Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Lutz Hofmann (Bürger)Konferenz: Alles unter die Erde? – Stromnetzausbau mit Erdverkabelung, Hannover, 24.09.2015 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Gliederung Begriffsdefinitionen Hochspannungs-Drehstrom-Gleichstrom-Übertragung Übersicht HDÜ- und HGÜ mitund Freileitung oder Kabel Eigenschaften Drehstrom-Kabel Eigenschaften HGÜ und Gleichstrom-Kabel Grundsätzlicher Vergleich HDÜ- und HGÜ Grundsätzlicher Vergleich Freileitung und Kabel L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 2 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Höchstspannungsnetzausbau mit HDÜ und HGÜ Hochspannungs-Energie-Übertragung HochspannungsDrehstrom-Übertragung (HDÜ) L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? HochspannungsGleichstrom-Übertragung (HGÜ) Seite 3 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Prinzipieller Aufbau einer Hochspannungs-Drehstromübertragung (HDÜ) DrehstromNetz mit 50 Hz Drehstromleitung (Kabel oder Freileitung) Drehstromnetz mit 50 Hz L1 L1 L2 L3 L2 L3 Quelle: Nexans L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 4 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Prinzipieller Aufbau einer Hochspannungs-Drehstromübertragung (HDÜ) Transformator Kompensationsanlage nur bei Bedarf Drehstromleitung (Kabel oder Freileitung) Transformator L1 L1 L2 L3 L2 L3 Kompensationsanlage nur bei Bedarf Quelle: Nexans L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 5 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Prinzipieller Aufbau einer VSC-Hochspannungs-Gleichstromübertragung (VSC-HGÜ) Transformator KonverterGleichstromleitung Konverterstation (Kabel oder Freileitung) station ~ = + - = + - DrehstromNetz mit 50 Hz Filteranlage ~ Drehstromnetz mit 50 Hz Filteranlage nur bei Bedarf nur bei Bedarf + L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Transformator ggf. zus. Neutralleiter (N) Seite 6 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Höchstspannungsnetzausbau mit HDÜ und HGÜ Höchstspannungsnetzausbau* HochspannungsDrehstrom-Übertragung (HDÜ) Freileitung HochspannungsGleichstrom-Übertragung (HGÜ) Kabel Teilverkabelung *Netzausbau mit Gasisolierter Übertragungsleitung (GIL) nicht berücksichtigt Seite 7 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Stromkreislänge und Verkabelungsgrad HöS-Ebene 1991 – 2013 45.000 0,6 0,5 35.000 Zubau von 75 km Kabel in 2011 30.000 0,4 25.000 0,3 20.000 15.000 0,2 Freileitungen 10.000 5.000 0 1990 0,1 Kabel Verkabelungsgrad in % Stromkreislänge in km 40.000 Verkabelungsgrad 1995 2000 2005 2010 0,0 2015 Jahr Quelle: BDEW, Werte 1999 – 2006 interpoliert Seite 8 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Höchstspannungsnetzausbau mit HDÜ und HGÜ Höchstspannungsnetzausbau* HochspannungsDrehstrom-Übertragung (HDÜ) Freileitung Kabel Teilverkabelung HochspannungsGleichstrom-Übertragung (HGÜ) LCC HGÜ netzgeführt VSC HGÜ selbstgeführt Freileitung Kabel Teilverkabelung *Netzausbau mit Gasisolierter Übertragungsleitung (GIL) nicht berücksichtigt Seite 9 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann VSC-HGÜ-Projekte in Europa ab 2004 Kabel Name HVDC Troll Estlink NordE.ON 1 HVDC Valhall BorWin1 BorWin2 East West Interconnector DolWin1 HelWin1 SylWin1 INELFE Skagerrak 4 Åland - Finland Troll A 3&4 HVDC NordBalt DolWin2 HelWin2 HVDC Finland - Åland Konverterstation 1 Norway - Kollsnes Estonia - Harku Germany - Diele Norway - Lista Germany - Diele Germany - Diele Ireland - Woodland Germany - Heede Germany - Büttel Germany - Büttel France - Baixas Norway - Kristiansand Åland - Ytterby Norway - Kollsnes Sweden - Nybro Germany - Heede Germany - Büttel Finland - Ytterby Konverterstation 2 Norway - Offshore platform Troll A Finland - Espoo Germany - Borkum 2 platform Norway - Valhall, Offshore platform Germany - BorWin Alpha platform Germany - BorWin Beta platform UK - Shotton, Wales Germany - DolWin Alpha platform Germany - HelWin Alpha platform Germany - SylWin Alpha platform Spain - Santa Llogaia Denmark - Tjele Finland - Nådendal Norway - Troll A 3&4 platform Lithuania - Klapeida Germany - DolWin Beta platform Germany - HelWin Beta platform Finland - Nådendal Länge Kabel in km Volt in kV Leistung in MW 70 60 80 105 150 350 203 150 400 292 150 78 200 ±150 400 200 ±300 800 130 ±200 500 165 ±320 800 130 ±250 576 205 ±320 864 64 ±320 2000 244 500 700 158 80 100 70 66 100 450 300 700 135 ±320 900 130 ±320 690 158 80 100 Jahr 2004 2006 2009 2009 2012 2015 2012 2015 2015 2015 2014 2014 2015 2015 2015 2015 2015 2015 Einsatz als Punkt-zu-Punkt-Verbindung (Grenzen der HDÜ) Freileitung Name Konverterstation 1 Konverterstation 2 SydVästlänken Norway–Hallsberg Sweden - Barkeryd ; Sweden - Hurva L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Länge Freileitung in km Volt in kV Leistung in MW Jahr 63 ±300 2x720 2013-2015 Seite 10 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Gliederung Begriffsdefinitionen Hochspannungs-Drehstrom- und -Gleichstrom-Übertragung Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung (HDÜ) Eigenschaften Drehstrom-Kabel Eigenschaften HGÜ und Gleichstrom-Kabel Grundsätzlicher Vergleich HDÜ- und HGÜ Grundsätzlicher Vergleich Freileitung und Kabel L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 11 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Drehstromtechnik auf Basis von Kabeln Isolierung aus VPE Leiter Quelle: Amprion GmbH Quelle: Prof. Paul Quelle: Nexans • einfache, bewährte Technik • fester Isolationsstoff, Isolationsabstände bei 380 kV: 30 mm • begrenzte Übertragungskapazität und begrenzte Reichweite L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 12 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Kabelbelastbarkeit für ein 380-kV-VPE-Kabel abhängig von der Kabelquerschnittsfläche A, dem Leitermittenabstand a und dem Belastungsgrad m 1800 1600 m = 0,7, a = 1,0 m 1400 Sth / MVA 1200 1000 m = 1,0, a = 0,3 m 800 600 400 200 0 thermisch stabilisierte Bettung Rth in der Trockenzone 1,2 Km/W 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 A / mm2 L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 13 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Kapazitiver Ladestrom von Drehstromkabeln IÜbertragung IKapazität C´ 2 2 I zulässig I Übertra I Kapazität gung 2 2 2 I Übertragung I zulässig I Kapazität I zulässig (C / lU )2 Produkt l ·U ist begrenzt: Länge, Spannung wirtschaftliche Kabellänge ist begrenzt: Kompensation erforderlich Quelle: Vortrag Prof. Oswald, IEH Seite 14 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Drehstromtechnik auf Basis von Kabeln Isolierung aus VPE Leiter Quelle: Amprion GmbH • • • • • • • • Quelle: Prof. Paul Quelle: Nexans einfache, bewährte Technik fester Isolationsstoff, Isolationsabstände bei 380 kV: 30 mm begrenzte Übertragungskapazität und begrenzte Reichweite geringe Verluste, 2500 mm2 Cu-Kabel bei 1000 MVA ca. 75 kW/km Blindleistungskompensation (Drosselspulen) erforderlich => Zusatzverluste hohe Verfügbarkeit, aber im Fehlerfall sehr lange Ausfallzeiten große Herausforderung in Bezug auf Logistik und Verlegung Erstellung von Muffengruben oder Muffenbauwerken (ca. alle 900 m) L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 15 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Aufbau 380-kV-Grabenprofil für zwei Drehstromsysteme Quelle: Amprion GmbH L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 16 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Muffengrube als Beispiel für Größenordnung Übergang Landkabel - Seekabel Quelle: TenneT L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 17 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Muffenbauwerk Quelle: Dr. Y. Saßnick, Vattenfall Europe Transmission, Fachsymposium Deutsche Umwelthelfe, Berlin, 17. März 2009 L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 18 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Grabenprofile Drehstromkabel (Beispiele für 380 kV) Trassenbreite ca. 14,5 m Tiefe: ca. 1,75 – 2,00 m Trassenbreite ca. 13,5 m Trassenbreite ca. 20,0 m L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Kabelgraben u.a. abh. von: • Anzahl Systeme • Kabelsystemabstände • Leitermittenabstände Übertragungskapazität thermische Beeinflussung Magnetfeld Seite 19 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Kabellegung Quelle: Pfisterer Seite 20 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Gliederung Begriffsdefinitionen Hochspannungs-Drehstrom- und -Gleichstrom-Übertragung Eigenschaften Drehstrom-Kabel HGÜ und Gleichstrom-Kabel Eigenschaften Gleichstrom-Freileitung und Gleichstrom-Kabel Grundsätzlicher Vergleich HDÜ- und HGÜ Grundsätzlicher Vergleich Freileitung und Kabel L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 21 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann VSC-Hochspannungs-Gleichstromübertragung (selbstgeführte HGÜ) ~ = = ~ Quelle: Siemens AG, 2011 © tayfr • selbstgeführte Stromrichter mit Gleichspannungszwischenkreis auf Basis von IGBT unabhängige Wirk-und Blindleistungsregelung • keine Längenbegrenzung (1.000 – 4.000 km) • Zusatzverluste in den Konverterstationen: 1,0 % je Konverterstation • Ausführung als Freileitung: 650 kV, >2200 MW • Ausführung als MI-Kabel: 550 kV, ca. 2000 MW • Einsatz von ölfreien VPE-Kabeln möglich: bis ca. 1200 MW bei ±320 kV • 525-kV-DC-VPE-Kabel als Prototyp vorgestellt, Langzeittest bestanden L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 22 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann 525-kV-VPE-Gleichstrom-Kabel Prototyp Quelle: ABB Grid Systems, Technical Paper: The new 525 kV extruded HVDC cable system, Aug 2014 Seite 23 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Grabenprofile Gleichstromkabel (Beispiele für 320 kV) Variante 1: Äquidistante Legung Erdaushub Erdaushub Trassenbreite ca. 11,0 m > 0,60 > 0,60 10,10 > 3,00 > 0,60 Baustraße 5,00 5,00 1,00 1,75 Tiefe: ca. 1,75 – 2,00 m 45° 0,5 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,5 6,60 m ca. 24,90 Variante 2: 2x2 Systeme äquidistant verlegt Erdaushub Erdaushub Trassenbreite ca. 11,0 m > 0,60 > 0,60 10,10 > 3,00 > 0,60 Baustraße 5,00 5,00 1,00 1,75 45° 0,5 0,5 1,20 0,5 1,20 0,5 1,20 0,5 0,5 6,60 ca. 24,90 Variante 3: 2 Doppelsysteme in getrennten Kabelgräben Trassenbreite ca. 20,0 m > 0,60 > 0,60 7,20 > 3,00 > 0,60 > 0,60 7,20 Baustraße 1,75 1,75 45° 45° 0,5 0,5 1,70 3,70 0,5 0,5 0,5 0,5 ca. 19,8 L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? 1,70 3,70 0,5 0,5 Kabelgraben u.a. abh. von: • Anzahl Systeme • Kabelsystemabstände • Leitermittenabstände Übertragungskapazität thermische Beeinflussung Magnetfeld Seite 24 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Gliederung Begriffsdefinitionen Hochspannungs-Drehstrom- und -Gleichstrom-Übertragung Eigenschaften Drehstrom-Kabel Eigenschaften HGÜ und Gleichstrom-Kabel Grundsätzlicher Vergleich HDÜ- und HGÜ Grundsätzlicher Vergleich Freileitung und Kabel L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 25 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Vergleich HDÜ- mit HGÜ-Technik im vermaschten HöS-Netz Drehstromtechnik (HDÜ) Gleichstromtechnik (HGÜ) einfache Spannungstransformation und Leistungsauskopplung (UW) Umweg über HDÜ, Multi-Terminal-Betrieb, zus. Stromrichterstationen selbstständige Einstellung des Leistungsflusses aktive Steuerung des Leistungsflusses überlastbar keine Überlastfähigkeit belastungsabhängiger induktiver bzw. kapazitiver Blindleistungsbedarf geregelte Blindleistungsbereitstellung bei der VSC HGÜ wirtschaftliche Leitungslänge begrenzt, ausreichend im europ. Verbundsystem keine Längengrenzung, Wirtschaftlichkeit für kurze Leitungslängen begrenzt natürliche Erhöhung der Netzstabilität asynchrone Netzkopplung, künstliche Erhöhung der Netzstabilität möglich Erhöhung der Kurzschlussleistung, Spannungsstützung bei Kurzschluss ungenügender Beitrag zur Spannungsstützung bei Kurzschluss L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 26 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Gliederung Begriffsdefinitionen Hochspannungs-Drehstrom- und -Gleichstrom-Übertragung Eigenschaften Drehstrom-Kabel Eigenschaften HGÜ und Gleichstrom-Kabel Grundsätzlicher Vergleich HDÜ- und HGÜ Grundsätzlicher Vergleich Freileitung und Kabel L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 27 Institut für Elektrische Energiesysteme Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann Nutzungsdauer, Überlastbarkeit, Betriebserfahrung und Querungen Freileitung Kabel Nutzungsdauer > 80 Jahre 40-50 Jahre Überlastbarkeit in kalten oder windstarken Jahreszeiten größte Überlastungsreserve in Abhängigkeit von der Vorbelastung ist ggf. eine Überlastung möglich Verkürzung der Lebensdauer Betriebserfahrung HDÜ 380-kV-HDÜ, MI-Kabel: seit 1950 Betriebserfahrung HGÜ 380-kV-HDÜ: seit 1952 380-kV-HDÜ, VPE: seit 1986 500-kV-HDÜ: seit 1958 550-kV-HDÜ, MI: seit 1974 735-kV-HDÜ: seit 1964 550-kV-HDÜ, VPE: seit 2000 200-kV-HGÜ, MI-Kabel: seit 1950 400-kV-HGÜ: seit 1964 300-kV-HGÜ, VPE: seit 2006 500-kV-HGÜ: seit 1970 500-kV-HGÜ, MI-Kabel: seit 1975 500-kV-HGÜ, VPE: 2014, Prototyp Querung von Hindernissen Überspannung von AutoHDD-Bohrungen u. Eisenbahn, Flüssen, etc. (HDD=Horizontal Direct Drilling) L. Hofmann: Welche Formen der Erdverkabelung gibt es? Seite 28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann [email protected] Prof. Dr.-Ing. habil. B. R. Oswald Institut für Elektrische Energiesysteme Institut fürElektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik Fachgebiet Energieversorgung Hannover Prof. Dr.-Ing. habil. Universität Lutz Hofmann
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