Wärmemanagement bei der unterirdischen Verlegung von Stromkabeln

Der weltweite Strombedarf steigt. Energieversorger, Dienstleister und Netzbetreiber investieren in den Ausbau und die Sicherung des Stromnetzes. Dieser steigende Bedarf ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen, darunter der Bedarf an zuverlässigerer Stromversorgung, neue Energiequellen wie erneuerbare Energien, die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen, die Zunahme des Minings virtueller Währungen, die Verbreitung von Rechenzentren, die Abwanderung der Landbevölkerung in vielen Entwicklungsländern in die Städte und die Notwendigkeit, die Infrastruktur vor Umweltschäden zu schützen. Diese Systeme werden zunehmend unterirdisch verlegt und nutzen Rohrsysteme (Kanäle, Rohre) anstelle der Erdverlegung. Während die unterirdische Verlegung von Kabeln in Rohren bisher als teurer und weniger praktikabel galt, geht der Trend aufgrund der langfristigen wirtschaftlichen, betrieblichen und sicherheitstechnischen Vorteile zunehmend zu Rohrsystemen. Insbesondere der Aufbau der Infrastruktur für Rohrleitungssysteme bietet einen zukunftsfähigen Rahmen für eine effizientere Wartung, Überwachung und Verbesserung von Kabelsystemen.

Dieser Übergang zu Rohrsystemen bringt für einige auch neue Herausforderungen mit sich, insbesondere beim Umgang mit Wärme, die durch elektrischen Widerstand in den Leitern erzeugt wird. Einige Versorgungsingenieure, Designberater, Hersteller und Kabelinstallationsunternehmer möchten besser verstehen, wie die negativen Auswirkungen von im unterirdischen Kabel erzeugter Wärme besser quantifiziert und gehandhabt werden können, um deren Auswirkungen auf die Leistung des Stromnetzes und die Umwelt zu begrenzen.

Die Konstruktion unterirdischer Systeme mit unzureichender Wärmeableitung kann zu einer verringerten Kabelkapazität, einer verkürzten Lebensdauer und höheren Kosten führen. Dennoch gibt es weltweit unzählige Systeme von in Rohren verlegten Kabeln, die trotz der Wärmeentwicklung zuverlässig funktionieren. Um zu sehen, wie viele sich mit den thermischen Eigenschaften von in Rohren verlegten Kabeln in Design und Praxis befassen, hat Polywater eine kleine Gruppe von Experten zusammengestellt, um das Thema Wärmeerzeugung und -ableitung in Stromkabeln und das Wärmemanagement für neue unterirdische Kabelinstallationspraktiken zu besprechen.

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Verständnis des thermischen Verhaltens bei der Auslegung unterirdischer Kabelsysteme

Stromkabel können beim Durchfließen von elektrischem Strom erhebliche Wärme erzeugen. Diese Wärme, die durch den elektrischen Widerstand im Leiter entsteht, wird als Joule-Wärme bezeichnet und stellt einen Energieverlust dar. Je größer der Strom oder Widerstand ist, desto mehr Wärme wird erzeugt, was die Effizienz verringert und die Betriebskosten sowohl für Versorgungsunternehmen als auch für Endbenutzer erhöht.

Unterirdische Kabelinstallationen können aufgrund der isolierenden Beschaffenheit des Bodens und der engen Umgebung anfällig für wärmebedingte Herausforderungen sein. Bei direkt vergrabenen Kabeln hat der Mantel direkten Kontakt mit dem umgebenden Boden. Im Gegensatz dazu verfügen Rohrsysteme über eine zusätzliche Wärmeübertragungsschnittstelle – die Rohrwand – mit einer in der Regel größeren Außenfläche. Systeme von in Rohren verlegten Kabeln können Wärme potenziell effizienter ableiten, da die größere Außenfläche des Rohrs eine größere Kontaktfläche mit dem Boden bietet.

Sowohl erdverlegte als auch in Rohren verlegte Installationen können jedoch Einschränkungen hinsichtlich der Wärmeableitung aufweisen, insbesondere in Umgebungen mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Diese geringe Wärmediffusion führt zu einem Anstieg der Kabeltemperatur, was die Isolierung beeinträchtigen, die Lebensdauer des Kabels verkürzen und die Strombelastbarkeit verringern kann.

Marius Engebrethsen, Projektmanager bei REN, einem norwegischen Think Tank für Ingenieure, erklärt: „Deshalb ist uns die Wärmeentwicklung so wichtig. Sie ist oft der limitierende Faktor für die Stromstärke, die durch das System fließen kann. Zu viel Wärme kann den Alterungsprozess beschleunigen. Es ist entscheidend, dies bei der Systementwicklung zu berücksichtigen.“

Ein effektives Wärmemanagement beginnt mit dem Verständnis der Wärmebewegung im System. Kabelleiter, Isolierungen, Abschirmungen, Kabelmäntel, Rohre, Luftspalte, Hinterfüllungen und Erde haben alle unterschiedliche Wärmewiderstände. Diese Materialien beeinflussen die Wärmeableitung vom Kabelkern nach außen. Um dieses Verhalten genau beurteilen zu können, ist eine thermische Analyse erforderlich – in der Regel mithilfe von Industriestandards, spezieller Software oder beidem.

„Der Haupteinsatzzweck der Software“, so Engebrethsen, „ist die Planung unterirdischer Kabelverlegungen.“ Man kann den Grabenverlauf zeichnen, erweiterte Berechnungen durchführen und analysieren, wie sich Wärme aufbaut und ausbreitet – sogar wie sich Magnetfelder verhalten. So können Ingenieure das Kabel dimensionieren und die Belastbarkeit optimieren.“

Marcel den Haan von Grid Design Solutions und Business Development bei Grøft Design® erklärt weiter: „Sie müssen die maximale Belastung des Kabels kennen, um Variablen wie Kabeldurchmesser, Belastung oder Umgebungsluft anpassen zu können. Sie überwachen, was um und auf dem Kabel passiert, um zu sehen, wie weit Sie gehen können.“

Einer der einflussreichsten Faktoren für die Wärmeableitung ist die Bodenzusammensetzung. Die Fähigkeit des Bodens, Feuchtigkeit zu speichern – entscheidend für die Wärmeleitfähigkeit – hängt von seiner Körnigkeit und Porenstruktur ab. Feinkörnige Böden wie Ton speichern Wasser aufgrund der Kapillarwirkung gut, während grobkörnige Böden wie Sand schneller entwässern, aber die vertikale Feuchtigkeitswanderung fördern können.

Wichtig ist, dass das Kabel beim Erhitzen den umgebenden Boden austrocknet und eine „trockene Zone“ mit geringerer Wärmeleitfähigkeit bildet. Erde oder Verfüllung mit hoher Feuchtigkeitsspeicherung tragen dazu bei, die Bildung dieser heißen Zonen zu verhindern.

„Der Boden mag für Elektroingenieure uninteressant erscheinen“, sagt Engebrethsen, „aber er ist entscheidend für eine gute Kabelverlegung. Man braucht Böden mit niedrigem Wärmewiderstand, die Feuchtigkeit auch bei Erwärmung des Kabels speichern können.“

Auch die Verlegetiefe des Kabels spielt eine Rolle. Tiefere Verlegungen erhöhen die Distanz, die die Wärme zur Ableitung zurücklegen muss, was die Strombelastbarkeit verringert. Um diese Variablen zu berücksichtigen, werden häufig umfassende Bodenuntersuchungen durchgeführt.

Jacco Smit von TenneT beschreibt den Prozess: „Wir führen eine Bodenuntersuchung entlang der gesamten Trasse durch. Wenn wir bis zu einer Tiefe von 40 Metern bohren, analysieren wir alle vorhandenen Schichten mit ihren Wärmekapazitäten und berechnen den neuen Wärmewiderstandswert insgesamt.“

Diese Untersuchungen helfen, die Auswirkungen der Bodenbeschaffenheit auf die Kabelstrombelastbarkeit, die Bildung von Trockenzonen und die Notwendigkeit einer Anpassung des Wärmeprofils einer Anlage zu quantifizieren.

Strategien zum Wärmemanagement in unterirdischen Kabelinstallationen

Angesichts der erheblichen Auswirkungen von Wärmeerzeugung und -ableitung auf die Effizienz und die Kosten unterirdischer Stromnetze ist ein effektives Wärmemanagement unerlässlich. Unkontrollierte Wärme kann die Alterung von Kabelkomponenten beschleunigen, die Strombelastbarkeit verringern und das Ausfallrisiko erhöhen. Andererseits ermöglicht die Steuerung des thermischen Verhaltens den Versorgungsunternehmen, die Belastbarkeit und Zuverlässigkeit ihrer Netze zu maximieren.

Ingenieuren stehen verschiedene Werkzeuge zur Verfügung, um die Wärme in unterirdischen Kabelinstallationen zu kontrollieren. Dazu gehören die sorgfältige Auswahl von Materialien, die Dimensionierung der Leiter, die Vergrößerung des Kabelabstands, die Optimierung der Verlegetiefe und Technologien zur Wärmeminderung. Jacco Smit, Senior Advisor für Anlagenmanagement bei TenneT, erklärt: „Wir wollen stets den Bedarf der Verbindung decken. Natürlich wird es Hotspots geben, aber dann wählen wir einen größeren Leiterquerschnitt oder passen die thermischen Eigenschaften des umgebenden Bodens, des Rohrs oder des Rohrbündels an.“

Smit betont, dass die thermische Auslegung mit dem Verständnis der erforderlichen Systemlast beginnt. „Meiner Ansicht nach“, sagt er, „haben wir die Verpflichtung, von A nach B zu gelangen und eine bestimmte Menge an MVA oder Ampere durch die Verbindung zu transportieren. Wir werden dann die optimale Kabeldimensionierung usw. finden.“

Über die grundlegenden Konstruktionsparameter hinaus kann ein fortschrittliches Wärmemanagement die strategische Nutzung von Grundwasser zur Unterstützung der Wärmeableitung, die Vernetzung zur Reduzierung von Mantelstromverlusten und die lokale Analyse von Mantelstromeffekten umfassen. Bei Installationen über große Entfernungen werden Kabelkonfigurationen wie Dreiblatt- (dreieckige) Kabelanordnungen verwendet, um magnetische Störungen zu reduzieren und das thermische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.

Smit weist auch auf die gesteuerte Horizontalbohrung (HDD) als einen Bereich hin, in dem das Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung ist. „Durch Berechnungsüberprüfungen mit thermischer Überwachung haben wir festgestellt“, erklärt er, „dass während des HDD-Verfahrens Temperaturspitzen an den Ein- und Austrittspunkten der Bohrung auftreten. Das Temperaturprofil steigt an, fällt in der Mitte der Bohrung ab und steigt auf der anderen Seite wieder an.“

Um diese lokalen heißen Stellen zu entschärfen, können bautechnische Maßnahmen ergriffen werden. „Wir ergreifen Maßnahmen, um die Rohre an den Ein- und Austrittspunkten zu verteilen“, erklärt Smit. „Dies trägt zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung und einem besseren thermischen Gleichgewicht bei.“
Diese Beispiele verdeutlichen, dass die Wärmeprobleme in unterirdischen Systemen zwar komplex, aber beherrschbar sind. Mit einem klaren Verständnis der Thermodynamik und den richtigen Planungs- und Überwachungsstrategien können Versorgungsunternehmen die Verlegung in den Untergrund ohne Leistungseinbußen bedenkenlos vorantreiben.

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Die Rolle von Normen im Wärmemanagement

Da unterirdische Kabel immer häufiger verlegt werden, ist das Verständnis und Management der Wärmedynamik entscheidend für die Aufrechterhaltung der Systemleistung und -lebensdauer. Während Materialauswahl, Design und Analysetools Ingenieuren helfen, die Wärmeentwicklung auf Projektebene zu berücksichtigen, bieten internationale Normen und Richtlinien einen gemeinsamen Rahmen für die Modellierung und Steuerung des thermischen Verhaltens von Stromkabelsystemen.

Diese Normen variieren je nach Region und berücksichtigen Umweltfaktoren wie Umgebungstemperatur, Bodenbeschaffenheit, Niederschlag und Lastprofile. Wie Marius Engebrethsen von REN erklärt, ist die Norm IEC 60287 eine der am weitesten verbreiteten in Europa und weltweit. „Sie basiert auf analytischen Methoden“, sagt er, „und wird häufig für Berechnungen zur Wärmeerzeugung und -ableitung verwendet.“

In den USA dient die IEEE 835 als Gegenstück. Sie kombiniert analytische und empirische Ansätze und eignet sich daher nicht nur für die Modellierung stationärer Lasten, sondern auch für zyklische und Notfallbedingungen. Darüber hinaus hebt Engebrethsen die technische Broschüre TB880 von CIGRE hervor, die die Finite-Elemente-Analyse (FEA) beinhaltet und Anwendungsfälle bietet, die den Vergleich von Simulationssoftware mit praktischen Szenarien ermöglichen.

Diese Normen bilden zwar eine starke Grundlage, sind aber nicht ohne Einschränkungen. Beispielsweise geht die IEC 60287 von konstanten Lastprofilen aus und verwendet statische Datentabellen, die veraltet sein oder nicht mit den tatsächlichen Bedingungen vor Ort übereinstimmen können. Dies kann in modernen dynamischen Umgebungen zu ungenauen Ergebnissen führen.

Marcel den Haan von Grøft Design® unterstreicht diese Herausforderung: „Es gibt viele Varianten, bei denen man präziser vorgehen muss als in der Norm angegeben. Selbst wenn man innerhalb der Norm arbeitet, müssen die schwierigsten Teile berechnet werden. Andernfalls besteht die Gefahr, dass der Boden austrocknet oder die maximale Kabeltemperatur überschritten wird.“

Einige Normen gehen zudem von gleichmäßigen Verlegetiefen und homogenen Bodeneigenschaften aus – Annahmen, die in realen Projekten selten zutreffen. Diese Vereinfachungen können zu einer Unter- oder Überbewertung wärmebedingter Risiken führen.

Neben IEC 60287 und IEEE 835 sind weitere relevante Normen wie IEC 60853-1 für zyklische und Notstromfestigkeit, IEEE 835 für die Berechnung der Strombelastbarkeit in Rohren und Kabelkanälen sowie NEC Artikel 310.15(B) mit Strombelastbarkeitstabellen und Anpassungsfaktoren relevant.

Mit der Weiterentwicklung von Simulationssoftware – die höhere Präzision und die Möglichkeit bietet, lokale Bedingungen zu berücksichtigen – werden einige Einschränkungen dieser Normen gelockert. Diese Entwicklung ermöglicht es Planern und Ingenieuren, Erdkabelsysteme genauer zu modellieren und die Konstruktion für eine optimale Wärmeableitung zu optimieren, die Lebensdauer der Kabel zu verlängern und die Gesamtleistung des Netzes zu verbessern.

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Weiterentwicklung des Wärmemanagements bei der Planung von Erdkabelsystemen

Die Verlegung unterirdischer Kabel in Rohren hat in vielen Teilen der Welt eine über hundertjährige Geschichte. In dieser Zeit haben Energieversorger, Ingenieurbüros, Bauunternehmer und Hersteller wertvolles Wissen und praktische Erfahrungen gesammelt. Diese Erkenntnisse, die sowohl auf Erfolgen als auch auf Herausforderungen beruhen, haben den aktuellen Ansatz für die Planung unterirdischer Kabelsysteme geprägt. Dennoch bestehen weiterhin Missverständnisse über den Umgang mit Wärme in Systemen von in Rohren verlegten Kabeln, die oft auf veralteten Informationen und Praktiken beruhen.

In frühen Verlegungen unterirdischer Kabel in Rohren wurden häufig asbesthaltige Rohre verwendet. Dieses Material war hochgradig feuerbeständig und nichtleitend, aber auch für seine hohen wärmeisolierenden Eigenschaften bekannt. Um die bei der Verlegung eines Kabels in einem Rohr entstehende Wärme zu kompensieren, wurde dessen maximale Strombelastbarkeit mithilfe eines universellen Derating-Faktors reduziert. Mit der Einführung von Kabelmänteln und Rohrmaterialien aus Kunststoff spiegelt dieser Faktor jedoch die derzeitigen thermischen Bedingungen nicht mehr genau wider.

„Der Einfluss von Rohren auf die langfristig zulässige Stromstärke von Kabeltrassen ist vielfältig und lässt sich nicht durch die Einführung eines universellen Korrekturfaktors beschreiben“, sagt Mikhail Dimitriev, Berater für Stromnetze bei Voltplace. „In vielen Fällen reduziert die Verlegung von Kabeln in Rohren die zulässige Stromstärke nicht, sondern erhöht sie im Gegenteil“, so Dimitriev.

Mangelndes Verständnis der thermischen Eigenschaften neuerer Kanal- und Mantelmaterialien hat zeitweise den breiteren Einsatz von Installationen in Rohren verhindert. Viele Versorgungsunternehmen sind auf Verfahren mit offenen Graben umgestiegen, da sie davon ausgehen, dass diese eine bessere Wärmeableitung und geringere Baukosten bieten. Diese Wahrnehmung wird jedoch zunehmend in Frage gestellt.

Eine Methode zur Wärmeregulierung besteht darin, Systeme von in Rohren verlegten Kabeln mit einer Bentonit-Ton-Aufschlämmung zu fluten. Ursprünglich wurde Bentonit verwendet, um das Kabel während der Installation zu schmieren. Es stellte sich jedoch heraus, dass es auch die Wärmeableitung unterstützt. Diese Methode der Bentonit-Flutung ist jedoch aus mehreren Gründen in Vergessenheit geraten.
Erstens erwies sich die Einführung technischer Schmiermittel auf Wasserbasis in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts als weitaus wirksamer bei der Reduzierung der Reibung beim Kabelziehen. Diese Schmiermittel ermöglichen die sichere Verlegung längerer Kabellängen über größere Entfernungen.

Zweitens stellte sich heraus, dass Bentonit mit der Zeit dazu führte, dass das Kabel am Kanal klebte, was dessen Entfernung oder Austausch extrem erschwerte. In vielen Fällen war eine Sanierung der Rohre erforderlich, bevor neue Kabel verlegt werden konnten.

Trotzdem wird Bentonit immer noch bei einigen Prozessen der Verlegung von Kabeln in Rohren verwendet – insbesondere bei der gesteuerten Horizontalbohrung (HDD). In diesem Zusammenhang wird es außen um das Rohr herum aufgetragen, um die Installation der Leitungen zu erleichtern. Die zähflüssige Konsistenz der Aufschlämmung trägt außerdem zur Erhaltung der Integrität des Bohrlochs bei, indem sie dessen Wände stützt und ein Einstürzen während des Bohrens und der Installation verhindert.

Trotz zunehmender Erkenntnisse und Praxiserfahrungen bestehen in vielen Regionen weiterhin Missverständnisse über die Wärmeableitung in Systemen von in Rohren verlegten Kabeln. Diese Missverständnisse bergen die Gefahr, die vielen Vorteile von Installationen in Rohren zu überschatten, darunter verbesserter Schutz vor mechanischen Schäden und Feuer, höhere Systemzuverlässigkeit und -effizienz, vereinfachte Wartung und schnellere Fehlerortung sowie die Bereitschaft der Infrastruktur für zukünftige Upgrades.

Vor allem aber bieten Rohrsysteme die langfristige Flexibilität, die zur Deckung des schnell wachsenden Strombedarfs erforderlich ist. Viele Ingenieure konzipieren Rohrsysteme heute für den Einsatz über mehrere Kabellebensdauern.

„Wir geben eine bestimmte Qualität des Rohrs an, bei der wir das Rohr zwei Mal verwenden müssen“, sagt Jacco Smit von TenneT. „Wir installieren es also einmal, und während der Lebensdauer von 50 Jahren des Kabelsystems wird das Kabel herausgezogen und später ein neues Kabel eingezogen.“

Smit ergänzt: „Wir berücksichtigen auch, dass die Leiter durch die Entwicklung neuer Kabel zukünftig größer werden. Daher ist das Rohr robust und groß genug für eine Lebensdauer von 100 Jahren.“
Die Fortschritte der letzten Jahrzehnte bei Kabel- und Rohrmaterialien – zusammen mit verbesserten Planungs- und Installationspraktiken – haben die thermische Leistung und Strombelastbarkeit von unterirdischen Systemen deutlich verbessert.

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Fazit

Da unterirdische Kabelinstallationen in Rohren zunehmen, um den steigenden Strombedarf zu decken, ist ein gutes Verständnis der Thermodynamik wichtig. Alle Stromkabel erzeugen Wärme, und wenn diese Wärme nicht ordnungsgemäß abgeführt wird, kann sie sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer von Mittel- und Hochspannungsanlagen beeinträchtigen. Um einen zuverlässigen Service zu gewährleisten und die Strombelastbarkeit zu maximieren, muss Wärme sorgfältig vorhergesagt und gehandhabt werden.

Die Optimierung der thermischen Leistung hängt von mehreren Faktoren ab – vom Systemdesign und der Materialauswahl bis hin zur genauen Modellierung und Einhaltung von Normen. Für eine erfolgreiche Projektplanung ist das Bewusstsein dafür, wie diese Elemente zusammenwirken, zusammen mit der Fähigkeit, thermische Berechnungen anzuwenden und zu interpretieren, entscheidend.

Durch die Weiterentwicklung des Verständnisses von thermischen Faktoren in unterirdischen Netzen von in Rohren verlegten Kabeln und die Umsetzung von Wärmemanagementstrategien öffnen Versorgungsunternehmen die Tür für die zahlreichen langfristigen wirtschaftlichen, operativen und ökologischen Vorteile, die unterirdische Stromnetze bieten.

Lernen Sie die Beitragenden kennen

Jakob Smit
Senior Technology Advisor Cable and Lines
TenneT
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Marcel den Haan
Grid Design Solutions and Business Development
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Michail Dimitriev
Electric Power System Consultant
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