KABELLEITUNGEN

KABELLEITUNGEN

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4.1 Aubau der Kabel

Kabel verwendet man wegen des geringen Platzbedarfs zur Versorgung in dicht bebauten Wohngebieten, Industrieanlagen und Kraftwerke.

Kabel werden im wesentlichen im Nieder-und Mittelspannungsnetz (0,4 und 20 kV) und für Versorgung von grössen Städten oder grössen Betrieben (110 kV) benutzt. In der 400 kV Spannungsebene kommen Kabel für 17317s1821r besondere Aufgaben mit geringen Längen zum Einsatz (z.B. Ausleitung aus der unterirdischen Kaverne eines Wasserkraftwerkes, Hauptverbindung in sehr grössen Städten wie Berlin, Wien usw).

Kabelkosten sind immer grösser als Freileitungskosten für gleiche Übertragungs­leistung und gleiche Länge. Die Wahl einer Lösung für Versorgung eines Verbrauchers braucht grundsätzliche wirtschafliche Überlegungen. Bild 3.1 zeigt die Kostenrelation zwischen Kabel- und Freileitungskosten.

Kabel sollen so verlegt werden, dass sie gegen mechanische Beschädigung, Grundwasser und vor Korrosionserscheinungen geschützt sein. Ausserhalb von Anlagen werden Kabel 70 bis 80 cm tief im Erdreich gelegt und mit abdecksteinen geschützt und markiert.

Bild 3.2 zeigt den Aufbau eines Vierleiterkabels für Drehstrom-Nieder­spannungsnetze. Die Leiter (Kabeladern) bestehen aus Kupfer oder aus Aluminium und sind sektorförmig oder Rund. Der Leiter kann ein- oder mehrdrähtig sein.

Der Aussenmantel wird aus hart PVC (Polyvinylchlorid) erzeugt und soll mechanische Beanspruchungen standhalten.

Die gemeinsame extrudierte Aderumhüllung wird meistens aus PVC erzeugt.

Für elektrische Isolierung der Adern benutzt man meistens VPE (vernetztes Polyethylen). Um rundförmige Aufbau des Kabels zu bekommen benutzt man Beilauf aus PVC oder Textillien.

Mittel- und Hochspannungskabel (Bild 4.3) werden meistens als Einleiterkabel ausgeführt um eine elektrisch günstiger Belastung der Isolierung zu bekommen. Bild 4.4 zeigt eine elektrische Feldverteilung bei vieradrigen Kabel (Bild 4.4 a)) im Moment t = T/4 (Bild 4.4 b)) und eine elektrische radiale Feldverteileung bei einadrigen Kabel (Bild 4.4 c)). Die Feldverteilung bei vieradrigen Kabel (Bild 4.4 a)) ist verschiedene im jedem Moment, was bedeutet verschiedene und ungünstige elektrische Belastungen. Die Feldverteileung bei einadrigem Kabel (Bild 4.4 c)) ist immer radial und erlaubt eine bessere Bemessung der Isolierung. Die radiale Feldverteilung erzielt man durch konzentrische metalleinlagen aus Metallfolie, aus metaliesiertem Papier oder aus anderen Leitmaterialien.

Als Leitermaterial wird Kupfer oder Aluminium verwendet.

Kabelmantel dienen als Schutz gegen Feutichket, chemische Einflüsse und mechanische Einwirkungen.

Kupferschirn-Bandierung soll eine elektrische Schirmung des Leiters bestimmen und das Kabel gegen mechanische Beanspruchungen und Beschädingungen schützen. Es kann auch eine Bewehrung aus Stahlband benutzen.

Äussere Schutzhülle soll gegen Korosion die Bewehrung schützen.

Als Isolierstoff benutzt man heute meistens VPE (vernetztes Polyethylen). Für Höchstspannungskabel benutzt man auch SF₆ als Isolierstoff.

Wegen des geringen Abstands zwischen den Leiter und metallischem Schirm (mit Potential gleich Null) ergibt sich eine starke elektrische Beanspruchung der Isolierung von Kabel. Es muss daher besonders gute Isoliermaterialien verwenden.

4.2 Elektrische Kennwerte von Kabel

Kabelimpedanzen Z₀ und Kabelkapazitäten bei symmetrischen Betrieb (im positiven System) berechnet man ähnlich wie bei Freileitungen.

Bei Einleiterkabel, die heute meistens benuzt sind, kann man Kabelimpedanzbelag und Kabelkapazitätsbelag aus folgenden Gleichungen rechnen

(4.1)

mit r_A ­­­­ Aussenradius der Isolierung; r_L Leiterradius vergrössert um die Dicke der inneren Leitschicht; e_r die relative elektrische Feldkonstante.

Der geringe Abstand zwischen stromführenden Leiter und elektrischem Schirm bestimmt grössere Kapazitätsbelag als bei Freileitungen und kleinere Induktivitätsbelag.

Wie bei Freileitungen, gilt es für den Wellenwiderstand Z_W und für die Ausbreitungsgeschwindigkeit folgende Gleichungen

(4.2)

Als Beispiel, ein 12/20 kV einadriges Kabel mit einem Nennquerschnitt von 300 mm² hat r_L = 10 mm; r_A = 14,5 mm, R₀ = 0,0601 W/km (Leiter aus Kupfer) oder R₀ = 0,1 W/km (Leiter aus Aluminium), e_r = 2,3 (vernetztes Polyethylen).

Induktivitätsbelag und Kapazitätsbelkag des Kabels ergibt sich

Der Welenwiderstand des Kabels und die Ausbreitungsgeschwindigkeit sind

Die Strombelastung der Kabel muss so begrenzt werden, dass an jeder Stelle der Kabelanlage, die im Kabel erzeugte Wärme unter den vorgegebenen Verhältnissen sicher in die Umgebung abfliessen kann.

Als Beispiel, 12/20 kV einadriges Kabel mit einem Nennquerschnitt von 300 mm² darf maximal 597 A belasten bei erdverlegten Kabel und 722 A bei luftverlegten Kabel.

Wegen des grössen Kapazitätsbelags soll man den Ladestrom I_C des Kabels, im Leerlaufbetrieb, rechnen.

Für elektrische verlustlose Leitungen kann man folgende Gleichungen benutzen

(4.3)

Im Leerlaufbetrieb I_E = 0 und gilt es

. (4.4)

Weil die Länge l ziemlich klein ist, wird der Leitungswinkel f b l klein und bekommt man tanb l b l

Für den Ladestrom I_C des Kabels gils es

. (4.5)

Z.B. ein 12/20 kV einadriges Kabel mit einem Nennquerschnitt von 300 mm² und eine Länge von 1 km hat einen Ladestrom gleich

I_C p = 1,3 A

Kapazitive Ladeleistung Q_C eines einadrigen Kabels kann aus folgende Gleichung rechnen

. (4.6)

Für den Beispiel gilt es

Q_C 1,3 = 15,6 kVAr/km.

Bei einer Drehstromleitung ergibt sich

Neben dem Ladestrom I_C fliesst auch Verluststrom I_VD , der von dem Eingenschaften des Dielektrikum bestimmt ist (Bild 4.5).

Das Zeigerdiagramm (Bild 4.5 b) zeigt dass der Verluststrom I_VD aus folgende Gleichung rechnen kann

, (4.7)

mit d Verlustwinkel und tand Verlustfaktor (für heutige Kabel, meisten  tand < 0,01).

Für die dielektrischen Verluste P_VD eines einadrigen Kabels findet man

. (4.8)

Die Kabelkapazität, der kapazitive Ladestrom und die dielektrische Verluste spielen bei Hochspannungskabeln (U_r 110 kV) eine besondere Rolle.

Die Verlustwärme des Leiters (Joule-sche Wärme) und die dielektrische Verluste (bei Kabel mit U_r 110 kV) sollen bei Kabel radial nach aussen an das Erdreich und über dieses an die Umgebung abgegeben werden. Dieser Wärmeabgabe stehen die thermische Widerstände der Isolation, der Schutzhüllen, des Schutzmantels und des Erdreiches im Wege und beschränken damit die termisch dauernd zulässigen Strom des Kabels. Die luftverlengten Kabel sind besser gekühlt und dauernd zulässigen Strom ist grösser als bei erdverlengten Kabel.

Für erdverlengten Kabel soll die Temperatur am Aussenmantel des Kabels 40 C nicht überschreiten, damit keine Bodenaustrockung in der Nähe des Kabel auftritt und das Kabel durch weitere Temperaturerhöhung in der Isolation zerstört wird (Wärmedurchshlag). Bei der VPE-Kabel soll die Temperatur des Leiters nicht mehr als 90 C sein.

Beim Fehler im Betrieb (Kurzschlüsse) ist die Ausfalldauer einer Kabelleitung viel höher als bei einer Freileitung.

Die kleine Hohlräume haben einen bedeutenden Einfluss auf die maximal erlaubte mittlere Feldstärke im Dielektrikum des Kabels. In Hohlräumen ist die Feldstärke 3 5 mal grösser als im Dielektrikum (Bild 4.6) weil die Feldkonstante des Dielektrikum e_r

Bei Hochspannungs-Gleichstrom-Kabel haben die Hohlräume keinen Einluss und darf die mittlere Feldstärke im Dielektrikum bis 5 mal grösser als bei den Wechselstrom-Kabel. Man benutzt viel weniger Dielektrikum und bekommt viel billiger Kabel. Um Gleichstrom-Kabel zu benutzen soll man aber zuerst Gleichrichter und am Ende des Kabels einen Wechselrichter einsetzen. Für eine untersee elektrische Verbindung mit eine ziemlich grösse Länge benuzt man fast immer Gleichstrom-Kabel, weil es bei dieser Kabel keinen Ladestrom gibt und die totale Kosten sind kleiner als bei der Wechselstromkabel.