In modernen Stromversorgungssystemen spielen Hochspannungskabel eine entscheidende Rolle. Von unterirdischen Stromnetzen in Städten bis hin zu Fernleitungen über Gebirge und Flüsse gewährleisten sie eine effiziente, stabile und sichere Übertragung elektrischer Energie. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Technologien im Zusammenhang mit Hochspannungskabeln, einschließlich ihrer Struktur, Klassifizierung, Herstellung, Leistungsmerkmale, Installation und Wartung.
1. Grundaufbau von Hochspannungskabeln
Hochspannungskabel bestehen hauptsächlich aus Leitern, Isolierschichten, Schirmschichten und Schutzschichten.
Der Leiter dient als Übertragungskanal für den Strom und besteht üblicherweise aus Kupfer oder Aluminium. Kupfer zeichnet sich durch gute Leitfähigkeit und Duktilität aus, während Aluminium vergleichsweise kostengünstig und leicht ist. Diese Leiter sind in der Regel als mehradrige, verdrillte Drähte ausgeführt, um die Flexibilität zu erhöhen.
Die Isolierschicht ist ein wesentlicher Bestandteil von Hochspannungskabeln. Sie verhindert Stromverluste und isoliert den Leiter von der Außenwelt. Gängige Isoliermaterialien sind vernetztes Polyethylen (XLPE), Ölpapier usw. XLPE zeichnet sich durch hervorragende elektrische Eigenschaften, Hitzebeständigkeit und mechanische Festigkeit aus und findet breite Anwendung in modernen Hochspannungskabeln.
Die Schirmung besteht aus einer inneren und einer äußeren Schirmung. Die innere Schirmung sorgt für ein gleichmäßiges elektrisches Feld und verhindert, dass lokale Entladungen die Isolierschicht beschädigen. Die äußere Schirmung reduziert Störungen durch externe elektromagnetische Felder auf das Kabel und schützt es vor elektromagnetischen Einflüssen nach außen.
Die Schutzschicht schützt das Kabel hauptsächlich vor Beschädigungen durch äußere Einflüsse wie mechanische Einwirkung, chemische Korrosion und Wassereintritt. Sie besteht üblicherweise aus einer Metallarmierung und einem Außenmantel. Die Metallarmierung sorgt für mechanische Festigkeit, während der Außenmantel wasserdicht und korrosionsbeständig ist.
2. Klassifizierung von Hochspannungskabeln
Hochspannungskabel lassen sich je nach Spannungsniveau in Mittelspannungskabel (im Allgemeinen 3–35 kV), Hochspannungskabel (35–110 kV), Höchstspannungskabel (110–500 kV) und Extremhochspannungskabel (über 500 kV) unterteilen. Kabel unterschiedlicher Spannungsniveaus unterscheiden sich in ihrer Konstruktion, den Isolationsanforderungen usw.
Hinsichtlich der Isoliermaterialien gibt es neben den bereits erwähnten XLPE- und Öl-Papier-Kabeln auch Ethylen-Propylen-Kautschuk-Kabel. Öl-Papier-Kabel blicken auf eine lange Geschichte zurück, wurden aber aufgrund hoher Wartungskosten und anderer Gründe nach und nach durch XLPE-Kabel ersetzt. Ethylen-Propylen-Kautschuk-Kabel zeichnen sich durch gute Flexibilität und Witterungsbeständigkeit aus und eignen sich für bestimmte Anwendungsbereiche.
3. Herstellungsprozess von Hochspannungskabeln
Die Herstellung von Hochspannungskabeln ist ein komplexer und heikler Prozess.
Die Herstellung von Leitern erfordert zunächst das Strecken, Verdrillen und weitere Bearbeitungsschritte der Kupfer- oder Aluminiumrohstoffe, um die Maßgenauigkeit und die mechanischen Eigenschaften des Leiters zu gewährleisten. Beim Verdrillen müssen die Litzen eng aneinanderliegen, um die Leitfähigkeit des Leiters zu verbessern.
Die Extrusion der Isolierschicht ist ein entscheidender Schritt. Bei der XLPE-Isolierschicht wird das XLPE-Material bei hoher Temperatur extrudiert und gleichmäßig um den Leiter gewickelt. Während des Extrusionsprozesses müssen Parameter wie Temperatur, Druck und Extrusionsgeschwindigkeit streng kontrolliert werden, um die Qualität und gleichmäßige Dicke der Isolierschicht zu gewährleisten.
Die Schirmung wird üblicherweise durch Drahtflechten oder Umwickeln mit Metallband hergestellt. Die Fertigungsprozesse der inneren und äußeren Schirmung unterscheiden sich geringfügig, beide müssen jedoch die Integrität der Schirmung und eine gute elektrische Verbindung gewährleisten.
Die Herstellung der Schutzschicht umfasst schließlich das Aufbringen der Metallarmierung und das Extrudieren des Außenmantels. Die Metallarmierung muss eng am Kabel anliegen, und das Extrudieren des Außenmantels muss ein glattes Erscheinungsbild ohne Mängel wie Blasen und Risse gewährleisten.
4. Leistungsmerkmale von Hochspannungskabeln
Hochspannungskabel müssen hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften einen hohen Isolationswiderstand, geringe dielektrische Verluste und eine gute Spannungsfestigkeit aufweisen. Ein hoher Isolationswiderstand verhindert effektiv Stromverluste, geringe dielektrische Verluste reduzieren den Energieverlust bei der Übertragung, und eine gute Spannungsfestigkeit gewährleistet den sicheren Betrieb des Kabels in Hochspannungsumgebungen.
Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften muss das Kabel über ausreichende Zugfestigkeit, Biegeradius und Schlagfestigkeit verfügen. Bei der Installation und im Betrieb kann das Kabel Dehnung, Biegung und äußeren Krafteinwirkungen ausgesetzt sein. Sind die mechanischen Eigenschaften unzureichend, kann es leicht zu Kabelschäden kommen.
Die thermische Leistung ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt. Das Kabel erzeugt im Betrieb Wärme, insbesondere unter hoher Last. Daher muss es eine gute Hitzebeständigkeit aufweisen und in einem bestimmten Temperaturbereich ohne Probleme wie Isolationsalterung einwandfrei funktionieren. XLPE-Kabel besitzen eine relativ gute Hitzebeständigkeit und können über lange Zeiträume bei höheren Temperaturen betrieben werden.
5. Installation und Wartung von Hochspannungskabeln
Bei der Installation ist zunächst die Planung des Verlegepfads entscheidend, um eine sinnvolle und sichere Kabelführung zu gewährleisten. Während der Verlegung ist darauf zu achten, dass das Kabel nicht übermäßig gedehnt, geknickt oder gequetscht wird. Für die Verlegung über lange Strecken werden üblicherweise Kabelförderanlagen eingesetzt.
Die Herstellung von Kabelmuffen ist ein entscheidender Schritt im Installationsprozess. Die Qualität der Muffen beeinflusst direkt die Betriebssicherheit des Kabels. Bei der Muffenherstellung müssen die Kabel abisoliert, gereinigt, verbunden und isoliert werden. Jeder Schritt muss strikt nach den Prozessvorgaben ausgeführt werden, um sicherzustellen, dass die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Muffen den Anforderungen entsprechen.
Die Instandhaltung ist für den langfristig stabilen Betrieb von Hochspannungskabeln unerlässlich. Regelmäßige Inspektionen ermöglichen die frühzeitige Erkennung von Beschädigungen am Kabelmantel oder an der Isolierung. Mithilfe geeigneter Prüfgeräte lassen sich zudem die Isolationseigenschaften und die Teilentladungen des Kabels testen. Festgestellte Mängel müssen umgehend behoben oder das Kabel ausgetauscht werden.
6. Ausfall und Erkennung von Hochspannungskabeln
Zu den häufigsten Fehlern bei Hochspannungskabeln zählen Isolationsdurchschläge, Leiterunterbrechungen und Verbindungsfehler. Isolationsdurchschläge können durch Alterung der Isolierung, Teilentladungen oder externe Überspannung verursacht werden. Leiterunterbrechungen entstehen in der Regel durch mechanische Einwirkung oder dauerhafte Überlastung. Verbindungsfehler können durch mangelhafte Fertigung oder starke Erwärmung im Betrieb bedingt sein.
Zur Erkennung dieser Fehler stehen verschiedene Prüfmethoden zur Verfügung. Die Teilentladungsprüfung ist eine gängige Methode. Durch die Messung des von Teilentladungen im Kabel erzeugten Signals lässt sich feststellen, ob Isolationsfehler im Kabel vorliegen. Die Spannungsfestigkeitsprüfung ermittelt die Spannungsfestigkeit des Kabels und deckt potenzielle Isolationsprobleme auf. Darüber hinaus kann die Infrarot-Wärmebildkamera die Temperaturverteilung auf der Kabeloberfläche erfassen und so beispielsweise lokale Überhitzung erkennen.
7. Anwendung und Entwicklungstrend von Hochspannungskabeln in Stromversorgungssystemen
In der Energieversorgung finden Hochspannungskabel breite Anwendung, beispielsweise bei der Umverteilung von Strom aus städtischen Netzen, den Ableitungsleitungen großer Kraftwerke und der Übertragung über Seekabel. In städtischen Stromnetzen spart die Verlegung von Erdkabeln aufgrund des begrenzten Platzes Raum und trägt zur Verschönerung des Stadtbildes bei. Die Ableitungsleitungen großer Kraftwerke benötigen Hochspannungskabel, um Strom zu weit entfernten Umspannwerken zu transportieren. Die Übertragung über Seekabel ermöglicht die Stromübertragung über das Meer und gewährleistet eine stabile Stromversorgung für Inseln und Küstenregionen.
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Energietechnik haben sich auch bei Hochspannungskabeln einige Entwicklungstrends herausgebildet. Einer davon ist die Forschung, Entwicklung und Anwendung von Kabeln mit höheren Spannungspegeln. Angesichts des steigenden Bedarfs an Fernübertragung von Energie wird die Entwicklung von Höchstspannungskabeln in den Fokus rücken. Ein weiterer Trend ist die Integration intelligenter Kabel. Durch die Integration von Sensoren und anderer Ausrüstung in das Kabel kann der Betriebszustand in Echtzeit überwacht und Störungen frühzeitig erkannt werden, wodurch die Betriebssicherheit des Kabels erhöht wird. Drittens wird die Entwicklung umweltfreundlicher Kabel vorangetrieben. Da die Anforderungen an den Umweltschutz steigen, ist die Forschung und Entwicklung schadstoffarmer, recycelbarer Kabelmaterialien ein wichtiger Entwicklungsschwerpunkt.
Veröffentlichungsdatum: 24. September 2024