha platform 200 ± BorWin2 Germany - Diele Germany - BorWin Beta platform 200 ± East West Interconnector Ireland - Woodland UK - Shotton, Wales 130 ± DolWin1 Germany - Heede Germany - DolWin Alpha platform 165 ± HelWin1 Germany - Büttel Germany - HelWin Alpha platform 130 ± SylWin1 Germany - Büttel Germany - SylWin Alpha platform 205 ± INELFE France - Baixas Spain - Santa Llogaia 64 ± Skagerrak 4 Norway - Kristiansand Denmark - Tjele Åland - Finland Åland - Ytterby Finland - Nådendal Troll A 3&4 Norway - Kollsnes Norway - Troll A 3&4 platform HVDC NordBalt Sweden - Nybro Lithuania - Klapeida DolWin2 Germany - Heede Germany - DolWin Beta platform 135 ± HelWin2 Germany - Büttel Germany - HelWin Beta platform 130 ± HVDC Finland - Åland Finland - Ytterby Finland - Nådendal Einsatz als Punkt-zu-Punkt-Verbindung (Grenzen der HDÜ) Name Konverterstation 1 Konverterstation 2 Länge Freileitung in km Volt in kv Leistung in MW Jahr SydVästlänken Norway Hallsberg Sweden - Barkeryd ; Sweden - Hurva 63 ±300 2x Seite 10

11 Gliederung Begriffsdefinitionen Hochspannungs-Drehstrom- und -Gleichstrom-Übertragung Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung Eigenschaften Drehstrom-Kabel (HDÜ) Eigenschaften HGÜ und Gleichstrom-Kabel Grundsätzlicher Vergleich HDÜ- und HGÜ Grundsätzlicher Vergleich Freileitung und Kabel Seite 11

12 Drehstromtechnik auf Basis von Kabeln Isolierung aus VPE Quelle: Amprion GmbH Quelle: Prof. Paul Quelle: Nexans einfache, bewährte Technik fester Isolationsstoff, Isolationsabstände bei 380 kv: 30 mm begrenzte Übertragungskapazität und begrenzte Reichweite Leiter Seite 12

13 Kabelbelastbarkeit für ein 380-kV-VPE-Kabel abhängig von der Kabelquerschnittsfläche A, dem Leitermittenabstand a und dem Belastungsgrad m m = 0,7, a = 1,0 m S th / MVA m = 1,0, a = 0,3 m thermisch stabilisierte Bettung R th in der Trockenzone 1,2 Km/W A / mm 2 Seite 13

14 I Kapazität C Institut für Elektrische Energiesysteme Kapazitiver Ladestrom von Drehstromkabeln I Übertragung I zulässig I 2 Übertragung I 2 Kapazität IÜbertragung I I I ( C lu) / 2 zulässig Kapazität zulässig Produkt l U ist begrenzt: Länge, Spannung wirtschaftliche Kabellänge ist begrenzt: Kompensation erforderlich Quelle: Vortrag Prof. Oswald, IEH Seite 14

15 Drehstromtechnik auf Basis von Kabeln Isolierung aus VPE Leiter Quelle: Amprion GmbH Quelle: Prof. Paul Quelle: Nexans einfache, bewährte Technik fester Isolationsstoff, Isolationsabstände bei 380 kv: 30 mm begrenzte Übertragungskapazität und begrenzte Reichweite geringe Verluste, 2500 mm 2 Cu-Kabel bei 1000 MVA ca. 75 kw/km Blindleistungskompensation (Drosselspulen) erforderlich => Zusatzverluste hohe Verfügbarkeit, aber im Fehlerfall sehr lange Ausfallzeiten große Herausforderung in Bezug auf Logistik und Verlegung Erstellung von Muffengruben oder Muffenbauwerken (ca. alle 900 m) Seite 15

16 Aufbau 380-kV-Grabenprofil für zwei Drehstromsysteme Quelle: Amprion GmbH Seite 16

17 Muffengrube als Beispiel für Größenordnung Übergang Landkabel - Seekabel Quelle: TenneT Seite 17

18 Muffenbauwerk Quelle: Dr. Y. Saßnick, Vattenfall Europe Transmission, Fachsymposium Deutsche Umwelthelfe, Berlin, 17. März 2009 Seite 18

19 Grabenprofile Drehstromkabel (Beispiele für 380 kv) Trassenbreite ca. 14,5 m Trassenbreite ca. 13,5 m Tiefe: ca. 1,75 2,00 m Trassenbreite ca. 20,0 m Kabelgraben u.a. abh. von: Anzahl Systeme Kabelsystemabstände Leitermittenabstände Übertragungskapazität thermische Beeinflussung Magnetfeld Seite 19

20 Kabellegung Quelle: Pfisterer Seite 20

21 Gliederung Begriffsdefinitionen Hochspannungs-Drehstrom- und -Gleichstrom-Übertragung Eigenschaften Drehstrom-Kabel Eigenschaften Gleichstrom-Freileitung HGÜ und Gleichstrom-Kabel und Gleichstrom-Kabel Grundsätzlicher Vergleich HDÜ- und HGÜ Grundsätzlicher Vergleich Freileitung und Kabel Seite 21

22 VSC-Hochspannungs-Gleichstromübertragung (selbstgeführte HGÜ) ~ = = ~ Quelle: Siemens AG, 2011 tayfr selbstgeführte Stromrichter mit Gleichspannungszwischenkreis auf Basis von IGBT unabhängige Wirk-und Blindleistungsregelung keine Längenbegrenzung ( km) Zusatzverluste in den Konverterstationen: 1,0 % je Konverterstation Ausführung als Freileitung: 650 kv, >2200 MW Ausführung als MI-Kabel: 550 kv, ca MW Einsatz von ölfreien VPE-Kabeln möglich: bis ca MW bei ±320 kv 525-kV-DC-VPE-Kabel als Prototyp vorgestellt, Langzeittest bestanden Seite 22

23 525-kV-VPE-Gleichstrom-Kabel Prototyp Quelle: ABB Grid Systems, Technical Paper: The new 525 kv extruded HVDC cable system, Aug 2014 Seite 23

24 Grabenprofile Gleichstromkabel (Beispiele für 320 kv) Variante 1: Äquidistante Legung Erdaushub Trassenbreite ca. 11,0 m Erdaushub > 0,60 10,10 > 0,60 > 3,00 > 0,60 5,00 Baustraße 5,00 1,00 1, ,5 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,5 Tiefe: ca. 1,75 2,00 m 6,60 m ca. 24,90 Variante 2: 2x2 Systeme äquidistant verlegt Erdaushub Trassenbreite ca. 11,0 m Erdaushub > 0,60 10,10 > 0,60 > 3,00 > 0,60 5,00 1,75 1,00 Baustraße 5,00 Variante 3: 2 Doppelsysteme in getrennten Kabelgräben > 0,60 7,20 > 0,60 > 3,00 1, ,5 0,5 1,70 0,5 0,5 3, ,5 0,5 1,20 0,5 1,20 0,5 1,20 0,5 0,5 Baustraße ca. 19,8 6,60 > 0,60 7,20 > 0,60 1,75 ca. 24,90 Trassenbreite ca. 20,0 m 45 0,5 0,5 1,70 0,5 0,5 3,70 Kabelgraben u.a. abh. von: Anzahl Systeme Kabelsystemabstände Leitermittenabstände Übertragungskapazität thermische Beeinflussung Magnetfeld Seite 24

25 Gliederung Begriffsdefinitionen Hochspannungs-Drehstrom- und -Gleichstrom-Übertragung Eigenschaften Drehstrom-Kabel Eigenschaften HGÜ und Gleichstrom-Kabel Grundsätzlicher Vergleich HDÜ- und HGÜ Grundsätzlicher Vergleich Freileitung und Kabel Seite 25

26 Vergleich HDÜ- mit HGÜ-Technik im vermaschten HöS-Netz Drehstromtechnik (HDÜ) einfache Spannungstransformation und Leistungsauskopplung (UW) selbstständige Einstellung des Leistungsflusses überlastbar belastungsabhängiger induktiver bzw. kapazitiver Blindleistungsbedarf wirtschaftliche Leitungslänge begrenzt, ausreichend im europ. Verbundsystem natürliche Erhöhung der Netzstabilität Erhöhung der Kurzschlussleistung, Spannungsstützung bei Kurzschluss Gleichstromtechnik (HGÜ) Umweg über HDÜ, Multi-Terminal-Betrieb, zus. Stromrichterstationen aktive Steuerung des Leistungsflusses keine Überlastfähigkeit geregelte Blindleistungsbereitstellung bei der VSC HGÜ keine Längengrenzung, Wirtschaftlichkeit für kurze Leitungslängen begrenzt asynchrone Netzkopplung, künstliche Erhöhung der Netzstabilität möglich ungenügender Beitrag zur Spannungsstützung bei Kurzschluss Seite 26

27 Gliederung Begriffsdefinitionen Hochspannungs-Drehstrom- und -Gleichstrom-Übertragung Eigenschaften Drehstrom-Kabel Eigenschaften HGÜ und Gleichstrom-Kabel Grundsätzlicher Vergleich HDÜ- und HGÜ Grundsätzlicher Vergleich Freileitung und Kabel Seite 27

28 Nutzungsdauer, Überlastbarkeit, Betriebserfahrung und Querungen Freileitung Kabel Nutzungsdauer > 80 Jahre Überlastbarkeit in kalten oder windstarken Jahreszeiten größte Überlastungsreserve Jahre in Abhängigkeit von der Vorbelastung ist ggf. eine Überlastung möglich Verkürzung der Lebensdauer Betriebserfahrung HDÜ Betriebserfahrung HGÜ Querung von Hindernissen 380-kV-HDÜ: seit kV-HDÜ: seit kV-HDÜ: seit kV-HGÜ: seit kV-HGÜ: seit 1970 Überspannung von Autou. Eisenbahn, Flüssen, etc. 380-kV-HDÜ, MI-Kabel: seit kV-HDÜ, VPE: seit kV-HDÜ, MI: seit kV-HDÜ, VPE: seit kV-HGÜ, MI-Kabel: seit kV-HGÜ, VPE: seit kV-HGÜ, MI-Kabel: seit kV-HGÜ, VPE: 2014, Prototyp HDD-Bohrungen (HDD=Horizontal Direct Drilling) Seite 28

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. habil. B. R. Oswald Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Institut für Elektrische Energieversorgung Energieversorgung und Hochspannungstechnik Prof. Dr.-Ing. habil. Universität Lutz Hofmann Hannover