Hochspannungskabel

Ein Hochspannungskabel ist ein elektrisches Kabel das für den Betrieb mit Hochspannung, das sind elektrische Spannungen über 1 kV, ausgelegt ist. Dieser Kabeltyp wird unter anderem zur Übertragung großer Leistungen (bis über 1 GW und Spannung bis zur Größenordnung von 500 kV) in Stromnetzen zur elektrischen Energieversorgung als Alternative zu Freileitungen und gasisolierten Rohrleitern verwendet. Weitere Anwendungen liegen im Bereich von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) und Seekabeln.

Hochspannungskabel sind, wie auch andere Kabel, durch eine isolierende Ummantelung um den spannungsführenden elektrischen Leiter gekennzeichnet, wobei bei Hochspannungskabeln pro Kabel im Regelfall nur ein Leiter im Kabel vorhanden ist. Für den in elektrischen Energienetzen üblichen Dreiphasenwechselstrom sind drei einzelne Hochspannungskabel parallel verlegt nötig. Durch die höhere Spannungen ist das Isolationsmaterial dicker ausgeführt um den hohen elektrischen Feldstärken zu widerstehen und umfasst eine äußere Abschirmung welche den elektrischen Feldstärkeverlauf im Isolationsmaterial festlegt.

Aufbau

Hochspannungskabel, insbesondere Kabel für Betriebsspannungen über 100 kV, sind im Querschnitt axialsymmetrisch aufgebaut mit einem zylindersymmetrischen elektrischen Feldverlauf, und bestehen im Inneren nur aus einem elektrischen Leiter. Sie sind in mehreren Schichten aufgebaut, wie in nebenstehender Schnittdarstellung abgebildet.

Im Zentrum befindet sich der eigentliche Leiter, welcher aus Kupfer oder Aluminium besteht, und einen Querschnitt bis zu 3500 mm² aufweisen kann, im Bild mit (1) beschriftet. Daran anschließend befindet sich eine elektrisch schwach leitfähige Schicht (2) gefolgt von dem eigentlichen Isolationsmaterial (3). Daran anschließend kommt eine schwach leitfähige Schicht (4), gefolgt von der äußeren elektrischen Schirmung und die Außenisolierung welche vor Umwelteinflüssen, Feuchtigkeit und mechanischen Schäden schützt <ref> E. Kuffel, W.S. Zaengl: High Voltage Engineering: Fundamentals. 2. Auflage. Newnes, ISBN 0-7506-3634-3.</ref>.

Die schwach leitfähigen Schichten auf beiden Seiten des Isolationsmaterials dienen zur Feldsteuerung. Sie gewährleisten eine gleichmäßige und glatte Oberfläche zwischen dem elektrischen Leiter und dem Isolationsmaterial. Ohne diese schwach leitende Schicht käme es durch Unebenheiten zu lokalen Feldstärkeüberhöhungen im Grenzbereich, welche Teilentladungen begünstigen und so Auslöser von Spannungsdurchschlägen und infolge dessen thermischen Zerstörung des Kabels sein können. Weiters dienen sie dazu, Lufteinschlüsse zu vermeiden.

Isolationsmaterialien

Der Typ von Hochspannungskabel wird je nach verwendeten Isolationsmaterial (3) unterschieden.

Massekabel

Massekabel stellen die älteste Bauform von Hochspannungskabeln dar die teilweise noch im Bereich von Mittelspannungsnetzen eingesetzt sind. Die Isolation besteht aus ölgetränkten Kabelpapierbändern welche wendelförmig und in Schichten gegeneinander versetzt um den Leiter gewickelt werden. Die Lücken zwischen den Papierkanten erlauben einen gewissen Biegeradius. Das Papier wird mit verschiedenen Harzen und Mineralöl imprägniert und bildet so einen schlüssigen und zähen Verbund, welcher als Masse bezeichnet wird und Namensgeber ist. Durch Temperaturwechsel kann es allerdings zu unerwünschten Hohlraumbildung und in Folge zu Teilentladungen kommen, weshalb diese Kabeltypen meist nur im unteren Hochspannungsbereich, beispielsweise bei Mittelspannung, Anwendung finden.

Ölkabel

Die Isolation von Ölkabel sind ähnlich wie Massekabel aus ölgetränkten Papierschichten aufgebaut, das Papier wird aber nur mit dünnflüssigen Mineralöl imprägniert und im Betrieb wird durch eine externe Öldruckregelanlage laufend Öl in die Kabelisolierung gepresst. Es wird zwischen Niederdruck- und Hochdruckölkabeln unterschieden. Durch die im Betrieb sichergestellte Ölisolierung können sich auch bei Temperaturschwankungen keine Hohlräume bilden, daher können Ölkabel bis in den Höchstspannungsbereich von rund 500 kV eingesetzt werden. Nachteilig ist die aufwändige Öldrucksteuerung und bauliche Sicherstellung, dass bei Lecks kein Öl in das Grundwasser gelangen kann.

VPE-Kunststoff

Die letzte Entwicklung stellen Hochspannungskabel mit Kunststoffisolierung dar. Bereits 1971 wurde die Isolierung von Hochspannungskabeln mit Faserpapier aus dem bis 175° C beständigen Poly(2,6-diphenyl-p-phenylenoxid) vorgeschlagen.<ref> Dirk Willem van Krevelen: Entwicklungstendenzen bei den Chemiefasern. In: Lenzinger Berichte. Nr. 32, Dezember 1971, S. 10–20 (PDF).</ref>

Durchsetzen konnte sich aber nur die Isolierung aus vernetztem Polyethylen (VPE, im Englischen als XLPE abgekürzt) dar, welches bis ca. 120 °C temperaturbeständig ist und sich in homogenen Strukturen mittels Reinraumtechniken auf den Innenleiter aufbringen lässt. Der VPE-Kunststoff muss sehr gleichmäßig (homogen) in der Struktur aufgebracht sein und darf keine Lufteinschlüsse, Fremdkörper oder Verschmutzungen aufweisen. Einschlüsse im Isolationskörper würden ebenfalls zu ungleichen Feldstärkeverlauf mit der Folge eines Spannungsdurchschlags führen. Entsprechend gestaltete VPE-Kunststoffkabeln sind bis in den Höchstspannungsbereich von 500 kV einsetzbar.

Preisgünstige Kunststoffe wie Polyvinylchlorid (PVC) werden im Niederspannungsbereich und teilweise im unteren Mittelspannungsbereich eingesetzt. Der Nachteil von PVC als Isolator sind die hohen dielektrischen Verluste, damit verbunden eine geringe thermische Stabilität des Kabels.

Kabelenden

Bei den Enden von Hochspannungskabeln muss besonderes Augenmerk auf den Feldstärkeverlauf im Isolationsmaterial gelegt werden. Wird die äußere Schirmung wie bei Niederspannungskabeln abgemantelt kommt es in diesem Bereich zu einer Feldstärkeerhöhung welche über der Durchschlagfestigkeit des Isolationsmaterials liegen kann.

Abhilfe stellen speziell geformte und leitfähige Kabelendverschlüsse dar, wie in unten stehenden Abbildungen dargestellt. Durch deren Geometrie ergeben sich annähernd gleichmäßiger Feldstärkeverläufe. Einsatz finden diese Elemente an den Kabelenden wie beispielsweise bei Kabelüberführungsstationen zwischen Erdkabeln und Freileitungen oder bei Kabeldurchführungen im Bereich von Umspannwerken.

• Field concentration.jpg

  Kritischer Feldstärkeverlauf am Kabelende, rot der Innenleiter

• HV Terminal.jpg

  Optimaler Feldstärkeverlauf am Kabelende durch Kabelendhülse

Literatur

•  Andreas Küchler: Hochspannungstechnik: Grundlagen - Technologie - Anwendungen. 3. Auflage. Springer, 2009, ISBN 978-3-540-78412-8.

Einzelnachweise

<references />

Weblinks

• Hochspannungskabel, Aufbau und techn. Daten, Firmenschrift Tele-Fonika Kable, 2007