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e+i Elektrotechnik und Informationstechnik

Published in:

01-12-2014 | Originalarbeiten

Thermodynamisches Verhalten von 110-kV-Kabelsystemen bei sinusförmiger sowie geradliniger Verlegung: Grenzen und Verlegungsansätze

Authors: Hansjörg Hauer, Heinz Stotz, Kurt Gähler

Published in: e+i Elektrotechnik und Informationstechnik | Issue 8/2014

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Zusammenfassung

Das thermodynamische Verhalten von Kabelsystemen wird von den wirksamen thermischen Längenänderungen ΔΔl _L, d.h. von der Differenz der thermischen Längenänderungen der Leiter Δl _L und jener des Tragsystems Δl _T geprägt. Am Anlassfall der in der Floridsdorfer Brücke typgleichen, aber unterschiedlich verlegten 110-kV-VPE-Kabelsysteme mit Kupferleitern, die in Flachlage auf metallenen Tragsystemen angeordnet sind, werden die Reaktionen der sinusförmigen sowie der geradlinigen Verlegung analysiert, Grenzen und Verlegungsansätze abgeleitet und im Vergleich dargestellt. Ergänzend werden auch die Auswirkungen anderer Leiterquerschnitte, Leiterwerkstoffe und Tragsystemwerkstoffe betrachtet. Schließlich ist auch der Lösungsansatz zur Beherrschung der thermischen Längenänderungen der Kabelsysteme im Abschnitt der Brückendehnfuge skizziert.

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Legende zum Koordinatensystem:

x, x _m – Koordinate in Richtung der Kabelsystemachse

x=0 bei (virtuellen) Systemfestpunkten.

x _m=0 in Periodenmitte zwischen (virtuellen) Systemfestpunkten
y – Koordinate in horizontaler Richtung quer zur Kabelsystemachse
z – Koordinate in vertikaler Richtung quer zur Kabelsystemachse

Kabelmantel und Isolierung folgen im Allgemeinen unabhängig von den zum Kabelmantel hin niedrigeren Temperaturänderungen praktisch rückwirkungsfrei den Längenänderungen der Leiter, weil die werkstoff- und strukturbedingten Festigkeiten dieser Schichten deutlich geringer als die Festigkeit der Leiter sind.

Horizontales Ausknicken eines bandagierten Kabelsystems in Flachlage ist wegen des hohen axialen Flächenträgheitsmoments um die vertikale Achse eher unwahrscheinlich.

Die Verlustleistungsabgabe durch Konvektion und Strahlung erfolgt über die wirksamen, d.h. über die frei liegenden und nicht durch etwa benachbarte Kabeln abgedeckten Anteile der Kabeloberfläche, demnach ist die Verlustleistungsabgabe gebündelt angeordneter Kabel weniger wirksam als jene bei mit Zwischenraum in einer Ebene angeordneter Kabel.

Abstände im Ausgangszustand.

Der thermisch zulässige Betriebsstrom wird ungeachtet der betrachteten Kabelanordnung in Flachlage unverändert mit dem Wert unter Referenzbedingungen von I _r=996 A beibehalten, weil in Betracht gezogen wird, dass über den gesamten Trassenverlauf des Kabelsystems (über den Brückenbereich hinaus) auch Abschnitte vorkommen können, für die die Referenzbedingungen zutreffen.

Unter Thermal-Rating-Betrieb versteht man den an die Umgebungsbedingungen angepassten Betrieb unter Ausnützung der im ungestörten Betrieb maximal zulässigen Leitertemperatur. Dies erlaubt Betriebsströme über dem thermisch zulässigen Betriebsstrom unter Referenzbedingungen und damit höhere Ausnützung von Kabelsystemen bei günstigen Umgebungstemperaturen etwa im temporären Überlastbetrieb oder Engpassbetrieb.

Das Finite-Element-Querschnittsmodell wurde mit der FE-Software QuickFieldTM Professional, field simulation software, Tera Analyses Ltd, Version 6.0, 2013, www.quickfield.com entwickelt.

Auf Grund der geringen Krümmungen der Kabel ist angenommen, dass die Krümmungsänderungen rein elastisch erfolgen.

Ermittelt aus dem Momentengleichgewicht des halben ausgeknickten Kabels um den Scheitelpunkt x ₁=0.

Ermittelt aus dem Verlauf der Biegelinie an der Stelle x ₁=0 und dem Zusammenhang von Biegelinie und Biegemoment.

$$ z_{1 ( x_1 = 0 )}^{\prime\prime} = - \frac{h_{1}}{2} \cdot \biggl( \frac{2\pi}{\Delta l_{1}} \biggr)^{2} = - \frac{1}{\mathit{EJ}_{K}} \cdot F_{Lax} \cdot \frac{h_{1}}{2}. $$

(22)

Die Änderungen der Erdbodentemperatur sind in der typischen Legetiefe in Erde verlegter Kabelsysteme jahreszeitlich bereits so niedrig, so dass über den gesamten betrachteten Umgebungstemperaturbereich von −20 °C bis 35 °C keine signifikanten Längenänderungen im Erdboden auftreten und die Wärmedehnzahl für den Erdboden daher mit α _thE∼0×10⁻⁶ m/Km angenommen werden kann.

Brückenkorpuswerkstoff Eisen, d.h. α _thB=α _thT, l _B=240 m.

Grote, K.-H., Feldhusen, J. (Hrsg.) (2007): Festigkeitslehre (Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau). 22. Aufl. Berlin: Springer. C20 Tab. 4b.

Arkell, C. A., Arnaud, U. C., Skipper, D. J. (1974): The thermo-mechanical design of high power, self-contained cable systems. In CIGRE 1974 (S. 21-05).

Tarnowski, J., et al. (1994): Thermomechanical modelling of extruded insulation HV cables in ducts. In CIGRE 1994 (S. 21–101).

Zenger, W., et al. (2006): Thermo-mechanical design of XLPE insulated HV and EHV cables installed in duct-manhole and pipe systems. In CIGRE 2006 (S. B1–111).

Heinhold, L., Stubbe, R. (1999): Thermische Kurzschlussbelastbarkeit (Kabel und Leitungen für Starkstrom). 5. Aufl. München: Publicis MCD. 383 (19.45).

Kesselring, F. (1968): Kennwerte Leitende Werkstoffe (Theoretische Grundlagen zur Berechnung der Schaltgeräte). 4. Aufl. Berlin: Sammlung Göschen. 711/711a/711b: Tafel 4.

Title: Thermodynamisches Verhalten von 110-kV-Kabelsystemen bei sinusförmiger sowie geradliniger Verlegung: Grenzen und Verlegungsansätze
Authors: Hansjörg Hauer
Heinz Stotz
Kurt Gähler
Publication date: 01-12-2014
Publisher: Springer Vienna
Published in: e+i Elektrotechnik und Informationstechnik / Issue 8/2014
Print ISSN: 0932-383X
Electronic ISSN: 1613-7620
DOI: https://doi.org/10.1007/s00502-014-0266-1

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