H. Wilhelm Lucking. Energiekabeltechnik. Mit 32 Bildern und 11 Tabellen. Friedr. Vieweg & Sohn. Braunschweig/Wiesbaden

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1 H. Wilhelm Lucking Energiekabeltechnik Mit 32 Bildern und 11 Tabellen Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/Wiesbaden

2 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Liicking, H. Wilhelm: Energiekabeltechnik/H. Wilhelm LUcking. - Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg, ISBN-13: e-isbn-13: DOl: / Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1981 Die Vervielf:iltigung und Obertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch fur Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. 1m Einzelfall m~ Uber die Zahlung einer Gebtihr fur die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt fur die Vervielfaltigung durch aile Verfahren einschli~lich Speicherung und jede Obertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bander, Platten und andere Medien. Satz: Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig Umschlaggestaltung: Peter Neitzke, K6ln ISBN-13 :

3 Vorwort Das vorliegende Studienbuch "Energiekabeltechnik" ist die Unterlage fur eine Vorlesung, die ich seit SS 1977 an der Technischen Hochschule Darmstadt halte. Ziel ist es, in einem ersten Tell die Kabelaufbauelemente und die gangigen Kabelkonstruktionen nach VDE zu erlautern, und in einem zweiten Tell einen Oberblick zu geben tiber die theoretischen Grundlagen und die daraus zu ziehenden Folgerungen im Hinblick auf Konstruktionen von Kabeln fur hohere Spannungen und Leistungen. Die Kabeltechnik gewinnt sicherlich ihren Reiz durch die Mannigfaltigkeit ihrer Aufgaben und Losungswege. Dies zu vermitteln, ohne die Vertiefung bedeutsamer Grundgedanken zu vernachlassigen, erforderte im Hinblick auf die begrenzte Vorlesungszeit viele Kompromisse bei der Stoffauswahl. Mir schwebte in Analogie zu einer Bohrinsel vor, eine Plattform zu errichten, auf der der Horer sich sicher bewegen und selbstandig tiefer bohren und weiter aufbauen kann. Dem sollen auch die Literaturhinweise dienen, deren Beschrankung eine Ermunterung zum Studium sein moge. Ihre Auswahl ist wlllktirlich aus der gro~en Anzahl relevanter VerOffentlichungen vorgenommen, so wie sie von mir benutzt wurden, und beinhaltet keine Wertung. Wichtig war mir, unter didaktischen Gesichtspunkten jeder Vorlesungsstunde ein genau umschriebenes Thema zuzuordnen und die Stofftille so zu begrenzen, ~ ein Abschlu~ mogiich ist. Eine deutliche Untergliederung zur Erleichterung des Verstandnisses war eine selbstverstandliche Folgerung. Sicherlich ist dieses Buch zunachst ftir Studenten der Elektrotechnik geschrieben, die nach dem Vordiplom ihre technischen Kenntnisse tiber ein Investitionsgut der elektrischen Energieversorgung vertiefen wollen, das von gro~er volkswirtschaftlicher Bedeutung ist. In der Bundesrepublik Deutschland werden jahrlich mit einem lletrag von ca DM in der elektrischen Energieversorgung mehr Mittel als in jeder anderen Industriebranche investiert; ein Viertel dieser Aufwendungen flie~t in die Kabelnetze. Ingenieure, die Entscheidungen tiber ein so langiebiges Produkt, wie es Energiekabel auf dem heute erreichten Entwicklungsstand sind, zu Hillen haben, stehen somit in einer gro~en Verantwortung. Moglicherweise ist es auch fur diese Praktiker von Reiz, in einem Studienbuch noch einmal nachzulesen, wie sich ihr umfangreiches Erfahrungswissen aus der tagiichen Arbeit einfachen Entwicklungslinien zuordnen la~t. Die Fakten, die ich in diesem Buch zusarnmengestellt und geordnet habe, sind letztendlich von vielen F achkollegen, sei es als Kabelhersteller oder -anwender, erarbeitet worden. Gerne nehme ich Gelegenheit, mich fur jede Form der Zusarnmenarbeit, die in einzelnen Fallen schon 30 Jahre umf~t, zu bedanken. Ich bitte sehr, d~ sich jeder angesprochen ftihlt, ohne da~ ich Namen nenne. H. Wilhelm Lucking Koln, August 1979

4 I nhaltsverzeichnis Teill Kabelaufbauelemente und -konstruktionen 1 Kabelleiter Kupfer als Leiterwerkstoff Aluminium als Leiterwerkstoff Eigenschaften der Leiterdrahte Leiterverseilung Leiterkonstruktionen Definition des Leiterquerschnitts Papier als Kabeldielektrikum Wahl von Papier zur Kabelisolierung Anforderungen an Kabelisolierpapier , Papierherstellung Eigenschaften von Kabelisolierpapieren und deren Nachweis Isolierole zur Kabeltrankung Wahl von Mineralolen zur Kabeltdinkung Klassifizierung von Mineralolen Eigenschaften von Kabelisolierolen Harzzusatze ftir Kabeltrankmassen Haftmassen Fertigungsverfahren fur Papierkabel-Isolierungen..., Aufwickeln von Papierbandern auf den Kabelleiter Trocknen der Kabelisolierung Trankung der Kabelisolierung PVC als Kabeldielektrikum Wahl von PVC zur Kabelisolierung..., Anforderungen an PVC zur Kabelisolierung Zusammenstellung eines PVC-Kompounds zur Kabelisolierung Eigenschaften und Prtifungen der PVC-Kompounde Fertigungsverfahren ftir PVC-Isolierungen Polyathylen als Kabeldielektrikum Wahl von PE zur Kabelisolierung Verftigbare Polyathylene Eigenschaften von Polyathylen zur Kabelisolierung Fertigungsverfahren fur PE-Isolierungen Vernetzung von Polyathylen Eigenschaften von VPE zur Kabelisolierung

5 I nhaltsverzeichnis VII 7 Kabelmantel und -schirme, Schutzhi.illen Aufgaben dieser Kabelaufbauelemente Grundlagen der Metallkorrosion Verhalten metallener Mantel- und Rohrwerkstoffe Passiver Korrosionsschutz... " Aktiver Korrosionsschutz Normen und VDE-Bestimmungen Wesen und Notwendigkeit einer Normungsarbeit VDE-Vorschriftenwerk ,,Maschinenschutzgesetz" Normenwerk des DNA Deutsche Elektrotechnische Kommission Internationale Elektrotechnische Kommission EuroplHsche Elektrotechnische Kommissionen CIGRE GUltige kabeltechnische Normen und Bestimmungen Konstruktionen von Nieder- und Mittelspannungskabeln Aufbau einer VDE-Bestimmung Starkstrornleitungen Massekabel nach VDE PVC-Kabel nach VDE PE- und VPE-Kabel nach VDE VPE-Niederspannungskabel nach VDE 0272 Entwurf Kenn- und Kurzzeichen Prtifungen Marktgangige Kabeltypen Kabellegung, Garnituren und Montagetechniken Verlegung der Kabel in Erde Leiterverbindungen..., Muffen Aufbauelemente eines Endverschlusses..., Endverschllisse fur Massekabel Endverschllisse fur Kunststoffkabel... 71

6 VIII Teil II I nhaltsverzeichnis Theoretische Grundlagen Kabel fi.ir hohere Spannungen und leistungen Technische Grundprinzipien Komponenten ftit Massekabel GtiTtelkabel Schottwirkung der Papierisolierung H-Kabel Mehrmantelkabel Mechanismen eines Kabeldurchschlags Elektrische Beanspruchung der Kabelisolierung Leiterglattung durch leitfahige Schichten Hohlraumbildung irn Betrieb eines Kabels Glimmentladungsdurchschlag Warmedurchschlag Strombelastbarkeit von Energiekabeln Warmebilanz eines Kabels Berechnung der Verluste Innere Warmewiderstande eines Kabels A.u~erer Warmewiderstand bei Luftverlegung A.u~erer Warmewiderstand bei Erdverlegung Konstanten in der Belastbarkeitsgleichung Spezifischer Warmewiderstand des Erdbodens Bodenaustrocknung durch die Kabelverlustwarme Theorie der dosierten Bodenaustrocknung Hochstspannungskabel mit einem OI/Papier-Dielektrikum Elektrische Durchschlagfestigkeit Olkabel Druckkabel Gasinnendruckkabel Oilostatic- und Ol-Hochdruckkabel Vergleich stabilisierter Kabel Hochstspannungskabel mit einem Kunststoffdielektrikum Einsatz von Polyathylen Beurteilung des elektrischen Verhaltens Alterung durch "Water treeing" Trockenvernetzung bei Hochstspannungskabeln Lebensdauer-Gesetz kunststoffisolierter Kabel

7 I nhaltsverzeichnis IX 16 Hochleistungskabel Thermische Grenzleistungen Laterale Ktihlung der Kabeloberflache Integrale Ktihlung der Kabeloberflache lnnere Klihlung des Kabelleiters Einsatzbereiche zwangsgeklihlter Kabel Tieftemperaturkabel UltrahOchstspannungskabel liste der verwendeten Symbole Namenverzeichnis Sachverzeichnis