Stromnetzausbau mit Erdverkabelung - aus den Augen, … · • IEC 62067 (150kV to 500kV) = DIN IEC...

Prof. Dr.-Ing. Kay Rethmeier, Labor für Hochspannungstechnik, Hochstromtechnik und EMV 30.11.2015

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Prof. Dr.-Ing. Kay Rethmeier

Stromnetzausbau mit Erdverkabelung -aus den Augen, aus dem Sinn?

Stand der Technik von Erdkabeln der Höchstspannungsebene

Leingarten, 2015-12-01


� Kay Rethmeier, *1972 in Ahlen, DE

� Studium der Elektrotechnik

(Hochspannungstechnik und EMV) an der TU-

Berlin

� Promotion an der TU-Berlin auf dem Gebiet

der Kabelprüf- und -messtechnik

� Beruflicher Werdegang

Zur Person ...

� Wissenschaftlicher Assistent an der TU-Berlin

� Messdienstleister für IPH-Berlin (Kabelprüfungen weltweit)

� Entwicklungs-Ingenieur bei Baur Prüf- und Messtechnik, Sulz (Kabelmesstechnik)

� Applikationsexperte bei Omicron electronics, Klaus (Teilentladungsexperte)

� Professor für Hochspannungstechnik und EMV an der FH Kiel, und

� Unabhängiger Consultant

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� Mitglied CIRED, VDI, VDE, stellv. Leiter Projektgruppe „Kabelprüfung“ im FNN, Mitglied der VDE-Arbeitsgruppe „Gleichspannung in der Energieversorgung“


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Überblick

• Brauchen wir SüdLink?

• Sind Erdkabel Stand der Technik?

• AC oder DC?

• Technische Unterschiede für Kabel bei AC und DC

• Alternativen zum Kabel?

• Kostenvergleich


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Was hatten Sie zum Frühstück?

… ein Gruß aus dem „echten Norden“


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Situation in Schleswig-Holstein

„Westküstenleitung“

• Freileitung?

• Teilverkabelung?

• Vollverkabelung AC?

„Ostküstenleitung“

• Teilverkabelung?

• Seekabel an Land?


Netzausbau – Die Rolle der Übertragungsnetzbetreiber

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Netzausbau – Netzentwicklungsplan (National)

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Netzausbau – Aufrechterhaltung der Sicherheit• So sieht es im Jahre 2024 aus, wenn nichts getan wird…

• … ja geht denn mehr als 100% ???

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Netzausbau – Aufrechterhaltung der Sicherheit• Mehr als 100%: JA, aber für wie lange?

• Sekunden? Minuten, Stunden?

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Netzausbau – Netzentwicklungsplan (International)• TYNDP - Ten-Year Network Development Plan 2014

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Kurzfassung

Es geht auch OHNE Freileitungen !

Ausgewählte Beispiele:

• Irland 1865

• Berlin 2000

• London 2005 / 2011

• Köln 2014


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Kabel – nichts Neues!

• ... Neulich in Irland...


Kabel Berlin (Diagonale fertiggestellt in 2000)• 11,9km 400-kV in Kunststoffisolierung (VPE) von ABB und SIEMENS

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[Quelle: 50Hertz: http://www.50hertz.com/Portals/3/Content/Dokumente/Netzausbau/380-kV-Kabeldiagonale%20Berlin/380-kV-Diagonalverbindung.pdf]


Kabel Berlin (Diagonale fertiggestellt in 2000)• 11,9km 400-kV in Kunststoffisolierung (VPE)

von ABB und SIEMENS

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[Quelle: 50Hertz: http://www.50hertz.com/Portals/3/Content/Dokumente/Netzausbau/380-kV-Kabeldiagonale%20Berlin/380-kV-Diagonalverbindung.pdf]


Kabel London St. John‘s - Elstreet (2005)• 20km 400-kV in Kunststoffisolierung (VPE), SÜDKABEL

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Kabel London Beddington-Rowdown (2011)• 10km 400-kV in Kunststoffisolierung (VPE), NKT

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Kabel London Beddington-Rowdown (2011)• 10km 400-kV in Kunststoffisolierung (VPE), NKT

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Kabel London Beddington-Rowdown (2011)• 400-kV Kabelprüfung

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Kabel Köln / Niehl 3 (2014)• 9km 400-kV Kabel (VPE), längste 400kV-XLPE-Strecke Deutschlands (NKT)

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[Quelle: Rheinenergie: http://www.rheinenergie.com/de/unternehmensportal/presse/presseinformationen/presseinformationen_34115.php]


Thema: Kabellänge bei AC• 9km 400-kV Kabel (VPE), längste 400kV-XLPE-Strecke Deutschlands (NKT)

• Baltic II- Netzanbindung: ca. 135km AC 155kV (79km bis Baltic I)

LÄNGENBEGRENZUNG BEI AC-KABELN WEGEN BLINDLEISTUNG !!!

• AC = Wechselspannung heißt auf- und endladen eines Kabels (50x pro Sekunde)

• Dafür wird Leistung benötigt, die NICHT zur Energieversorgung zur Verfügung steht

• Gegenmaßnahme: „Kompensation“

– Zusatzverluste

– Technischer Aufwand

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Sind XLPE-Kabel „Stand der Technik“ ?

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380kV-XLPE Kabel ab Werk(Bsp.: Firma NEXANS)

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Normung – „Anerkannte Regeln der Technik“• Deutschland: DIN + VDE = DKE (Deutsche Kommission Elektrotechnik), ab Okt. 1970

– Rechtgrundlage: Normenvertrag mit der Bundesregierung 05. Juni 1975

• International: IEC (ANSI, IEEE, CENELEC, ETSI, CISPR, ISO, ITU,…)

[Quelle: VDE DKE]


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Normen in der Rechtsordnung

[Quelle: VDE DKE]


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Kabelnormen

• HD 620 (7,2kV to 36kV)

• IEC 60840 (30kV to 150kV)

• IEC 62067 (150kV to 500kV)

= DIN IEC 62067 VDE 0276-2067:2013-08

Starkstromkabel mit extrudierter Isolierung und ihr e Garnituren für Nennspannungen über 150 kV (Um = 170 kV) bis einschließlich 500 kV (Um = 550 kV)Prüfverfahren und Anforderungen

– IEC 60885

– …


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Kabelprüfungen als Nachweis der Qualität

• Überblick “Kabelprüfungen” (Hochspannung)

[Quelle: Plath/TUB]


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Was ist, wenn keine Norm existiert?

Eine eMail aus dem Normungskomitee zum Thema „DC“:

„… Hallo Kay,

in der Anlage der CD zur IEC 62895 HVDC-Kabelsysteme. Dieser Entwurf

geht leider nur bis 320 kV, da so der Auftrag zur Erarbeitung der IEC …

… Leider sind viele gute Ansätze und Ideen zu weiteren

Qualitätssicherungsmaßnahmen nicht in die Norm gekommen, da der

Auftrag für den AK lautete die CIGRE-Empfehlung in die Form einer

Norm zu bringen. Es sollten keine neuen Gedanken in die Norm

einfließen.

Mit freundlichen Grüßen / Best regards


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Der Begriff „Gleichspannung“ beiwww.VDE-Verlag.de

• Ca. 230 Treffer

• Normen: 158

• Entwürfe: 73

• Rest: Berichtigungen etc

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Normengruppen

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Mehrzahl der DC-Normen im Bereich Niederspannung


Erscheinungsjahr der Normen/Entwürfe

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Oldie: VDE 0560-1:1969-12Bestimmungen für Kondensatoren

Schnüre für Fernmeldeanlagen und Informationsverarbeitungsanlagen

Prüfung an Kabeln und isolierten Leitungen


Alter der Normen

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100%

50%

33%


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• CIGRE Empfehlungen gelten als Vorläufer kommender Normen

– z.B.: Kunststoffkabel für Gleichspannung

CIGRE Technical Brochure (TB) No. 496, April 2012

[Quelle: ABB: http://new.abb.com/docs/librariesprovider138/default-document-library/hannover-messe-2015/whitepaper-525kv.pdf?sfvrsn=4]


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CIGRE (Expertengremien, „Vorstufe“ zur Norm)

• Report 182: TE-Messungen im Feld (AC!)

• TF B1.16, Report 218: „... Power transmission DC cables ... <=800kV ...“ (Öl!)

• WG B1.32 Recommendations for testing DC extruded cable systems forpower transmission at a rated voltage up to 500 kV (TB219 “plus”)

• WG B1.38 After laying tests on AC and DC cable systems with newtechnology

[Quelle: ABB: http://new.abb.com/docs/librariesprovider138/default-document-library/hannover-messe-2015/whitepaper-525kv.pdf?sfvrsn=4]


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Fachkonferenz Jicable Versailles, 2015, Sessions A6,B6,E6,A7Session A.6: HVDC cables and systems


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Jicable 2015, Paper A7.1Qualification of an extruded HVDC cable system at 525 kV (ABB)


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XLPE-DC-Landkabel werden in DE eingesetzt!

• DolWin2 nach Dörpen West

• Länge 92 km

• Querschnitt 2400 mm^2 Alu

• Teillängen 117 x 800 m

• 232 Muffen (2x 116)

• 40 cm Abstand beider Kabel

• 1,3 m Verlegetiefe

• Ca. 31 W/m thermische Verluste

• 1451 A maximaler Strom

• Ca. 930 MW


DC-Kabel im VergleichEntwicklungstrend

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2014

2000mm^2 Al

+/- 525kV

2.050 MW


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Vorschlag DC-Landkabel: Intranetz AG


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Was ist ein Kabel?


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1000 Volt: 1kV – NAYY-J


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10000 Volt: 10kV NA2XS2Y - Kunststoffkabel


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500kV – 2XKLDE2Y – VPE-Kabel


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450kV – DC-Seekabel

• Lange Übertragungsstrecken

• Hohe Übertragungsleistungen

• Kunststoffisoliert jetzt auch bis ca. 500kV


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Das Kabel ist eigentlich nicht das Problem…

Endverschlüsse als SCHNITTSTELLE (Handarbeit fehleranfällig) zwischen Kabel und Schaltanlage/Trafo


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Verlegearten

• Tunnel (zugänglich)

• Directly burried (vergraben)

• Muffengrube zugänglich

Muffen als SCHNITTSTELLE (Handarbeit fehleranfällig) zwischen Kabeln


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DC statt AC: Gleichspannung auf dem Vormarsch• DC XLPE-Kabel für +/- 525kV verfügbar!

• Garniturentechnologie verfügbar

• Keine Betriebserfahrung für 525kV

• Einige Referenzprojekte für 320kV

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AC-DC Wo liegt der Unterschied?

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Beherrschung der Spannung im Kabel (Feldstärke)

Klassisch, AC

• Feldstärke maximal am Innenleiter

Gleichspannung DC

• Feldstärke maximal am Innenleiter

Nach einigen Minuten

• Feldstärke maximal am Außenleiter

• Strom sorgt für Wärme

• Wärme ändert intern die Spannungsaufteilung im Kabel


DC-Kabel sind leistungsfähig: ca. 2 Gigawatt pro Paar!

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[Quelle: ABB]


Kein Skin-Effekt bei DC!• Bei DC wird das ganze Kabel genutzt, nicht nur der Rand (Skin-Effekt)

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Optimale Isolationskoordination bei DC!• Die Isolierfähigkeit wird bei DC zu 100% ausgenutzt, bei AC nur teilweise

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Alternative zu „klassischen“ Erdkabeln?• Kabel mit „Extras“

• Supraleiter

• Rohrleiter

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Kabel Lübeck – Bad Schwartau, 245-kV VPE• Besonderheit: Stahlrohr zur Reduzierung der Magnetfeldbelastung

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HTSL-Kabel• Nexans, USA, Holbrook Substation, Leiter der 2. Generation, 2012 (2008)

• Länge des Kabels: 600 m

• Spannungsebene: 138 kV

• Nennstrom: 2400 A


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HTSL-Kabel: AmpaCity – Brauchen wir noch „Hochspannung“?

• Aus 110kV wurden 10kV

• 40MVA, 2310A

[Quelle: RWE]


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400kV – GIL (Gas-Isolierte-Leitung)

• Isoliermedium SF6/N2-Gemisch

• Geringe dielektrische Verluste

• Geringere Ladeleistung

• Stromrückfluss im Außenleiter => Kaum äußeres Magnetfeld

• ERPROBUNGSSTADIUM!


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400kV - GIL

• Flughafen Frankfurt, 2010


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400kV - GIL• Pump-KW Limberg II, Kaprun, AT


Netzausbau – Neubau von Großanlagen?

• „Errechnete“ Projekte = notwendig aus Sicht der ÜNB

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Netzausbau – Der „BANANA“-Grundsatz

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• B Built

• A Absolutely

• N Nothing

• A Anywhere

• N Near

• A Anybody


Netzausbau – Bürgerbeteiligung!

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Netzausbau – Akzeptanz!• Technische Bauwerke faszinieren! Aber nicht jeden :-(

• So, oder doch lieber …

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Netzausbau – Akzeptanz!• … so ?!

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Natürlich geht das auch mit Freileitungen!

[Quelle: FNN-Netzkongress 2013]


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Natürlich geht das auch mit Freileitungen!• FNN Fachkongress Netztechnik, Erfurt 2011


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DC-Freileitung: Hier auch noch offene Fragen…



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DC-Freileitung: Hier auch noch offene Fragen…



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Problem: Mehrkosten beim Betrieb ?

Studie vom BM für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit

Ausbau elektrischer Netze

mit Kabel oder Freileitung

unter besonderer Berücksichtigung

der Einspeisung Erneuerbarer Energien


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Kostenvergleich

VDE-Studie


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Infranetz AG

Infranetz AG


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Kostenabschätzung Vollverkabelung DC 525kV

Infranetz AG


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Kostenvergleich der Optionen


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Zusammenfassung• Kunststoffkabel 400kV sind Stand der Technik: für AC

• AC-Kabel kommen für SüdLink technisch nicht in Frage

• Gleichspannungskabel 320kV sind „so-gut-wie“ Stand der Technik

• CIGRE-Empfehlung wird 1:1 in IEC-Norm umgesetzt

• DIN VDE (DKE) muss IEC-Norm 1:1 übernehmen (=übersetzen)

• Kabel sind im Einsatz

Gleichspannungskabel 525kV ?

• Weniger Strom = GUT !

• DKE-Normung wird nachziehen, kann aber dauern…

DC-Freileitung ist ebenfalls Neuland in Deutschland

• Problem (zB): DC-Einkopplung in paralleles AC-System


www.rethmeier.info/leingarten


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Quellen

• Küchler: „Hochspannungstechnik“, Springer-Verlag, Berlin, 2009

• Kuhnert/Wiznerowicz: „Eigenschaften von Energiekabeln und deren Messung“, EW Medien und Kongresse GmbH, Berlin, 2012

• „Kabelhandbuch“, VWEW Energieverlag GmbH, Frankfurt 2007

• Vogelsang: „Application guide for high voltage accessories“, Brugg Cables, 2012

• „Technical user guide of high-voltage XLPE cable systems“, Brugg Cables

• NKT, Promo-Material

• ABB, Promo-Material

• VDE DKE, Infomaterial

• 50Hertz, Infomaterial

• Infranetz AG

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