Modulares Analysesystem für Grundsatzuntersuchungen an langen Netzverbindungen mit Drehstrom-Hoch- und Höchstspannungskabeln

Die ständig steigende Integration der Erneuerbaren Energien in das Übertragungsnetz macht eine Verstärkung vorhandener Stromtrassen auf Hoch- und Höchstspannungsebene dringend erforderlich. Dazu werden in mehreren Ländern anstelle von Freileitungen Kabelsysteme geplant und gebaut. Die Erfahrungen bezüglich Planung und Betrieb ausgedehnter Übertragungsnetze beziehen sich größtenteils auf Freileitungen. Wegen der deutlich unterschiedlichen elektrischen Parameter von Freileitung und Kabel kann der Netzausbau durch Einsatz von Drehstromkabeln großer Länge das Betriebsverhalten des vorhandenen Übertragungsnetzes wesentlich verändern. Daraus ergeben sich viele neue technische Probleme und Herausforderungen, die bei konventionellen Freileitungsnetzen nicht auftreten oder nicht beachtenswert sind. Entwurfkriterien für Energiekabel liegen bisher hauptsächlich für kurze Stecken vor. Beachtliche Unterschiede beim Design langer Kabelsysteme bestehen darin, dass wichtige Betriebskenngrößen wie Temperaturen, Verluste, Ströme und Spannungen entlang der Kabelstrecke sowohl bei stationären als auch bei transienten Betriebsvorgängen nicht mehr gleichmäßig, sondern ortsabhängig verteilt sind. Diese Verteilungen sind von vielen Parametern wie Einspeisebedingungen, Blindleistungskompensationen sowie Schirmbehandlungen abhängig. Vernachlässigungen dieser ortsabhängigen Effekte können einerseits zu Risiken und andererseits zu wirtschaftlich ungünstigen Überschätzungen der Übertragungsverluste sowie zur Überdimensionierung der Kabelaufbauelemente führen. Um die Einschränkungen der bestehenden Standardmethoden bei der Analyse von ausgedehnten Kabelsystemen zu umgehen, wird ein umfassendes und kompaktes Energiekabelanalysesystem auf Basis eines Schaltungssimulationsprogramms „ATP- EMTP“ entwickelt. Statt einer konventionellen, separierenden Betrachtungsweise ermöglicht das neu entwickelte Analysesystem ein kompaktes Design sowie die simultane Analyse und Optimierung von Kabelanlagen bezüglich elektrischer, thermischer, magnetischer und mechanischer Anforderungen in stationären sowie in transienten Betriebszuständen. Zudem werden neue Möglichkeiten der Modellierung der thermischen Kopplungen im Erdboden vorgestellt, welche eine schnelle thermische Analyse für Kabelanlagen bei beliebigen Belastungen erlaubt und sehr geeignet ist zur Untersuchung der dynamischen Überlastbarkeiten von Seekabeln, Kabeln in Tunneln oder gehäuft verlegten Kabelsystemen. Mit dem entwickelten Analysesystem werden die wichtigsten stationären und transienten Betriebsvorgänge bei langen Kabelverbindungen sowie bei Zwischenverkabelungen eingehend untersucht. Risiken, Gegenmaßnahmen sowie Optimierungsmöglichkeiten beim Netzausbau mit Drehstromkabeln großer Länge werden aufgezeigt.