Energiekabeltechnik

Seine Vorrangstellung als Leiterwerkstoff verdankt das Kupfer

Seit fast 100 Jahren wird Papier zur Isolierung von Energiekabeln eingesetzt. Daß es heute im Zeitalter der Kunststoffe nach wie vor

Hochwertige dielektrische Eigenschaften erhält eine Papierisolierung erst durch eine Vakuumtrocknung und eine anschließende Tränkung mit einem feuchtigkeitsabweisenden Imprägniermittel

Für das Aufwickeln der Papierbänder auf den Kabelleiter müssen konstruktive Angaben gemacht werden über

Unter dem Kurzbegriff „PVC“wird in der Kabeltechnik nicht das chemisch exakt definierte Polyvinylchlorid verstanden, sondern eine weichmacherhaltige Isoliermischung, die außerdem noch andere Zusätze enthält. Erst durch die Zusammensetzung spezieller PVC-Kompounde werden die Qualitätsanforderungen erreicht, die eine leichte und fehlerlose Extrusion des Kabeldielektrikums und seine spätere Bewährung bei allen Betriebserfordernissen sicherstellen.

Der Einsatz von PVC ist auf Kabel mit einer Nennspannung bis zu 10 kV beschränkt. Die an die Kohlenwasserstoffketten angelagerten Chlor-Atome bilden Dipole, deren Schwingungsverluste im elektrischen Feld bei höheren Spannungen die Belastbarkeit der Kabel zu stark einschränken würden.

Die ölimprägnierte Papierisolierung ist sehr feuchtigkeitsempfindlich. Sie bedarf also eines feuchtigkeitsdichten Mantels.

Die beiden größten internationalen Normungsorganisationen

Das Normenwerk der Deutschen Elektrotechnischen Kommission kennt sechs Arten von Normen:

Die überwiegende Mehrzahl der Energiekabel wird fest im Erdboden verlegt, wobei aus rechtlichen und ökonomischen Gründen Kabeltrassen in öffentlichen Straßen bevorzugt werden. Die Verlegetiefe wird meistens nach der Nennspannung der Kabel variiert, wobei 1 kV-Kabel mindestens 0,6 m, unter Fahrbahnen von Straßen wegen der Verkehrserschütterungen mindestens 0,8 m unter der Erdoberfläche liegen sollen. Höchstspannungskabel werden bis zu 3 m tief verlegt.

Kabel, die elektrische Energie vom Erzeuger zum Verbraucher transportieren, lassen sich in ihren heutigen Ausführungsformen leicht beschreiben: Sie bestehen aus mindestens einem elektrischen Leiter, der spannungsisoliert und durch Hüllen gegen äußere Einwirkungen geschützt sein muß.

Bei Kabeln mit einer Nennspannung von 1 …6 kV wird die Isolierungsdicke in erster Linie unter mechanischen Gesichtspunkten festgelegt. Ab 10 kV ist dann die elektrische Beanspruchung der Kabelisolierung die maßgebende Größe. Durch eine Einzelabschirmung der Adern wird ein Radialfeld in der Isolierung erzwungen, in dem die Feldstärke vom Kabelleiter zur Aderabschirmung hyperbolisch abfällt. Der Grenzfall eines Kondensators mit zwei konzentrischen, zylindrischen Elektroden und einem homogenen Dielektrikum wäre z.B. bei einem Höchstädter-Kabel oder einem Einleiterkabel verwirklicht, wenn diese eindrähtige Rundleiter haben.

Da die Betriebssicherheit eines Kabels die Festlegung von Grenztemperaturen erforderlich macht, die in keiner Betriebsphase und an keiner Stelle des Kabels überschritten werden dürfen, müssen die Zusammenhänge zwischen der Kabelerwärmung und der verursachenden Strombelastung geklärt werden. Für die Kabelerwärmung sind die verschiedenen Verluste verantwortlich, die bei der Übertragung der elektrischen Energie in den metallenen Aufbauelementen und in der Isolierung entstehen. Folgende Wärmequellen sind zu unterscheiden:

Die bisher betrachteten Glimmentladungs- und Wärmedurchschläge treten im Kabelbetrieb bei Feldstärken auf, die nicht in erster Linie durch die Isolationseigenschaften der Kabelisoliermaterialien bedingt sind. Vielmehr werden sie von kabelaufbau-spezifischen Größen bestimmt:

Die Erfahrungen mit Polyäthylen als Kabelisolierung im Mittelspannungsbereich waren so gut und Mitte der 60er Jahre auch hinreichend, daß zwangsläufig Höchstspannungskabel mit einem Feststoffdielektrikum aus Polyäthylen auf den Markt kamen. Bei diesen Kabeln muß durch entsprechende Prüfungen nach der Fertigung und angemessene Betriebsbedingungen die Hohlraumfreiheit in der Kabelisolierung sichergestellt werden. Im Betrieb sind sie dann wartungsfrei, während bei den Höchstspannungskabeln mit einem ölimprägnierten Papierdielektrikum ein Öl- oder Gasdruck aufrecht erhalten werden muß, um eine zum Kabeldurchschlag führende Ionisierung in Hohlräumen der Isolierung zu verhindern. Somit entfallen Störmöglichkeiten durch Leckagen, deren Ortung oft schwierig und zeitraubend ist. Für Höchstspannungskabel mit einer Polyäthylenisolierung sprechen weiterhin auch die Argumente, die bei Mittelspannungskabeln zu einer Verdrängung der Massekabel geführt haben:

Über größere Entfernungen wird elektrische Energie seit nahezu 100 Jahren übertragen. Es begann 1882 mit der 60 km langen Gleichstrom-Freileitung zwischen Miesbach und München. Die erste Drehstromübertragung folgte neun Jahre später auf der 175 km langen Strecke zwischen Lauffen am Neckar und Frankfurt am Main. Am Anfang dieser Entwicklung war die Energieübertragung eine Transportaufgabe zu wenigen Punkten, während im Laufe der Zeit immer dichter vermaschte Netze entstanden, zu der Transportalso noch eine Verteileraufgabe hinzukam. Heute sind ausgedehnte Übertragungsnetze mit Spannungen bis 800 kV im Betrieb, in einigen Ländern bis 1200 kV in der Planung. In zunehmendem Maße kommen Höchstspannungsnetze auch in Verdichtungsräumen vor, in denen der Energie- und Leistungsbedarf besonders stark zunimmt. Die hier zu errichtenden Netze unterscheiden sich wesentlich von denen großräumiger Versorgungsgebiete. Im Gegensatz zu diesen müssen in den Verdichtungsräumen sehr große Leistungen über meist kurze Entfernungen übertragen werden. Beide Umstände beeinflussen die Wahl der Nennspannungen in diesen Netzen und damit auch die Größe der Betriebsströme der Leitungen und Geräte. Während die großräumigen Übertragungsnetze oft nur mit Freileitungen ausgeführt werden können, muß in dicht bebauten Gebieten die Energie unterirdisch mit Kabeln übertragen werden.