Technische Randbedingungen beim Einsatz und Betrieb von Freileitungen und Erdkabeln Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann

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1 Technische Randbedingungen beim Einsatz und Betrieb von Freileitungen und Erdkabeln Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik Fachgebiet Elektrische Energieversorgung

2 Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Technische Eigenschaften Betriebsverhalten Zwischenverkabelung Wirtschaftliche Gesichtspunkte Zusammenfassung 2

3 Aufbau von Elektroenergiesystemen Höchstspannungsnetz Verteilungsnetz Übertragungsnetz Hochspannungsnetz Mittelspannungsnetz Niederspannungsnetz 3

4 Einfluss der geänderten Einspeisung auf das Netz Leistungstransite ~ ~ Offshore WEA ~ 220 / 380 kv ~ ~ ~ 110 kv ~ 10, 20 kv DEA ~ 0,4 kv Quelle: Vortrag Prof. Oswald, IEH 4

5 Rahmenbedingungen und Entwicklungstendenzen günstige, umweltfreundliche und sichere Energieversorgung lange Abschreibungs- und Nutzungsdauern stranded investments Anreizregulierung, effiziente Netzbetreiber, kostenoptimale Netze wachsender Energiebedarf (?), Energieeffizienz, Verknappung der fossilen Energieträger, CO 2 Ziele der Bundesregierung verstärkte Nutzung regenerativer Energieträger (20/2020), Energiemix aus zentraler und dezentraler Erzeugung Kernenergieausstieg und Ersatz älterer thermischer Kraftwerke Wettbewerb und Intensivierung des europäischen Strommarkts Leistungsabführung aus GW-Offshore-Windenergieparks stark veränderte bzw. sich verändernde Übertragungs- und Verteilungsaufgaben Netze sind über Jahrzehnte gewachsen 5

6 Stromkreislängen HS- und HöS-Ebene ,0 Leitungslänge in Tsd.-km 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0, Freileitung Kabel Gesamt Freileitungen dominierend, geringer Kabelanteil Kabel z. B. nur in innerstädtischen Verbindungen 6

7 Stromkreislängen MS-Ebene ,0 500,0 Leitungslänge in Tsd.-km 400,0 300,0 200,0 100,0 0, Freileitung Kabel Gesamt Standard Kabel, in städtischen und regionalen Netzen Zubau Freileitungen nur in ausgesprochen ländlichen Regionen 7

8 Stromkreislängen NS-Ebene , ,0 Leitungslänge in Tsd.-km 800,0 600,0 400,0 200,0 0, Freileitung Kabel Gesamt Standard Kabel, in städtischen und regionalen Netzen Zubau Freileitungen nur in ausgesprochen ländlichen Regionen 8

9 Schlussfolgerung aus Entwicklungstendenzen neue Übertragungs- und Verteilungsaufgaben Ausbau der Übertragungsnetze ist notwendig und unumstritten 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 9

10 Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Technische Eigenschaften Betriebsverhalten Zwischenverkabelung Wirtschaftliche Gesichtspunkte Zusammenfassung 10

11 380-kV-Freileitungsabspannmast mit 2 Drehstromsystemen 11

12 380-kV-Freileitungstragmast mit sechs Stromkreisen selbstheilende Isolation Isolationsabstände: 380 kv: 5000 mm 110 kv: 2000 mm 20 kv: 180 mm 12

13 Größenvergleich von Freileitungsmasten a) 20-kV-Tragmast mit Stützisolatoren; b) 110-kV-Einebenen-Tragmast; c) 110-kV-Tragmast (Donautyp); d) Tragmast mit kV-Zweierbündelleitung und kV-Viererbündelleitung; e) 735-kV-Tragmast (Kanada) mit V-Ketten und Viererbündelleitung 13

14 Freileitung mit 6 Stromkreisen Freileitung mit 6 Stromkreisen bestehend aus: kV-Doppelleitung (oben) kV-Doppelleitung (mitte) kV-Doppelleitung (unten 14

15 400-kV-VPE-Einleiterkabel mehrdrähtiger Leiter 2 innere Leitschicht 3 VPE-Isolierung 4 äußere Leitschicht 5 leitfähige Polsterung 6 Schirm aus Kupfer 7 Querleitwendel aus Kupfer 8 Trennschicht 9 Stahlbandbewehrung 10 PE-Außenmantel fester Isolationsstoff Isolationsabstände: 380 kv: 30 mm 110 kv: 18 mm Quelle: Nexans 20 kv: 6 mm 15

16 Kabelgrabenprofil für drei Systeme während Bauphase (Maße in m) Erdaushub 0,6 11,0 0,6 Fahrbahn 1, ,0 1,5 0,3 0,3 3,0 3,0 Bettungsmaterial (Magerbeton) 9,0 ca. 21,0 Breite Kabelgraben u.a. abhängig von: Anzahl Systeme gewählte Kabelmittenabstände (hier 3 m) Leitermittenabstände (hier 0,3 m) Übertragungskapazität thermische Beeinflussung Magnetfeld 16

17 Dimensionen im Bereich Höchstspannungserdkabel Kabelgewicht Trommelgewicht Trommeldurchmesser Trommelbreite bis 40 kg/m bis 40 to bis 4,40 m bis 2,60 m Regelgrabentiefen Sohlenbreite Bodenaushub bis 1,75 m bis 15 m bis 30 m³ pro m Graben Bedarf an Bettungsmaterial bis 10 m³ pro m Kabelgraben, gleichzeitig Abtransport überschüssiger Boden Trassenbreiten bis 50 m große Herausforderung in Bezug auf Logistik und Verlegung Quelle: Bohlen & Doyen 17

18 Besonderheiten 1/2 Erstellung von Muffengruben oder Muffenbauwerken aus Beton in einem Abstand von max. 900 m (max. Transportlänge Kabel) Quelle: BEWG Sonderdruck ew Nr Länge ca. 3 m 380-kV-Aufschiebemuffe aus EPDM (Ethylen-Propylen-Dien Kautschuk) 18

19 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 Drehstrom-Einleiterkabel in Einebenenanordnung; Auskreuzen der Kabelmäntel, Crossbonding 19

20 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 20

21 Kabelrollenbock Quelle: Pfisterer 21

22 Verlegegeräte Ziehwinde Schubgerät Quelle: Pfisterer 22

23 Beispiel für Tunnelverlegung: 380-kV Tunnel Vattenfall Berlin Quelle: Pfisterer 23

24 Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Technische Eigenschaften Betriebsverhalten Zwischenverkabelung Wirtschaftliche Gesichtspunkte Zusammenfassung 24

25 Vergleich elektrischer Eigenschaften von Übertragungssystemen U nn =380 kv q in mm 2 Material R in mω/km L in mh/km C in nf/km G in ns/km I in A S in MVA Z W in Ω P Nat in MW Freileitung 1 4x264/34 AL/St 27,3 0,81 14, Freileitung 2 4x564/72 AL/St 13,8 0,796 14, Kabel mm 2 Cu 10,8 0, , Kabel mm 2 Cu 16 0, , S = thermisch zulässige Leistung, I = thermisch zulässiger Strom, P Nat = natürliche Leistung, I und S der Kabel abhängig von Verlegung und Belastungsgrad 25

26 Übertragungskapazität in Abhängigkeit von der Leitungslänge S = 3U I Übertragungskapazität max nn max Kabel 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 26

27 Kabelbelastbarkeit für ein 380-kV-VPE-Kabel in Abhängigkeit vom Kabelquerschnittsfläche A, dem Leitermittenabstand a und dem Belastungsgrad m ohne und mit thermisch stabilisierte Bettung S th /MVA m 0,7 1,0 a/m 1,0 0,5 0,3 1,0 0,5 0,3 S th /MVA m 0,7 1,0 a/m 1,0 0,5 0,3 1,0 0,5 0, R th in der Trockenzone 2,5 Km/W keine thermische Bettung R th in der Trockenzone 1,2 Km/W thermische Bettung A/mm 2 Quelle: ForWind-Gutachten, Prof. Oswald, IEH A/mm 2 27

28 Strombelastbarkeit: 380-kV-Kabel mit Kupferleiterquerschnitt 2500 mm 2 zul. Strom in Abhängigkeit von spezifischen thermischen Erdbodenwiderstand und spezifischen thermischen Bettungsmaterialwiderstand 28

29 Bodenaustrocknung: Temperaturverlauf, Isothermen und Einfluss thermisch stabilisierter Bettung Erdbodenoberfläche Oberkante thermische Bettung Isothermen Trockenbereich Kabeloberflächentemperatur Grenzisotherme Temperatur d x Abstand von der Kabelachse 29

30 Übertragungskapazität in Abhängigkeit von der Leitungslänge S = 3U I Übertragungskapazität max nn max Kabel Freileitung 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 max. dauernd zul. Strombelastbarkeit abhängig von Querschnittsfläche und Leiterseilmaterial, Belastungsgrad, max. zul. Temperatur der Leiterseile bzw. max. zul. Durchhang, klimatische Verhältnisse (Wind, Sonneneinstrahlung) 30

31 380-kV-Freileitung mit Viererbündeln 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 31

32 Übertragungskapazität in Abhängigkeit von der Leitungslänge begrenzende Faktoren: a) kapazitiver Ladestrom (Leerlauf am Leitungsende) I = Y sinh( γl) U ωc ' l U Lade W B nn 32

33 I Kapazität C Kapazitiver Ladestrom von Drehstromkabeln I Übertragung I zulässig = I + 2 Übertragung I 2 Kapazität IÜbertragung = I I = I ( ωc lu ) / 2 zulässig Kapazität zulässig Produkt l U ist begrenzt: Länge, Spannung wirtschaftliche Kabellänge ist begrenzt: Kompensation erforderlich 33

34 Übertragungskapazität in Abhängigkeit von der Leitungslänge begrenzende Faktoren: a) kapazitiver Ladestrom (Leerlauf am Leitungsende) I = Y sinh( γl) U ωc ' l U Lade W B nn b) Spannungsabfall entlang der Übertragungsleitung ( ) U = U U = cosh( γl) U + Z sinh( γl) I U R + jωl l I A B B W B B AB c) Ferranti-Effekt (Spannungsanstieg am leerlaufenden Leitungsende) U B 1 = U cosh( γl) A 34

35 Übertragbare Leistung von 110-kV-Drehstromkabeln 150 Leistung in MVA Ölkabel VPE-Kabel Gasdruckkabel 110-kV- Freileitung Länge in km 35

36 Vergleich Blindleistungsbedarf und Verluste von Übertragungssystemen 36

37 längenbezogener Blindleistungsbedarf für eine 380-kV-Freileitung und ein 380-kV-VPE-Kabel im Leerlauf und bei reiner Wirkleistungsabnahme von MW 6,00 4,00 2,00 Q in Mvar/km 0,00-2,00-4,00-6,00 Freileitung Leerlauf MW VPE-Kabel -8,00-10,00-12,00 37

38 magnetische Leiter- und Gesamtinduktion für 4 Kabelsysteme (Var. 1) S = 900 MVA Höhe = 1 m 80 B / µt y / m B ers B ers (Kab 1B ) B ers (Kab 2B ) B ers (Kab 3B ) B ers (Kab 4B ) B ers (Kab 5B ) B ers (Kab 6B ) B ers (Kab 1A ) B ers (Kab 2A ) B ers (Kab 3A ) B ers (Kab 4A ) B ers (Kab 5A ) B ers (Kab 6A ) x / m x / m 38

39 magnetische Leiter- und Gesamtinduktion für 4 Kabelsysteme (Var. 2) B / µt y / m B ers B ers (Kab 1B ) B ers (Kab 2B ) B ers (Kab 3B ) B ers (Kab 4B ) B ers (Kab 5B ) B ers (Kab 6B ) B ers (Kab 1A ) B ers (Kab 2A ) B ers (Kab 3A ) B ers (Kab 4A ) B ers (Kab 5A ) B ers (Kab 6A ) x / m S = 900 MVA Höhe = 1 m 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 x / m 39

40 Versorgungssicherheit: Zuverlässigkeit der Leitungen elektrische Hoch- und Höchstspannungsnetze werden nach dem (n-1)- Kriterium geplant und betrieben (deterministisches Ausfallkriterium) 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) Beispielwerte VDN- Störungsstatistik Ausfallhäufigkeit λ Ausfalldauer T Nichtverfügbarkeit für 100 km Freileitung 0, /km a 2,94 h 1,04 h/a Kabel 0, /km a 68,2 h 44,8 h/a Zuverlässigkeitsdaten 380-kV-Daten sind mit Daten von 110-kV-Kabeln abgeschätzt worden. 40

41 Überlastbarkeit und Überlastungsreserve Überlastbarkeit von Betriebsmitteln bietet im Störfall notwendige Reserven Freileitungen nur bei sehr ungünstigen Kühlungsverhältnissen wird thermische Grenztemperatur (Bodenabstände, Trassierung) erreicht in kälteren Jahreszeiten oder in windstarken Zeiten besteht größte Überlastungsreserve Kabel Erdbodentemperatur weitgehend von Jahreszeit unabhängig in Abhängigkeit von der Vorbelastung kann eine Überlastung nur bei Überschreitung der zulässigen Leitertemperatur möglich sein Verkürzung der Lebensdauer 41

42 Lastfluss- und Kurzschlussverhältnisse und Sternpunktbehandlung Lastflussverhältnisse Kabel 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 Kurzschlussverhältnisse durch 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 42

43 Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Technische Eigenschaften Betriebsverhalten Wirtschaftliche Zwischenverkabelung Gesichtspunkte Wirtschaftliche Gesichtspunkte Zusammenfassung 43

44 Teilverkabelung: Varianten Freileitung Kabel Freileitung 2 Kabelsysteme 3 Kabelsysteme 4 Kabelsysteme Kabel bestimmen die Überlastbarkeit der gesamten Übertragungsstrecke 44

45 Freileitung-Kabel-Übergangsanlage, Beispiel Madrid 2 Drehstromsysteme 380 kv ca. 50 m ca. 50 m Flächenbedarf ca. 50 m 50 m = qm 45

46 Aufwand für Freileitung-Kabel-Übergangsanlage 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.) Kabel sind vor Überspannungen (Schalt- und Blitzstoßspannungen) durch Überspannungsableiter an beiden Kabelenden zu schützen! 46

47 Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Technische Eigenschaften Betriebsverhalten Zwischenverkabelung Einflüsse Wirtschaftliche auf die Gesichtspunkte Umwelt und Einfluss der Umwelt Zusammenfassung 47

48 Wirtschaftlichkeit Betriebskosten sonstige Kosten z.b. Reparaturkosten einmalig jährlich bei Ereignissen Verlustkosten Wartungskosten stromabhängige Verluste Investitionskosten spannungsabhängige Verluste Kompensationsverluste Kostenvergleich unter Berücksichtigung aller Kostenanteile 48

49 Berechnung der Verluste und jährliche Verlustkosten 1. stromabhängige Verluste und jährliche Kosten steigen quadratisch mit der übertragenen Leistung schwanken mit der Netzlast steigen mit der Leitungslänge 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 Kosten auf Bezugszeitpunkt (z.b. Barwertmethode) 49

50 Vergleichende Studie zu Stromübertragungstechniken im Höchstspannungsnetz Technische, betriebswirtschaftliche und umweltfachliche Beurteilung von Freileitung, VPE-Kabel und GIL am Beispiel der 380-kV-Trasse Ganderkesee - St. Hülfe 50

51 Beispiel für Wirtschaftlichkeitsvergleich Freileitung, Kabel, GIL Beispiel Quelle: ForWind-Studie 51

52 Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Technische Eigenschaften Betriebsverhalten Zwischenverkabelung Wirtschaftliche Gesichtspunkte Zusammenfassung 52

53 Zusammenfassung Ziel: sichere, günstige und umweltverträgliche Energieversorgung 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 53

54 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik Fachgebiet Elektrische Energieversorgung 54