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Inhaltsverzeichnis
1
2
3
4
5
1
Isolationen für Mittelspannungskabel
Metallschirme von Mittelspannungskabel
Diagnose, Monitoring und Lebensdauer
Garniturentechnik
Montageabteilung
Dr. Francis
Krähenbühl
Claude
Biolley
Dr. Francis
Krähenbühl
Charles
Wyler
Peter
Bracher
Anton
Marro
Werner
Jenni
Hanspeter
Bosshard
2
3
4
5
Jean-Paul
Ryser
Nexans Schweiz AG
2, rue de la Fabrique
CH – 2016 Cortaillod
Tel. 41(0) 32 843 55 55
Fax 41(0) 32 843 54 43
Service montage
Technique des accessoires
Diagnostic, monitoring et durée de vie
Gaines métalliques des câbles moyenne tension
Les différents types d’isolation
5
4
3
2
1
1
Isolationen für Mittelspannungskabel
Dr. Francis Krähenbühl
Isolationen für
Mittelspannungskabel
3
1
EINLEITUNG
Der vorliegende Artikel behandelt
in erster Linie die Isolationsarten,
welche bei erdverlegten Kabeln in
MS-Netzen zur Anwendung kommen. Der schrittweise Übergang
vom Papier zu den thermoplastischen Isolationen und später zu
den vernetzten Polymeren, verlief
bekanntlich nicht überall ganz problemlos. In welchem Masse Feuchtigkeit, Teilentladungen, mechanische Beanspruchung usw., die
Alterung der neuen Werkstoffe
beeinflussen können, war anfänglich kaum bekannt.
Weiteres Perfektionieren wird auch
in Zukunft noch möglich sein. Verschiedene Elektrizitätswerke im Inund Ausland haben bis heute die
imprägnierte Papierisolation der
Kunststofftechnologie vorgezogen.
Nachfolgend wird versucht, die
heute gebräuchlichen Techniken
aufzuzeigen und einen Einblick in
die laufende Entwicklungstätigkeit
zu geben, welche darauf abzielt
die Kabelisolationen weiter zu
optimieren.
Dank grossem Forschungs- und
Entwicklungsaufwand konnten die
Eigenschaften der Kunststoffisolationen laufend verbessert werden.
FoIsolationsarten und ihre Einsatzgebiete
Es ist zwischen zwei Hauptgruppen zu unterscheiden : gewickelt
und extrudiert.
Papier
gewickelt
PPLP
Isolation
PVC
PE
extrudiert
Bild 1.
XLPE
Die gebräuchlichen
Isolationsarten
EPR
Isolationen für
1
Die Isolation aus imprägniertem Papier
Für NS-, MS- und HS-Kabel kommt
im allgemeinen normales, auf der
Basis von Zellulosefasern hergestelltes Papier zum Einsatz. Es werden
Papiere mit einer Stärke zwischen
50 und 200 µm, sowie einer Dichte
zwischen 650 und 1000kg/m3
verwendet. Da die Dichte der
Fasern selbst in der Grössenordnung
von 1500 kg/m3 liegt, muss das
erhebliche, zwischen den Fasern
liegende Volumen mit einem Imprägniermittel ausgefüllt werden. Dazu
bietet sich flüssiges Mineral- oder
Synthetiköl oder Imprägniermasse
(sogenannte Haftmasse) an. Letztere
hat den grossen Vorteil, bei einer
Temperatur von 120 °C flüssig zu
sein und dadurch ausgezeichnete
Imprägniereigenschaften aufzuweisen, sich aber bis zur maximalen
Betriebstemperatur des Kabels in
eine wachsartige, stark haftende
Masse zu verwandeln. Ihre Zusammensetzung untersteht einer strengen
Kontrolle zur Erhaltung einer plas-
tischen Konsistenz, welche dem
Kabel ein gutes Biegeverhalten
verleiht.
Im Höchstspannungsbereich (400kV
und mehr) sind in den letzten Jahren
neuartige Papiere eingesetzt worden. Es handelt sich dabei um
ein dreilagiges Laminat aus Papier
und Polypropylen, genannt PPLP
(PolyPropylene Laminated Paper).
Dieser Isolationstyp verbindet in
idealer Weise die besonderen
Eigenschaften der traditionellen,
imprägnierten Papierisolation mit
den hervorragenden elektrischen
und dielektrischen Charakteristiken
von Kunststoffisolationen. Eine
derartige Isolation erzeugt geringere dielektrische Verluste als eine
herkömmliche Papierisolation und
erhöht die Durchschlagsfestigkeit
um 25 bis 30 %. Aus preislichen
Gründen bleibt diese Isolationsart
aber den Höchstspannungskabeln
vorbehalten.
Die extrudierten Isolationen
Die meisten, heute im Gebrauch
stehenden Thermoplaste wurden
in den Dreissigerjahren entwickelt.
Abgesehen von einigen Spezialanwendungen, begann der Einsatz
von PVC (PolyVinyl Chlorid) und PE
(Polyäthylen) als Isoliermaterial für
elektrische Kabel eigentlich erst in
den Fünfzigerjahren. Man unternahm Versuche mit PE einer niedrigen
Dichte (LDPE) um 916 - 930 kg/m3
sowie mit PE hoher Dichte (HDPE)
welche Werte um 945 - 960 kg/m3
aufwiesen.
Man wurde sich bald bewusst,
dass das Alterungsverhalten der
beiden Materialien unbefriedigend
war und die Schmelztemperatur zu
tief lag, für die Betriebstemperaturen
mit welchen Papierbleikabel normalerweise gefahren wurden.
Um den genannten Nachteil auszuschalten, entwickelte man die Vernetzungsverfahren, welche im nächsten
Kapitel näher beschrieben werden.
Daraus ergaben sich das vernetzte Polyäthylen (XLPE für CrossLinked
PolyEthylene) und das EPR (Ethylene
Propylene Rubber), welches auch
unter dem Namen Kunstgummi bekannt ist. Es wird weiter unten auf die
interessanten Eigenschaften der beiden meistverwendeten Kabelisoliermaterialien eingegangen.
4
Isolationen für
5
1
XLPE wird weltweit auf allen Spannungsebenen bis 400 kV eingesetzt. EPR ist als Isoliermaterial für
Mittelspannungskabel hauptsächlich in Italien, England, Spanien,
Nordamerika und der Schweiz
verbreitet, allerdings - aus preislichen Gründen - mit deutlich
abnehmender Tendenz.
Anwendungsbereiche
Untenstehende
Bild
gibt
einen Überblick über die
Anwendungsgebiete der verschiedenen Isolationsarten :
760
Spannung [kV]
500
380
220
150
110
60
30
10
1
Masse
Papier
PPLP
gewickelte Isolation
Bild 2.
Anwendungsgebiete
der verschiedenen
Isolationsarten
Auf allen Spannungsebenen
ersetzten nach und nach vernetzte
Kunststoffisolationen die PapierIsolationen. In Frankreich wurden
in der Vergangenheit Kabel mit
unvernetzter PE-Isolation bis 400
kV installiert. Die Fabrikation dieses Kabeltypes ist aber 1994
definitiv eingestellt worden.
PVC
PE
XLPE
extrudierte Isolation
EPR
Isolationen für
1
Die Halbleiter
Die Kabelisolation ist innen und
aussen von einer halbleitenden
Schicht überdeckt, welche die
Homogenisierung des elektrischen
Feldes in der Isolation zur Aufgabe
hat. Die Halbleiterschicht besteht
in der Regel aus Polymeren auf der
Basis von EVA (Ethyl Vinyl Acetat)
oder ähnlichen Werkstoffen, welche 40 % Graphit, Kohle oder
Russ enthalten, die die halbleitenden Eigenschaften bewirken.
Den halbleitenden Schichten der
Kabel wurde anfänglich zuwenig
Bedeutung beigemessen. Es setzte
sich allerdings rasch die Erkenntnis
durch, dass in den Halbleitern
enthaltene Ionen die Isolation verunreinigen und zur Bildung von
Wasserbäumchen führen können.
Auf die Graphitschichten, welche
die ersten Kunststoffkabel aufwiesen, wurde in der Folge rasch
verzichtet.
der Kabelgarnituren darstellt. Die
Länder, welche den leicht entfernbaren Halbleiter heute noch vorschreiben, sind Frankreich und die
USA. In den anderen Ländern wird
mehr und mehr auf die leicht entfernbare Halbleiterschicht verzichtet, einerseits aus Kostengründen,
andererseits wegen der Verfügbarkeit von ausgezeichneten Schälgeräten. Für EPR jedoch bleibt die
leichte Entfernbarkeit des Halbleiters eine Grundforderung, da
er sich mechanisch nur schwierig
lösen lässt. Es ist zu bemerken,
dass die Herstellung von leicht
schälbaren Halbleiterschichten
hohe Anforderungen an die
Prozesstechnik stellt, da eine zu
geringe Adhäsion des Halbleiters
auf der Isolation die Kabelqualität
beeinträchtigen kann.
Durch geeignete Wahl der chemischen Zusammensetzung des
Polymeres wird erreicht, dass die
äussere Halbleiterschicht leicht
von der Isolation entfernt werden
kann, was in gewissen Fällen eine
Erleichterung bei der Montage
VERNETZUNGSTECHNIKEN
Mit der Vernetzung werden Querverbindungen zwischen benachbarten Polyäthylenketten erreicht
(siehe Bild 3). Sie verbessert die
thermische Stabilität des Werkstoffes bei Temperaturen, welche wesentlich höher liegen als
diejenigen für thermoplastische
Materialien. Der Vernetzungs-
prozess verteuert die Herstellkosten
nicht unwesentlich, was erklärt
weshalb z.B. für Installationskabel
auf diese Technik meistens verzichtet wird. Unvernetzte, konventionelle Werkstoffe wie PE oder PVC,
sowie unvernetzte Materialien mit
besonderen Brandeigenschaften
genügen hier meistens.
6
Isolationen für
7
1
Die chemische Peroxydvernetzung
In den allermeisten Fällen erfolgt die
Vernetzung mit Hilfe von Peroxyden,
welche ins Polymer eingebracht werden. Nach dem Extrusionsvorgang
erfolgt auf einer sogenannten Kettenlinie die Reaktion mittels Prozesswärme bei ungefähr 210 °C. Im
Vernetzungsrohr in Form einer Kettenlinie herrscht ein Druck von 18 - 20
bar wenn es sich beim angewandten Druckmedium um Wasserdampf
handelt. Beim Einsatz von Stickstoff
beträgt der Druck 5 -10 bar.
Für die Herstellung von HS- und
MS-Kabeln wird die letztgenannte
Methode vorgezogen um den Kontakt der Isolation mit Feuchtigkeit zu
vermeiden.
werden, solange der Vernetzungsprozess noch nicht abgeschlossen ist.
Kabel mit bedeutenden Isolationsstärken oder grossen Querschnitten,
werden eher in einem horizontalen Rohr (System MDCV) oder
in einem vertikalen Turm vernetzt.
Diese beiden Verfahren garantieren
eine absolut runde Isolation und verhindern die Tropfenbildung des Polymers. Solche Anlagen erfordern
hohe Investitionen und gelangen
deshalb ausschliesslich für die Herstellung von Hoch- und Höchstspannungskabeln zum Einsatz.
Auf einer Kettenlinien-Anlage wird
während der Herstellung das Kabel
immer in der Rohrmitte geführt. Um
eine Deformation der Isolation zu
vermeiden, muss eine Berührung
des Kabels mit dem Rohr vermieden
Bild 3.
Prinzip der chemischen
Peroxydvernetzung
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H
C
C
H
H
Peroxyd
H
H
H
C
C
C
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
C
H
H
C
H
H
H
C
C
H
H
Peroxyd
H
H
C
C
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
Die chemische Silanvernetzung
Die obenerwähnten Vernetzungsverfahren verlangen aufwendige und
kostspielige Fabrikationseinrichtungen. Demgegenüber besteht eine
einfachere Methode, welche mit
einer Einrichtung auskommt, die
einer herkömmlichen Extrusionsanlage gleicht. Bei diesem Verfahren
ersetzt ein Vernetzungsmittel auf
Silanbasis das Peroxyd. Die
Vernetzung selbst geschieht in einem
geheizten Wasserbad oder in einer
"Sauna" mittels Wasserdampf.
Der entscheidende Unterschied zwischen der chemischen Vernetzung
mittels Peroxyd und derjenigen mittels Silan, liegt in der unterschied-
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
Silan
H
C
H
H
C
H
H
C
H
Silan
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
Bild 4.
Prinzip der chemischen Silanvernetzung
Silan
C
H
Isolationen für
8
1
lichen Bindung von benachbarten
PE-Molekülketten. Im Falle des Peroxydes bestehen die Spaltprodukte der
Vernetzung im wesentlichen aus
Methan, Acetophenone und Methylalkohol. Diese Sekundärprodukte
verflüchtigen sich mit der Zeit bei
Umgebungstemperatur von selbst.
bindung der PE-Ketten ausübt. Es
handelt sich dabei um einen eigentlichen Fremdkörper in einem chemischen Gebilde, welches sonst nur aus
Wasserstoff und Kohlenstoff besteht.
Diese Tatsache ist nicht ohne Einfluss
für die Eigenschaften des fertigen
Kabels, wie noch beschrieben wird.
Aus diesem Grunde wurde dieses
Vernetzungsverfahren, von wenigen
Ausnahmen abgesehen, nur für die
Herstellung von NS-Kabeln angewandt.
Anders bei der Silanvernetzung, bei
welcher sich das Vernetzungsmittel
im Isoliermaterial festsetzt und eine
Brückenfunktion anlässlich der Quer-
Die physikalische Vernetzung
Die chemischen Querverbindungen
können auch mittels eines energiereichen Elektronenstrahls in einem
Beschleuniger erreicht werden.
Da bei PE die Eindringtiefe sehr
beschränkt ist (ungefähr 2-3 mm),
Prozess
kann diese Methode nur für NSKabel eingesetzt werden. Hingegen
ist die Eindringtiefe bei EPR grösser,
so dass auch die Herstellung von
MS-Kabeln möglich ist.
{
Umgebung
Chemisch
Physikalisch
Druck und Peroxyd
Dampf
Anlage
Silan
STP
Kontakt
Wasser
N2
Turm
MDCV
Extrud.
Beschl.
Indiff. Gas (N2)
Kettenlinie
Anwendungsbereiche :
NS (1 kV)
++
+
–
–
++
++
MS (< 30 kV)
+
++
+
+
+
+
HS (30 < U < 150 kV)
–
++
++
++
–
–
UHS (U > 150 kV)
–
–
++
++
–
–
Leiter > 1000 mm
–
–
++
++
–
–
2
Bild 5.
Zusammenfassung der verschiedenen Vernetzungsverfahren und deren Anwendungsbereiche:
++
+
–
wirtschaftlich und technisch gut geeignet
möglich, schwierig, wenig wirtschaftlich, risikobehaftet
ungeeignete Technik
Isolationen für
9
1
Bild 5 fasst die verschiedenen Vernetzungsverfahren zusammen und
beschreibt die üblichen Anwendungsbereiche. Es gibt Spezialfälle
bei welchen der einen oder
anderen Methode aus bestimmten Gründen der Vorzug gegeben
wird. So würde man z.B. für die Herstellung eines MS-Kabels mit einem
sehr grossen Leiterquerschnitt (z.B.
1000mm2) aus technischen Gründen die horizontale Vernetzungsanlage der Kettenlinie vorziehen.
DIE ALTERUNG DER ISOLATION
Definition
Die IEC-Empfehlung 505 [0] definiert die Alterung als " eine irreversible für die Eignung als Isoliersystem
schädliche Veränderung. Diese
Veränderung ist charakterisiert
durch einen mit der Zeit fortschreitenden Schwächungsgrad." Trotz
dieser schönen Definition ist das
Phänomen der elektrischen Alterung
eines Dielektrikums bis heute nicht
in allen Einzelheiten geklärt. Die
Alterung wird immer wieder mit
den Phänomenen Durchschlag,
Entladung,
Bäumchenbildung,
Schwebeladung, Oxydation usw. in
Verbindung gebracht.
Wasserbäumchen
Obschon heute viel Material zum
Thema der Alterung vorliegt, sucht
man immer noch nach Erklärungen
für einige fundamentale Erscheinungen. So ist es nicht erstaunlich,
dass die Bestimmung der Restlebensdauer eines Kabels aufgrund von
beschleunigten Alterungsversuchen
weiterhin schwierig bleibt, weil die
Versuchsbedingungen nie ganz
den tatsächlichen Verhältnissen im
Betrieb entsprechen.
Für die Entstehung von Wasserbäumchen müssen drei Voraussetzungen
gleichzeitig erfüllt sein :
Was Herstellern und Betreibern heute
gut bekannt ist, sind die berühmten
Wasserbäumchen wie in Bild 6
dargestellt. Die Ursachen ihrer Entstehung hingegen bleiben weiterhin
mit einem Fragezeichen behaftet.
Die ersten Generationen von Isolationsmaterialien waren nicht immer
frei von Verunreinigungen ; die
Aufbereitungstechnik und die elektrischen Prüfungen waren damals
nicht was sie heute sind. Dank
unermüdlicher Entwicklungsarbeit
und laufenden Verbesserungen,
verfügen wir heute über Kabelisoliermaterialien welche bekanntlich
einen überragenden Zuverlässigkeitsgrad aufweisen.
Diese Wasserbäumchen, welche das
Polymer in Form von Mikrokanälen
zersetzen, können mehr oder weniger rasch zum Durchschlag eines im
Betrieb befindlichen Kabels führen.
●
das Vorhandensein von Wasser
●
Unreinheiten oder Einschlüsse im
Isoliermaterial, oder Unregelmässigkeiten im Bereich der Grenzflächen Isolation/ Halbleiter
●
das Vorhandensein eines elektrischen Feldes.
Bild 6.
Beispiel eines Wasserbäumchens
in einem alten Kabel mit thermoplastischer PE-Isolation
Isolationen für
1
LANGZEITVERSUCHE
Folgende Faktoren sind beim elektrischen Alterungsversuch eines Kabels in
Betracht zu ziehen [2] : die Prüfdauer,
der Spannungsgradient, die Frequenz,
die Temperatur (konstant oder zyklisch),
die Kabelkonstruktion, das Herstellverfahren, die Isolationsart, die Morphologie der Isolation, die Umgebungsbedingungen (Luft, Wasser).
Bild 7.
Gradient
am Leiter
Gradient
am Schirm
Der Spannungsgradient an einem
beliebigen Punkt x zwischen den
beiden Halbleitern (Bild 7) ist durch
folgende Beziehung gegeben :
Ex =
mit
V
x • ln (R/r)
(1)
Spannungsgradient in
einem Einleiterkabel
r
R
( r ≤ x ≤ R ).
Internationale Normen
Um bei den Langzeitversuchen eine
gewisse Systematik zu schaffen,
wurde verschiedentlich der Versuch
einer Normung unternommen, so beispielsweise in den USA und später
auch in Deutschland und Italien.
Die gewählten Methoden zielen
darauf ab, in kurzer Zeit, die im
Betrieb auftretenden Bedingungen
möglichst naturgetreu nachzubilden.
Die Erfassung sämtlicher, obenerwähnter Parameter ist praktisch unmöglich ;
man einigt sich in der Regel auf eine
Prüfspannung zwischen 3 und 4 Uo ,
auf eine Temperatur in der Nähe von
50 °C (entspricht in etwa der Betriebstemperatur) sowie auf den Einbezug
von Wasser im Bereich von Schirm
und/oder Leiter.
Die CENELEC-Norm
Die Verschiedenheit der unabhängig
voneinander in zahlreichen Ländern
entwickelten Prüfungen machte
Vergleiche zwischen Produzenten
und Kabelaufbauten praktisch
unmöglich. Deshalb wurde beschlossen zu versuchen, diese Prüfungen in
einer einheitlichen Norm zu harmonisieren. Nach langen Verhandlungen ist ein Dokument herausgegeben worden, das eine vereinheit-
lichte Methode zum Bestimmen des
Verhaltens von MS-Kabeln in nasser
Umgebung vorstellt.
Das Prinzip entspricht ungefähr
dem, was in Deutschland aufgrund
einer VDE-Norm gemacht wurde.
Es besteht darin, eine Reihe von 10
m langen Kabelproben in Wasser
mit kontrollierter Zusammensetzung
einzutauchen. Das Wasser muss mit
Potentialdifferenz = V
10
Isolationen für
11
1
dem äusseren Halbleiter in Berührung stehen und auch in den eigentlichen Leiter eingeführt werden. Die
Temperatur des Ganzen wird auf
50 ± 5 °C gehalten. Nachdem
die mittlere Durchschlagspannung
des Kabels im Neuzustand ermittelt
wurde, werden regelmässig unter
den obigen Bedingungen gealterte
Proben aus dem Wasser genommen, um deren Durchschlagspannung zu bestimmen. Die Daten
werden mit Hilfe einer WeibullStatistik verarbeitet. Zudem kann die
Länge der bei der Prüfung entstehenden Teilentladungskanäle gemessen
werden. Die Bedingungen für das
Bestehen der Prüfung werden dem
Land bzw. den Elektrizitätsversorgungsunternehmen überlassen.
Die nachstehende Tabelle zeigt
eine Zusammenfassung der Bedingungen, unter denen die Prüfung
durchgeführt wird.
Schritt 1
Prüfung
Norm
Bestimmung der Anfangs-Durchschlagsfestigkeit
CEI 502, 14.4
• Konditionierung : 7 Tage bei 90 °C am Leiter
HD 605 S1/A1 5.4.5b
• Wechselspannungsprüfung mit stufenweiser
Spannungserhöhung
Anfangswert : 5 U0 = 60 kV, 5 Minuten
idem 5.4.5f
Steigerung in Stufen von U0 alle 5 Minuten
bis zum Durchschlag (max. 25 U0 = 300 kV)
• Statistische Auswertung nach Weibull
Schritt 2
Prüfung
Norm
Künstliche Alterung
• Wasser im Leiter und auf der Oberfläche
des äusseren Halbleiters
idem 5.4.5c
• Temperatur der Proben : 50 ± 5 °C
idem 5.4.5d
• Spannung und Dauer der Prüfung
Im Pflichtenheft
festzulegen
Schritt 3
Prüfung
Bestimmung der Rest-Durchschlagsfestigkeit der Proben
Norm
idem 5.4.5e et 14.4,
• Wechselspannungsprüfung mit stufenweiser
Spannungserhöhung
extraits de CEI 502
Anfangswert : 5 U0 = 60 kV, 5 Minuten
idem 5.4.5f
Steigerung in Stufen von U0 alle 5 Minuten
Minuten bis zum Durchschlag
• Statistische Auswertung nach Weibull
Isolationen für
1
Schritt 1
Prüfung
Norm
Länge der Teilentladungskanäle nach 2 Jahren
Diese Prüfung kann in regelmässigen Abständen mit StandardProduktionslosen
durchgeführt
werden. Kabel, die diese strenge
und kostspielige Prüfung bestehen,
können mit Recht als qualitativ gut
bezeichnet werden. Sie dürften
den normalen Betriebsbedingungen
während mindestens 40 Jahren
standhalten.
FOLGERUNGEN
Die Qualität fast aller der heute
auf dem Markt befindlichen
kunststoffisolierten MS-Kabel darf
als ausgezeichnet bezeichnet
werden. Erhebliche Fortschritte
wurden in den letzten Jahren
sowohl in Bezug auf die Qualität
der Rohstoffe sowie hinsichtlich
der Verfahrenstechnik bei der
Herstellung der Kabel erzielt.
nen Ländern entwickelten, beschleunigten Alterungsversuche bei wirklichkeitsnahen Bedingungen wichtige Erkenntnisse. Trotz einigen Unterschieden zwischen den verschiedenen Prüfmethoden, lassen die
Resultate wichtige Aussagen über
die Zuverlässigkeit von verschiedenen Kabelkons- truktionen zu.
Auch wenn nicht alle Alterungsvorgänge bis ins letzte Detail geklärt
sind, liefern die in den verschiede-
Literaturnachweis
[1] IEC 505, "Guide for the evaluation and identification of
insulation systems of electrical equipment", 1975
idem 5.4.5g
12
2
Metallschirme von Mittelspannungskabel
Claude Biolley
Charles Wyler
Metallschirme von
Claude Biolley
Charles Wyler
3
ALLGEMEINES
2
Das ideale Mittelspannungskabel,
das nichts kostet, das keine Verluste
weder im Leiter noch in der Isolation
noch in der Abschirmung verursacht, das sich selbst verlegt und
das eine endlose Zuverlässigkeit
aufweist, existiert nicht.
Jede Konstruktion besitzt Vor- und
Nachteile. Wichtig ist vorallem
Kabel hoher Qualität einzusetzen,
die den Vorschriften entsprechen
und eine qualitativ gute Energieübertragung über eine lange Zeitspanne gewährleisten.
Die Abmessungen von Leitern und
Isolationen - nicht die Qualität letzterer, die je nach Hersteller verschieden ist - geben im allgemeinen
wenig Anlass zu Polemik, da internationale Normen diese Parameter
relativ präzis definieren.
Anlässlich der Einführung des
Kunststoffkabels bestand die
Abschirmung aus dünnen, gewikkelten Kupferbändern und damit
hohem
Längswiderstand
mit
sehr kleinen Schirmverlusten. Die
schlechten, mit diesem Schirmtyp
gemachten Erfahrungen veranlassten die Anwender schnell zur
Forderung nach niederohmigern
Abschirmungen, um den in den
Schirmen im Normalbetrieb und
Kurzschlussfall auftretenden Strömen
Rechnung zu tragen.
Die Grösse der Schirmströme hängt
entscheidend von der Art der Sternpunkterdung des Netzes ab. Dieser
kann isoliert, über eine dem Netz
angepasste Impedanz oder direkt
mit oder ohne Begrenzungswiderstand geerdet sein.
Nicht so bei der Schirmbemessung,
die auf Erfahrungen basiert und im
starkem Masse von der Netzkonfiguration abhängt.
EINLEITUNG
Jeder von einem Wechselstrom
durchflossene Leiter ist von einem
sinusförmigen, elektromagnetischen
Feld umgeben. Befindet sich in
diesem Feld ein offener, metallischer Kreis, so wird dieser zur
Quelle einer induzierten Spannung, oder wird von einem Strom
durchflossen, sofern der Kreis
geschlossen ist.
Die Metallmäntel von Einleiterkabeln gehorchen den eingangs
erwähnten Gesetzen und weisen,
bei offenem Schirmkreis (einseitige Schirmerdung) eine induzierte
Spannung auf, oder werden bei
geschlossenem Schirmkreis (beidseitige Schirmerdung) von einem
Strom durchflossen.
Die Intensität des Stromes wird
von den Koeffizienten der Gegeninduktion der drei Leiter, sowie der
drei Schirme bestimmt, welche
ihrerseits von der Kabelkonstruktion
und der geometrischen Anordnung
abhängen.
Metallschirme von
4
Claude Biolley
Charles Wyler
KABEL MIT EINSEITIGER SCHIRMERDUNG
2
Für sämtliche Phasen kann von folgendem elektrischen Ersatzschaltbild ausgegangen werden :
l
Metallschirm
Leiter
IL
US
In einem ausgeglichenen Dreiphasensystem sind die drei Phasenströme gleich ( IR = IS = IT = IC- ).
Die auf den Schirmen induzierte
Spannung ist proportional zum
Strom IC sowie zur Länge der
Leitung und weist eine Phasenverschiebung von 90 °C in Bezug
auf den Phasenstrom auf.
→
Ui = j • ϖ • l • Ic • M
M
:
Koeffizient der Gegeninduktion zwischen
Leiter und Schirm
ϖ
:
2•π•ƒ
wobei
l
:
Leitungslänge
[km]
Ic
:
Leiterstrom
[A]
Verlegung der Kabel im Dreieck
dm
S
[H/km]
S:
Achsdistanz
dm :
mittlerer Durchmesser
des Metallschirmes
ƒ = Frequenz
Metallschirme von
5
Claude Biolley
Charles Wyler
Bei dieser Anordnung sind die
Gegeninduktionswerte M sämtlicher Phasen identisch und die
induzierte Spannung beträgt :
2
→
Ui = j • Ic • ϖ • l • 2 • ln
2S
--4
• 10
dm
[ V / km ]
Bei einer Frequenz von 50 Hz
sowie einer Länge von 1km :
→
Ui = Ic • 4 • π • 50 • ln
2S
--4
• 10
dm
[ V / km ]
Verlegung der Kabel in einer Ebene
S
dm
In diesem Fall sind die Gegeninduktivitätswerte der beiden äusseren Kabel identisch, weichen
aber vom Wert des mittleren
Kabels ab.
Demzufolge unterscheidet sich
auch die Höhe der induzierten
Spannung der beiden äusseren
Kabel von derjenigen des in der
Mitte liegenden Kabels :
→
UiR = j • Ic • ϖ • l • 2 • – 1
2
•
ln S + j 3 • ln 4S
2
dm
dm
•
10 -4
Metallschirme von
→
Ui = j • Ic • ϖ • l • 2 ln
2
6
Claude Biolley
Charles Wyler
2S • 10 -4
dm
ln S – j 3 • ln 4S
dm
dm
2
2
→
UiT = j • Ic • ϖ • l • 2 • – 1
•
l = 1km und ƒ = 50 Hz
Für
→
– 1 • ln S
dm
2
→
UiR = UiT = 4 • π • 50 • Ic •
2
+
3 • ln 4S
dm
2
2
UiS = 4 • π • 50 • Ic • ln 2S • 10 -4
dm
[V/km]
[V/km]
Kabel mit beidseitiger Schirmerdung
Für diesen Fall bedient man sich
des folgenden Ersatzschaltbildes :
l
Metallschirm
Leiter
IL
IS
Im Kreis Schirm - Erde wird ein
Strom fliessen, welcher von der
berechneten induzierten Spannung
sowie von der Schirmimpedanz
abhängt
Is =
Ui
Zs
•
10 -4
Metallschirme von
mit
ZS = l •
Claude Biolley
Charles Wyler
R2S + ( ϖL )2
L entspricht der Selfinduktion des Schirmes.
Der Strom im Schirm beträgt dann:
IS =
2 • π • ƒ • M • 10 -1
R2S + ( ϖ L )2
Rs : Schirmwiderstand bei Betriebstemperatur
L : Selfinduktion des Schirmes
Da der Wert von (ωL)2 im Verhältnis zum Wert RS klein ist, kann der
Ausdruck in einer ersten Annäherung
vernachlässigt werden.
Es ist zu bemerken, dass die
Schirmströme unabhängig der
Kabellänge sind.
Berechnung der Schirmverluste
Die Schirmverluste sind gegeben
durch :
PTot = ( J 2SR + J 2SS + J 2ST ) • Rs
MÖGLICHKEITEN ZUR VERMINDERUNG DER SCHIRMVERLUSTE
Es bestehen grundsätzlich zwei
Möglichkeiten zur Reduktion oder
zur Elimination von Schirmströmen :
1. Anhebung der Impedanz des
Kreises Schirm - Erde, indem
der Schirmwiderstand erhöht
oder eine Impedanz in den
Kreis eingebaut wird.
2. Bewerkstellung von speziellen
Schirmverbindungen (Crossbonding-System),
welche
ermöglichen, die induzierten
Spannungen auf der ganzen
Leitungslänge zu eliminieren,
da die Ströme der 3 Phasen
120° phasenverschoben zirkulieren.
7
2
Metallschirme von
2
Claude Biolley
Charles Wyler
Kabelschirm mit erhöhtem widerstand
Eine Anhebung des Schirmwiderstandes durch Verminderung des
Schirmquerschnittes, beeinflusst die
induzierte Spannung nur geringfügig.
Hingegen steigt dabei die Schirmimpedanz, was zur Reduktion von
Strom und Verlusten führt :
Für :
RS1 > RS2
Es ist an dieser Stelle zu bemerken, dass der Metallschirm im Erdschlussfall in Netzen mit isoliertem
Sternpunkt sowie bei gelöschten
Netzen länger dauernden Stombelastungen standhalten muss, insofern keine Abschaltung vorgesehen
ist während der Schirm in starr
US1 = US2
IS1 < IS2
P2 << P1
geerdeten netzen hohe Kurzschlussströme zu ertragen hat.
Da die Eidgenössischen Vorschriften und Sicherheitsbestimmungen
eingehalten werden müssen, können die Schirmquerschnitte nicht
beliebig reduziert werden.
Einbau einer Impedanz in den Erdungskreis
Anstelle einer Verminderung des
Schirmquerschnittes kann auch eine
Impedanz in den Kreis eingebaut
werden. Dies erlaubt praktisch eine
Unterdrückung der Schirmströme.
Bei sehr hoher Impedanz fliesst kein
Schirmstrom mehr.
I =
Mit
Ui
Zs + Zi
Zi ≈ ∞
Strom und Verluste werden gleich Null
Im allgemeinen wird diese
Zusatzimpedanz am Ende der
Leitung eingefügt.
Zi
8
Metallschirme von
Als Zusatzimpedanz bieten sich folgende zwei Möglichkeiten an :
a. Die eingefügte Impedanz
besteht
aus
einem
Überspannungsableiter
b. Die eingefügte Impedanz besteht
aus einem hohen Widerstand
a. Der Überspannungsableiter muss
derart dimensioniert sein, dass er
im Kurzschlussfall nicht anspricht.
Die bei diesem Störfall auftretenden Leistungen würden den
Überspannungsableiter zerstören.
Der Ableiter muss andererseits
die Schirmspannungen auf einen
Wert begrenzen, welcher unterhalb der Haltespannung von über
dem Schirm liegenden Isolationen, sowie Endverschlüssen liegt.
9
Claude Biolley
Charles Wyler
b. Mit einem ins System eingefügten hohen Widerstand
wird im Prinzip derselbe
Effekt erreicht wie mit einem
Überspannungsableiter. Es ist
allerdings zu bemerken, dass
der Ableiter beim Ansprechen
zum Leiter wird, während ein
widerstand unverändert bleibt
und demzfolge die Schirmspannung nicht begrenzt.
Der Widerstand muss hohen
Längsspannungen gewachsen sein, welche zum Teil
die dielektrische Festigkeit der
Aussenmäntel übersteigen können. Diese Lösung entspricht
in etwa der elektrischen
Beanspruchung bei einseitiger
Schirmerdung ohne Einsatz
eines Überspannungsableiter.
2
Installation eines cross-bonding-systems
Diese Methode besteht darin, das
die Leitung in drei gleichlange
Abschnitte unterteilt, mit längsisolierten Muffen ausgerüstet und
l/3
R
S
T
Bei geometrisch stationären Schirmen und ausgekreuzten Leitern,
stellen sich auf den 3 Streckenabschnitten identische und um 120°
Phasenverschobene, induzierte Spannungen ein. Die Vektorsumme dieser
Spannungen beträgt Null, somit
fliesst kein Strom in den Schirmen.
die Kabel an den Muffenstellen
ausgekreuzt werden.
Das entsprechende Schema sieht
wie folgt aus ;
l/3
l/3
S
T
R
T
R
Zi
In kurzschlussfall können auf die
Längsisolationen der Schirme ein
der Muffen höhe Spannungen erstehen. Die längsisolation muss somit
unbedingt mit Spannungsleiter ausgerüstet werden.
S
Metallschirme von
Eine solche Anordnung bedingt
ein Dritteln der Länge, ist relativ kompliziert und teuer und wird
normalerweise nur für Spezialfälle
eingesetzt. Diese technisch sehr
interessante Lösung wird somit nicht
bei 20 kV Netzkabeln eingesetzt.
VOR- UND NACHTEILE EINER UNTERDRÜCKUNG DER SCHIRMVERLUSTE
Vorteile
Der einzige Vorteil der Unterdrückung
der Schirmverluste liegt in einer Reduktion der Übertragungskosten.
Nachteile
Erdungswiderstand des Netzes
Erdungsvorschriften besagen, dass
die Einhaltung der Grenzwerte
der Schrittspannungswerte nach
Anschluss aller Mittel- und Niederspannungskabel vorzunehmen ist.
licher Anlagen parallel geschaltet werden und dadurch tiefe
Erdungswiderstände, ohne hohe
Investitionen erreichbar sind.
In jedem Fall müssen die Schrittund Berührungsspannungen nach
folgender Tabelle eingehalten
werden :
Elektrisch gesehen führt dies bei
beidseitiger Mantelerdung dazu,
dass die Erdungen unterschied-
Berührungs– und Schrittspannungen
2
10
Claude Biolley
Charles Wyler
1000
800
600
400
200
unzulässiger Bereich
100
80
60
40
zulässiger Bereich
20
0
0,1
0,9
Dauer
2
3
4
5
(sek.)
Metallschirme von
11
Claude Biolley
Charles Wyler
An jeder Anlage muss der Erdungswiderstand tief genug sein, um die
Vorschriften einzuhalten.
2
Berechnung der Netzerdungen
ST A
ZTR
Beispiel :
ZS
ST B
ST C
ZE
ZTR : Erdwiderstand der Trafostation
-8Ω
ZE :
~ 20 Ω
Erdwiderstand
ZS :
für Länge von 500 m ( 25
mm2
Schirm )
A+C
Erdungswert eines Netzes mit 3 Trafostationen (Flachland)
bei beidseitiger Mantelerdung :
bei einseitiger Mantelerdung :
ZET
=
~ 3,60 Ω
für Trafostation
ZET
=
~ 3,10 Ω
für Trafostation B
ZET
=
~8Ω
Erdungswert eines Netzes mit 2 Trafostationen (Bergebiet)
Trafo A
ZTRA
Beispiel-:
ZS
ZE
Trafo B
ZTRB
ZTRA :
Erdwiderstand Trafo A
= 8Ω
ZTRB :
Erdwiderstand Trafo B
= 30 Ω
ZE :
Erdwiderstand
= 20 Ω
ZS :
für Länge von 3'000 m
= 0,72 Ω
~ 0,12 Ω
Metallschirme von
Erdungswert bei Trafo B
2
bei beidseitiger Mantelerdung :
ZETB = 14,7 Ω
bei eindseitiger Mantelerdung :
ZETB = 30 Ω
Eine beidseitige Mantelerdung mit
kleinem Schirmwiderstand erleichtert das Einhalten der gestellten
Forderung, im speziellen bei abgelegenen Trafostationen in Bereichen
mit hohen Bodenwiderständen.
Bei einseitiger Mantelerdung könnten die Kosten für die Erdungen
wesentlich erhöht werden.
Trafostationenerdungen durch die
Kabelmäntel gekoppelt, jedoch
mit höheren Widerständen ist die
Verbesserung des Netzerdungswiderstandes geringer.
Zusammenfassend lässt sich somit
aus dem Aspekt der Anlagenerdungen aussagen, dass generell
eine beidseitige Kabelschirmerdung anzustreben ist.
Wenn ein reduzierter Schirmquerschnitt gewählt wird, werden die
Thermischer nötigen Schirmquerschnitt
Die betrieblichen Eigenschaften
des Mittelspannungsnetzes werden relevant beeinflusst durch die
Art der Sternpunktbehandlung.
In ländlichen Netzen mit hohem
Freileitungsanteil hat sich über Jahre
hinweg der isolierte Sternpunkt
bewährt. Im Erdschlussfall liegen die
Fehlerströme in der Grössenordnung
einiger A bis weniger 10 A.
Mit steigendem Kabelanteil im
Netz nehmen die Fehlerströme
im Erdschlussfall markant zu und
können Grössenordnungen von
mehreren hundert A erreichen.
Ein Uebergang zum induktiv geerdeten ("gelöschten") Sternpunkt
führt dazu, dass im Falle eines
Erdschlusses die Fehlerströme in
der Grössenordnung von 50 A
gehalten werden können.
Sobald ein Netz einen Kabelanteil
von ca. 100 % aufweist, ist aus
betrieblichen Überlegungen heraus der niederohmig geerdete
Sternpunkt von Vorteil. In dieser
Betriebsart treten Erdschlussströme
in der Grössenordnung weniger
kA auf.
Kabel werden in der Regel unter
der Randbedingung verlegt,
dass sie 30 bis 40 Jahre genutzt
werden können. Die vorangehenden Schilderungen zeigen, dass aus betrieblichen
Überlegungen heraus die Art der
Sternpunktbehandlung im Laufe
eines Kabellebens geändert werden kann. Es ist deshalb bei
einen Kabelprojekt darauf zu achten, dass man sich eine gewisse
Flexibilität in die Zukunft aufrecht
erhält.
Claude Biolley
Charles Wyler
12
Metallschirme von
Wenn langfristig geplant wird,
unter der Annahme, dass in der
Zukunft die Netzbedingungen auf
Grund der Erdung des Nullpunktes
geändert werden können, müssen
die Kabelmäntel alle folgenden
Ströme übernehmen können:
●
ca. 50 A während mehreren
Stunden (isolierter Sternpunkt)
Einseitige Mantelerdung
Claude Biolley
Charles Wyler
●
ca. 50 A während mehreren
Stunden (gelöschter Sternpunkt)
●
5 -- 15-kA während max. 1,0
Sek. (geerdeter Sternpunkt,
zweite Abschaltstufe).
Die Belastung der Schirme hängt
selbstverständlich von der Art der
Mantelerdung ab.:
IB + IE
IS
IE
IS = IE
Beidseitige Mantelerdung
IB + IE
IE
IS
IS
IS = IE
Grössenordnung der Ströme im Schirm im Erschlussfall
(Annahme Betriebsstrom 150 A)
Sternpunkt isoliert oder gelöscht
Leiterstrom
IL = 150 + 50
= 200 A
Schirmstrom bei
einseitiger Mantelerdung
Is
= 50 A
Schirmstrom bei
beidseitiger Mantelerdung
Is
≅ 25 A während Stunden
während Stunden
13
2
Metallschirme von
Claude Biolley
Charles Wyler
Sternpunkt geerdet
2
Leiterstrom
IL = 5 A
Schirmstrom bei
einseitiger Mantelerdung
Is
= 5 kA
Schirmstrom bei
beidseitiger Mantelerdung
Is
≅ 2,5 kA
Is
= 50 A
IL =
200 A
Is
= 5 kA
IL =
5 kA
Is
= 25 A
IL =
200 A
Is
= 2,5 kA
IL =
5 kA
während max. 1 Sekunden
Die Kabel sollen somit folgende
Ströme ohne Überhitzung aufnehmen können :
Bei einseitiger Mantelerdung
Bei beidseitiger Mantelerdung
Es ist selbstverständlich, dass die
auftretenden Mantelströme beim
Einsatz von Kabeln mit grösserem
Mantelquerschnitt einen geringeren thermischen Einfluss auf die
Kabeltemperatur haben.
Je nach Sternpunkterdung und
Netzgestaltung können Kabel mit
reduziertem Querschnitt, im speziellen wenn die Mäntel nur einseitig
geerdet werden, zu thermischen
Überlastungen führen.
Zulässige Mantelströme
Die Schirmströme im Dauerbetrieb
(isolierter oder gelöschter Sternpunkt) verringern die zulässige
Übertragungsleistung von Mittelspannungskabel. Da letztere,
von Ausnahmefällen abgesehen,
normalerweise in Betrieb nie mit
Vollast betrieben
die thermische
den Fehlerstrom
in annehmbaren
die Abschirmung
dimensioniert ist.
werden, bleibt
Überlast durch
im allgemeinen
Grenzen, wenn
genügend gross
während Stunden
während 1 Sekunden
während Stunden
während 1 Sekunden
14
Metallschirme von
15
Claude Biolley
Charles Wyler
Nachfolgende Tabelle gibt die
Verminderung der zulässigen
Belastung für eine Verlegung im
Rohr, bezogen auf eine max.
Leitertemperatur von 90 °C, in
Funktion des Schirmwiderstandes.
2
100A (Mantelstrom)
60%
Zul. Belastung [% IR ]
75A
70%
80%
50A
90%
25A
Ir = 100%
95 mm2/22 Al
2,0
150 mm2/24 Al
1,5
95 mm2/16 Cu
120 – 150 mm2/25 Cu
1,0
240 mm2/27 Al
0,5
240 – 300 mm2/35 Cu
90
Als Beispiel kann den Kurven entnommen werden, dass bei isoliertem oder gelöschtem Sternpunkt
die Reduktion der zulässigen
Belastung, wenn der Erschluss
nicht abgeschaltet wird, folgende
Werte annimmt :
Erdschlussstrom : 50 A
Bei einseitiger Mantelerdung
Kabel
Kabel
1 x 120 mm2/25 Cu :
~ 5%
1 x 120 mm2/23 Al :
~ 15 %
1 x 120 mm2/25-Cu-:
~ 1,5 %
1 x 120 mm2/23-Al :
~ 3%
R (Mantelwid)
[Ω/hm]
Metallschirme von
Nachfolgende Tabelle gibt die
zulässigen Kurzschlusströme im
Mantel an, welche für geerdeten
Sternpunkt gültig sind.
Ceander-Schirm
7
Alu-Folie
Pb-Schirm
6
5
Strom [kA]
4
3
2
1
Querschnitte [mm2]
Bei einem ks-Strom von 4 kA können Kabel des Typs XKT mit Querschnitten über 70-mm2 mit einseitiger Mantelerdung ohne Gefahr
eingesetzt werden. Bei Verwendung von Kabeln mit reduzierte
Schirmquerschnitt ist dies unter den
angenommenen Kurzschlussbedingungen nicht zulässig.
Auf Grund der zulässige Belastung der Kabel und Schirme im
Fehlerfall, ist eine Lösung mit
beidseitiger Mantelerdung und
kleinem Mantelwiderstand vorzuziehen.
NETZSCHUTZ
In der Regel verwenden Erdschluss-Schutzgeräte die Nullspannung und den Nullstrom als
Eingangsgrössen. Die Empflindlichkeit des Schutzes ist somit
abhängig von der Nullimpedanz
der Leitung.
Der Rückstrom im Fehlerfall, der
massgebend ist für den Schutz,
wird durch den Boden und die
Kabelschirme, insofern diese beidseitig an Erde liegen, fliessen.
Anlagen im Agglomerationenbereich im Mittelland, wo die Boden
leitfestigkeit im Rahmen von
100 Ω • m liegt und wo metallische,
im Boden verlegte Leitungen der ohmschen Anteil der Nullimpedanz reduziert, werden Nullimpedanzwerte,
je nach Mantelerdung zwischen
0,5 und 2,5 Ω erreicht.
Solche Werte erlauben ein einwandfreies Funktionieren von konventionnellen Schutzrelais.
1 x 300 mm2
1 x 240 mm2
1 x 185 mm2
1 x 150 mm2
1 x 120 mm2
1 x 95 mm2
1 x 70 mm2
1 x 50 mm2
1 x 35 mm2
0
1 x 25 mm2
2
16
Claude Biolley
Charles Wyler
Metallschirme von
Kritisch sind Leitungen von grösseren Längen, die abgelegenen
Stationen in Berggebieten mit
hohem Bodenwiderstand speisen.
Erdschluss nicht anerkannt wird,
da sich auf Grund der erhöhten
Nullimpedanz nur ein minimaler
Fehlerstrom ausbildet.
In diesem Fall wird der reale Wert
der Nullimpedanz sehr gross,
wenn die Kabelmäntel unterbrochen oder sehr widerständig sind
und es besteht das Risiko, dass der
Um billigere, in jeder Situation einwandfrei funktionierende Schutzsysteme benutzen zu können, ist
es von Vorteil, Kabel beidseitig an
Erde zu legen.
WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN
Bei einigen Netzkonfigurationen ist
eine Senkung der Schirmverluste
durchaus möglich.
Eine einseitige Schirmerdung erlaubt
die vollständige Unterdrückung der
Schirmverluste, was aus Kostensicht
interessanter ist. Es ist allerdings
zu bemerken, dass in diesem Fall
erhebliche Zusatzinvestitionen anfallen können, um eine befriedigende
Netzerdung zu erreichen.
Wegen ihrer Nachteile wird diese
seit mehr als 20 Jahren bekannte
Methode nur in Spezialfällen angewandt, hauptsächlich um die Verschleppung von Überspannungen
(hervorgerufen durch Erdungsvorgänge) aus Unterstationen mit höheren Spannungen zu verhindern.
Die durch eine Reduktion des Schirmquerschnittes zu erzielenden Einsparungen in Bezug auf die Schirmverluste, scheinen in absoluten Werten
betrachtet recht bedeutend. In der
Tat betragen die Einsparungen nur
einige wenige Prozente der kapitalisierten Totalverluste.
Berechnung der Versluten und festlegung Ihrer Kosten
Die Investitions-Jahreskosten werden mittels folgender Formel berechnet :
KG =
mit
Kd • ( T + Tk )
100
KD
=
Totalinvestitionskosten
T
=
Tilgungssatz
Tk
=
Unterhaltskosten
Claude Biolley
Charles Wyler
17
2
Metallschirme von
2
Die effektiven Jahreskosten sind
gegeben durch die Summe Investitions - und Verlustkosten.
Bei der Verlustkostenrechnung sollte
der auf ein Jahr bezogene quadratische Strommittelwert eingesetzt
werden. Aus Redundanzgründen
sowie allfälliger Spitzenlasten wer-
18
Claude Biolley
Charles Wyler
den Kabel im Normalbetrieb meistens nur mit 20 - 50 % ihrer thermischen Kapazität belastet. Hochlastphasen im Falle von speziellen
Netzschaltungen sind meist nur von
kurzer Dauer und sollen für die Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht in
Betracht gezogen werden.
Berechnung der Schirmspannung
R
Beispiel :
T
S
20kV–Kabel , 3 x 1 x 240 mm2
Kabeldurchmesser
Metallschirmdurchmesser
Uebertragbare Leistung 5MVA
Länge der Leitung
32,5
D
d
I
l
= 38,8 mm
38,8
= 32,5 mm
= 145 A
= 1000 m
UiR = UiT = 4 • π • 50 • 145 • ln
– 1 • ln 38,8
2
2
32,5
+
3
2
•
UiS = 4 • π • 50 • 145 • ln 2 38,8
32,5
•
•
•
ln 4 38,8
32,5
= 12,3V
10 -4 = 7,92 V
32,5
38,8
Für l = 1000m
UiRST = 4 • π • 50 • 145 • ln
2 • 38,8
32,5
•
10 -4 = 7,92 V
Metallschirme von
19
Claude Biolley
Charles Wyler
T
R
2
S
32,5
38,8
Rohr
Ui Dreieckanordnung < Uieff < Ui flache Anordnung
7,9 < Uieff < 12,3
für die Berechnung kann den geometrischen Mittlewert eingesetzt
werden :
3
Uieff = 7 • 9 • 12,3 2
= 10,6V
Berechnung der Schirmströme
Beispiel :
20kV Dreileiterkabel, 3 x 1 x 240 mm2
belastet mit 5 MVA
Schirmwiderstand bei
Betreibstemperatur T ≈ 30°C
Kabeltyp XKT oder XKT-YT
32,5
38,8
Induzierte Spannung :
Ui = 7,9 V
Rs30° = 0,537 Ω
IS =
Ui
RS
=
7,9
= 14,7 A
0,537
120/132
Metallschirme von
2
Claude Biolley
Charles Wyler
Kabel mit redurziertem
Schirmquerschnitt
~32,5
Induzierte Spannung :
Ui = 7,9 V
~38,8
Rs30° = 1,46 Ω
Is =
Ui
RS
=
7,9
= 7,9 A
1,46
Berechnung der Schirmverluste
Kabel 20kV, 1 x 240 mm2,
belastet mit 5 MVA
P = 3 • I 2 • Rs
Kabeltyp XKT oder XKT-YT
32,5
38,8
P = 3 • 14,72 • 0,537 = 350 W
Kabel mit redurziertem
Schirmquerschnitt
~32,5
~38,8
P = 3 • 5,42 • 1,47 = 130 W
20
Metallschirme von
21
Claude Biolley
Charles Wyler
Berechnung der Verluste
Totalkabelverluste
(nach CEI 287)
2
Verlegeart
Dreieck
Flach
Dreileiter
Dreileiter
Schirmquerschnitt
35 mm2/Cu
5,34 kW
35
mm2/Cu
5,58 kW
35
mm2/Cu
5,37 kW
27
mm2/Al
5,13 kW
Verluste bei einseitiger Mantelerdung
Verlegeart
Dreieck
Flach
Dreileiter
Dreileiter
Schirmquerschnitt
35 mm2/Cu
5,34 kW – 0,35 = 4,99 kW
35
mm2/Cu
5,58 kW – 0,63 = 4,95 kW
35
mm2/Cu
5,37 kW – 0,35 = 5,02 kW
27
mm2/Al
5,13 kW – 0,13 = 5,00 kW
Einfluss auf die Jahreskosten:
Die Jahreskosten ergeben sich
durch die Investitionskosten und
die Verlustkosten.
Bei Einsehen heutige gültige für Baufinanziell- und Energiekosten gibt
eine Rechnung folgene Resultate.
Jahreskosten
Var.
Kabeltyp
1.
2.
3.
mit Überspannungsableiter
mit
Widerstand
A
1 x 240/35 Cu gebündelt
%
100
98,97
99,03
B
1 x 240/35 Cu flach
%
100,82
98,88
98,89
C
3 x 1 x 240/35 Cu
%
101,48
100,45
100,51
D
3 x 1 x 240 / 27Al
%
100,66
100,38
100,44
L = 1000 m, Kabel 20 kV, 3 x 1 x 240 mm2, Belastung : 145 A (5 MVA)
Metallschirme von
SCHLUSSFOLGERUNGEN
2
1. Eine einseitige Mantelerdung
oder ein reduzierter Mantelquerschnitt kann nicht beliebig
eingesetzt werden.
2. Bei einer Netzkonfiguration, die
solche Anordnungen erlauben,
ist der wirtschaftliche Gewinn
sehr gering.
Claude Biolley
Charles Wyler
22
3
Diagnose, Monitoring und Lebensdauer
Diagnose, Monitoring
und Lebensdauer
Die Stromübertragungs- und -verteilungsnetze stellen für die Elektrizitätsversorgungsunternehmen
eine
bedeutende Investition dar. Zudem
müssen diese Netze möglichst
zuverlässig sein, um Betriebsverluste
infolge von Systemausfällen zu vermeiden. Zahlreiche Verbindungen
sind seit 30 Jahren oder mehr in
Betrieb, wobei die Verantwortlichen manchmal mit der Frage
von Instandhaltung, Reparatur oder
Ersatz bestimmter kritischer Verbindungen konfrontiert werden.
Deshalb ist es wichtig, den Zustand
der betreffenden Verbindungen,
ihre Betriebsbedingungen und die
Alterungsmechanismen in dieser
oder jener Umgebung zu kennen.
Heute gibt es zahlreiche Verfahren,
mit denen der Alterungsgrad (und
damit die Zuverlässigkeit) bestehender Systeme diagnostiziert werden kann. Dieser Artikel zeigt den
Stand der Kenntnisse in Bezug
auf Alterung und Diagnose auf
dem Gebiet der Papier- und Kunststoffkabel auf.
Schliesslich haben wir auf der
Grundlage der in den letzten Jahren
gemachten Erfahrungen ein einfaches Modell entwickelt, das die
erwartete Lebensdauer der Kunststoffkabel in Funktion der Produktionsjahre zwischen 1970 und
2000 beschreibt.
KABEL MIT IMPRÄGNIERTER PAPIERISOLATION
Warum von Kabeln mit imprägnierter Papierisolation sprechen, da doch diese unabhängig davon, ob es sich um
Öl- oder Massekabel handelt,
nur noch einen kleinen Anteil
an den heute verlegten Kabeln
haben ? Es sind diese Kabel,
die gegenwärtig am längsten
in Betrieb sind und für die sich
in erster Linie die Frage nach
Ersatz stellt. Soll man sie vorbeugend ersetzen oder warten, bis
sie durchschlagen ? Welches
sind die vorherrschenden Gründe
für einen Ersatz ? Betrachten
wir jedoch zuerst die häufigsten
Alterungsmechanismen.
Alterungsmechanismen
Die häufigsten Ursachen für die
Alterung der Kabel findet man im
Papier selbst. Sie sind vor allem
mit der Reduktion des Polymerisationsgrades des Papiers verbunden. Dieses Phänomen wird stark
von der Temperatur beeinflusst
und kann zwischen den einzelnen
Stellen des Kabels stark variieren (zum Beispiel beim Entstehen
überhitzter Stellen). Diese Beschädigung hat eine Herabsetzung der
Durchschlagsfestigkeit des Papiers
und dann des Kabels sowie eine
Erhöhung der dielektrischen Verluste
zur Folge. Manchmal bewirkt sie
Teilentladungen mit der Entwicklung
von Gasen ( CO, CO2, H2, CH4,
C2H6, C2H4 ), die sich in der
Imprägnierflüssigkeit auflösen.
Abbildung 1 zeigt zwei Beispiele
von durch solche irreversible Schäden angebrannten Papieren.
3
3
und Lebensdauer
Abbildung 1.
3
Beispiele für Schäden an
Isolierpapieren, die zu
einem Durchschlag des
Kabels führen können.
Oft waren die Papierkabel mit
einem Bleimantel versehen,
um einerseits ihre Dichtheit zu
gewährleisten und andererseits
ihr Austrocknen zu verhindern.
Nun bestanden diese Mäntel bis
gegen 1960 aus reinem Blei,
das die Eigenschaft hat, mit der
Zeit und infolge von Bewegungen
des Kabels (zum Beispiel wegen
Schwingungen oder Lastschwankungen) zu kristallisieren. Diese
Kristalle können grösser werden
als die Dicke des Mantels. In diesem Fall treten sehr schnell Risse
auf, wodurch die Dichtheit verloren geht, Feuchtigkeit eindringen
und/oder Imprägnierflüssigkeit
austreten kann. Diese Phänomene
werden in der nachstehenden
Abbildung 2 gezeigt.
Dieses Phänomen ist heute dank
der Verwendung von mikrolegiertem Blei, das nicht mehr kristallisiert, vollständig unter Kontrolle.
Abbildung 2.
Phänomen der Bleimantelkri
stallisation
Oben links :
Normaler Mantel.
Oben rechts :
Kristallisierter Mantel
(gleiche Vergrösserung).
Links :
Rissbildung als Folge
der Kristallisation des
Bleis.
4
und Lebensdauer
5
Diagnosemethoden für Kabel mit Papierisolation
Die Zeitschrift Electra (eine Publikation der CIGRE) hat in ihrer
Ausgabe vom Februar 1996 die
Ergebnisse einer Arbeitsgruppe zum
Thema der Diagnosemethoden für
HS-Papierkabel- und -Zubehör veröffentlicht [1]. Die dort gemachten
Empfehlungen können wie folgt
zusammengefasst werden :
●
Kontrolle des Öldruckes
●
Elektrische Prüfung am thermoplastischen Aussenmantel
• 5 kV DC zwischen dem Metallmantel und der Erde
• 1 Minute
• 1mal im Jahr
Analyse der Kristallstruktur des
Bleimantels
• Anwendung einer geeigneten chemischen Lösung (auf
der Basis von Essigsäure)
• Beobachtung der Grösse der
auf diese Weise festgestellten
Kristalle
●
Analyse einer Probe der Imprägnierflüssigkeit
• Tangens δ (weist auf das
Vorhandensein von Wasser
oder anderen polaren Verunreinigungen hin)
• Spezifischer Gleichstromwiderstand (proportional zum Oxidierungsgrad)
• Dielektrisches Verhalten unter
Wechselspannung (gestattet
das Feststellen von leitenden
Partikeln)
1 Working Group 21.05,
"Diagnostic methods for HV
paper cables and accessories", Electra 176, (1996).
Es gibt wenige andere Verfahren,
die relevante Informationen über
den Zustand einer Kabelverbindung
geben können. In einem Netz mit
11 kV- und 6 kV-Massekabeln wurde eine Tangens δ Messkampagne
durchgeführt. Insgesamt 128 Verbindungen wurden gemessen. Der tg
δ und seine Änderung in Funktion
der Spannung liefert zwei Informationen :
bei 1 kV
1. Ein Basiswert (bei genügend
niedriger Spannung) weist
auf den aktuellen Zustand der
Isolation hin. Ein hoher Wert
bedeutet eine relativ fortgeschrittene Verschlechterung.
tg δ
[10-3]
Beurteilung
≤5
in Ordnung
5 bis 7
zu diskutieren
>7
auszuwechseln
zwischen 4 und 7 kV
2. Eine Erhöhung des Wertes mit
der Spannung ist gleichbedeutend mit Entladungen in der
Isolation. Eine starke Erhöhung
dürfte einer laufenden Verschlechterung entsprechen, die
kurz- oder mittelfristig zu einem
Schaden führt.
Δtgδ/ΔU
[10-3/kV]
Beurteilung
≤3
in Ordnung
3 bis 4.5
zu diskutieren
> 4.5
auszuwechseln
• Feuchtigkeitsgehalt
• Gesamtazidität (Vorhandensein von sauren Schmutzstoffen
und Zersetzungsprodukten)
∆t gδ
∆U
tg δ
●
Wie festzustellen ist, können die meisten dieser Analysen nur im Labor
nach der Entnahme einer Probe
durchgeführt werden. Dadurch
werden sie genauer, jedoch sehr
viel schwieriger durchzuführen,
und ihre Interpretation wird wegen
der Heterogenität des Milieus
unsicherer. Je nach der Stelle der
Probeentnahme können sich wesentliche Unterschiede ergeben.
• Partikelgehalt (Zählung in Funktion der Grösse)
• Analyse der gelösten Gase
(Feststellung von im Entstehen
begriffenen Fehlern und/oder
Teilentladungen).
0
1
4
7
U [kV]
3
und Lebensdauer
KABEL MIT KUNSTSTOFFISOLATION
3
Die in den 60er Jahren erschienenen ersten Generationen von
Kabeln mit Kunststoffisolation waren
mit nicht vernetztem Polyethylen isoliert und als äusserer Halbleiter
mit einer Graphitschicht umgeben
oder mit Bändern umwickelt. Diese
Kabel erwiesen sich ziemlich schnell
wegen zahlreicher Durchschläge
als weniger zuverlässig. In den
darauffolgenden Jahren wurden
praktisch überall auf der Welt
sowohl bei den Rohstofflieferanten
als auch bei den Kabelherstellern
oder in privaten Labors Forschungsarbeiten unternommen, um die
Ursachen für diese vorzeitigen
Verschlechterungen zu ermitteln.
Alterung der Kabel mit Kunststoffisolation
Die Kabel sind diversen Beanspruchungen unterworfen, die thermischen, elektrischen oder mechanischen Ursprungs sind oder mit ihrer
unmittelbaren Umgebung in Zusammenhang stehen. Die Tabelle 1 fasst
Faktoren
Thermische
diese verschiedenen Faktoren, ihre
Auswirkungen und die sich daraus
ergebenden Folgen zusammen.
Auswirkungen
Tabelle 1.
Die diversen Beanspruchungen,
ihre Auswirkungen und die
sich daraus mehr oder weniger
langfristig für die Verbindung
ergebenden Folgen
Folgen
Hohe Temperatur
• Chemische Reaktion
• Erweichung oder Verhärtung
Temperaturzyklen
• Unverträglichkeiten unter
• Erhöhung des tg δ
Werkstoffen
• Wärmeausdehnung
• Diffusion
• Schmelzen/Fliessen der Isolation
• Schrumpfung, Verlust der
Haftung, Schichtspaltung
• Entgasung
• Verformung des Kabels
• Wandern von Bestandteilen
Niedrige Temperatur
• Spannungsrissbildung
• Auftreten von Rissen
• Thermische Kontraktion
• Schrumpfung, Schichtspaltung
• Bewegungen an den Verbindungsstellen
und Endverschlüssen
Elektrische
Wechselspannung,
• Teilentladungen
• Erosion der Isolation →-Teilentladungskanäle
Gleichspannung,
• Teilentladungskanäle und
• Erhöhung der dielektrischen Verluste
Spannungsstösse
Strom
Mechanische
Water Treeing
• Durchschlag
• Überhitzung
• Thermische Alterung
Dehnung, Biegung,
• Materialermüdung
• Mechanischer Bruch
Verdrehung,
• Spannungsrissbildung
• Schrumpfung, Verlust der
Zusammendrückung,
Haftung, Schichtspaltung
Schwingungen
Umgebung
• Beschleunigte Alterung
• Innerer Durchschlag
• Eindringen von Verunreinigungen
Wasser, Feuchtigkeit,
• Dielektrische Verluste
gaz, contaminants
• Water Treeing
• Beschleunigte Alterung
• Erhöhung der Verluste
• Korrosion
• Auftreten von Teilentladungskanälen
6
und Lebensdauer
Die Auswirkungen der verschiedenen Beanspruchungen sind verschieden und vielfältig, und ihre Folgen
gehen immer in Richtung einer
Verschlechterung der Eigenschaften,
wenn nicht zum Durchschlag des
Kabels. Es ist jedoch interessant festzustellen, dass es trotz der Vielfalt
von Auswirkungen nur zwei Arten
von Mechanismen gibt, die zum
Durchschlag führen : die Teilentladungen und das Water Treeing.
Teilentladungen
Dieses Phänomen tritt in der Regel
ziemlich schnell auf. Wenn in der
Isolation Teilentladungen vorhanden sind, führen sie normalerweise
nach weniger als 5 Jahren zu einem
Durchschlag des Kabels. Sie treten
dort auf, wo in der Isolation Blasen
vorhanden sind oder wo sich der
Halbleiter abgelöst hat usw.
Von dem Moment an, wo dieses
Phänomen nachgewiesen wurde,
sind Massnahmen zur frühzeitigen
Erkennung dieser Fehler ergriffen
worden :
●
Entwicklung von geeigneten
Werkstoffen, die untereinander
verträglich sind (Isolierstoffe
und Halbleiter)
●
Verbesserung der Kabelherstellungsmethoden (gleichzeitiges
Extrudieren von drei Schichten)
●
Verstärkte Kontrollen im Werk
und nach der Verlegung. Auf
diesem Gebiet sind mit der Entwicklung von abgeschirmten Räumen (Faraday-Raüme), in denen
die kleinsten Fehler (in der Grössenordnung eines pC, das sind
10–12 Coulomb auf sehr hohen
Spannungen) festgestellt werden
können, zweifellos die grössten
Fortschritte erzielt worden.
Alle diese Massnahmen verhindern
die Inbetriebnahme von defekten
Produkten und damit ihren vorzeitigen Ersatz bereits nach wenigen
Betriebsjahren.
Water Treeing
Der zweite für die Kabel besonders
schwerwiegende Fehler ist das
sog. Water Treeing. Dabei handelt
sich um eine oxidative Schädigung
des Isoliermaterials unter der kombinierten Einwirkung von Wasser,
Verunreinigungen und eines elektrischen Feldes. Die Abbildung 3
zeigt ein solches Phänomen, das
sich in einigen Jahren (typisch 10
bis 20 Jahren) bis zum Durchschlag
des Kabels entwickeln kann.
●
Diese Schädigung konnte mit
den folgenden Massnahmen
praktisch unter Kontrolle
gebracht werden :
• Drastische Beschränkung der
Anzahl Verunreinigungen
• Auf der Grundlage von reinstem
Gasruss und Graphit erzeugte
Halbleiter, welche die Diffusion
von geladenen Partikeln in die
Isolation verhindern.
Abbildung 3.
Water Treeing in der Isolation
eines alten 10 kV-Kabels aus nicht
vernetztem PE, das von Graphit als
äusserer Halbleiter umgeben ist.
7
3
und Lebensdauer
●
Verbesserung der Herstellungsverfahren, um jegliche Verschmutzung mit Fremdkörpern zu
verhindern
• Lagerung der Granulate in
Räumen mit leichtem Überdruck
von gefilterter Luft
3
• pneumatischer Transport bis
zum Extruder ohne Berührung
der Umgebungsluft
• gleichzeitiges Extrudieren von
3 Schichten.
●
Strenge Typprüfungen zum Qualifizieren der verschiedenen
Bauarten von zum Teil sehr langer Dauer in feuchter Umgebung
mit Temperaturzyklen.
●
Wesentlich strengere Routineprüfungen.
Alle in der Tabelle 1 dargestellten
Alterungsfaktoren und ihre Folgen
bewirken somit entweder Teilentladungen oder ein Water Treeing.
Bis heute ist kein anderer Schädigungsmodus für Kunststoffisolationen bekannt.
Diagnosemethoden für Kabel mit Kunststoffisolation
Zum Diagnostizieren des Zustandes eines inerten Isoliermaterials
sind verschiedene Verfahren
ausgedacht worden, die in der
Tabelle 2 auf der folgenden Seite
zusammengefasst sind und nachstehend beschrieben werden.
Restdurchschlagsfestigkeit
Dieses einfache Verfahren, bei dem
man die Restdurchschlagspannung
einer bestimmten Anzahl von
Proben misst, vermittelt einen ausgezeichneten Hinweis auf den allgemeinen Zustand einer Kabelleitung.
Leider braucht man dafür zahlreiche Proben, die im Labor geprüft
werden müssen, was zum Beispiel
nur nach dem Auswechseln eines
Kabelabschnitts möglich ist. Daraus
kann auch auf den Zustand von
Leitungen derselben Generation
geschlossen werden.
AC/DC-Spannungsprüfung
Hier geht es darum, die Verbindung einer Spannung auszusetzen, die der 1.5- bis 3fachen
Betriebsspannung entspricht. Wird
diese Spannung während 15
Minuten gehalten ist anzunehmen,
dass sich die Kabelleitung noch
in einem verhältnismässig guten
Zustand befindet. Andernfalls
erfolgt ein Durchschlag, sodass
entweder eine Reparatur oder
ein sofortiges Auswechseln des
Kabelabschnitts erforderlich ist.
Depolarisationsströme
Es handelt sich um eine interessante Messung, bei der man den
Depolarisationsstrom in Funktion
der Zeit und des Ladestromes
misst. Ist die Abhängigkeit von
der Spannung linear, kann daraus
geschlossen werden, dass sich die
Isolation in gutem Zustand befindet. Ist dies nicht der Fall, ist die
Isolation teilweise angegriffen. Es
muss darauf hingewiesen werden,
dass man mit dieser Methode
noch zu wenig Erfahrung hat und
dass es viele Messungen braucht,
um daraus brauchbare Schlüsse
ziehen zu können.
Teilentladungen
Dies ist ohne Zweifel das Verfahren,
das die besten Auskünfte liefert,
da direkt die Folgen der Alterung
gemessen werden. Es muss darauf
hingewiesen werden, dass dieses
8
und Lebensdauer
Verfahren nur möglich ist, wenn
bereits beim Bau der Leitung Messungen durchgeführt wurden. Zudem ist
es äusserst empfindlich gegen zahlreiche äussere Störungen. In mehreren Labors laufende Entwicklungen
lassen hoffen, dass es bald möglich
sein wird, dieses Verfahren auf verhältnismässig zuverlässige Weise
im Feld anzuwenden. Die Arbeiten
zielen im Wesentlichen darauf ab
eine Technik zu entwickeln, um
die Störungen herauszufiltern, damit
nur noch das wirklich vom Kabel
oder Zubehör stammende Signal
zurückbleibt.
Von allen diesen Verfahren ist keines in der Lage, allein der Zustand
einer Isolation zu bestimmen. Durch
deren Kombination erhält man die
zuverlässigsten und sachdienlichsten Informationen.
3
Tabelle 2.
Diagnosetechnik für
Kunststoff-kabel
Zerstörende elektrische Prüfungen
Prüfung
Kommentar
AC-Durchschlagsfestigkeit
WeibullStatistik
Stossspannung
Vor Ort
Werte
Vorteile
Einschränkungen
≥ 10 kV/mm
Einfache Prüfung
Zahlreiche Proben
Einfache Prüfung
Zahlreiche Proben
Werte
Vorteile
Einschränkungen
Ja
1.5 – 3 U0,
15 min.
Einfache Prüfung
Gefahr der Zerstörung des
Kabels und von Schäden
Ja
Zu bestimmen
Ja
Zu bestimmen
U < UBetrieb
Speisung 50 Hz oder 0.1 Hz
Ja
Zu bestimmen
U < UBetrieb
Mangelnde Erfahrung
Ja
Zu bestimmen
Direkte Verbindung
zum Durchschlagsmechanismus
Quelle ohne Teilentladungen
Das Bild verfälschende
äussere Störungen
Nein
Nein
Zerstörungsfreie elektrische Prüfungen
Prüfung
Kommentar
AC/DC-Verhalten
50 Hz-oder 0.1Hz
Oszillierende Welle
Kapazität, tg δ
50 Hz-oder 0.1Hz
Depolarisationsströme
Teilentladungen
9
50 Hz-oder 0.1Hz
Vor Ort
Entsprechende Ausrüstung
erforderlich, Schäden möglich
Nichtelektrische Prüfungen an Materialproben
Prüfung
Kommentar
Vorteile
Einschränkungen
Morphologie
Thermoanalyse (DSC), SAXS usw.
Thermische Vergangenheit der Probe
Beziehung zur Alterung
wenig klar
Optische Mikroskopie
Länge und Typ der Baumstrukturen
Wichtige Information
Langwierige
Messungen
Chemische Analyse
Infrarot, UV usw.
Sehr empfindlich gegen
kleine Änderungen
Kostspielige Ausrüstung,
schwierige Interpretation
Visuelle Kontrolle
Eintauchen einer Kabelprobe
in Silikonöl auf 120°C
Beobachtung des
Zustandes des inneren
Halbleiters
Benötigt eine grosse Probe
(ca. 1 m), z.B. nach
einem Durchschlag
und Lebensdauer
MONITORING
3
Es wäre interessant, die Entwicklung
des Zustandes einer Verbindung laufend verfolgen und dadurch den
besten Moment für den Ersatz oder
eine Reparatur an der richtigen Stelle
mehr oder weniger genau planen
zu können. Dazu müssen mehrere
Bedingungen erfüllt sein :
1. Wie bei der Diagnose, die man
in einem bestimmten Moment
durchführt, muss eine elektrische,
physikalische oder chemische
Eigenschaft gefunden werden,
die sich mit dem Zustand der
Verbindung ändert.
2. Dieser Parameter muss einen
sicheren Hinweis auf den
Zustand des Systems liefern.
3. Der Schwellenwert muss bekannt
sein, ab welchem diese Eigenschaft eine wesentliche Verschlechterung des Systems oder
eine Gefahr für dieses anzeigt.
4. Diese Eigenschaft muss kontinuierlich messbar sein, und
wenn möglich ohne dass diese
Messung das System beeinflusst.
Für Ölkabel ist es möglich, periodisch eine Probe der Imprägnierflüssigkeit zu entnehmen und die im
oberen Abschnitt genannten Eigenschaften zu messen. Daraus erhält
man eine Information von einem
gewissen Wert, die jedoch nur für
den Ort der Entnahme gilt.
Für Kunststoffkabel ist das Problem
komplexer. Zahlreiche Versuche
wurden durchgeführt, insbesondere
durch die Messung der Temperatur
mithilfe einer Glasfaser. Diese kann
in den Kabelaufbau integriert (z.B.
in die Abschirmung, in den Leiter,
zwischen den Phasen eines dreipoligen Kabels), parallel zum Kabel
(z.B. im Moment der Verlegung mit
Klebeband an den Aussenmantel
geklebt) oder einfach neben dem
Kabel verlegt werden. Hierauf
kann man die Temperatur über die
gesamte Kabellänge kontinuierlich
messen.
Zieht man die Möglichkeit in Betracht,
in Funktion des Ortes, wo sich die
Glasfaser befindet, rechnerisch auf
die Temperatur des Leiters zu schliessen, ist es noch nicht möglich, irgendeine Information über den Zustand
der Isolation zu erhalten. Auf diese
Weise erhält man zwar Angaben
über die Dimensionierung der Leitung
und kann sogar allfällige überhitzte
Stellen feststellen, aber die Beziehung
zwischen der Temperatur und der
Alterung bleibt eine Unbekannte.
In relativ naher Zukunft wird es wahrscheinlich möglich sein, die Technik
der Messung der Teilentladungen
einzusetzen, um die Entwicklung des
Zustands einer Kabelverbindung laufend zu verfolgen. Dies ist bereits
heute mit Hilfe einer ziemlich einfachen Anpassung des Konzepts der
Verbindungsstellen und der Messung
der lokalen Teilentladungen an einer
bestimmten Stelle möglich. Gewisse
Elektrizitätsversorgungsunternehmen
verlangen übrigens eine solche
Konstruktion, die ihnen die Durchführung von periodischen Messungen
gestattet. Was eine kontinuierliche
Messung grosser Längen mit der
Ortung von eventuellen Fehlern
betrifft, haben die laufenden Entwicklungen bereits die Machbarkeit eines
solchen Systems gezeigt.
Hinsichtlich der anderen in der
Tabelle 2 aufgeführten Parameter ist
zu sagen, dass sie entweder nicht
genügend aussagekräftig sind (tg
d, Widerstand, Kapazität), oder
dass sie einfach vor Ort nicht messbar sind (Teilentladungskanäle und
Water Treeing). Man muss noch
einige Jahre zuwarten, bevor ein
System bestimmen kann, in welchem
Moment ein Kabel und/oder seine
Zubehöre ersetzt werden müssen.
10
und Lebensdauer
11
LEBENSDAUER DER KABEL MIT KUNSTSTOFFISOLATION
Die Frage, die jeder Netzbetreiber
beantworten können möchte, lautet:
„Wie gross ist die Restlebensdauer
dieses oder jenes Kabels ?“ Alle
Forschungsarbeiten auf dem Gebiet
der Diagnose oder des Monitoring
gehen in dieser Richtung. Es muss
jedoch gesagt werden, dass
es heute – genau wie für den
Menschen – weder ein Instrument
noch eine Technik gibt, um diese
Frage zu beantworten. Deshalb
müssen wir uns mit Approximationen begnügen, was wir in diesem Abschnitt anhand eines vereinfachten Modells versuchen werden,
welches das Durchschlagsrisiko
in Funktion der Zeit für zwischen
1970 und 2000 hergestellte Kunststoffkabel beschreibt.
3
Annahmen
1. Die erste Annahme ist, dass die
Lebensdauerkurve der Kabel
derselben Generation eine
Gausssche ist. Da unser Ziel
darin besteht, ein eher globales
Bild der Entwicklung der Dur
chschlagswahrscheinlichkeit in
Funktion der Zeit zu vermitteln,
genügt diese Annäherung.
homogener das Material ist.
Wenn hingegen das Material
sehr heterogen ist, findet eine
starke zeitliche Streuung der
Durchschläge statt, wobei einzelne Durchschläge bald und
andere erst nach vielen Betriebsjahren auftreten. Diese beiden
Faktoren sind in der nachstehenden Abbildung 4 dargestellt.
2. Die mit der Umgebung der
Kabelverbindung verbundenen
Beanspruchungen werden in
diesem Modell nicht berücksichtigt, was natürlich nicht richtig ist,
jedoch die allgemeinen Schlussfolgerungen nicht verfälscht.
Einfluss der Eigenschaften und
der Homogenität der Isolation
auf die Durchschlagswahrscheinlichkeit derselben Generation in Funktion der Zeit
Durchschlagswahrscheinlichtkeit
3. Die Lebensdauer der Kabel derselben Generation ist im Wesentlichen das Resultat von zwei
Parametern : den Eigenschaften
des Isoliermaterials und seine
Homogenität. Jeder dieser beiden Faktoren hat einen anderen
Einfluss auf die Lebensdauer des
Kabels. Einerseits ist die mittlere
Lebensdauer umso höher, je
besser die Eigenschaften der
Isolation sind, und umgekehrt.
Andererseits altern die Kabel
auf ähnliche Weise, wodurch
der Durchschlag innerhalb eines
engeren Zeitraumes eintritt, je
Abbildung 4.
%
2000
12
10
8
1970
6
1980
4
2
0
0
10
20
30
Zeit [Jahre]
40
50
60
und Lebensdauer
1980 wurden merkliche Fortschritte
erzielt, was die mittlere Lebensdauer
wesentlich erhöht hat. Demgegen-
über wurde das Material aufgrund von Lieferungen und/oder
Lieferanten von variabler Qualität
relativ heterogen mit dem Resultat
einer grösseren Streuung der Durchschlagskurve. Gewisse Produkte
konnten ausgezeichnet sein, andere sehr schlecht.
Schliesslich haben heute die
Forschungs- und Entwicklungsbemühungen zu Produkten mit
ausgezeichneten Eigenschaften
und gleichbleibender Herstellungsqualität geführt. Dadurch erhöhte
sich die Lebensdauer auf 50 oder
mehr Jahre. Da die Materialien sehr
homogen geworden sind, dürfte
die Alterung für alle Kabel ziemlich
gleich verlaufen, wodurch das Ende
der Lebensdauer innerhalb eines
relativ engen Zeitraumes eintritt.
Lebensdauer der Kabel seit 1970
10
9
8
7
6
5
4
3
2
15
20
25
30
35
Betriebsdauer [Jahre]
40
200
199 0
199 5
198 0
198 5
0
197
5
197
0
hr
10
45
sja
5
50
ng
1
0
55
llu
Änderung der Durchschlagswahrscheinlichkeit in Funktion
des Herstellungsjahres der
Kabel und der Betriebsdauer
gemäss dem oberen beschriebenen Modell.
11
te
Abbildung 5.
%
12
60
He
rs
Diese Annahmen ermöglichen uns
das Erstellen des in Abbildung
5 dargestellten Diagramms der
Änderung der Durchschlagswahrscheinlichkeit in Funktion der Zeit
und des Herstellungsjahres.
Durchschlagswahrscheinlichkeit
3
Man stellt fest, dass bei den 1970
hergestellten Kabeln die mittlere
Lebensdauer verhältnismässig kurz
war, da die Eigenschaften der
verwendeten Materialien ziemlich
gering waren. Man befand sich
noch in den Anfängen der Kunststoffisolation mit Halbleitern auf der
Basis von Graphit oder Umbändelungen. Der Mittelwert der
Gaussschen Kurve befindet sich im
Bereich von 15 Jahren. Die Streuung
(die Standardabweichung) ist sehr
klein, da das gesamte Material dieselben Schwächen aufwies. Es war
in dieser Beziehung somit relativ
homogen, oder sozusagen „überall
gleich schlecht".
12
und Lebensdauer
Gewiss kann man einwenden,
dieses Modell sei zu stark vereinfacht. Es hat jedoch vor allem den
Zweck zu zeigen, wie aufgrund
der nach 30 Jahren der Herstellung
und Anwendung von Kunststoffkabeln erworbenen Kenntnisse und
Erfahrungen die Lebensdauer dieser Kabel zusammengefasst wie
folgt variieren konnte :
●
70er Jahre :
verhältnismässig kurze
Lebensdauer
●
80er Jahre :
Dieser Ansatz und die Verbesserungen, die er noch erfahren
wird, dürfte es den Elektrizitätsversorgungsunternehmen ermöglichen, in Funktion des Beschaffungsjahres der Kabelverbindungen den Zeitraum zu ermitteln, in dem ihr vorbeugender
Ersatz in Betracht gezogen werden sollte, oder zumindest den
Zeitraum, in dem das Ausfallrisiko am höchsten ist. Es liegt an
den Betreibern zu entscheiden,
ob dieses Risiko tragbar ist oder
nicht.
grosse Streuung der
Lebensdauer
●
90er Jahre :
wesentliche Verlängerung der
Lebensdauer ; homogene
Qualität.
SCHLUSSWORT
Die Mechanismen, die hinter der
Alterung und Verschlechterung der
Kabelisolationen stehen, sind heute
ziemlich gut bekannt, und ebenso
die Techniken, um ihre Auswirkungen und Folgen zu reduzieren.
Leider gibt es jedoch noch keine
Methode, mit welcher der Zustand
eines in Betrieb stehenden Kabels
mit genügender Genauigkeit
bestimmt werden kann, ausser man
entnimmt Proben und analysiert sie
auf verschiedene Weise.
Überdies gibt es kein zuverlässiges
Mittel, um die zeitliche Entwicklung
einer Kabelverbindung zu verfolgen. Das Temperatur-Monitoring ist
äusserst schwierig zu interpretieren
und stösst sehr schnell an seine
Grenzen. Die mehr versprechende
Messung der Teilentladungen über
die gesamte Länge einer Kabelverbindung befindet sich noch in den
Anfängen. Es müssen noch Fortschritte gemacht werden, bevor sie
allgemein eingeführt werden kann.
Schliesslich kann man anhand
eines relativ einfachen mathematischen Modells zeigen, wie die
bei den Isolierstoffen und ihrer Verarbeitung gemachten Fortschritte
zu einer wesentlichen Verlängerung der Lebensdauer der Kabel
mit Kunststoffisolation beigetragen
haben.
13
3
Garniturentechnik
4
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
Garniturentechnik
3
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
EINLEITUNG
In den Netzen der Energieversorgungsunternehmen spielen Kabelanlagen eine wichtige technische
und wirtschaftliche Rolle bei der
Verteilung elektrischer Energie.
Zu einer Kabelanlage gehören die
Kabel selbst, die Erd-, Oberflächenund Montagearbeiten sowie die
Garnituren für den Anschluss- und
die Verbindung der Kabel.
Für einen langjährigen, zuverläs-
sigen Betrieb müssen alle Teile
einer Kabelanlage auf einem vergleichbaren hohen Qualitätsniveau
liegen. Aus diesem Grunde werden an die Garnituren hinsichtlich
Betriebssicherheit und Lebensdauer
die gleichen Anforderungen gestellt
wie an die Kabel.
4
LEITERVERBINDUNGEN
Die Leiterverbindungen dienen dem
Verbinden von Kabeladern, dem
Herstellen von Aderabzweigungen
sowie dem Anschluss der Kabeladern mit weiteren vor- oder nachgeschalte-ten Apparaten und Bauteilen.
Zusätzlich zum Nennstrom müssen alle Leiterverbindungen dem
vorgegebenen Kurzschlussstrom
standhalten. Die Bemessung der
Verbindung richtet sich also nach
den thermischen und mechanischen
Belastungen an der Kontaktstelle
unter Berücksichtigung des Nennund Kurzschlussstromes.
Als allgemeine Forderungen an eine
Leiterverbindung sind zu nennen :
●
geringer und konstanter ohmscher Widerstand, um Spannungsabfall sowie Erwärmung
so klein als möglich zu halten
●
ausreichende mechanische
Festigkeit in Erwartung der auftretenden Kurzschlusskräfte
●
falls erforderlich, gute Korrosionsbeständigkeit
●
gute
Alterungsbeständigkeit
auch nach Überlastungen und
KurzschIüssen
●
einfache und sichere Montage
●
Wartungsfreiheit.
Grundsätzlich ist zwischen zwei
Verbindungstechniken zu unterscheiden : lösbare und nicht lösbare Verbindungen.
Leiterverbindungen
Nicht Lösbar
Lösbar
Schraubhülsen
Schraubklemmen
Kompaktklemmen
Steckkontakte
Thermische
Verbindungsverfahren
Löten
Schweissen TIG / MIG
Alutherm–Verfahren
Mechanische
Verbindungsverfahren
Pressen
Bild 1.
Verschiedene zur Verfügung
stehende Verbindungsverfahren
Garniturentechnik
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
Lösbare Verbindungen
●
Kontaktwiderstand
●
Umlenkwiderstand (Stromflussverteilung an der Verbindungsstelle)
●
Eigenwiderstand (spez. Widerstand des Materials).
Je grösser die Kontaktkraft ist, umso
kleiner wird der Kontaktwiderstand
und damit die Verbindung qualitativ besser.
Bild 2.
Spannungsabfall in
Abhängigkeit von
der Kontaktkraft F
Spannungsabfall ∆U
4
Als Iösbare Verbindungen werden
im allgemeinen Schraubklemmen
im weitesten Sinne verwendet. Die
Verbindungsqualität wird durch den
elektrischen Widerstand bestimmt,
der sich wie folgt zusammensetzt :
Schlechte Klemmverbindung
Gute Klemmverbindung
Kontaktkraft F
Die technische Entwicklung im Nieder- und Mittelspannungszubehör
hat als Neuheit die Steckverbindung
gebracht. Es handelt sich um
eine mit Präzision zu bearbeitende Verbindung mit Kontaktstift und
Aussenhülse, in welche eine oder
mehrere Aussparungen für Kontakt-
Nicht lösbare Verbindungen
Bei nicht Iösbaren Verbindungen wie
Kabelschuhen, KabelhüIsen usw.,
werden zwei grundsätzliche Verbindungsverfahren unterschieden :
●
thermische Verfahren (Löten,
HartIöten, Schweissen)
●
mechanische Verfahren (Pressen,
Nutpressen, usw.)
lamellen aus Speziallegierungen
eingearbeitet sind.
Um ungewolltes Oeffnen zu vermeiden, ist eine äussere oder innere
Verriegelung unerlässlich. Diese ist
normalerweise mit einer Spannungskontrollmöglichkeit verbunden.
4
Garniturentechnik
Löten und schweissen mit Zinnlot
Sehr wenig verbreitet ist das Hartlöten der Kabelverbindungen aus
Gründen der erhöhten Verarbeitungstemperatur. Das Weichlöten
wird hingegen mit Löthülsen vielfach
auf Kupferleitern angewendet. Der
Verfestigungspunkt bei ca. 180 °C
erlaubt Kurzschlusstemperaturen
bis 160 °C. Sind mechanische
Beanspruchungen zu erwarten,
ist von einer Weichlötverbindung
abzusehen.
Es ist zu beachten, dass bei thermischen Verbindungen, Verarbeitungsund Qualitätsprobleme wie :
●
Korrosionsmöglichkeit an der
Verbindungsstelle
●
zu hohe Wärmezufuhr mit
Beschädigung der Leiterisolation
sowie AusgIühen des Kupferleiters (Einsatz grosser Hilfsmittel)
●
kein universeller Einsatz
●
die Sicherheit der Verbindung
hängt von der Geschicklichkeit
des Monteurs ab
●
Kontrolle durch Röntgenprüfungen.
dazu führen, dass sich Press- und
Nutpressverfahren immer mehr
gegenüber dem Schweissen und
Löten durchsetzen.
Die Presstechnik
Die Presstechnik kennt verschiedene
Arten der Pressung. Die am weitesten
verbereitete ist sicher die Sechskantpressung. Dieses Verfahren ist sowohl
bei Aluminium- und Kupferleitern,
sowie für Rund-, Sektor-, massive und
verseilte Leiter anwendbar.
Für Leiterquerschnitte bis 185 mm2
kann mit der Handpresse gearbeitet werden, für grössere Querschnitte ist eine hydraulische Presse
erforderlich.
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
Die Sechskantpressung gewährleistet eine symmetrische Uebertragung
der Presskräfte auf den gesamten
Leiter und damit eine vorzügliche
Stromübertragung.
5
Bild 3.
Anwendung der verschiedenen
Verformungsmöglichkeiten bei
Pressverbindungen
Sechskantpressung zum Verpressen von Cu-Rohrkabelschuhen und
Verbindern "Normalausführung", Rohrkabelschuhen für Schaltgeräteanschlüsse, Presskabelschuhen und Verbindern DIN 46235 /
DIN 46267, Al-Presskabelschuhen und Verbindern.
Anwendungsbereich : 6 - 1000 mm2
Dornpressung zum Verpressen von Cu-Rohrkabelschuhen und
Verbindern "Normalausführung", Rohrkabelschuhen für Schaltgeräteanschlüsse, Quetschkabelschuhen DIN 46234 und Stiftkabel- schuhen
DIN 46230, isolierten Quetschkabelschuhen, Rohrkabeischuhen für
feindrähtige Leiter, Nickel-Rohrkabelschuhen und Verbindern.
Anwendungsbereich : 0,75 - 400 mm2
Ovalpressung zum Verpressen von Doppelpresskabelschuhen,
C-Klemmen, isolierten Rohrkabelschuhen und Verbindern, isolierten
Stiftkabelschuhen, Pressverbindern DIN 48217, Preßendbunden,
isolierten Kabelverbindungen.
Kerbung zum Kerben von Cu-Rohrkabelschuhen und Verbindern
"Normalausführung", Rohrkabelschuhen für Schaltgeräteanschlüsse,
Rohrkabelschuhen für feindrähtige Leiter.
Dornpressung zum Verpressen von Cu-Rohrkabelschuhen und
Verbindern "Normalausführung", Rohrkabelschuhen für Schaltgeräteanschlüsse, Nickel-Rohrkabelschuhen und Verbindern.
Anwendungsbereich: 4 - 95 mm2
Trapezpressung zum Verpressen von Aderendhülsen und
Zwillingsaderendhülsen.
Anwendungsbereich : 0, 14-185 mm2
Dornpressung zum Verpressen von Aderendhülsen und
Vierkantpressung zum Verpressen von Aderendhülsen und
Rollpressung (Crimpung) zum Verpressen (Crimpen) von nicht isolierten
Flachsteckverbindungen und Aderendhülsen DIN 46228, Teil 2.
Rundpressung von Sektorleitern 90' und 120'.
Anwendungsbereich : 10 sm - 300 sm, 35 se - 300 se
Vierdornpressung zum Verpressen von Cu-Rohrkabelschuhen und
Verbindern "Normalausführung", Rohrkabelschuhen für Schaltgeräteanschlüsse, Presskabelschuhen und Verbindern DIN 46235 /
DIN 46267, Rohrkabelschuhen für feindrähtige Leiter, Al-Presskabelschuhen und Verbindern, Quetschkabelschuhen DIN 46234
und Stiftkabelschuhen.
Vierpunktpressung zum Verpressen von gedrehten Rundsteckern
und Steckbuchsen.
4
Garniturentechnik
jedes Presssystem ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leiterdurchmesser und lnnen- sowie
Aussendurchmesser der Presshülse
vor und nach der Pressung. Die
heutigen Presswerkzeuge sind so
konstruiert und ausgelegt, dass
der Verpressungsgrad automatisch
begrenzt ist und vom Montagepersonal nicht mehr beeinflusst werden
kann. Eine gute und regelmässige
Qualität der Pressverbindung ist
somit garantiert.
Übergangswiderstand Rü
Mechanische Haltekraft
4
Wie bei der Schraubverbindung ist
der Kontaktwiderstand das entscheidende Gütemerkmal einer Pressverbindung. Das folgende Bild zeigt
den Gesamtwiderstand (Klemmenwider-stand, in der Literatur auch
Uebergangswiderstand genannt),
sowie die mechanische Haltekraft
in Abhängigkeit der Presstiefe. Für
eine gegebene Presslänge existiert
ein optimales Feld für die Presstiefe,
bei dem ein hinreichend kleiner
Uebergangswiderstand bei unverminderter mechanischer Haltekraft
gewährleistet ist. So existiert für
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
Bild 4.
Uebergangswiderstand
und mechanische Haltekraft
einer Sechskantverbindung in
Abhängigkeit der Presstiefe
Mechanische
Haltekraft
günstiger
Pressbereich
Rü
Kontaktkraft F
Das Schweissverfahren
Das aluminothermische Schweissverfahren (auch Thermitschweissen
genannt) wird wie das TIG- und
MIG-Schweissen für Spezialfälle
in der Hochspannungstechnik angewendet.
Durch qualifiziertes und gutausgebildetes Personal sowie dem Kabel
angepassten Kühlsystemen, wird
die Leiterisolation vor Überhitzung
und Alterung geschützt. Als grosser Vorteil ist die equidiametrale Leiterverbindung hervorzuheben, welche die Feldführung bei
Muffen zwischen kunststoffisolier-
ten Kabeln wesentlich erleichtert.
In Anbetracht des Aufwandes ist
diese Montageart sehr beschränkt.
NEXANS SCHWEIZ hält für ihre
Kunden diverse Anschluss- und Verbindungselemente wie folgt bereit :
●
Schraub- und Presskabelschuhe
●
Schraub- und Pressanschluss
●
Einfach- und Kompaktschraubklemmen mit Isolation
●
Steckverbinder.
6
Garniturentechnik
7
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
POTENTIALVERHÄLTNISSE UND FELDSTEUERUNGSPRINZIPIEN
Die Führung des elektrischen Feldes
im Kabelzubehör hängt von der Feldführungsart im zugehörigen Kabel ab.
Alle Niederspannungskabel haben
ein offenes elektrisches Feld,
weIches die Leiterisolation durchdringt. Daher sind für das Niederspannungszubehör keine speziellen Massnahmen zu treffen.
Die Gürtelkabel mit Papierisolation
bis 10 kV haben ein gemeinsames elektrisches Feld über alle drei
Phasen mit einem gemeinsamen
Bleimantel. Die höhere Spannung
erfordert beim Kabelanschluss grössere Abstände zwischen den Pha-
sen und gegen Erde. Das Feld ist
nur indirekt geführt.
Alle weiteren Kabel für Mittelund Hochspannung (ab 3 kV für
kunststoffisolierte Kabel), sind mit
einem Höchstädterschutz versehen. Das elektrische Feld ist hier
durch zwei konzentrische Zylinder
aus Halbleitermaterial innerhalb
und ausserhalb der Leiterisolation
gleichmässig geführt.
4
Der Übergang auf ein offenes Feld
(Freileitung, offene Sammelschiene),
oder auf eine andersartige Feldform, erfordert dann eine korrekte
Feldführung beim Übergang.
Keine elektrische Feldsteuerung
In der Leiterisolation eines Kabels
mit Höchstädterschutz sind die Equipotentiallinien sehr regelmässig
verteilt. Am Ende des äusseren
Erdschirmes ergibt sich zwangsweise eine erhöhte Konzentration der
Feldstärke, welche ohne Gegenmassnahmen zu Teilentladungen
führt. Als Folge wird über kurz oder
lang ein Durchschlag erfolgen.
70%
60%
50%
Luft εr ~1
40%
30%
80%
20%
90%
10%
äussere
Leitschicht
geerdet
Isolation εr ~2,3
Leiterglättschicht
Leiter
Um diese Teilentladungen und damit
einen Ueber- oder Durchschlag zu
vermeiden, ist eine der folgenden
Massnahmen zu ergreifen :
●
Geometrische Feldsteuerung
●
Ohmsche (resistive) oder refraktive Feldsteuerung
●
Feldsteuerung mit zinkoxidbelag.
Bild 5.
Feldlinien am Ende der äusseren
Leitschicht ohne Feldsteuerung
Garniturentechnik
8
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
Geometrisch/kapazitive Feldsteuerung
4
Der äussere Erdschirm wird in
hyperbolischer Form mit progressiver Oeffnung verlängert. Dieser
Feldsteuertrichter muss der Kabelisolation angepasst sein und
metallisch oder halbleitend sein.
Als selbstverständlich wird jedoch
angenommen, dass im Inneren
des Feldsteuertrichters eine Vergussmasse oder ein Material mit ähnlicher Dielektrizitätskonstante wie die
der Leiterisolation verwendet wird.
Dies verhindert eine Brechung
der Equipotentiallinien beim
Übergang zwischen benachbarten Materialien.
50%
40%
Feldlinien am Ende
der äusseren Leitschicht bei geometrischkapazitiver
Feldsteuerung
30%
60%
Luft εr ~1
20%
70%
EPDM-Keule εr ~2,6
Bild 6.
10%
Feldsteuerungstrichter
80%
90%
äussere Leitschicht
geerdet
Isolation εr ~2,3
Leiterglättschicht
Leiter
Ohmsche (resistive) oder refraktive Feldsteuerung
Diese Art der Feldsteuerung wird
in der Mittelspannung für das
Schrumpfzubehör angewendet.
ger als üblich, wobei die Feldlinien
beim MateriaIübergang sehr stark
gebrochen werden.
Der äussere Erdschirm wird durch
ein hochohmiges (ohmsche Feldverteilung) oder refrakti-ves (kapazitive
Feldverteilung) Material verlängert.
Das elektrische Feld wird aus Gründen
der hohen Dielektrizitätskonstante
des gewählten Materials (Faktor 10
gegenüber der Leiterisolation) in die
Leiterisolation zurückgedrängt. Die
Endverschlüsse werden dadurch län-
Wegen der höheren Wärmeverluste (hohe Dielektrizitätskonstante)
ist diese Feldsteuerungsart auf die
Mittelspannung beschränkt.
Isolation εr ~2,3
Innen Leitschicht
60%
40%
Feldlinien am Ende
der äusseren Leitschicht bei ohmscher (resistiver)
oder refraktiver
Feldsteuerung
30%
Luft εr ~1
20%
10%
Kreichstromfester
Schlauch
εr ~2,5
50%
Bild 7.
70%
80%
90%
Äussere Leitschicht
Geerdet
Leiter
Garniturentechnik
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
9
Zinkoxidbelag
Die Zinkoxidfeldsteuerung ermöglicht die kontinuierliche Fertigung
der Produkte. Im unterschield zur
refraktiven Feldsteuerung wird der
Steuerbelag auf der gesamten Produktlänge aufgebracht was bei der
Herstellung vorteile bringen kann.
4
AUSFÜHRUNGSFORMEN VON MITTEL- UND NIEDERSPANNUNGS-KABELGARNITUREN
Montagetechniken
Eine vergleichende Übersicht sowie
Vor- und Nachteile von verschiedenen Montagetechniken zeigt die
nachfolgende Tabelle.
Technik
Vorteil
Nachteil
Aufschiebtechnik
fabrikfertige und geprüfte Garnitur,
Ähnliche
sofort einschaltbereit, kurze Montagezeit,
Querschnittsbereiche wie
geringes Montagerisiko, z.T. auch
Warmschrumpftechnik
universell anwendbar (Feldsteuerkörper)
Warmschrumpftechnik
universell anwendbar, sofort
Flamme erforderlich
einschaltbereit, kurze Montagezeit,
(Warmschrumpftechnik),
geringes Montagerisiko, gleiches
Güte der fertigen Garnitur
Bauteil für mehrere Querschnitte
stärker montageabhängig
verwendbar
als bei Aufschiebetechnik
(Warmschrumpfprozess)
Kaltschrumpftechnik
universell anwendbar, sofort einschalt-
Sortiment noch im Aufbau
bereit, kurze Montagezeit, geringes
(grosse Querschnitte)
Montagerisiko, gleiches Bauteil für
viele Querschnitte verwendbar
Wickeltechnik
universell anwendbar, sofort
geschultes Personal,
einschaltbereit, folgt Wärmedehung
relativ lange Montagezeit,
grosse Sorgfalt erforderlich
Garniturentechnik
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
Stand der Technik von Mittelspannungs-Garnituren
Endverschlüsse
4
Aufbau und Konstruktion der
Endverschlüsse sind abhängig von
der Spannung und der Art der
abzuschliessenden Kabel sowie
vom Einsatzort der Endverschlüsse.
Nach dem Einsatzort unterscheidet
man zwischen Freiluft- und Innenraumendverschlüssen. Aufgabe eines
Endverschlusses ist der feuchtigkeitsdichte Abschluss eines Kabels und
dessen elektrisch sicherer Anschluss
an ein Betriebsmittel.
gerechten ein- und dreiadrigen
Polymer Kabeln für Innenraumund Freiluftbetrieb möglich. Die
Steuerung der elektrischen Felder erfolgt mittels integriertem
Deflektor aus leitendem Silikonkautschuk. Die Feldsteuerung
erfolgt hier nach dem geometrisch-kapazitiven Prinzip.
An Freiluft-Endverschlüsse werden besondere Anforderungen
hinsichtlich der Witterungs- und
Umwelteinflüsse gestellt.
●
Aufschiebeendverschlüsse
Mit Aufschiebeendverschlüssen
liegen schon seit Anfang der
siebziger Jahre gute Erfahrungen in grossem Umfang vor.
Die Montage dieser fabrikgefertigten Garnituren aus Silikonkautschuk ist denkbar einfach.
Aufgrund der hohen Elastizität
ist der Einsatz auf allen norm-
●
Dank neuen Silikonmischungen
mit grösserer Dehnbarkeit können heute Aufschiebe-Endverschlüsse angeboten werden, bei
welchen ein Bauteil einen breiten
Querschnittsbereich abdeckt.
Warmschrumpfendverschlüss
Neben der weit verbreiteten
Aufschiebtechnik behaupten
sich seit vielen Jahren auch die
Warmschrumpfendverschlüsse,
bei deren Montage aufgeweitete Formteile mit einer offenen
Flamme erwärmt und auf das
Kabel aufgeschrumpft werden.
Durch eine Beschichtung der
Innenseiten der Formteile mit
heissschmelzendem
Kleber
wird die Grenzschicht zwischen Kabel und Schrumpfteil
abgedichtet und somit das
Eindringen von Feuchtigkeit
und Fremdstoffen verhindert.
Bild 9.
Warmschrumpf-EV
für Innen- und
Aussenmontage
Bild 8.
Aufschiebe-EV Typen AIN
und AFN für Innen- und
Aussenmontage
10
Garniturentechnik
●
11
Kaltschrumpfendverschlüss
Kaltschrumpfendverschlüsse
sind in entsprechender Bauform
für kunststoffisolierte Ein- und
Dreileiterkabel unter Innenraumund Freiluftbedingungen geeignet. Die Feldsteuerung wird so
gewählt, dass sie im Durchmesser wenig aufträgt. Statt
der kapazitiven Methode
– Abbau des elektrischen
Feldsteuertrichters – werden
hier Materialien mit speziellen elektrischen Eigenschaften
eingesetzt. Für die refraktive
bzw. resistive Methode kommen Elastomere mit sehr hoher
Dielektrizitätskonstante bzw. mit
nichtlinearen Widerstandsketten zum Einsatz.
Bei der Montage wird der
Endverschluss über das vorbereite Kabelende geschoben
positioniert und die Stützrohre
herausgezogen. Beim Schrumpfvorgang wird das vorgedehnte Material entspannt und
schrumpft mit bleibendem radialem Anpressdruck auf das
Kabel auf.
Steckanschlüsse
●
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
Einleitung
Kabelsteckteile, auch als
Steckendverschlüsse, Kabelstecker oder früher als
Anschlussstecker bezeichnet,
stellen eine Sonderform des
Endverschlusses in Aufschieboder Schrumpftechnik, kombiniert mit einer Steckverbindung
für den Anschluss eines Kabels
an eine Anlage oder ein
Gerät, dar. Aufgrund der starken Zunahme der Bedeutung
dieser unter Innenraum- und
Freiluftbedingungen einsetzbaren Kabelsteckteile werden sie
hier gesondert behandelt.
Bei Steckanschlüssen wird
das auf das Kabelende montierte Kabelsteckteil mit dem
Gegenstück, dem Geräteanschlussteil, verbunden, wobei
man je nach Herstellung der
Verbindung von steck- oder
schraubbaren Anschlüssen
spricht. Das Steckteil darf nicht
als Schaltelement betrachtet
werden, d.h. Herstellen und
Lösen der Verbindung sind nur
im strom- und spannungslosen
Zustand zulässig.
Unabhängig von den vielfältigen und weiter unten näher
erläuterten konstruktiven Ausführungen wurden – je nach
Lage des konusförmigen
Isolierkörpers im Geräteanschlussteil – grundsätzlich zwei
unterschiedliche Bauformen in
der Norm festgeschrieben.
Bild 10.
Kaltschrumpf-EV Typen ITK
und FTK für Innen- und
Aussenmontage
4
Garniturentechnik
●
12
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
Aussen- und Innenkonussystem
Geräteanschlussteil
Steckendverschluss
Bild 11.
Schematische
Darstellung von
Aussen- und
Innenkonussystem
4
AussenKonusSystem
(DIN 47 636)
InnenKonusSystem
(DIN 47 637)
●
Einsatz der Steckertechnik
in gekapselten Schaltanlagen
und bei Trafoanschlüssen
Seit Beginn der achtziger Jahre
werden in zunehmendem Mass
metallgekapselte Schaltanlagen
eingesetzt. Speziell das Isoliergas SF6 ermöglichte den Bau
sehr kompakter Anlagen, was
sich auch auf die Anschlusstechnik auswirkte und eine
rasche Weiterentwicklung der
Kabelsteckteile auslöste, da der
Einsatz herkömmlicher Endverschlüsse ohne zusätzliche Kapselung mit offenem Spannungspotential an den Kabelschuhen
aufgrund der geringen Polmittenabstände zu Problemen führte.
Zudem liessen sich so die Vorteile der gekapselten Anlagentechnik wie Berührungssicherheit,
Umweltunabhängigkeit und War-
tungsfreiheit nicht ausschöpfen.
Daher wuchs die Bedeutung der
Kabelsteckteile von der ursprünglichen Anwendung des berührungssichern Anschlusses von
Transformatoren schnell auf den
heute weit verbreiteten Einsatz in
gekapselten Schaltanlagen an.
Bild 12.
Anschluss von
an eine Schaltanlage
mittels Kabelsteckern
Garniturentechnik
●
13
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
Bauformen von
Steckendverschlüssen
Die Norm sieht folgende
Nennstromklassen und Kontaktsysteme für das weitverbreitete
Aussenkonussystem vor :
Bezeichnung
Nennstrom
Nennspannung
Kontaktsystem
Interface A
250 A
12 – 24 kV
Steckkontakt
Interface B
400 A
12 – 36 kV
Steckkontakt
Interface C
630 A*
12 – 36 kV
Schraubkontakt
Interface D
800 A
12 – 24 kV
Schraubkontakt
Interface E
1250 A
12 – 36 kV
Schraubkontakt
* Z.T. sind heute Produckte für Neuenstationen bis 1250 A erhältlich
Ein typischer Steckendverschluss
besteht aus folgenden Komponenten :
●
einteiliger Elastomer-Isolierkörper mit integrierten Steuerelektroden und dickwandiger, leitfähiger Aussenhaut
als Berührungsschutz
●
Kabeladapter
●
Pressanschlussbolzen
●
Schraub- oder Steckkontakt
●
Erdungs- und Abdichtmaterial
Die Montage erfolgt ähnlich
wie bei einem normalen vorfabrizierten Aufschiebeendverschluss und ist einfach und
rasch zu bewerkstelligen.
Die von NEXANS Schweiz
angeboten, berührungsicheren
Steckendverschlüsse ohne metallische Umhüllung, sowie deren
Einsatzmölichkeiten und Zubehöre sind aus den nachfolgenden Tabellen ersichtlich :
Bild 13.
Typischer
berührungsicherer
Steckendverschluss
mit dickwandiger
leitfähiger Aussenhaut als Berührungschutz
4
Garniturentechnik
Verbindungsmöglichkeiten Interface A
4
250 A
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
14
Garniturentechnik
Verbindungsmöglichkeiten Interface B
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
15
400 A
4
Garniturentechnik
Verbindungsmöglichkeiten Interface C
4
630 A
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
16
Garniturentechnik
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
17
Für besondere Anwendungen
können Steckendverschlüsse mit
Metallgehäuse zur Anwendung
kommen.
Bild 17.
4
Steckendverschlüsse
mit Metallgehäuse
Bauformen, Nennströme, Kontaktsysteme sowie verfügbares Zubehör wie bei den Steckendverschlüssen ohne Metallgehäuse.
●
Ueberspannungsableiter
Wo Anlagen mittels Überspannungsableitern geschützt werden sollen, sind Metall-OxidAbleiter in Steckerform wie
unten abgebildet erhältlich.
Bild 18.
Überspannugsableiter
in Steckerform mit dickwandiger, leitfähiger
Aussenhaut
Muffen
Aufbau und Konstruktion der Muffen
sind abhängig von der Spannung,
der Art der zu verbindenden Kabel
und der zu erwartenden Kurzschlusskräfte. Sie haben die Aufgabe, die Kabel elektrisch sicher
miteinander zu verbinden, mechanischen Schutz zu gewähren und die
Innenbauteile gegen Feuchtigkeits-
zutritt und Korrosion zu schützen.
Die Innenbauteile dienen der
Leiterverbindung und der Wiederherstellung der ursprünglichen
Kabelisolierung. Bei fabrikmässig vorgefertigten Ausführungen
sind Isolierung, Feldsteuerung
und Schutzhüllen oft zu Funktionseinheiten zusammengefasst.
Garniturentechnik
●
Aufschiebemuffen
Wie bei den Aufschiebe-EV liegen seit den Siebzigerjahren mit
vorgefertigten Aufschiebemuffen
gute Erfahrungen vor, allerdings
wird diese Technik heute zusehends durch die montagefreudlicheren kalt Schrumpfprodukte
konkurrenziert. Eine spezielle
Anwendung bietet die aufschiebbare Abzweigmuffe z.B. anstelle
einer Lasttrennschaltanlage.
4
Die aus einem elastischen Silikonkörper mit fest eingegossenen
kapazitiven Feldsteuerelementen
bestehende
Abzweigmuffe
wird in den Ausführungen für
10- und 20-kV-Kabel angebo-
Eine Interssante Alternative zur
Aufschiebe-Abzweigmuffe bietet
das modular aufgebaute Steckendverschluss-Sortiment. Durch Kombination verschiedener Steckendveeschlüssen und entsprechendem
Zubehör lassen sich Abzweigmuffen bauen die gegenüber einer
konventionellen Abzweigmuffe
wesentliche Vorteile aufweisen.
●
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
Einbau direkt im Erdreich, in
einem Muffenschacht oder in
einer Kabine
ten. Die Leiterverbindung ist in
Stecktechnik (unlösbarer Lamellenkontakt) ausgeführt. Nach
dem Aufpressen der Hülsen auf
die vorbereiteten Kabelenden
werden diese in die Steckeraufnahme eingeführt. Über
dem Muffenkörper werden die
Schirmdrähte mit einem CuGeflechtschlauch verbunden,
und der Korrosionsschutz wird
mit einem Schrumpfschlauch und
einer Abzweigklammer hergestellt. Die Muffe benötigt keine
Parkposition; eine 3 m lange
Muffengrube ist ausreichend;
die drei Leiter können an einer
Stelle abgezweigt werden.
Bild 19.
AufschiebeAbzweigmuffe
Typ ASAM
18
Garniturentechnik
●
Beherschen von Leiterquerschnitten bis 630 mm2, Nennspannungen bis 36 kV und Nennströmen
bis 1250 A
●
Bei einbau in einer Kabine oder
einem begehbaren Schacht sind
einzelne Kabel sehr einfach vom
intakten Netz zu trennen.
Abzweigmuffe mit
Steck-EV in Niederspannungskabine
eingebaut
Warmschrumpfmuffen
Wie bei den Endverschlüssen
wird die Warmschrumpftechnik auch bei den Muffen
mehr und mehr von der montagefreudlicheren Kaltschrumpftechnik konkurenziert. Noch
gibt es aber Anwendungsbereiche bei welchen die
Warmschrumpftechnik nach
wie
vor
ausgezeichnete
Lösungen bietet (grosse Querschnitte).
19
4
Bild 20.
Bild 21.
●
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
Bild 22.
Warmschrumpfmuffe
Garniturentechnik
●
4
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
Kaltschrumpfmuffen
Die Montage der Kaltschrumpfmuffen, bei denen Isolierkörper
mit integrierter refraktiver Feldsteuerung, Glättungselektrode
und äussere Abschirmung inkl.
Kupferstrumpf und Aussenmantel
eine Einheit bilden, erfolgt durch
Herausziehende
Stützrohre,
wobei sich das vorgedehnte
Material entspannt und mit einem
bleibenden radialen Anpressdruck
auf das Kabel aufschrumpft.
Bild 23.
KaltschrumpfVerbindungs- und
Übertragungsmuffen
Kaltschrumpfmuffen werden für
die Verbindung kunststoffisolierter Kabel eingesetz, und auch
als Übergangsmuffen für den
Übergang papierisolierter Kabel
auf Kunststoffkabel.
Stand der Technik von Niederspannungs-Garnituren
Endverschlüsse
Für Kunstoffkabel ist in Innenräumen
nicht zwingend ein Endverschluss
erforderlich.
Papierisolierte Kabel verlangen
stets Endverschlüsse, die druckfest
sein müssen, um die ölimprägnierte
Papierisolierung gegen Feuchtigkeit
zu schützen und bei Erwärmung
des Kabels einen Masseaustritt zu
verhindern. Heute sind Innenraumendverschlüsse im Niederspannungsbereich von untergeordneter
Bedeutung, da praktisch nur noch
Kunststoffkabel verwendet werden.
Bei Freiluftbetrieb sind Endverschlüsse grundsätzlich erforderlich,
um das Eindringen von Feuchtigkeit
zu verhindern.
Bei Niederspannungsendverschlüssen steht die Schrumpftechnik heute
im Vordergrund.
Bild 24.
NiederspannungsSchrumpfendverschluss
20
Garniturentechnik
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
21
Muffen
Im Bereich der Niederspannung
werden heute sehr oft Schrumpfmuffen aber auch Giessharzmuffen
mit Kunstoff- oder Gussgehäuse eingesetzt.
4
Bild 25.
NiederspannungsSchrumpfmuffe
Bild 26.
NiederspannungsAbzweigmuffe
mit Gussgehäuse
HOCHSPANNUNGS-GARNITUREN
Die umfassende Behandlung des
Gebietes der HochspannungsGarnituren würde den Rahmen des
vorliegenden Aufsatzes sprengen.
NEXANS Schweiz fertigt Hochspannungs-Garnituren für Polymer
– sowie für Oeldruck-Kabel bis
500 kV.
●
Cross-bonding Muffen
●
Uebergangsmuffen.
Einen umfassenderen Ueberblick
über die Hochspannungs-Garnituren vermittelt die Broschüre
"Garnituren für HochspannungsKunststoffkabel".
Das Sortiment umfasst u.a. folgende Garnituren :
●
Freiluft-Endverschlüsse
●
Innenraum-Endverschlüsse
●
Transformator-Endverschlüsse
●
GIS-Endverschlüsse
●
Verbindungsmuffen
●
Verbindungsmuffen mit Erdung
Bild 27.
Aussenendverschluss
für 400 kV mit
Kunststoffisolator
Garniturentechnik
22
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
DIVERSE GARNITUREN UND DIENSTLEISTUNGEN
Befestigungsmaterial
4
Kabelganituren sind immer zug- und
druckentlastet zu montieren. Es wird
daher empfohlen, 50 – 80 cm von
der Garnitur entfernt in jedem Falle
eine Befestigungsbride anzubringen. Es stehen für die verschiedenen
Anwendungsfälle Elastomerbriden
und Metallbriden aus Aluminium
mit oder ohne Gummieinlagen zur
Verfügung.
Für YT-Kabel wurden spezielle Brideneinlagen entwickelt.
Bild 28.
Befestigunsbride
aus Elastomer
Typ BCT
Bild 29.
Befestigungsbride
aus Kunststoll
Typ KOZ
Bild 30.
Brideneinlage Typ BE
für 3-Einleiterkabel
Auf in Rohrblöcken verlegte
Kabel übt der Strassenverkehr
oft Vibrationen aus, welche
zum Kriechen der Kabel führen,
was durch lastabhängige Kabeldehnungen noch verstärkt werden kann. Bei derartigen Fällen,
wird der Einsatz von breiteren
Befestigungsbriden oder kurzen
Verankerungsbriden mit oder ohne
Gummieinlage empfohlen .
Bild 31.
Verankerungsbride
Typ BAF
Garniturentechnik
23
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
Bei grösserem Gefälle sind Verankerungsbriden unerlässlich. Die
Haltekraft beträgt 80 – 100 kg
pro 100 mm Bridenlänge.
4
Bild 32.
Verankerungsbride
Typ BA
Spezielle Befestigungsprobleme
lösen NEXANS-Spezialisten gerne
in Zusammenarbeit mit den Kunden. Das Lieferprogramm von
NEXANS Kabel Schweiz unfasst
ferner sämtliches Erdungsmaterial,
sowie Überspannungsableiter für
den Betrieb von Kabeln mit isolierten Mantelenden.
Werkzeuge
Eine zuverlässige, rationelle Garniturenmontage beginnt mit der Wahl
des richtiges Werkzeuges. Alcatel
Kabel Schweiz bietet seinen Kunden ein europaweit bewährtes
Werkezugsortiment an, welches
von Kabelspezialisten entwickelt
und über Jahre im praktischen
Einsatz zur Reife gebracht wurde.
Es deckt die gesamte Palette der
Energie-, Telecom- und Glasfasertechnik ab. Als Grundsatz gilt das
Arbeiten ohne Messer. Eine multifunktionale Abmantelzange erlaubt
die Ausführung des :
●
Längsschnittes
●
Rundschnittes
●
Mantelabziehens.
Dies gilt für alle Kabel- und Schichtdicken jeweils mit durchmesserangepassten Zangen.
Für Mittelspannungskabel werden
kombinierte Werkzeugkoffer mit
Abmantelzange, Halbleiterschälgerät, Abisoliergerät und Konusschneider angeboten.
Bild 33.
Alroc – werkzeug
Garniturentechnik
Dienstleistungen
Im Zusammenhang mit der Lieferung von Kabelgarnituren bietet
NEXANS Schweiz folgende Dienstleistung an :
4
●
Beratung des Kunden bei der
Wahl von Kabelgarnituren
●
Technische Schulung des Kundenpersonals anlässlich von
Betriebsleiterkursen, Monteurkursen etc…
●
Kundenschulung vor Ort
●
Montage von Kabelgarnituren durch Spezialisten von
NEXANS Schweiz
●
Fehlerlokalisation und Fehlerbehebung im Störungsfall
●
Pikettdienst
hotline 24h/24h
Tel. 032/727.50.20
Peter Bracher
Werner Jenni
Jean-Paul Ryser
24
Montageabteilung
5
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
Montageabteilung
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
3
DIENSTLEISTUNGEN
Für unsere Kunden sowie unsere internen Stellen sind wir Ansprechpartner
für die praktische Ausführung der
Montagearbeiten.
Unsere Dienstleistung für Kunden
●
Technische Auskünfte über Verlegung und Montage
●
Koordination von Montagepersonal, Maschinen, Kabel auf
Baustelle
●
Organisation und Überwachung
von Baustellen
●
Unterbreiten von Lösungsvorschlägen bei schwierigen Kabel-verlege Projekten
●
Abrechnungswesen
●
Einsatz bei Störfällen
●
Ausbildung und Schulung in unseren Mittelspannungskursen.
Unsere Dienstleistung für interne Stellen
●
Das erstellen von Offerten, für
Kabelverlegung und Montagen
●
Die technische Unterstützung für
Ausführungen
●
Die Koordination von pünktlichen
Auslieferungen der Kabel und
Zubehören
●
Die Organisation von notwendigen Geräten, Maschinen und
Werkzeugen für Montagepersonal auf den Baustellen
●
Die Einteilung von Montagepersonal auf Baustellen.
Montagepersonal
Wir betreuen mit unserem Montagepersonal pro Jahr etwa 300
Baustellen. Durch die heute kurzfristig terminierten Aufträge und
deren Vielfalt an zu verarbeitenden Zubehören, sowie dem
Trend, zu immer weniger Personal,
sind unsre Monteure Bivalent ausgebildet.
Unser Montagepersonal verlegt
jeden Kabeltyp
●
Vom Lichtwellenleiter – bis hin zum
420 kV Hochspannungskabel im
Unterland sowie Hochgebirge
oder See
●
In Auto- und Bahntunnel sowie in
Kabel- Wasserstollen.
5
Montageabteilung
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
Unser Montagepersonal montiert
●
Muffen- und Endverschlusszubehöre in der Niederspannungsbis zur 420 kV Hochspannungsebene.
Unser Montagepersonal repariert
und saniert
5
●
Oel-, Gas-, Masse-, Kunstoffkabel- Anlagen und deren
Zubehöre.
TRANSPORT
Die Kabel und Zubehöre werden auf dem Land-, Wasser- oder
Luftweg Auf die Baustellen transportiert.
Mit Zug
Mit Lastwagen
Mit Schiff
Mit Helikopter
4
Montageabteilung
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
5
MONTAGEN
Anspruchsvolle Montagen benötigen gutes Equipment.
Kabelwagen mit einem Fassungsvermögen
der Kabeltrommeln bis zu 3.8 m Durchmesser
5
Kabelwagen :
Typ Rochat,
Fassungsvermögen
Kabeltrommel
max. 3.8 m Durchmesser
Kabelwagen :
Typ Isar,
Fassungsvermögen
Kabeltrommel
max. 3.4 m Durchmesseer
Verlegebock :
Fassungsvermögen von
3 Kabeltrommeln
max. 3.0 m Durchmesser
Montageabteilung
Zugmaschinen mit bis zu einer Zugkraft von 2t - 6 t
Winde 5t :
Zugseillänge individuell einsetzbar
durch wechseln der Seiltrommeln.
5
Winde 4t :
Zugseillänge beschränkt, Seiltrommel
nicht auswechselbar.
KABELVERLEGUNG
Die meist verlegten Kabeltypen
XKDT
XDALUT
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
6
Montageabteilung
7
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
XKDT – Y
XKDT – YT
5
XKDT – FT
BERECHNUNG DER AUFTRETENDEN ZUGKRÄFTE
F = G•L•μ
Wobei-:
F
:
Endzug
[ daN ]
G
:
Kabelgewicht
[ kg/m ]
L
:
Trasselänge
[m]
μ
:
Reibungskoeffizient
Reibungskoeffizient
Einzug
µ
auf Verlegerollen
0,15 – 0,30
in Zementrohr
0,25 – 0,40
in Kunststoffrohr
– mit Spezialfett
0,15 – 0,25
– mit Wasser
0,15 – 0,30
– mit Wasser und Spezialfett
0,10 – 0,20
Montageabteilung
8
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
ZULÄSSIGE ZUGKRAFT AM LEITER
Wobei-:
5
Fadm : zulässige Zugkraft
[ daN ]
A:
totaler Querschnitt
der Leiter
[ mm2 ]
∂adm :
zulässige
Zugbeanspruchung
[ daN / mm2 ]
Fadm = A • ∂adm
Zulässige Zugbeanspruchung
∂adm
Kabel
Kupferkabel Einleiter
6 kg/mm2
Kupferkabel Dreileiter
4 kg/mm2
ZULÄSSIGE ZUGKRAFT AUF EINER ARMIERUNG
Zugschlaufe fest verpresst mit der
Kabelzugarmierung.
Fadm = X • D
wobei :
Fadm : zulässige Zugkraft
[ daN ]
D:
X:
Durchmesser über
der Armierung
[ mm ]
Faktor für Armierung
Faktor X für Armierung
Armierung
Durchmesser
X
einfache
< 35 mm
20
einfache
> 35 mm
30
doppelte
FF oder RR
40
Montageabteilung
9
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
MINIMALE KRÜMMUNGSRADIEN VON KABELN
Die in nachstehender Tabelle angegebenen Koeffizienten sind mit dem
äusseren Kabeldurchmesser zu multiplizieren.
Kabeltyp
Bei Verlegung
Bei Montage
5
Schwachstrom
armiert
unarmiert
armiert
unarmiert
Paierisolation
15
10
12
7.5
Kunstoffisolation
12
8
10
7.5
Erd + Luftkabel
20
20
15
15
Freileitungs – Erdseil
25
25
20
20
Lichtwellenleiter
Kabeltyp
Bei Verlegung
Bei Montage
Niederspannung
Einleiter
Mehrleiter
Einleiter
Mehrleiter
Papierisolation
15
12
10
7.5
Kunstoffisolation TT, X
12
10
10
7.5
EPR
10
8
10
7.5
Papierisolation
20
15
12.5
10
Oel,- Gaskabel
20
20
12.5
10
U < 30 kV
15
12
12.5
10
U > 30 kV
20
20
15
10
U < 30 kV
10
10
10
7.5
U > 30 kV
20
20
15
10
Hochspannung
XLPE
EPR
Äusserer Kabeldurchmesser x Koeffizient = Min. Krümmungsradius
Montageabteilung
10
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
ÜBERTRAGUNG DER LEITERZUGKRÄFTE AUF DEN MANTEL
Die Zugbeanspruchung auf den
Leiter ist gegeben durch die Summe
der Reibungskräfte der Kabelelemente gegen das Schutzrohr.
5
Bei einem grossquerschnittigen
Kabel, z. B. 1 x 400 mm2, 20 kV,
Typ XKDT, mit einem Gewicht von
ca. 5 kg pro Laufmeter, wiegt das
Phasenbündel 15 kg/m.
Während des Einzuges sind zwei
Phasen mit dem Rohr in Kontakt.
Die Erfahrung zeigt, dass der
Reibungskoeffizient µ unter oder
gleich 0,15 liegt.
Die Reibungsbeanspruchungen
erreichen somit pro Meter und
Kabel :
ΔF = P•μ
(kg/m-1)
P = Kabelgewicht pro Längeneinheit
μ = Reibungskoeffizient = 0,15
Δ F = 15- • µ = 2,25 daN/m
L
F1
Kabelaussenseite
F
F1 = F2 + F
Leiter
PE – Rohr
120
Kabel
Beispiel-
3P
= P1
2 cos α
Kabel 1 x 400 mm2 XKDT
P = 5,0 kg/m
P1
O
/ = ~40 mm
~
P1 =
2
3•5
= 9,74 kg
cos 40°
•
Δ F = 9,74
•
~ 1,5 daN/m
µ =
α ~= 40°
α
Montageabteilung
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
11
Bei gebündelten Kabeln in Typ
XKT/GKT-Y oder -YT kann auf kurzen Strecken nur eine Phase in
Kontakt mit dem Schutzrohr sein,
d. h. dass in diesem Falle die
Reibungskraft einen höheren Wert
erreichen kann.
In beiden Fällen liegen diese Kräfte
weit unter denen einer manuellen
Verlegung.
P
5
ANPRESSKRÄFTE
Die Anpresskraft bei einem geradlinigen Einzug ist natürlich vernachlässigbar, weil sie sich nur auf das
Kabelgewicht selbst beschränkt.
Diese Kräfte werden gegeben durch
die Formel :
Bei Kurven unter starkem Zug können
diese Kräfte ansteigen, ohne jedoch
gefährliche Werte zu erreichen, insofern die Verlegevorschriften eingehalten werden.
Bei Verlegung von Einleiterkabeln
teilt sich die Anpresskraft auf zwei
Phasen auf.
Z0 =
F • Sin-β
r•π• β
360
Z0 :
Andruckkraft (daN/m)
Z :
Andruckkraft (daN/m)
F :
Zugkraft (daN)
r
:
Biegeradius (m)
β
:
Kurvenwinkel (°)
Beispiel
20kV 3 x (1 x 240 mm2) : XKDT
Max. zulässige Zugkraft :
3 x 240 x 6 = 4320 daN
Kurvenwinkel : 90°
Radius : 4 m
4320 • 1
Z0 =
= 1375 daN/m
4 π • 0,25
Z =
1375
~ 890 daN/m
=
cos α • 2
Z
Z0
Z0
2
α
Z
Montageabteilung
Bei Verlegung von verdrillten Kabeln
wird teilweise nur eine Phase in
Kontakt mit dem Rohr sein.
12
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
Beispiel20kV 3 x (1 x 240 mm2) : XKDT-Y ou YT
Max. zulässige Zugkraft :
2 x 240 x 6 = 2880 daN
Kurvenwinkel : 90°
Radius : 4 m
5
Dieser Wert scheint hoch zu sein,
muss aber relativiert werden: er entspricht in etwa der Beanspruchung,
wenn eine Person auf ein Kabel tritt,
was natürlich nicht gefährlich ist.
Z = Z0 =
2880
= 920 daN/m
4 π • 0,25
Alle möglicherweise vorkommenden
Beanspruchungen wurden im Labor
reproduziert, aber mindestens mit
dem Faktor 2 multipliziert. Langzeitversuche unter Spannung zeigen klar
und deutlich, dass derartige Beanspruchungen keinerlei Einfluss auf die
Kabellebenserwartung haben.
VERLEGUNG MIT HÖHENUNTERSCHIED
Verlegung immer von oben nach
unten.
Z0 = Z
Montageabteilung
13
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
VERLEGUNG MIT HINDERNISSEN
Hindernisse am Anfang des
Kabelzuges.
5
UMLENK- UND SCHLAUFSCHÄCHTE
R min.
R min.
R min.
2 x R min.
4 x R min.
3 x R min.
R min.
R min.
2 x R min.
R min.
R min.
R min.
R min.
R min.
Montageabteilung
14
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
MAXIMUM VERLEGELÄNGE AUF GRUND DER ZUGBELASTUNG
Maximum Verlegelänge für Einleiterkabel
5
Zulässige
Längen
[ mm2 ]
[ mm2 ]
[ mm2 ]
[ mm2 ]
95
150
240
300
Gerade Trassen
oder mit
Kurven r > 15 m
~ 1600
1900
2100
2250 m
Trassen mit
1-–-2 90°-Kurven
r-=-4-m
~ 1300
1500
1700
1850 m
Trassen mit
3 - 4 90° Kurven
r=4m
~ 800
900
950
1100 m
[ mm2 ]
[ mm2 ]
[ mm2 ]
95
150
240
Gerade Trassen
oder mit
Kurven r > 15 m
1000
1150
1250
Trassen mit
1– 2 90° Kurven
r=4m
750
900
1000
Trassen mit
3 - 4 90° Kurven
r=4m
500
570
650
Maximum Verlegelänge für verseilte Kabel
Zulässige
Längen
Montageabteilung
15
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
ROHRANLAGEN
Die kleine Bibel der Rohrführung
Folgende Punkte können die Kabelverlegung vereinfachen-:
●
Für Lange und komplizierte
Rohrtrasse, Schlauf- oder Kontrollschächte vorsehen
●
Flexrohre nur in kurzen und einfachen Rohrtrasse einsetzen,
wo keine grossen Zugkräfte zu
erwarten sind
●
Wenn immer möglich Richtungsänderungen mit Rohr vorsehen
●
Vorfabrizierte Bogen mit minimal
Radien von 2 m einsetzen und
diese Einbetonieren
●
Keine Absatzkanten vom Übergang auf kleinere Rohrdimensionen im Innenlicht
●
Beim platzieren von Zug-,
Schlauf- oder Muffenschächten,
Zugänglichkeit von Maschinen
und Material berücksichtigen.
Die Lichte Weite des Rohres wird
vom Kabel bestimmt; sie soll etwa
1,5 bis 2 mal so gross wie der
Kabeldurchmesser sein. Falsch ist es
zu glauben, dass ein überdimensionierter Rohrdurchmesser vorteilhafter ist. Dies liegt zum einen darin
begründet, dass die mechanische
Widerstandsfähigkeit mit wachsendem Durchmesser schnell abnimmt
und zum anderen, dass Kabel in
Kurven in einem Rohr mit kabelnahem Durchmesser besser gestützt
werden.
5
Rohrdurchmesser
Bei Verlegung von Einleitern oder
von Einleiter gebündelten Kabeln in
einem Rohr werden normalerweise
die Kabel am Ende des Rohrs
angebridet.
Durch die in Betrieb Temperaturänderungen hervorgerufenen Verluste,
werden sich die Kabel verlängern.
Das heisst, dass sich die Kabel von
einer geradlinigen Verlegung im kalten Zustand zu einer wellenförmigen Anordnung im warmen Zustand
umwandeln werden. Die dadurch
erreichte Kabelzusatzlänge muss der
Verlängerung der Kabel entsprechen.
Die Wellenform ist abhängig von der
Kabelsteiffigkeit, d. h. Von der Kabelkonstruktion. Die Zusatzlänge hängt
selbstverständlich vom Rohrdurchmesser ab.
Mehrere Versuche mit verschiedenen
Rohrdurchmessern und Kabeltypen
wurden in unserem Werk durchgeführt.
kalter Zustand
warmer Zustand
max. Ausdehnung
Montageabteilung
16
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
Ergebnisse
Erreichter Temperaturanstieg, um
die max. Ausdehnung zu erreichen,
bezogen auf Kabel mit 95 mm2
Querschnitt.
Rohrdurchmesser [ mm ] *
5
XKDT-T
XKDT
XKDT-YT
3 x 1 x 95
3 x ( 1 x 95 )
3 x 1 x 95
100
123
150
60°C
70°C
80°C
105°C
125°C
—
85°C
105°C
125°C
* = Innenmass
Die max. zulässige Leitertemperatur
wird mit 90 °C eingesetzt, die
entsprechende Temperaturerhöhung
erreicht damit ca. 80 °C.
Die Versuche wurden mit anderen
Querschnitten ergänzt. Die Resultate ergeben folgenden minimalen
Rohrdurchmesser-:
Querschnitte [ mm2 ]
Kabeltyp
Selbstverständlich können kleinere
Rohre verwendet werden, wenn die
Ausdehnungsmöglichkeit ausserhalb
des Rohres gewährleistet ist.
95
150
240
XKDT-T
150 mm
150 mm
200 mm
XKDT
100 mm
100 mm
120 mm
XKDT-YT
100 mm
120 mm
150 mm
Montageabteilung
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
17
AUSFÜHRUNGEN
BKW FMB Energie AG Spiez
Seeverbindung Beatenbucht Leissingen, im Jahre 2000 ausgeführt.
Kabeltyp
3 x 150 mm2 XCLALALUWT-FFJ 20 kV
Übertragene Leistung
10 MVA
Kabellänge
4860 m
Kabeldurchmesser
91,5 mm
Kabelgewicht
14,1 kg / m
Abmessungen der Bobine-
Ø 3800 mm x 4642 mm
Gewicht Kabel + Bobine
73130 kg
5
Montageabteilung
Kabelaufbau
●
3 Phasen, XLPE-isoliert, mit CLal
Abschirmung versehen, verseilt
●
Nahtlos extrudierter Aluminiummantel
●
PE-Zwischenmantel
●
Doppel-Armierung aus verzinkten Flachstahldrähten.
5
Warum NEXANS
●
Fabrikation des Kabels in einer
Länge
●
Nahtlos extrudierter Aluminiummantel, Druckbeständig
●
Zahlreiche Referenzen in der
Transport
●
Auf der Strasse bis nach Thun
mit begleitetem Sondertransport
●
In Thun wurde das Kabel auf
den Seetransport umgespult.
Verlegung
●
Das
See-Transportmittel
bestand aus zwei gekoppelten Sandbarken, mittels zwei
Motorbooten gestossen
●
Führung auf dem Trassee mittels GPS
●
An jedem Ufer ist das Kabels
auf 150 m mit einem PERohr geschützt, liegt aber sonst
direkt auf dem Seeboden.
Realisierung von Seeverbindungen.
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
18
Montageabteilung
19
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
UW Leissigen
1.1
2.1
1.1
TS Beatenbucht
1.3
1.1
1.3
1.3
2.1
FF - Armierung
für das ingetauchte Kabel
0.1
1.2
1.2
5
0.3
Thuner See
Cu-Schirm mit
Al-Mantel und FF-Armierung
verbunden und geerdet
Cu-Schirm mit
Al-Mantel und FF-Armierung
verbunden und geerdet
0.2
Leissigen
100
1000
1 Verankerungsbride
4500
Muffe
Leissigen
2 Verankerungsbride
100
1000
1 Verankerungsbride
Muffe
4500
Plan
2 Verankerungsbride
A
A
Plan
Schnitt A – A
A
HPE 150
Longueur totale = 150 m
500
Ausgrabung bis
zu 5m Tiefe
1000
Bis 15m Tiefe
zement Säcke bis
zu 10m Tiefe
HPE 150
Longueur totale = 150 m
Bis 15m Tiefe
zement Säcke bis
zu 10m Tiefe
Ausgrabung bis
zu 5m Tiefe
Schnitt A – A
1000
1000
500
1000
A
Montageabteilung
20
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
Die Services Industriels de Genève
Installation von 132-kVUnterwasserkabeln
Situation
5
Die 130-kV-Leitung Foretaille–Chêne
der Services Industriels de Genève,
Abteilung Elektrizitätsversorgung, ist
Bestandteil einer HochspannungsVersorgungsrings rund um Genf.
Diese Verbindung mit einer Gesamtlänge von rund 9,5 km besteht über
die gesamte Strecke aus Gasinnendruckkabeln und umfasst einen etwa
3,2 km langen Abschnitt quer durch
den Genfersee zwischen dem Hafen
von La Belotte und dem Strand von
Le Vengeron. Auf beiden Seiten vom
See befinden sich Muffenschächte
unterhalb des Wasserspiegels, in
der die Verbindungen zwischen den
im Boden verlegten Kabeln und
den Unterwasserkabeln hergestellt
werden.
3150 m
maximaler Seehöhe
~40 m
Le Vengeron
La Belotte
Alte Anlage
Der Unterwasserabschnitt wurde
1971 mit 132-kV-Gaskabeln mit
Kupferleitern von 300 mm2, Isolation
aus vorimprägniertem Papier und
Stickstoff unter einem Druck von mindestens 10 bar, Bleimantel, Druckschutzbandage aus Bronzebändern,
Polyethylen-Schutzhülle und Bewehrung aus Aluman-Flachdrähten erstellt
(dieser Aufbau erwies sich innerhalb
des bei den Kabelwerken erhältlichen HS-Kabelsortimentes im damaligen Produktionsstadium für diese
Spannung als für diese Anlage am
geeignetsten).
Kabeltyp
1 x 300 mm2 Curm PIGPBT-FF 132 kV
Aussendurchmesser
65 mm
Gewicht
11,2 kg / m
Die Verlegung erfolgte durch
Abrollen der Kabel von einer
schwimmenden Plattform aus direkt
auf den Seegrund. Vier Kabel
wurden installiert (drei Phasen und
ein Reservekabel), jedes an einem
Stück 3180 m lang.
Montageabteilung
21
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
Infolge einer mechanischen Beschädigung im November 1999 trat an
einer der Phasen des Unterwasserabschnitts ein grosser Gasverlust auf.
Da eine Unterwasser-Reparatur nicht
möglich war und das Reservekabel
auch beschädigt worden war, musste eine Erneuerung dieses Abschnitts
projektiert werden.
5
Neue Anlage
Nach einem Vergleich der verschiedenen in Betracht kommenden
Lösungen (Ersatz der drei Phasen
oder eines einzigen Kabels, eventuelle Reserve usw.) fiel die Wahl
auf drei neue Unterwasserkabel
mit Kunststoffisolation, die mit Hilfe
von speziell für diese Anlage herzustellenden Übergangsmuffen
[Kunststoffkabel → Gasdruckkabel]
mit den bestehenden (und dort
bleibenden) Kabeln der Untergrundstrecken verbunden wurden. Diese
Verbindungen wurden am gleichen
Ort wie die alten Verbindungen in
den bestehenden Muffenschächten
hergestellt.
Das Verlegen der Kabel erfolgte
durch Einziehen in einen vorher auf
den Seegrund abgesenkten Unterwasser-Rohrleitungsstrang (Rohre
aus HDPE).
Das Trassee der neuen Kabel entsprach praktisch demjenigen der
alten Kabel, jedoch mit einem wesentlich kleineren seitlichen Abstand, da
die Verlegung in Rohren eine bedeutende Reduktion des Achsabstandes
der Kabel gestattet (27 cm anstelle
der durch die Verlegung der früheren Kabel direkt auf dem Seegrund
geforderten 12 bis 15 m).
Insgesamt fünf Rohre vom Ø 140
mm wurden dem 3200 m langen
Unterwasser-Trassee entlang installiert, wovon drei für die neuen
132-kV-Kabel (ein Kabel pro Rohr),
ein Rohr zum Einziehen von drei
einpoligen 20-kV-Kabeln und einem
Rohr zum späteren Einziehen von
Lichtleiterkabeln.
F.O.
1, 2, 3
132 kV
R
27cm
S
27cm
18 kV
T
27cm
RST
27cm
Die neuen 132-kV-Kabel weisen eine
Isolation aus vernetztem Polyethylen
und einen glatten extrudierten Aluminiummantel auf und sind mit einer
Längsabdichtung gegen die Wasserausbreitung (Leiter und Abschirmung)
und einem Polyethylen-Aussenmantel
versehen. Die Kupferleiter haben
einen Querschnitt von 300 mm2.
Kabeltyp
1 x 300 mm2 Curm XDAluT 132 kV
Aussendurchmesser
74 mm
Gewicht
7,3 kg / m
Montageabteilung
22
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
Kabeltyp : XDAluT 1 x 300 mm 2
1
5
Dicke
[ mm ]
Durchmesser
[ mm ]
1
Leiter
0.0
20.90
2
Innerer Halbleiter
1.20
23.30
3
Isolation
15.10
54.20
4
Äusserer Halbleiter
1.00
56.20
5
Quellband
1.40
59.00
6
Glatter Aluminiummantel
3.20
65.40
7
Korrosionsschutz
0.10
65.60
8
Aussenmantel
4.00
73.60
Gewicht : ~12.33 kg/m
Arbeiten
Die fünf Rohre wurden zu einer
horizontalen Lage zusammengesetzt
und stumpfgeschweisst, und alle 6
m wurde ein Ballast aus Stahlguss
(Gewicht je 70 kg) mit Briden aus
nichtrostendem Stahl befestigt. Dann
wurden die Rohre mit Wasser gefüllt
und auf den Seegrund versenkt.
Zwischenbauplatz: Aus Termin- und
Platzgründen wurden die Schweissarbeiten an den (in Längen von
25 m gelieferten) Rohren sowie
die Befestigung des Ballasts in der
Gegend von Le Bouveret ausgeführt, einem Ort, der relativ weit
vom Verlegungsort entfernt ist. Man
brauchte einen Platz auf festem
Grund, wo die Rohre zu grossen
Längen zusammengesetzt und dann
auf dem Wasser schwimmend
gelagert werden konnten. Der Rohrleitungsstrang mit einer Länge von
3200 m wurde so in 8 Teilstücken
von je 400 m vormontiert.
Anschliessend wurden die 8 Teilstücke zusammen als 400 m langes
und 12 m breites "Floss" (Gesamtgewicht etwa 95 t) mit Kähnen von
Le Bouveret nach Genf geschleppt
und am Ufer entlang dem Quai von
Cologny zwischengelagert.
Dort begannen dann die Arbeiten
für die Verlegung der Rohre an
ihrem definitiven Standort. Die 8
Teilstücke von 400 m wurden einzeln über den See in Richtung
Le Vengeron gezogen und miteinander verbunden, mit Wasser
gefüllt (Flanschverbindunge) auf
den Seegrund versenkt, um schliesslich die Verbindungskammern an
beiden Ufern an einem Stück miteinander zu verbinden.
In der Zwischenzeit erfolgte im
Werk die Herstellung der drei
Längen von je 3200 m des 132-kVKabels, sowie die Vorbereitung der
2
3
4
5
6
7
8
Montageabteilung
Teile für die 6 Spezialverbindungen.
Das Einziehen der Kabel in die Rohre
erfolgte problemlos mit einer maximalen Zugkraft von 1800 daN.
Hierauf konnten die Montagearbeiten
für die sechs Übergangsmuffen
beginnen, die genau wie die vorhergehenden Arbeiten innert kürzester
Zeit durchgeführt werden mussten,
wobei nur noch drei Wochen bis
zum verlangten Endtermin für die
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
Wiederinbetriebnahme der gesamten Verbindung zur Verfügung standen.
Drei Mittelspannungskabel von
ähnlicher Bauart (Typ XDAluT,
1 x 150-mm2, 20 kV) wurden auf
dem gleichen Trassee durch gleichzeitiges Einziehen der drei Kabel in
das vierte Rohr installiert.
5
Zeitlicher Ablauf
Da es sich um eine für die Stadt
Genf lebenswichtige Verbindung
handelte, musste sie in kürzester
Frist wiederhergestellt werden.
Den Auftrag für die vollständige
Unterwasserkabelanlage (Rohre und
Kabel) erhielt unser Unternehmen im
März 2000.
Der unbedingt einzuhaltende Termin
für die Inbetriebnahme der Leitung
war der 9. Juni 2000, (dieses
Datum entsprach der durch den Bau
der Halle 6 der Palexpo erforderlichen vorübergehenden Abschaltung
einer 220-kV-Freileitung der EOS).
23
Wichtigste Etappen
27. März
bis 20. April
2000
3. Mai
Zusammensetzung von 5 Rohren zu einer horizontale
Lage mit einer Länge von 400 m, Verschweissung,
Montage und Befestigung des Ballastes
(Bauplatz Le Bouveret)
Transport der Rohre von Le Bouveret nach Genf,
schwimmend auf dem See (Dauer etwa 11 h)
Fabrikation der drei Längen von 3200 m
des 132-kV-Kabels
2. und 3. Mai
Werksprüfungen
Vorbereitung der sechs Übergangsmuffen
9. bis 12. Mai
Verlegung der Rohre im See (mit einer Unterbrechung
von zwei Tagen wegen schlechten Wetters)
18. bis 23. Mai
Transport der Kabel zum Verlegungsort
(Trommel - Ø 4.2 m, Trommelgewicht 27 t)
18. bis 23. Mai
Einziehen der Kabel in die Rohre
22. Mai
bis 9. Juni
9. Juni 2000!
(um 16.14 Uhr)
Montage der Verbindungsmuffen
Unterspannungsetzung der Leitung
Montageabteilung
SCHLUSSWORT
Der Schlüssel zur Erfolgreichen
Verlegung, selbst bei schwierigen
Verhältnisssen, ist eine optimale
Vorbereitung.
5
Das Ziel besteht darin, dass das
Kabel mit der kleinstmöglichen
Zugkraft eingezogen wird.
Anton Marro
Hanspeter Bosshard
24

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