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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kabelaufbauelemente und -konstruktionen

1. Kabelleiter

Zusammenfassung
Seine Vorrangstellung als Leiterwerkstoff verdankt das Kupfer
  • • seiner außerordentlich hohen elektrischen Leitfähigkeit, die nur noch von Silber übertroffen wird, und
  • seiner hervorragenden Warm- und Kaltverformbarkeit.
H. Wilhelm Lücking

2. Papier als Kabeldielektrikum

Zusammenfassung
Seit fast 100 Jahren wird Papier zur Isolierung von Energiekabeln eingesetzt. Daß es heute im Zeitalter der Kunststoffe nach wie vor
  • bei Mittelspannungskabeln eine bedeutende und
  • bei Höchstspannungskabeln eine unangefochtene Rolle spielt, zeigt
  • einmal, welche hervorragende Leistung den damaligen Ingenieuren gelungen ist,
  • und zum anderen, daß die Eigenschaften von Papier ausreichend waren bzw. so verbessert werden konnten, daß heute zur Isolierung von 1100kV-Kabeln kein anderer Isolierstoff in Frage kommt.
H. Wilhelm Lücking

3. Isolieröle zur Kabeltränkung

Zusammenfassung
Hochwertige dielektrische Eigenschaften erhält eine Papierisolierung erst durch eine Vakuumtrocknung und eine anschließende Tränkung mit einem feuchtigkeitsabweisenden Imprägniermittel
  • einmal, um ein Weiterverarbeiten — sei es in der Fabrik, sei es auf der Baustelle bei der Montage von Muffen und Endverschlüssen — zu ermöglichen,
  • und zum anderen, um Glimmentladungen in den Vakuolen der Papierstruktur zu verhindern, die zu einer chemischen Zersetzung der Papierfasern und damit zu einem Verlust der Isolierfähigkeit führen würden.
H. Wilhelm Lücking

4. Fertigungsverfahren für Papierkabel-Isolierungen

Zusammenfassung
Für das Aufwickeln der Papierbänder auf den Kabelleiter müssen konstruktive Angaben gemacht werden über
  • die Papierdickenstufung in Abhängigkeit vom wachsenden Durchmesser in der Isolierung,
  • die Wahl der Fugenbreite zwischen zwei Umschlingungen eines Papierbandes derselben Lagenzahl,
  • Breite der Papierbänder, durch die unter Berücksichtigung der Stoßfugenbreite auch der Spinnwinkel festgelegt wird, unter dem die Papierbänder aufgewickelt werden sollen,
  • die Abstufung der Wickelzüge, mit dem die Papierbänder aufgewickelt werden sollen,
  • den Versetzungsgrad der Papierbänder benachbarter Lagen und
  • die Schlagrichtungen der einzelnen Papierlagen.
H. Wilhelm Lücking

5. PVC als Kabeldielektrikum

Zusammenfassung
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.
H. Wilhelm Lücking

6. Polyäthylen als Kabeldielektrikum

Zusammenfassung
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.
H. Wilhelm Lücking

7. Kabelmäntel und -schirme, Schutzhüllen

Zusammenfassung
Die ölimprägnierte Papierisolierung ist sehr feuchtigkeitsempfindlich. Sie bedarf also eines feuchtigkeitsdichten Mantels.
  • Seit den Anfängen der Kabeltechnik hat sich der Bleimantel bewährt, der sich verhältnismäßig einfach nahtlos über die Kabelseele pressen läßt und die Biegbarkeit des Kabels nicht einschränkt. Nachteilig ist sein hohes Gewicht und seine Erschütterungsempfindlichkeit.
  • Diese Nachteile hat ein Aluminiummantel nicht. Da er außerdem sehr gut leitet, wird er in zunehmendem Maße als Erdleiter verwendet. Bei größeren Kabeldurchmessern über 50 mm wird seine Biegbarkeit durch eine Wellung sichergestellt.
  • Bei Niederspannungskabeln sind zeitweise auch Kupfer- und Stahlmäntel verwendet worden. Sie werden aus Blech gebogen und dann gefalzt, gelötet oder geschweißt.
H. Wilhelm Lücking

8. Normen und VDE-Bestimmungen

Zusammenfassung
Die beiden größten internationalen Normungsorganisationen
  • International Organisation for Standardization (ISO) und
  • International Electrotechnical Commission (IEC) werben in einer Broschüre “World Standards for World Progress” mit folgender Definition:
H. Wilhelm Lücking

9. Konstruktionen von Nieder- und Mittelspannungskabeln

Zusammenfassung
Das Normenwerk der Deutschen Elektrotechnischen Kommission kennt sechs Arten von Normen:
  • Abmessungsnormen,
  • Güte- und Stoffnormen,
  • Liefernormen,
  • Prüfnormen,
  • Begriffsnormen und
  • Sicherheitsnormen.
H. Wilhelm Lücking

10. Kabellegung, Garnituren und Montagetechniken

Zusammenfassung
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.
H. Wilhelm Lücking

Theoretische Grundlagen Kabel für höhere Spannungen und Leistungen

11. Technische Grundprinzipien

Zusammenfassung
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.
H. Wilhelm Lücking

12. Mechanismen eines Kabeldurchschlags

Zusammenfassung
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.
H. Wilhelm Lücking

13. Strombelastbarkeit von Energiekabeln

Zusammenfassung
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:
  • Im Leiter treten Verluste infolge des ohmschen Leiterwiderstandes sowie des Skin-effektes auf, zu denen bei geringem Abstand der stromführenden Leiter noch die Proximity-Verluste hinzukommen.
  • In der Isolierung entstehen dielektrische Verluste, hervorgerufen durch eine geringe Restleitfähigkeit der Isoliermaterialien und von Schwingungen ihrer Dipolmoleküle im elektrischen Feld. Sie sind im Gegensatz zu den übrigen, vom Belastungsstrom des Kabels abhängigen Verlusten dem Quadrat der Spannung proportional. Bei den hochwertigen Isolierstoffen, die heute in der Kabeltechnik verwendet werden, spielen sie jedoch erst bei Höchstspannungskabeln eine gewisse Rolle.
  • In den metallenen Kabelmänteln führen Induktions- und Wirbelströme zu Verlusten, von denen erstere jedoch durch eine isolierte Verlegung der Kabel unterdrückt werden können. Wird diese Maßnahme durchgeführt, so darf nicht übersehen werden, daß dann an den Kabelenden je nach Streckenlänge beachtlich hohe induzierte Spannungen anstehen können.
  • Weitere Verluste durch Induktions- und Wirbelströme ergeben sich, wenn die Kabelmäntel eine Druckschutzbandage oder eine Bewehrung haben. Da die Bewehrung üblicherweise aus Stahlband oder -draht aufgebaut ist, kommen hier dann auch noch Magnetisierungsverluste hinzu.
H. Wilhelm Lücking

14. Höchstspannungskabel mit einem Öl/Papier-Dielektrikum

Zusammenfassung
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:
  • Beim Glimmentladungsdurchschlag ist es die Hohlraumbildung mit der Möglichkeit einer Ionisierung,
  • beim Wärmedurchschlag ist es die ungenügende Wärmeabfuhr der im Kabel anfallenden Wärme.
H. Wilhelm Lücking

15. Höchstspannungskabel mit einem Kunststoffdielektrikum

Zusammenfassung
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:
  • Das geringere Kabelgewicht,
  • die leichtere Verlegung größerer Längen,
  • die einfache und saubere Garniturenmontage und
  • die hervorragenden Betriebseigenschaften, die sich aus der kleineren Dielektrizitätskonstante und dem äußerst geringen Verlustfaktor ergeben.
H. Wilhelm Lücking

16. Hochleistungskabel

Zusammenfassung
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.
H. Wilhelm Lücking

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