Kreuzung von Energiekabeln und anderen Wärmequellen

Energiekabel geben die beim Stromtransport entstehende Verlustwärme über ihre Oberfläche an das umgebende Medium und schließlich über die Erdoberfläche an die umgebende Luft ab. Dieser Energietransport wird bei der Dimensionierung der Kabel berücksichtigt. Wird ein Kabel von einer Wärmequelle gekreuzt, das kann zum Beispiel eine Fernwärmeleitung oder ein anderes Kabel sein, wird der Energietransport zur Oberfläche behindert und es kann zur Überlastung und im schlimmsten Fall zum Ausfall des Kabels kommen. Solche als Hot-Spots bezeichneten Stellen müssen gesondert betrachtet werden. Dafür eignen sich Berechnungsverfahren nach IEC 60287 oder FEM-Software (FEM - Finite Elemente Methode).

Die Abbildung zeigt die Temperaturverteilung um ein 110kV-Kabel in der Nahe einer Fernwärmeleitung und zweier Mittelspannungskabel. Darüber lässt sich ermitteln, ob die maximal zulässige Temperatur am Kabel eingehalten wird.

In Fällen, bei denen nicht davon ausgegangen werden kann, dass sich die Verhältnisse in Richtung der Kabeltrasse nicht oder nur unerheblich ändern, muss eine dreidimensionale Betrachtung der Temperaturverteilung erwogen werden. Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft ein dreidimensionales Modell einer Kabelkreuzung. Für die Darstellung und Berechnung wird die Software ANSYS(R) verwendet.

 Die FEM Simulation der oben dargestellten Anordnung kann beliebig angepasst und die Ergebnisse entsprechend dargestellt werden. In den folgenden Abbildungen ist ein Schnitt entlang einer der Leitungen sowie eine Ansicht zu sehen, bei der alle Bestandteile außer den Kabelleitern ausgeblendet sind. 

Auf diese Weise ist es möglich, beliebige Kreuzungen und Anordnungen bezüglich der Auswirkung auf den maximal zulässigen Strom im Kabel zu untersuchen.

Schirmspannung/ Schirmstrom

Die Kabel für die  Energieversorgung im Mittel-, Hoch- und Höchstspannungsbereich sind heute fast ausschließlich VPE-isolierte konzentrisch aufgebaute Einleiterkabel mit einem runden Kabelleiter im Zentrum und einem über der Kabelisolierung angeordneten Kabelschirm. Der Kabelschirm ist oft als Kupferdrahtschirm mit Querleitwendel ausgeführt. Es gibt auch Varianten mit Bleimantel oder Aluminiummantel gewellt oder glatt.

Für die Kabelschirme existieren mehrere Varianten der Erdung. Je nach Anforderung wird der Schirm einseitig, zweiseitig oder im Cross-Bonding-Verfahren mit der Erdungsanlage verbunden. Jede der Varianten hat dabei Vor- und Nachteile. Für den jeweiligen Einsatzzweck muss anhand der Parameter Leiterquerschnitt, Übertragungsleistung, Schirmspannung, Übertragungsverluste sowie Bau- und Betriebskosten die für den Betreiber optimale Variante ermittelt werden. Nur wenn alle Grenzwerte im Betrieb und bei Störungen eingehalten werden, ist eine zuverlässige Energieübertragung auf Dauer gewährleistet.

Abbildung: Linkbox mit Überspannungsableitern an einer 220kV-Kabelanlage mit einseitiger Kabelschirmerdung

Beeinflussung

Unter Beeinflussung bei Energieversorgungsleitungen versteht man die meist ungewünschten Wechselwirkungen zwischen Leitungen verschiedenster Versorgungsunternehmen und anderer Objekte wie Zäune, Leitplanken usw. Die oben genannte Temperaturerhöhung bei Kreuzungen ist eine der Beeinflussungen. Während die Beeinflussungen im Normalbetrieb meist akzeptable Werte annehmen, kann es bei Störungen zur Beeinträchtigung der Funktion und Gefährdung des Personals kommen. Die Beeinflussungen sind vielfältig und von der Art der Beeinflussungspartner abhängig.

Im Falle von Kabeln der Energieversorgung ist besonders die Beeinflussung durch Induktion auf andere metallische Leitungen (Kabel, Gas- und Wasserrohre, Telekommunikationsleitungen) zu beachten. Während des normalen Betriebes induzierte Spannungen können den Korrosionsschutz von Rohrleitungen ungünstig beeinflussen. Fehlerströme während Kurzschlüssen auf der beeinflussenden Leitung, besonders bei unsymmetrischen Kurzschlüssen, führen zu hohen Induktionsspannungen, die die Funktion der beeinflussten Anlagen stören oder deren Isolation beschädigen kann.

Wird bei Installation oder Instandhaltungsmaßnahmen an Leitungen gearbeitet, auf denen induktive Beeinflussung auftreten kann, muss sich das Personal von unzulässig hohen Berührungsspannungen infolge Spannungsinduktion schützen.

Der Errichter einer neuen Kabelanlage muss sicherstellen, dass die Funktion vorhandener Leitungen und Objekte nicht eingeschränkt wird und ein sicherer Betrieb möglich ist.

Abbildung: Zwei parallele 110kV-Kabelsysteme mit geringem Abstand. Durch die große wirksame Länge ist mit hoher thermischer und induktiver Beeinflussung zu rechnen.