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Jahresbericht 2007 - FGE - RWTH Aachen University

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Systemtechnische

Systemtechnische Auswirkungen einer großflächigen Verkabelung von 110-kV-Überlandnetzen System-Oriented Effects of Cabling Rural 110 kV Networks Dipl.-Ing. Simon Ohrem simon.ohrem@iaew.rwth-aachen.de 1 Motivation Kabel mit einer Isolierung aus vernetztem Polyäthylen (VPE-Kabel) haben sich in den letzten Jahrzehnten als zuverlässige und wartungsarme Betriebsmittel bewährt. In städtischen 110-kV-Netzen werden aus Mangel an Freileitungstrassen fast ausschließlich Kabel zur Versorgung genutzt, da der Platzbedarf einer Kabeltrasse geringer ist. In ländlichen 110-kV-Netzen hingegen werden bisher überwiegend Freileitungen verwendet. Die Freileitungstechnik ist zwar einfach, robust, günstig und bewährt, verändert das Landschaftsbild jedoch nachhaltig. Kabel sind durch die unauffällige unterirdische Verlegung nicht so präsent, gesellschaftlich eher akzeptiert und aus Sicht der Bevölkerung die bevorzugte Übertragungstechnik. Vermiedene Verzögerungen beim Netzausbau, die durch langwierige Genehmigungsverfahren neuer Freileitungstrassen entstehen und die Resistenz von Kabeln gegen atmosphärische Störungen sind weitere Vorteile, die eventuelle Mehrkosten einer Kabellösung rechtfertigen können. Im Zuge des anstehenden Erneuerungsbedarfs in der 110-kV- Ebene stellen VPE-Kabel möglicherweise auch in ländlichen Netzen eine Alternative zur Freileitung dar. FORSCHUNGSPROJEKTE Bisher werden 110-kV-Netze in ländlichen Gebieten mit geringer Lastdichte nahezu ausschließlich in Freileitungstechnik geplant und errichtet. Langwierige Genehmigungsverfahren für neue Freileitungstrassen verzögern zunehmend den Netzausbau und -umbau. Moderne VPE-isolierte Kabel bieten neben Vorteilen bei der Erschließung neuer Trassen eine zuverlässige wartungsarme unterirdische Übertragungstechnik, die gegenüber Freileitungen gesellschaftlich eher akzeptiert ist. Im Zuge des anstehenden Erneuerungsbedarfs in der 110-kV-Ebene stellen VPE-Kabel möglicherweise auch in ländlichen Netzen eine Alternative zur Freileitung dar. In dieser Arbeit werden auf Grundlage von synthetischen und realen Versorgungsaufgaben Freileitungs- und Kabelnetze vergleichend geplant und die systemtechnischen Auswirkungen einer Verkabelung untersucht. Ob und unter welchen Voraussetzungen ein großflächiger Einsatz von VPE- Kabeln in ländlichen 110-kV-Netzen technisch und wirtschaftlich sinnvoll sein kann, wird in einem anschließenden technisch-wirtschaftlichen Vergleich von Kabel- und Freileitungsnetzen ermittelt. So far 110 kV networks are planned and established exclusively in overhead line technology in areas with small load density. Long approval procedures for new overhead lines delay the development of the networks. Apart from advantages finding new routes, nowadays modern XLPE-insulated cables offer a reliable maintenance-poor underground transmission technique which is socially rather accepted opposite to overhead lines. In order to renew the 110 kV networks, XLPE-insulated cables possibly represent an alternative to overhead lines in rural networks. In this study overhead line and cable grids are planned on basis of synthetic and real tasks of supply and the system-oriented effects of the cabling are stated. This study will determine whether and under which conditions the use of XLPE-insulated cables in rural 110 kV networks is technical and economical reasonable. 2 Kunststoffisolierte Hochspannungskabel in der Energieversorgung Getrieben durch den Fortschritt im Bereich der Kunststoffisolierungen wurden Mitte der 60er Jahre die ersten Polyäthylen (PE) isolierten Hochspannungskabel hergestellt. Ein Jahrzehnt später werden Kabel mit einer Isolierung aus vernetztem Polyäthylen entwickelt. Weil VPE-Kabel einen festen Isolierstoff nutzen, wartungsfrei sind, günstige und schlanke Garnituren aus Silikon verwendet werden können, geringere Verluste aufweisen, größere Übertragungsleistungen zulassen und eine höhere Dauertemperaturbeständigkeit gewährleisten, haben sie in der Hochspannungsebene bei den Neuinstallationen die papierisolierten Kabel fast vollständig verdrängt. Trotz der deutlichen Verbesserungen der Kabeltechnik ist der Kabelanteil in der 110-kV-Ebene in den letzten Jahren nahezu unverändert auf niedrigem Niveau verblieben. Bild 1 zeigt den prozentualen Kabelanteil an der gesamten Stromkreislänge in der 110-kV-Ebene in Deutschland. Ersichtlich ist ein Kabelanteil von sechs Prozent, der bisher nur zu einem geringen Teil aus VPE- Kabeln besteht. IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007 85

FORSCHUNGSPROJEKTE Stromkreislänge Freileitung 6% ges. Stromkreislänge: 74.700 km Stromkreislänge Kabel 13% VPE 18% PE 20% 22% 26% Sonstige Öl isoliert Gas isoliert Bild 1: 110-kV-Stromkreislänge in Deutschland [1] Die durchgeführte Analyse der Stromkreislängen der 71 deutschen Hochspannungsnetzbetreiber zeigt, dass die großen Netzbetreiber, die weitläufige Gebiete versorgen, kaum Kabel einsetzen (vgl. Bild 2). Der größere Teil der Kabel ist bei den kleineren Netzbetreibern mit weniger als 500 km Stromkreislänge im Einsatz, deren Netzbereiche überwiegend Ballungszentren und städtische Gebiete abdecken. In ländlichen Gebieten, in denen längere Strecken zu überbrücken sind, kommen bisher kaum Kabel zum Einsatz. 22 10 10³ km 6 4 2 0 Stromkreislänge Freileitungen Stromkreislänge Kabel 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819-71 Hochspannungsnetzbetreiber Bild 2: Stromkreislängen der 71 deutschen Hochspannungsnetzbetreiber [eigene Erhebung auf Grundlage veröffentlichter Daten nach §27 StromNEV] 3 Ziel der Arbeit Durch die vorangegangenen Überlegungen stellt sich die Frage, ob und unter welchen Voraussetzungen ein großflächiger Einsatz von VPE-Kabeln in ländlichen 110kV-Netzen technisch und wirtschaftlich eine sinnvolle Alternative zur bisher üblichen Freileitungstechnik darstellt. Ziel der Arbeit ist es, die systemtechnischen und wirtschaftlichen Auswirkungen einer vollständigen Verkabelung der 110-kV-Netzebene in ländlichen Gebieten zu untersuchen. 4 Methodisches Vorgehen Grundlage der durchzuführenden Untersuchungen sind kostenoptimale Netzentwürfe, die für synthetische und reale ländliche Versorgungsaufgaben mithilfe eines praxiserprobten, am IAEW entwickelten Netzplanungs- verfahren ermittelt werden [2]. Im ersten Schritt werden für jede Versorgungsaufgabe zwei Grundsatzplanungen, die einem „Grüne-Wiese“-Ansatz entsprechen, durchgeführt (siehe Bild 3). Das Ergebnis ist die kostenoptimale Netzstruktur eines reinen 110-kV- Kabelnetzes und eines reinen 110-kV-Freileitungsnetzes für die jeweilige Versorgungsaufgabe. Die Netzentwürfe sind frei von subjektiven Größen und nur durch die unterschiedlichen Leitungstechnologien beeinflusst, so dass sie in einer Gegenüberstellung einen objektiven technisch-wirtschaftlichen Vergleich ermöglichen, in dem die Freileitungsnetze als Referenz dienen. Analyse aktueller 110-kV-Kabeltechnik ländliche Versorgungsaufgaben synthetisch real Grundsatzplanung 110-kV-Netze reine Kabelnetze reine Freileitungsnetze systemtechnische Auswirkungen ländlicher 110-kV-Kabelnetze technisch-wirtschaftlicher Vergleich Kabelnetze Freileitungsnetze Bild 3: Methodisches Vorgehen VPE-Kabel weisen gegenüber Freileitungen andere charakteristische elektrische Eigenschaften auf, was über das Betriebsmittel hinaus andere technische Anforderungen an das gesamte System des 110-kV- Netzes zur Folge hat. Die systemtechnischen Auswirkungen reiner Kabelnetze sind zunächst zu prüfen und ggf. zusätzliche Randbedingungen zu identifizieren, die bei der Grundsatzplanung zusätzlich zu den bisherigen berücksichtigt werden müssen. 4.1 Systemtechnische Auswirkungen Die bisher erkannten und zu betrachtenden Auswirkungen reiner ländlicher Kabelnetze sind in der folgenden Auflistung näher beschrieben: • Blindleistungsbedarf Die hohe Permittivitätszahl des VPE-Isolators und der geringe Abstand zwischen Leiter und Erde sind ursächlich für den um ein vielfaches höheren Kapazitätsbelag von Kabeln im Vergleich zu Freileitungen. Kabel können innerhalb der thermisch zulässigen Grenzen nur unterhalb ihrer natürlichen Leistung betrieben werden und stellen daher Blindleistungserzeuger im Netz dar. In weit ausgedehnten Kabelnetzen ist daher eine geeignete Blindleistungskompensation – gerade im Schwachlastfall – erforderlich. 86 IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007

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