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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
Prof. Dr.-Ing. Kay Rethmeier, Labor für Hochspannungstechnik, Hochstromtechnik und EMV 30.11.2015
� 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?
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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...
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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]
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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]
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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]
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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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Was ist, wenn keine Norm existiert?
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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
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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
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Alter der Normen
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100%
50%
33%
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Was ist, wenn keine Norm existiert?
• 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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Was ist, wenn keine Norm existiert?
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
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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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Das Kabel ist eigentlich nicht das Problem…
Verlegearten
• Tunnel (zugänglich)
• Directly burried (vergraben)
• Muffengrube zugänglich
Muffen als SCHNITTSTELLE (Handarbeit fehleranfällig) zwischen Kabeln
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Das Kabel ist eigentlich nicht das Problem…
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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
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DC-Kabel sind leistungsfähig: ca. 2 Gigawatt pro Paar!
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[Quelle: ABB]
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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
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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
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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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Netzausbau – Akzeptanz!• … so ?!
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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…
[Quelle: FNN-Netzkongress 2013]
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DC-Freileitung: Hier auch noch offene Fragen…
[Quelle: FNN-Netzkongress 2013]
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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
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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