Berechnung der Kabelbelastbarkeit bei der Eiderquerung bei Tönning mit 110-kV-Kabeln. Bearbeiter Prof. Dr.-Ing. habil. B. R.

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1 Berechnung der Kabelbelastbarkeit bei der Eiderquerung bei Tönning mit 110-kV-Kabeln Bearbeiter Prof. Dr.-Ing. habil. B. R. Oswald Hannover 25. August 2014 Erweiterte Fassung 18. August 2016

2 1 Anlass, Durchführung und Vorgaben Für die Eiderquerung östlich von Tönning mit zwei Systemen 110-kV-Kabeln im HDD- Bohrverfahren wird die Kabelbelastbarkeit in folgenden drei Bereichen untersucht. Dreiecklegung im Schutzrohr mit einer maximalen Überdeckung von 24 m (Bild 1.1) Dreiecklegung im Schutzrohr in 3 m Tiefe Legung Kabel im im Übergangsbereich Rohr-Kabelendmast in 1,6 m Tiefe Die Kabelbelastbarkeit soll mindestens 870 A bei einem Tagesbelastungsgrad (Lastfaktor) m = 0,85 betragen. Als Stoffmedium im Ringspalt der Rohre wird Luft angenommen. Für die Belastbarkeit ist das der ungünstigste Fall. Als Einflussgrößen auf die Belastbarkeit werden untersucht: Kabelquerschnitt Ausführung des Kabelleiters (rund oder segmentiert) Erdung der Kabelschirme (einseitig oder beidseitig) Art und Durchmesser der Schutzrohre (HD-PE oder Stahl) Legung im (eben oder im Dreieck) Bettungsmaterial im (thermisch stabilisiert oder nicht) Die Berechnung der Kabelbelastbarkeit erfolgte nach den anerkannten Berechnungsverfahren in den internationalen Normen IEC und IEC durch die Firma Nexans Deutschland GmbH. Gegenüber der Fassung vom 25. August 2014 wurden die Berechnungen für ein Kabel NA(F)2XS(FL)2Y RMS/65 64/110 (123) kv ergänzt (Tabelle 3.7). Geländeoberkante Maximale Überdeckung ca. 24 m unter Geländeoberkante Abstand 10 m Bild 1.1. Kabellegung im Schutzrohr. Das mittlere Rohr dient als Reserverohr für den Fall eines Kabelschadens. Die Belastbarkeit wird für den ungünstigsten Fall des geringsten Systemmittenabstands untersucht. Dieser liegt vor, wenn ein Reservekabelsystem in das mittlere Rohr eingezogen ist. 2

3 Bild 1.2. profil bei ebener Legung im offenen. Abmessungen in cm. 3

4 2 Kabel NA(F)2XS(FL)2Y 1 RM/65 64/110 (123) kv 2.1 Aufbau und Daten 1 Rundleiter 2 Innere Leitschicht 3 VPE-Isolierung 4 Äußere Leitschicht 5 Polster 6 Schirm 7 Polster 8 Schichtenmantel 9 Außenmantel Bild 2.1. Aufbau der 110-kV-VPE-Kabel mit Aluminiumrundleiter Tabelle 2.1. Durchmesser über die Kabelschichten nach Bild 2.1 in mm Kabeltyp NA2XS(FL)2Y 1 RM/65 64/110 (123) kv Leiterquerschnitt 1400 mm mm 2 Leiter 45,2 49,1 innere Leitschicht 47,0 50,9 Isolation 83,0 86,9 äußere Leitschicht 84,6 88,5 Quellflies 85,4 89,3 Schirm 87,5 91,5 Polster 87,9 91,9 Schichtenmantel 88,3 92,3 Außenmantel 96,3 100,3 Tabelle 2.2. Elektrische Daten der 110-kV-VPE-Kabel mit Aluminiumrundleiter (Bild 2.1) Kabeltyp NA2XS(FL)2Y 1 RM/65 64/110 (123) kv Leiterquerschnitt 1400 mm mm 2 Nennspannung 64/110 kv 64/110 kv Maximal zulässige Betriebsspannung 123 kv 123 kv Gleichstromwiderstand bei 20 C 0,0212 Ω/km 0,0186 Ω/km Betriebsinduktivität 0,567 mh/km 0,514 mh/km Betriebsreaktanz 0,178 Ω/km 0,162 Ω/km Betriebskapazität 0,244 µf/km 0,260 µf/km Ladestrom 4,87 A/km 5,18 A/km 4

5 2.2 Belastbarkeit Die folgenden Tabellen enthalten die maximale Strombelastbarkeit sowie die Temperaturen an der Leiteroberfläche ϑ L und am Kabelmantel ϑ M bei der zulässigen Stromtragfähigkeit von 870 A und m = 0,85. ϑ U ist die angenommene Umgebungstemperatur. Tabelle 2.3. NA2XS(FL)2Y RM/65, einseitig geerdet, e und 500/400 mm 3 1,0 1, ,6 67,8 960,5 24,25 0,7 0, ,9 77,0 896,7 3 1,0 1, ,4 65,7 977,7 24,25 0,7 0, ,9 75,1 907,7 1,6 1,2 1, ,3 54,3 1036,5 2,5 1, ,7 Bei ebener Legung der Kabel mit Rundleiter mit einem Leiterquerschnitt von 1400 mm 2 im mit den Abständen in Bild 1.2 ohne thermisch stabile Bettung (spezifischer Erdbodenwiderstand im Trockenbereich ρ tro = 2,5 Km/W) wird mit 865,7 A die geforderte Stromtragfähigkeit von 870 A nicht erreicht (Tabelle 3.2). Bei Vergrößerung der Kabelmittenabstände auf 300 mm und des Systemmittenabstands auf 1100 mm steigt die Stromtragfähigkeit ohne thermisch stabile Bettung auf 887,2 A. Mit thermisch stabiler Bettung (ρ tro = 1,2 Km/W) und den Abständen in Bild 1.2 liegt die Belastbarkeit im deutlich höher als im Bereich der Rohrverlegung. Dort ergibt sich die für die Kabelstrecke die geringste Belastbarkeit von 896,7 A im Bereich der größten Tiefe von 24,25 m. Mit dem Einsatz der größeren Rohrdurchmesser steigt die Belastbarkeit im Bereich der Rohrverlegung trotz des größeren Ringspaltes geringfügig an, was auf die größere Rohroberfläche zurück zu führen ist. Für den größeren Leiterquerschnitt von 1600 mm 2 (Tabelle 2.4) ergibt sich bei ebener Legung der Kabel im mit den Abständen in Bild 1.2 auch ohne thermisch stabile Bettung eine ausreichende Stromtragfähigkeit von 918,7 A. Mit thermisch stabiler Bettung liegt der thermische Engpass wieder im Bereich der Rohrverlegung mit HD-en in der größten Tiefe von 24,25 m (941,0 A). Tabelle 2.4. NA2XS(FL)2Y RM/65, einseitig geerdet, e und 500/400 mm 3 1,0 1, ,7 63,1 1009,9 24,25 0,7 0, ,5 70,9 941,0 3 1,0 1, ,7 61,1 1028,3 24,25 0,7 0, ,8 69,2 952,8 1,6 1,2 1, ,4 49,0 1102,6 2,5 1, ,7 67,9 918,7 5

6 3 Kabel NA(F)2XS(FL)2Y 1 RMS/65 64/110 (123) kv 3.1 Aufbau und Daten 1 Segmentleiter 2 Innere Leitschicht 3 VPE-Isolierung 4 Äußere Leitschicht 5 Polster 6 Schirm 7 Polster 8 Schichtenmantel 9 Außenmantel Bild 3.1. Aufbau der 110-kV-VPE-Kabel mit Aluminiumsegmentleiter Tabelle 3.1. Durchmesser über die Kabelschichten nach Bild 3.1 in mm Kabeltyp NA(F)2XS(FL)2Y 1 RMS/65 64/110 (123) kv Leiterquerschnitt 1200 mm mm mm 2 Leiter 45,1 47,1 49,8 innere Leitschicht 47,1 49,1 51,8 Isolation 83,1 85,1 87,8 äußere Leitschicht 85,1 87,1 89,4 Quellflies 85,9 87,9 89,9 Schirm 88,1 90,1 92,1 Polster 88,8 90,8 92,5 Schichtenmantel 89,2 91,2 92,9 Außenmantel 97,2 99,2 100,9 Tabelle 3.2. Elektrische Daten der 110-kV-VPE-Kabel mit Aluminiumsegmentleiter Kabeltyp NA(F)2XS(FL)2Y 1 RMS/65 64/110 (123) kv Leiterquerschnitt 1200 mm mm mm 2 Nennspannung 64/110 kv 64/110 kv 64/110 kv Maximal zul. Betriebsspannung 123 kv 123 kv 123 kv Gleichstromwiderstand bei 20 C 0,0247 Ω/km 0,0212 Ω/km 0,0186 Ω/km Betriebsinduktivität 0,5311 mh/km 0,5224 mh/km 0,511 mh/km Betriebsreaktanz 0,167 Ω/km 0,164 Ω/km 0,161 Ω/km Betriebskapazität 0,2446 µf/km 0,253 µf/km 0,263 µf/km Ladestrom 4,88 A/km 5,04 A/km 5,25 A/km 6

7 3.2 Belastbarkeit Tabelle 3.3. NA(F)2XS(FL)2Y RMS/65, einseitig geerdet,, Stahlrohr und Stahlrohr 406/390 mm 3 1,0 1, ,7 68,6 947,2 24,25 0,7 0, ,9 77,8 889,8 3 1,0 1, ,0 60,1 1016,3 24,25 0,7 0, ,1 68,4 944,9 1,6 1,2 1, ,0 55,6 1014,4 2,5 1, ,8 Ohne thermisch stabile Bettung wird die geforderte Stromtragfähigkeit im Bereich des Kabelgrabens mit den Abständen nach Bild 1.2 nicht erreicht (Tabelle 3.3). Mit thermisch stabiler Bettung in den Gräben liegt der thermische Engpass wie bei den Kabeln mit Rundleiter im Bereich der Rohrlegung mit maximaler Überdeckung. Beim Einsatz von Stahlrohren erhöht sich die Stromtragfähigkeit an dieser Stelle um etwa 6 %, bedingt durch die bessere Wärmeleitfähigkeit der Stahlrohre gegenüber den en. Mit dem nächst größeren Leiterquerschnitt von 1400 mm 2 (Tabelle 3.4) wird die geforderte Stromtragfähigkeit von 870 A im Gaben auch ohne thermisch stabile Bettung erreicht. Tabelle 3.4. NA(F)2XS(FL)2Y RMS/65, einseitig geerdet, und 3 1,0 1, ,0 60,6 1025,4 24,25 0,7 0, ,4 67,9 956,3 1,6 1,2 1, ,1 48,5 1096,3 2,5 1, ,2 68,1 915,1 Bei beidseitiger Erdung der Kabelschirme (Tabellen 3.5 und 3.6) geht die Stromtragfähigkeit auf Grund der zusätzlichen Verluste - verursacht durch die Schirmströme - wesentlich zurück. Das für diese Erdungsart sonst übliche zyklische Auskreuzen der Kabelschirme in den Kabelschirme (Cross-Bonding) kann durch die Rohrverlegung nicht ausgeführt werden. Durch berührende Dreiecklegung im und Vergrößerung des Systemmittenabstandes auf mindestens 1150 mm, kann mit dem Leiterquerschnitt von 1400 mm ein maximaler Strom von 872,6 A übertragen werden (Tabelle 3.6). Tabelle 3.5. NA(F)2XS(FL)2Y RMS/65, beidseitig geerdet,, eben, dreieck 1000 mm 1,6 1,2 1, ,2 1,6 1,2 1, ,6 7

8 Tabelle 3.6. NA(F)2XS(FL)2Y RMS/65, beidseitig geerdet, Stahlrohr und Stahlrohr 406/390 mm, eben, dreieck 1000 mm, dreieck 1150 mm 24,25 0,7 0, ,9 78,8 892,5 1,6 1,2 1, ,4 1,6 1,2 1, ,6 1,6 1,2 1, ,5 80,5 872,6 In der folgenden Tabelle 3.7 für das Kabel NA(F)2XS(FL)2Y RMS/65 gelten die Leiter- und Mantel- bzw. Rohraußentemperaturen für einen Belastungsstrom von 930 A bei einem Lastfaktor von 0,85. Tabelle 3.7. NA(F)2XS(FL)2Y RMS/65, einseitig geerdet, und 1) Rohraußentemperatur 3 1,0 1, ,5 52,9 1) 1093,0 24,25 0,7 0, ,2 60,6 1) 1017,8 1,6 1,2 1, ,9 48,7 1174,4 2,5 1, ,3 68,6 977,9 Bei beidseitiger Erdung der Kabelschirme wird die vorgesehene Stromtragfähigkeit von 930 A in keinem Legeabschnitt erreicht. Somit kommt eine beidseitige Erdung der Kabelschirme nicht in Frage. Bei einseitiger Erdung der Kabelschirme (Tabelle 3.7) und Bettung im mit thermisch stabilem Material mit einem thermischen Widerstand von 1,2 Km/W liegt der thermische Engpass im tiefen Rohrabschnitt. Er begrenzt die Übertragungsfähigkeit auf 1017,8 A. 8

9 4 Zusammenfassung Das Bild 4.1 stellt die Stromtragfähigkeit der untersuchten Kabeltypen mit unterschiedlichen Querschnitten bei ebener Legung im mit thermisch stabiler Bettung sowie in HD-PE- Rohren mit 3 m Überdeckung und maximaler Überdeckung von 24 m gegenüber Strombelastbarkeit in A RM 1200 RMS 930 A 1600 RM 1400 RMS 1600 RMS A 850 Rohr 3 m Rohr 24 m Bild 4.1. Stromtragfähigkeit der Kabel mit Rundleiter (RM) und Segmentleiter (RMS) für verschiedene Leiterquerschnitte (1200 mm 2 bis 1600 mm 2 ) bei Legung im nach Bild 1.2 und im HD-PE- Rohr nach Bild 1.1 bei einseitiger Erdung der Kabelschirme und Lastfaktor 0,85. 9

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