Technische und wirtschaftliche Aspekte_17042012_Hofmann

Technische und wirtschaftliche Aspekte
der Teilerdverkabelung
Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann
Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik
Fachgebiet Elektrische Energieversorgung
http://www.iee.uni-hannover.de
Einleitung
• neue Übertragungs- und Verteilungsaufgaben für die Netzbetreiber
• Ausbau der Übertragungsnetze ist notwendig und unumstritten
– z. B.: dena-Studie: 850 bzw. 3600 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
Übertragungstechniken für das Höchstspannungsnetz – ein Vergleich
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HöS-Netzausbau mit HDÜ und HGÜ
HochspannungsDrehstrom-Übertragung (HDÜ)
HochspannungsGleichstrom-Übertragung (HGÜ)
Übertragungstechniken für das Höchstspannungsnetz – ein Vergleich
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HöS-Netzausbau mit HDÜ und HGÜ
HochspannungsDrehstrom-Übertragung (HDÜ)
HochspannungsGleichstrom-Übertragung (HGÜ)
LCC HGÜ
Freileitung
Kabel
GIL
Teilverkabelung
Freileitung
VSC HGÜ
GIL
Kabel
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
Übertragungstechniken für das Höchstspannungsnetz – ein Vergleich
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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
Übertragungstechniken für das Höchstspannungsnetz – ein Vergleich
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28,70
28,70
28,70
39,90
50,20
3,20
61,20
11,00
11,00
8,00
2,50
11,00
8,00
2,50
8,00
Mastbilder
Schutzstreifenbreite für 400 m Spannfeld und 46 N/mm2 Mittelzugspannung:
≈ 70 m
≈ 57 m
≈ 48 m
Übertragungstechniken für das Höchstspannungsnetz – ein Vergleich
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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
30 mm
• fester Isolationsstoff, Isolationsabstände bei 380 kV: 30 mm
• hohe Verfügbarkeit, aber im Fehlerfall sehr lange Ausfallzeiten,
Nutzungsdauer ca. 40- 50 Jahre
• Muffengruben/Muffenbauwerke (mind. alle 900 m), Muffenlänge ca. 3 m
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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. 4981
Länge ca. 3 m
380-kV-Aufschiebemuffe aus EPDM (Ethylen-Propylen-Dien Kautschuk)
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Muffenbauwerk
Quelle: Dr. Y. Saßnick, Vattenfall Europe Transmission, Fachsymposium Deutsche
Umwelthelfe, Berlin, 17. März 2009
Übertragungstechniken für das Höchstspannungsnetz – ein Vergleich
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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
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Aufbau 380-kV-Grabenprofil für zwei Drehstromsysteme (Amprion)
Quelle: Amprion GmbH
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Tunnelbauwerke Drehstromkabel
380-kV-Tunnelbauwerk mit Kabelmuffe,
Flughafen Madrid, Quelle: Prof. H. U. Paul
380-kV-Tunnelbauwerk Berlin, Quelle: C. Rathke
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Zwischenverkabelung: Übergang Freileitung – Kabel
Kabeltrasse
Freileitungstrasse
Kabel-FreileitungsÜbergangsanlage
Kabeltrasse
Freileitungstrasse
Kabel-FreileitungsÜbergangsanlagen
Übertragungstechniken für das Höchstspannungsnetz – ein Vergleich
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Freileitung-Kabel-Übergangsanlage, Beispiel Madrid
Übertragungstechniken für das Höchstspannungsnetz – ein Vergleich
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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-Kabel1)
geplant ungeplant geplant ungeplant
1)
Ausfallhäufigkeit λ in 1/100km/a
0,17
0,353
---
0,657
Ausfalldauer T in h
3,00
2,94
---
68,2
Nichtverfügbarkeit f. 40 km in h/a
0,20
0,42
---
17,89
Zuverlässigkeitsdaten von 110-kV-Kabeln (Beispielwerte VDN-Störungsstatistik), Wartungsdaten geschätzt
Übertragungstechniken für das Höchstspannungsnetz – ein Vergleich
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Ausfallverhalten Freileitung und Freileitung mit Zwischenverkabelung
Zuverlässigkeitsdaten von 110-kV-Kabeln (Beispielwerte VDN- Störungsstatistik), ohne Wartung
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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)
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Beispiel: Vergleich der magnetischen Induktion
100
90
80
70
B / µT
60
50
40
30
20
10
0
-50
-40
-30
-20
-10
0
x/m
10
20
30
40
50
Magnetische Gesamtinduktion 20 cm über EOK bei 3000 MVA Ü-Leistung
Übertragungstechniken für das Höchstspannungsnetz – ein Vergleich
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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
max1
200 m
400 m
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
7,8 m (Mindestabst.)
46,30
0,43
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
Leitungstyp
Leiterabstand zur EOK
Donaumast
Tonnenmast
Einebenenmast
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
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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)
100 % Kabel
Kosten
Optimierungspotenzial
Kabelanlage
50 % Kabel
3 Abschnitte
50 % Kabel
1 Abschnitt
Optimierungspotenzial
Kabelübergänge
100 %
Freileitung
Quelle: Oswald, B. R., Hofmann, L., 2008
Länge
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20
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