Technische und wirtschaftliche Aspekte der Teilerdverkabelung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann

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Kajetan Hauer
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1 Technische und wirtschaftliche Aspekte der Teilerdverkabelung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik Fachgebiet Elektrische Energieversorgung

2 Einleitung neue Übertragungs- und Verteilungsaufgaben für die Netzbetreiber Ausbau der Übertragungsnetze ist notwendig und unumstritten z. B.: dena-studie: 850 bzw km neue HöS-Leitungen bis 2015/20 Verstärkung der Haupttransportwege Ausbau der Kuppelleitungskapazitäten Ausbau / Umstruktuierung der Verteilungsnetze Kabel oder Freileitung (oder Gasisolierte Übertragungsleitung (GIL)) technische Eigenschaften Betriebsverhalten wirtschaftliche Gesichtspunkte Umweltverträglichkeit Akzeptanz 2

3 HöS-Netzausbau mit HDÜ und HGÜ Hochspannungs- Drehstrom-Übertragung (HDÜ) Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) 3

4 HöS-Netzausbau mit HDÜ und HGÜ Hochspannungs- Drehstrom-Übertragung (HDÜ) Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) LCC HGÜ VSC HGÜ Freileitung Kabel GIL Freileitung GIL Kabel Teilverkabelung Teilverkabelung HDÜ-Freileitungen dominierend im vermaschten UCTE-Verbundsystem LCC HGÜ dominierend als Punkt-zu-Punkt-Verbindung (Grenzen der HDÜ) Strecke Ganderkesee St. Hülfe nicht als HGÜ-Pilotstrecke ausgewählt GIL = Gasisolierte Übertragungsleitung 4

selbstheilende Isolation, Fehlerbeseitigung (Lichtbogenfehler) durch Kurzunterbrechung mit Automatischer Wiedereinschaltung (AWE)

5 Drehstromtechnik auf Basis von Freileitungen einfache, bewährte robuste Drehstromtechnik, am kostengünstigsten Übertragungskapazität bei 380 kv > 3000 MVA, geringe Verluste Überlastungsreserve durch Ausnutzung klimatischer Verhältnisse selbstheilende Isolation, Fehlerbeseitigung (Lichtbogenfehler) durch Kurzunterbrechung mit Automatischer Wiedereinschaltung (AWE) hohe Verfügbarkeit, kurze Reparaturdauern, wartungsarm, sehr hohe Nutzungsdauern (> 80 a) große Isolationsabstände (5000 mm bei 380 kv), breite Trasse 5

6 Mastbilder 28,70 3,20 8,00 39,90 28,70 11,00 2,50 8,00 50,20 28,70 11,00 11,00 2,50 8,00 61,20 Schutzstreifenbreite für 400 m Spannfeld und 46 N/mm 2 Mittelzugspannung: 70 m 57 m 48 m 6

zusätzliche Kompensationsverluste fester Isolationsstoff, Isolationsabstände bei 380 kv: 30 mm hohe Verfügbarkeit, aber

7 Konventionelle Drehstromtechnik auf Basis von Kabeln 1/2 Quelle: Nexans einfache, bewährte Technik begrenzte Reichweite, erweiterbar durch Blindleistungskompensation begrenzte Übertragungskapazität, geringe Verluste, ggf. zusätzliche Kompensationsverluste fester Isolationsstoff, Isolationsabstände bei 380 kv: 30 mm hohe Verfügbarkeit, aber im Fehlerfall sehr lange Ausfallzeiten, Nutzungsdauer ca Jahre 30 mm Muffengruben/Muffenbauwerke (mind. alle 900 m), Muffenlänge ca. 3 m 7

Transportlänge Kabel) Quelle: BEWG Sonderdruck ew Nr.

8 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) 8

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

10 Grabenprofile für vier Drehstromkabelsysteme Trassenbreite ca. 14,5 m Trassenbreite ca. 13,5 m Trassenbreite ca. 20,0 m Kabelgraben u.a. abh. von: Anzahl Systeme Kabelsystemabstände Leitermittenabstände Tiefe: ca. 1,75 2,00 m 10

11 Aufbau 380-kV-Grabenprofil für zwei Drehstromsysteme (Amprion) Quelle: Amprion GmbH 11

12 Tunnelbauwerke Drehstromkabel 380-kV-Tunnelbauwerk mit Kabelmuffe, Flughafen Madrid, Quelle: Prof. H. U. Paul 380-kV-Tunnelbauwerk Berlin, Quelle: C. Rathke 12

13 Zwischenverkabelung: Übergang Freileitung Kabel Freileitungstrasse Kabeltrasse Freileitungstrasse Kabeltrasse Kabel-Freileitungs- Übergangsanlage Kabel-Freileitungs- Übergangsanlagen 13

14 Freileitung-Kabel-Übergangsanlage, Beispiel Madrid 14

15 Bemerkungen zur Verkabelung und Teilverkabelung kaum Betriebserfahrungen mit Teilverkabelungsstrecken in der HöS-Ebene Kabel bestimmen die Überlastbarkeit der gesamten Übertragungsstrecke zusätzliche Betriebsmittel/Komponenten (Kabel, Muffen, Kabelendverschlüsse, etc. ggf. Leistungsschalter und Trenner) erhöhen die Nichtverfügbarkeit und Betriebskosten der gesamten Übertragungsstrecke erhebliche Unterschiede hinsichtlich Verfügbarkeit zwischen Freileitungen und Kabeln (z. B. wegen selbstheilender Isolation der Freileitung, längerer Reparaturdauer Kabel) HDÜ-Freileitung HDÜ-Kabel 1) geplant ungeplant geplant ungeplant Ausfallhäufigkeit λ in 1/100km/a 0,17 0, ,657 Ausfalldauer T in h 3,00 2, ,2 Nichtverfügbarkeit f. 40 km in h/a 0,20 0, ,89 1) Zuverlässigkeitsdaten von 110-kV-Kabeln (Beispielwerte VDN-Störungsstatistik), Wartungsdaten geschätzt 15

16 Ausfallverhalten Freileitung und Freileitung mit Zwischenverkabelung Zuverlässigkeitsdaten von 110-kV-Kabeln (Beispielwerte VDN- Störungsstatistik), ohne Wartung 16

Elektromagnetische Felder Magnetisches Feld abhängig von der Höhe des Stromes Elektrisches Feld abhängig von der Leiter-Erde-Spannung Kabel besitzen aufgrund des Schirmes kein äußeres elektrisches

17 Elektromagnetische Felder Magnetisches Feld abhängig von der Höhe des Stromes Elektrisches Feld abhängig von der Leiter-Erde-Spannung Kabel besitzen aufgrund des Schirmes kein äußeres elektrisches Feld elektromagnetische Felder abhängig von Abstand zur Leitung und Geometrie: kleinere Leiterabstände führen zu kleineren Feldern größere Abstände zur Leitung führen zu kleineren Feldern Verringerung der elektromagnetischen Felder durch geringere Leiterabstände, größere Verlegetiefe bzw. höhere Aufhängepunkte und geringeren Durchhang, optimale Phasenfolge, Sonstiges (z. B. Schirmung) 17

Beispiel: Vergleich der magnetischen Induktion 100 90 80 70 60 B / µt 50 40 30 20 10 0-50 -40-30

18 Beispiel: Vergleich der magnetischen Induktion B / µt x / m Magnetische Gesamtinduktion 20 cm über EOK bei 3000 MVA Ü-Leistung 18 18

19 Beispiel: Vergleich der magnetischen Induktionen Ergebnis: Grenzwert von 100 µt (50 Hz) wird bei allen Varianten eingehalten Magnetische Induktion gemäß 26. BImSchV Normalbetrieb in µt Leitungstyp Leiterabstand zur EOK max m 400 m Donaumast Tonnenmast Einebenenmast 12 m ( min. Durchhang) 26,20 0,25 0,06 7,8 m (Mindestabst.) 52,50 0,25 0,06 12 m ( min. Durchhang) 27,81 0,43 0,11 0,43 7,8 m (Mindestabst.) 46,30 0,43 0,11 12 m ( min. Durchhang) 36,46 0,04 0,005 7,8 m (Mindestabst.) 68,33 0,04 0,005 Kabel Variante 1 1,5 m Legetiefe 91,33 0,03 0,007 Kabel Variante 2 1,5 m Legetiefe 64,14 0,02 0,005 Kabel Variante 3 1,5 m Legetiefe 63,93 0,02 0,005 1) maximal auftretende magnetische Gesamtinduktion bei maximalem Strom, bei Freileitung nur in Spannfeldmitte, bei Kabel entlang der gesamten Trasse zum Vergleich Haushaltsgeräte in 30 cm Abstand: Staubsauger: 2-20 µt Elektroherd: 0,15-8 µt Handmixer: 0,6-10 µt Fernseher: 0,04-2 µt 19

20 Wirtschaftlicher Vergleich Freileitung und Freileitung mit Teilverkabelung Investitionskosten bei 100 % Freileitung, 50 % Teilverkabelung in einem Abschnitt und in drei gleich langen Abschnitten und 100 % Kabel (schematisch) Kosten Optimierungspotenzial Kabelübergänge Optimierungspotenzial Kabelanlage 100 % Kabel 50 % Kabel 3 Abschnitte 50 % Kabel 1 Abschnitt 100 % Freileitung Quelle: Oswald, B. R., Hofmann, L., 2008 Länge 20 20

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik Fachgebiet Elektrische Energieversorgung 21

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