Kuhnert / Wiznerowicz
Eigenschaften von Energiekabeln und deren Messung 3. Auflage
Eigenschaften von Energiekabeln und deren Messung
Kuhnert/Wiznerowicz: Eigenschaften von Energiekabeln, 3. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2012. Alle Rechte vorbehalten, s. Lizenz- und Nutzungsbedingungen. Weitergabe nicht zulässig.
von Professor Dr.-Ing. Ekkehard Kuhnert Leibniz Universität Hannover und Professor Dr.-Ing. Fred Wiznerowicz Fachhochschule Hannover
3. Auflage 2012
EW Medien und Kongresse GmbH Frankfurt am Main | Berlin
Anforderungen an Kabel im Jahr 1900 M. 0’Gorman „ … Waterproof for 100 years, flexible and extensible, so volt-resisting that the thinnest film suffices, with a specific capacity almost as low as that of air …“ … Wasserfest für 100 Jahre, flexibel und dehnbar, so spannungsfest, dass die dünnste Schichtstärke ausreicht, mit einer spezifischen Kapazität so niedrig wie von Luft …
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Journal IEE 30 (1900), S. 608
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Vorwort zur dritten Auflage Seit Erscheinen der ersten Auflage im Jahre 1982 sind die in der Kabeltechnik verwendeten Kunststoffe, insbesondere das vernetzte Polyethylen, weiter erforscht worden. Auf Grund der guten Betriebserfahrungen sind Kunststoffkabel in Verteilernetzen der Nieder- und Mittelspannung sowie in Transportnetzen bis 400 kV der Stand der Technik. Im Ausland werden sie bis 500 kV verwendet. Erkenntnisse über Eigenschaften, Alterungsprozesse und Betriebsverhalten haben inzwischen Eingang in die Normen gefunden. Neben diesen heute allgemein eingesetzten Kabeln existieren auch neu entwickelte und jetzt in Erprobung befindliche Kabel. Dies sind Gleichstromkabel mit einer Isolierung aus Kunststoff, Supraleiterkabel und gasisolierte Leitungen (GIL). Die dritte Auflage berücksichtigt die aktuelle Entwicklung. In bestehenden Netzen und als Seekabel sind noch viele papierisolierte Kabel anzutreffen. Deshalb werden auch die Eigenschaften dieser Kabel ausführlich dargestellt. Auf die Problematik der gemischten Netze, in denen Kunststoffkabel und papierisolierte Kabel anzutreffen sind, wird eingegangen. Messtechnik und Prüfung beider Kabelarten unterscheiden sich fundamental. Die dauernde Überwachung der Kabelanlage im Netzbetrieb gewinnt an Bedeutung, um die Betriebsbereitschaft zu sichern, die Belastung zu überwachen sowie Wartung und Netzunterhalt zu steuern. Kabel und zugehörige Garnituren (Muffen und Endverschlüsse) bilden ein System. Das Zusammenwirken des Kabels mit seinen Garnituren und deren Zuverlässigkeit entscheiden gemeinsam über die Qualität und Lebensdauer der Kabelanlage. Veränderte Studienbedingungen an den Hochschulen lassen erwarten, dass Grund- und Spezialwissen über Kabel für weniger Studenten als bisher in den Vorlesungen besprochen werden. Das vorliegende Buch richtet sich deshalb ebenso an Studenten der elektrischen Energietechnik wie auch an betriebserfahrene Ingenieure. Mehr als in den früheren Auflagen wird auf die physikalischen Grundlagen eingegangen und Grundwissen vermittelt. Das Grundwissen ist Voraussetzung, um Normen und Vorschriften verstehen und sinngemäß anwenden zu können. Das Buch ist damit an der Schnittstelle zwischen Grundlagenfächern und Anwendung angesiedelt.
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Die Grundlagen der Kabeltechnik werden im Kabelseminar der Leibniz Universität Hannover seit der Gründung durch Professor Dr.-Ing. Gerhard Wanser 1972 immer wieder vorgetragen. Die Auswahl der Vortragsthemen wird laufend dem Stand der Entwicklung angepasst.
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Der Dank der Verfasser gilt den Fachleuten, die bei der Durchführung der Kabelseminare mitgewirkt und in vielen Gesprächen wertvolle Anregungen gegeben haben. Auch den Firmen sei gedankt, die durch Hinweise und Bereitstellung von Unterlagen und Bildern bei der Erarbeitung des Buches geholfen haben, besonders die Firmen Baur, Burster, Nexans, omicron und seba. Der Verlag hat in bewährter, dankenswerter Weise durch die drucktechnische Ausstattung zum Gelingen des Buches beigetragen. Schließlich danken wir unseren Ehefrauen für ihre Geduld und ihr Verständnis. Obwohl im Ruhestand, verbrachten wir viele Stunden im Arbeitszimmer, um die neue Auflage des Buches zu erarbeiten. An alle Leser richten die Verfasser die Bitte, auch künftig die Fortschritte in der Kabeltechnik mit uns zu diskutieren und uns Ergänzungsvorschläge sowie kritische Bemerkungen zukommen zu lassen. Hannover und Celle, Oktober 2011
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Wiznerowicz Kuhnert
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Inhalt 1
Einleitung.......................................................................... 11
1.1
Anforderungen an Energiekabel........................................ 11
1.2
Ziel und Zweck der Kabelprüfung........................................13
1.3
Vorschriften und Normen.....................................................15
2
Aufbau, Geometrie.............................................................19
3
Elektrische Kenngrößen....................................................23
3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3
Leiterwiderstand...................................................................23 Widerstand bei Gleichstrom.................................................23 Messung des Widerstandes bei Gleichstrom.......................27 Wirkwiderstand bei Wechselstrom.......................................29
3.2 Induktivität............................................................................37 3.3
Nullimpedanz.......................................................................42
3.4
Kapazität..............................................................................42
3.5
Isolationswiderstand.............................................................49
3.6
Verlustfaktor.........................................................................51
3.7
Widerstand leitfähiger Schichten..........................................61
3.8
Elektrische Zeitkonstanten und Polarisationsverhalten........64
3.9 3.9.1 3.9.2 3.9.3 3.9.4
Wellenwiderstand, Wellenausbreitung.................................68 Physikalische Bedeutung.....................................................68 Wellenwiderstand von Kabeln..............................................74 Reflexion an Stoßstellen......................................................77 Messverfahren.....................................................................78
3.10 3.10.1 3.10.2
Strombelastbarkeit...............................................................81 Strombelastbarkeit und Lebensdauer..................................81 Erwärmung eines isolierten Leiters......................................83
7
3.10.3 3.10.4 3.10.5 3.10.6
Erwärmung eines Kabels in Erde und in Luft.......................84 Strombelastbarkeit bei Kurzschluss und Überlast................87 Überwachung der Kabeltemperatur.....................................88 Natürliche Leistung..............................................................89
4
Elektromagnetisches Feld.................................................91
4.1
Elektrisches Feld..................................................................91
4.2
Magnetische Flussdichte in der Umgebung der Kabel.........94
4.3 4.3.1 4.3.2
Elektromagnetische Beeinflussung....................................101 Mechanismen der Beeinflussung.......................................101 Induzierte Spannung und Reduktionsfaktor.......................103
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5 Teilentladungsverhalten..................................................107 5.1
Teilentladungsmechanismus und Ersatzschaltbild.............107
5.2
Messbare Teilentladungsgrößen........................................ 110
5.3
Messung der Teilentladungen an konzentrierten Prüflingen........................................................................... 114
5.4
Messung der Teilentladungen an langen Kabeln...............121
5.5
Festlegung von Grenzwerten für zulässige Teilentladungen........................................................................ 127
5.6
Teilentladungen bei Gleichspannung.................................129
5.7
Nicht-konventionelle Verfahren zur Detektion von Teilentladungen..................................................................130
6 Spannungsfestigkeit........................................................131 6.1
Überblick............................................................................131
6.2
Lebensdauer und Nutzungsdauer......................................135
6.3 6.3.1
Prüfung mit Wechselspannung um 50 Hz..........................142 Erzeugung der Prüfspannung............................................142
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6.3.2 6.3.3
Kurzzeitprüfung..................................................................144 Langzeitprüfung.................................................................145
6.4
Prüfung mit Wechselspannung niedriger Frequenz (0,1 Hz)..............................................................149
6.5
Prüfung mit Gleichspannung..............................................150
6.6
Prüfung mit Stoßspannung................................................153
7
Sonstige Eigenschaften und Anforderungen................155
7.1
Mechanische und thermische Eigenschaften allgemein....155
7.2
Zugfestigkeit und Reißdehnung.........................................156
7.3
Wärme-Schockverhalten....................................................158
7.4
Wärme-Druckbeständigkeit................................................159
7.5
Schrumpfung......................................................................160
7.6
Haftung...............................................................................160
7.7
Masseverlust, thermische Stabilität....................................160
7.8
Schmelzindex.....................................................................161
7.9
Methangehalt bei VPE-Kabeln...........................................161
7.10
Wasserdichtigkeit...............................................................161
7.11
Wasseraufnahme der Isolierung........................................163
7.12
Verhalten im Brandfall........................................................164
7.13
Beständigkeit gegen ionisierende Strahlung......................166
9
8
Verhalten in der Umwelt und Recycling.........................167
8.1
Umweltverträglichkeit.........................................................167
8.2
Recycling............................................................................169
9
Fachwörterverzeichnis (deutsch-englisch)...................171
10
Quellenangaben und Schrifttum.....................................177
11
Verzeichnis der zitierten Normen, Vorschriften und Empfehlungen.....................................191
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11.1 Organisationen...................................................................191 11.2
DIN‑VDE‑Normen..............................................................191
11.3
DIN-Norm...........................................................................192
11.4
Verordnungen, Unfallverhütungsvorschriften.....................193
11.5
Technische Empfehlungen der Schiedsstelle für Beeinflussungsfragen.........................................................193
11.6
IEC‑Normen.......................................................................194
12 Stichwortverzeichnis.......................................................195
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1
Einleitung
1.1
Anforderungen an Energiekabel
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Kabel sind ein wesentliches Bindeglied zwischen Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie. Die Kabelbauart hängt vom Einsatzgebiet ab. Die Betriebsspannung des Netzes, mit der ein Kabel betrieben werden soll, erfordert gewisse Eigenschaften des Isolierstoffes. Nicht alle Isolierstoffe sind für alle Betriebsspannungen geeignet. Mechanische, chemische oder andere Einflüsse, die im Betrieb auf das Kabel einwirken, sind bei der Werkstoffauswahl und bei der Konstruktion zu berücksichtigen. Die folgende Tabelle 1 zeigt eine Übersicht über Isolierstoffe und deren Verwendung bei den Kabelbauarten. Einige Kabeltypen werden heute nur noch sehr selten oder gar nicht mehr in Deutschland gefertigt und eingebaut. In bestehenden Netzen werden sie aber noch für viele Jahrzehnte in Betrieb sein. Tabelle 1:
Verwendung der Kabeltypen
(70/13-2)
Art der Isolierung
Verwendung für …
Polyvinylchlorid-Mischung (PVC)
Niederspannung, bis etwa 1970 auch Mittelspannung bis 10 kV
Vernetztes Polyethylen (VPE)
Nieder-, Mittel-, Hoch- und Höchstspannung bis 500 kV Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) bis ±150 (±320) kV
Papier, mit Isoliermasse getränkt
HGÜ-Seekabel bis ±500 kV früher: Niederspannung und bis etwa 1975 auch Mittelspannung und Hochspannung bis 100 kV (noch in Netzen anzutreffen)
Papier, mit dünnflüssigem Isolieröl getränkt als Niederdruckölkabel oder auch als Hochdruckölkabel im Stahlrohr
HGÜ-Seekabel bis ±600 kV früher: Hoch- und Höchstspannung bis 500 kV (noch in Netzen anzutreffen) Versuchskabel bis 1100 kV
Papier, mit hochviskoser Masse getränkt als Gasaußendruckkabel im Stahlrohr als Gasinnendruckkabel im Stahlrohr
früher: Hoch- und Höchstspannung bis 275 kV (noch in Netzen anzutreffen)
Gas (SF6-N2-Gemisch) für Gasisolierte Leitungen (GIL)
Hoch- und Höchstspannung bis 550 kV
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Spezielle Anwendungen erfordern neben der Auswahl der Isolierstoffe auch die Berücksichtigung besonderer Konstruktionsmerkmale. So müssen Seekabel nicht nur seewasserfest sein, sondern haben üblicherweise eine Bewehrung, um der starken mechanischen Beanspruchung beim Auslegen und beim Betrieb standzuhalten. Das Gewicht der Leiter muss durch innere Reibungskräfte von innen auf die Bewehrung übertragen werden, sonst brechen die Leiter aufgrund ihres Eigengewichtes aus der Bewehrung aus. Diese und weitere Anforderungen werden auch an Kabel für den Bergbau unter Tage oder an Leitungstrossen für ortsveränderliche Geräte über Tage gestellt.
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Die Beständigkeit bei Alterung durch ionisierende Strahlung erfordert besondere Eignungsnachweise. Gleichstromkabel gewinnen für die Hochspannungs-GleichstromÜbertragung (HGÜ) zunehmend an Bedeutung. Sie werden elektrisch ganz anders beansprucht als Wechselstromkabel, was bei der Auslegung der Isolierung zu beachten ist. Als spezielle Kabelbauform im weitesten Sinn kann die Gasisolierte Leitung (GIL) angesehen werden. Sie hat Eigenschaften, die von denen üblicher Kabel stark abweichen. Alle Kabel bestehen aus Aufbauelementen, die zusammenwirken und folgende betriebswichtige Aufgaben erfüllen: – Leitung des Stromes durch den Leiter – Isolation der Spannung durch die Isolierung (Isolierhülle) – Schirmung des elektrischen Feldes durch die äußere Leitschicht – Leitung der Ableit-, Lade- und Fehlerströme durch die äußere Leitschicht, die Schirmdrähte oder einen Metallmantel – Äußerer Schutz der Aufbauelemente durch Bewehrung, Korrosionsschutz und eine äußere isolierende Schutzhülle (Mantel). Art und Werkstoff der Aufbauelemente bedingen die Eigenschaften eines Kabels, seine Qualität und Betriebstüchtigkeit. Das Alterungsverhalten der Werkstoffe entscheidet weitgehend über die Lebensdauer des Kabels. Die Aufbauelemente sind so aufeinander abgestimmt, dass das Kabel zuverlässig produziert und über lange Zeit betrieben werden kann. Als Leiterwerkstoffe werden Kupfer und Aluminium eingesetzt. Für mehrdrähtige oder bandförmige konzentrische Leiter in der äußeren 12
Lage (Schirme) wird allerdings nur Kupfer verwendet. Aluminium scheidet für diese vergleichsweise dünnen Drähte oder Bänder wegen der Korrosionsgefahr aus. Anstelle von Schirmdrähten kann auch eine nahtlose Hülle (Metallmantel) aus Aluminium oder Blei aufgepresst sein.
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Über den Schirmdrähten wird ein Kunststoff-Mantel durch Extrusion von Kunststoff aufgebracht, meist Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyethylen (PE). Ein Aluminiummantel erfordert stets den Kunststoffmantel als Korrosionsschutz. Eventuell vorhandene Bewehrungen werden aus verzinkten Stahldrähten oder Stahlbändern gefertigt und mit einem zusätzlichen Korrosionsschutz ausgerüstet, heute hauptsächlich aus Kunststoff, seltener aus Jute, die mit Bitumen getränkt ist. Die Maße von Kabeln haben starke Auswirkungen auf den Kabelpreis. Sie entstehen aus Erfahrung und Übereinkunft. Beispielsweise gibt es kein Prüfverfahren, das die in VDE‑Bestimmungen festgelegten Wanddicken für die Leiterisolierung von 1‑kV‑Kabeln 4 × 150 mm2 bei PVCIsolierung mit 1,8 mm und bei VPE-Isolierung mit 1,4 mm begründen kann. Diese Werte sind durch die notwendige mechanische Festigkeit bestimmt. Erst mit steigender Spannung nimmt der Einfluss der elektrischen Festigkeit auf die Festlegung der Isolierwanddicken zu. Ein Kabel muss sicher sein. Es gilt, Schaden an Dritten zu vermeiden. Wichtig ist dabei der Berührungsschutz als Personenschutz, aber auch der Schutz des Kabels selbst vor mechanischen, thermischen, elektrischen Einflüssen und vor Korrosion. Maßnahmen zur Verhinderung des elektrischen Einflusses auf andere Energie-, Nachrichtenoder Signalkabel sind zu treffen. 1.2
Ziel und Zweck der Kabelprüfung
Kabelprüfungen liefern den Nachweis dafür, dass die Eigenschaften des Kabels den Normen und den zu erwartenden Betriebsbedingungen genügen. Mit Kurzzeitprüfungen oder zeitraffenden Prüfmethoden wird geprüft, ob die gesetzten Ziele erreicht worden sind. Mit Langzeitprüfungen wird geprüft, ob zu erwarten ist, dass die Ziele erreicht werden können. Zur laufenden Qualitätssicherung sind fertigungsbegleitende Prüfungen erforderlich. Die Prüfung der Werkstoffeigenschaften und der Werkstoffqualität ist wichtiger Bestandteil der Kabelprüfungen. Alle Werkstoffe, nicht nur die Isolierstoffe, müssen zur Fertigung und Nutzung geeignet sein. Sie 13
müssen bestimmte Kriterien für ihre Reinheit und Verarbeitbarkeit erfüllen. Nicht nur elektrische, sondern auch thermische und mechanische Eigenschaften sind wichtig. Die zu erwartende Lebensdauer muss nachgewiesen werden, denn die Errichtung einer Kabelanlage ist eine langfristige Investition. Als Lebensdauer eines Kabels bezeichnet man die Zeitspanne, in der das Kabel zuverlässig und wirtschaftlich betrieben werden kann. Von einem Kabel werden üblicherweise etwa 40 störungsfreie Betriebsjahre verlangt. Das ist viel mehr als bei anderen technischen Betriebsmitteln. Um eine lange Lebensdauer zu erreichen, sind zwei wesentliche Bedingungen zu erfüllen:
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– Die Konstruktion des Kabels muss elektrisch optimal bemessen sein und den Betriebsbelastungen genügen. – Das Kabel muss in einer sicheren Umgebung (Graben, Rohr, Trog, Tunnel) gelegt sein. Aus der ersten Bedingung werden nachprüfbare Anforderungen an das Kabel, an die verwendeten Werkstoffe, an den Aufbau und an die Maße hergeleitet. Die Kabelprüfung erbringt den Nachweis, dass diese Anforderungen von Seiten des Herstellers erfüllt sind. Damit dürfte das Kabel auch den zu erwartenden betrieblichen Belastungen gewachsen sein. Allerdings trägt auch der Anwender des Kabels große Verantwortung, weil er das Kabel ordentlich legen und betreiben muss. Die thermische und elektrische Alterung der Isolierung sowie die Korrosion des Schirmes und der Bewehrung müssen beherrscht werden. Die labormäßige Simulierung des Alterungsprozesses zur Prüfung der Lebensdauer von Kabeln ist daher ein ständiges Thema der Kabelentwicklung. Im Bereich der Hochspannungskabel bildet dabei die elektrische Isolierung, das Dielektrikum, den Schwerpunkt der Entwicklungsarbeit. Während bei der früher ausschließlich verwendeten Papierisolierung Zeit raffende Alterungsverfahren bei erhöhter Temperatur nach Arrhenius gute Aussagen über die zu erwartende Lebensdauer zulassen, sind bei kunststoffisolierten Kabeln erheblich aufwändigere Prüfverfahren anzuwenden. Langjährige Betriebserfahrungen und die Ergebnisse mehrjähriger Forschung bei Mittelspannungskabeln mit einer Isolierung aus vernetztem Polyethylen (VPE) führten in Deutschland und Europa zur 14
Einführung aufwändiger standardisierter Langzeitprüfungen und fertigungsbegleitender Prüfungen, mit denen die Qualität der Kabel ständig überprüft wird. Verfolgt man die Geschichte der Kabeltechnik, so wird deutlich, dass neue Prüfmethoden positive Entwicklungsimpulse geben können, weil gesicherte Messergebnisse technische Zusammenhänge aufklären. Dies ist der erste Schritt zur Beherrschung von Schwierigkeiten mit neuen Produkten und zur Einleitung von Verbesserungen bei den Produktionsverfahren. Als besonders ausgeprägte Beispiele seien hier die Messung des Verlustfaktors bei papierisolierten Kabeln sowie die Teilentladungsmessung und die Langzeitprüfung bei Kunststoffkabeln genannt.
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1.3
Vorschriften und Normen
Anlagen zur Erzeugung, Fortleitung oder Abgabe von Energie sind nach dem Energiewirtschaftsgesetz so zu errichten und zu betreiben, dass die technische Sicherheit gewährleistet ist. Dabei sind unter anderem die allgemein anerkannten Regeln der Technik zu beachten. Als anerkannte Regeln der Technik gelten unter anderem die VDE‑Bestimmungen. Sie wurden früher vom Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. (VDE) herausgegeben. Heute werden sie von der Deutschen Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE (DKE) unter Mitwirkung der Öffentlichkeit erarbeitet und in deutscher Sprache meist unter der Kurzbezeichnung DIN VDE vom Deutschen Institut für Normung (DIN) herausgegeben. Es ist unerlässlich, bereits bei der Herstellung der Kabel und der isolierten Starkstromleitungen die einschlägigen Normen und Bestimmungen zu beachten. Ziel der Normung ist es heute, weltweit inhaltsgleiche Festlegungen zu treffen. Historisch bedingte nationale Unterschiede sollen im Laufe der Zeit verschwinden. Vorarbeit für die internationale Normung im Bereich der elektrischen Energietechnik leistet die Internationale Hochspannungskonferenz (Conseil International des Grands Réseaux Électriques, CIGRÉ). Im angestrebten Idealfall sind internationale Normen der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (International Electrotechnical Commission, IEC), europäische Normen (EN) des Europäischen Komitees für Elektrotechnische Normung (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique CENELEC) und DIN VDE-Bestimmungen vom Inhalt her gleich. Um zunächst die unterschiedlichen
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nationalen europäischen Normen an einander anzugleichen, erarbeitet CENELEC die Harmoniserungsdokumente (HD). Die für Deutschland relevanten HD für Kabel werden in der Norm VDE 0276 zusammengefasst. Speziell auf dem Gebiet der elektromagnetischen Beeinflussung von Fernmeldeanlagen durch Hochspannungsnetze erarbeitet in Deutschland die Schiedsstelle für Beeinflussungsfragen (SfB) ihre Technischen Empfehlungen (TE). Als Folge der Harmonisierung befinden sich die VDE‑Bestimmungen im Umbruch. In diesem Buch kann verständlicherweise nur der derzeitige Stand berücksichtigt werden. Über den aktuellen Stand informiert das Verlagsprogramm der VDE‑Verlag GmbH, Berlin. Im Internet kann man auf der Website des VDE‑Verlages nach Stichworten sowohl in den Überschriften als auch im Text der Bestimmungen suchen. Bei der Suche nach Fachausdrücken in fremden Sprachen und bei der Übersetzung hilft das Internationale Elektrotechnische Wörterbuch der IEC (International Electrotechnical Vocabulary, IEV), das als DKE-IEV im Internet verfügbar ist. Tabelle 2: Gruppe
VDE-Gruppen nach Sachgebieten
(70/25)
Sachgebiet, Inhalt
0
Allgemeine Grundsätze
1
Energieanlagen
2
Energieleiter
3
Isolierstoffe
4
Messen, Steuern, Prüfen
5
Maschinen, Umformer
6
Installationsmaterial, Schaltgeräte
7
Gebrauchsgeräte, Arbeitsgeräte
8
Informationstechnik
Heute gibt es mehr als 3000 gültige DIN‑VDE‑Normen und NormenEntwürfe. Sie sind in neun Sachgebiete (Gruppen) eingeteilt, die in Tabelle 2 aufgelistet sind. Nur die Gruppen 0 bis 4 und 8 betreffen Kabel und Leitungen direkt. Die anderen Gruppen können in Betracht kommen, wenn Kabel oder Leitungen mit den darin behandelten Betriebs16
