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Kabeleinsatz im gelöschten Freileitungsnetz

Die TU Graz hat die Auswirkungen eines vermehrten Einsatzes von Erdkabeln im 110-kV-Hochspannungsnetz untersucht. 

Die Herausforderungen für die österreichischen Stromnetze sind bekannt: Ab 2030 soll der gesamte Strombedarf (national bilanziell) mit erneuerbaren Energien gedeckt werden. Das bringt eine massive Steigerung der witterungsbedingt großteils stark schwankenden Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenenergie mit sich. Allein die Leistung der letzteren soll auf elf Gigawatt (GW) steigen, ihre Produktion sich auf etwa elf Terawattstunden (TWh) nahezu verzehnfachen. Dieser radikale Wechsel von ursprünglich wenigen großen, zentralen Kraftwerken hin zu einer exponentiell steigenden Anzahl von kleineren, dezentralen Erzeugungsanlagen bedingt auch einen massiven Ausbau der Stromnetze.  

110-kv-Kabel
Erdverkabelung: Die zunehmende Einbindung dezentraler Erzeuger und der Anstieg des Stromverbrauchs rücken Erdkabel als Alternative zu Freileitungen in den Fokus. © Wegscheid

Weil die Netze historisch gewachsen sind, ist eine laufende Erneuerung erforderlich. Mit dieser Erneuerung geht im Regelfall einher, dass die Leitungen für die neuen Anforderungen ausgelegt und entsprechend leistungsfähiger sein müssen. Im Sinne einer noch besseren Netzsteuerung erfolgt gleichzeitig auch die Aufrüstung zu „intelligenten Netzen“ (Smart Grids). Dies führt zu einem erheblichen Bedarf an Investitionen, für die seitens der Politik entsprechende Rahmenbedingungen geschaffen werden müssen. Darüber hinaus sind jedoch eine Reihe von technischen Fragen zu klären. Denn es ist unverzichtbar, dass das gewohnt hohe Niveau der Versorgungssicherheit und Versorgungsqualität für alle Netzkunden in Österreich weiterhin erhalten bleiben soll.

Die Notwendigkeit des Netzausbaues auf allen Netzebenen zwischen Neusiedlersee und Bodensee ist unumstritten – lediglich an der Frage, wie die Netze ausgebaut werden, scheiden sich die Geister. Grundsätzlich muss der Transport von elektrischer Energie zwischen zwei Standorten über einen elektrischen Leiter erfolgen. Diese Verbindung kann als auf Masten aufgehängte Freileitung oder als in der Erde vergrabenes Erdkabel erfolgen. Beide Technologien sind ausgereift und Stand der Technik. 
Die Spannung und die Betriebsart des Netzes sind die physikalischen Rahmenbedingungen. Sie bestimmen die Entscheidung ganz wesentlich, ob eine Freileitung oder ein Erdkabel zum Einsatz kommt. Generell kann festgehalten werden, dass hohe Spannungen von 110, 220 und 380 kV überwiegend als Freileitungen, niedrigere Spannungen unter 45 kV überwiegend als Erdkabel ausgeführt werden. 

  • Von fast 238.000 Kilometern Stromnetz in Österreich sind etwa 75 Prozent aller Leitungen erdverkabelt. 
  • Die Mittel- und Niederspannungsnetze machen mit fast 231.000 Kilometern den Großteil des Netzes aus. Im Bereich der Mittelspannung liegt der Kabelanteil über 65 bzw. im Bereich der Niederspannung über 80 Prozent.
  • Die Hoch- und Höchstspannungsnetze haben einen Gesamtanteil von lediglich 4,2 Prozent und weisen einen Verkabelungsgrad von nur 7 Prozent auf.
Bei der Lebensdauer von Erdkabeln wird in Ausschreibungen meist von 40 bis 50 Jahren ausgegangen.  

Spezielle Herausforderungen in Hochspannungsnetzen

Welche Herausforderungen sich beim Bau von Hochspannungsleitungen im 110-kV-Netz stellen und wie diese prinzipiell bewältigt werden können, untersuchte im Auftrag von Oesterreichs Energie ein Team des Instituts für Elektrische Anlagen und Netze der Technischen Universität Graz, das unter der Leitung des bestens bekannten, emeritierten Professors Lothar Fickert stand. Ihre Erkenntnisse fassten Fickert und seine Kollegen in der Studie „Auswirkungen von vermehrtem Einsatz von Erdkabeln in gelöscht betriebenen 110-kV-Freileitungsnetzen“ zusammen, die seit kurzem vorliegt. Wie sie ausdrücklich betonen, handle es sich dabei um Grundsatzuntersuchungen, die „ein Detailengineering für konkrete Ausbaupläne der Netzbetreiber nicht ersetzen“ könnten. Für die Durchführung von Projekten seien stets Betrachtungen im Einzelnen erforderlich. 
 

Eine Frage der Sicherheit: Was passiert im Falle eines Erdschlusses?

Die Studie fokussiert sich im Speziellen auf Freileitungen und Erdkabel mit einer Betriebsspannung von 110.000 Volt sowie einer Nennfrequenz von 50 Hertz (Hz). Behandelt werden insbesondere häufig auftretende Fehler im Netzbetrieb samt Möglichkeiten zu deren Bewältigung, die Errichtung zusätzlicher Verbindungsstellen zum übergeordneten (Übertragungs-)Netz, die Aufrechterhaltung der (n-1)-Sicherheit für den Betrieb der Netze sowie die Lebensdauer von Erdkabeln inklusive der Behebung von Störungen. Denn in der Elektrizitätswirtschaft stehen Sicherheit und die Qualität der Versorgung an erster Stelle.

110-kV-Kabel Muffengrube
Muffengrube, Erdkabel-Verlegearbeiten: Erdkabel können aus Transportgründen nur in Teilstücken von maximal 1000 Metern
angeliefert werden. Daher müssen die Kabelstränge regelmäßig mit Kabelmuffen verbunden werden.
Kabelzug
© Wegscheid



Einleitend befasst sich die Studie daher mit der weitaus häufigsten Betriebsstörung bei Freileitungen, dem „einpoligen Fehlerfall“. Der einpolige Fehler wird in Netzen mit niederohmiger, „starrer“ Sternpunkterdung (Höchstspannungsnetze mit 220 und 380 kV) als (stromstarker) Erdkurzschluss bezeichnet. Er tritt auf, wenn es zu einem Isolationsverlust (z. B. Erdberührung, Beschädigung der Kabelisolation) bei einem Phasenleiter kommt. Beim Erdkurzschluss kommt es zu hohen Fehlerströmen und zur sofortigen Abschaltung der Leitung.

Bei Netzen mit Erdschlusskompensation („gelöschtes Netz“, der überwiegenden Betriebsform im österreichischen Hochspannungsnetz bis einschließlich 110 kV und in Mittel­spannungsnetzen) dagegen ist vom „Erdschluss“ die Rede. Die Erdschlusskompensation hat den Vorteil, dass das Netz im Fehlerfall zumeist weiterbetrieben werden kann, es also zu keiner Versorgungsunterbrechung, ja nicht einmal zu einer Beeinträchtigung der Spannungsqualität kommt. Bei Freileitungen bilden sich die meisten Erdschlüsse als ein frei brennender, sichtbarer Lichtbogen aus. Um den einpoligen Fehlerfall zu bewältigen, statten die Netzbetreiber ihre Leitungen mit Erdschluss-Kompensationsspulen, auch Löschspulen (Petersenspulen) genannt, aus. Sie bringen die Lichtbögen binnen weniger Sekunden(bruchteile) zum selbsttätigen Erlöschen. Somit lässt sich grundsätzlich auch bei Erdschlüssen der Ausfall einer Leitung und damit ggf. der Stromversorgung vermeiden.

Die Studie stellt aber klar: „Nur wenn die Kompensation korrekt funktioniert, kann man davon ausgehen, dass diese Lichtbögen innerhalb kürzester Zeit von selbst erlöschen. Auf diese Weise ist ein sicherer Netzbetrieb möglich. Außerdem sind keine zeitaufwändigen und möglicherweise nicht sofort zielführenden Eingriffe seitens des Schaltpersonals erforderlich, um den fehlerfreien Isolationszustand des Netzes für einen Weiterbetrieb des Netzes wiederherzustellen.“ Gelingt es dagegen nicht, einen Lichtbogen selbsttätig rasch zu löschen, muss das fehlerhafte Leitungselement aus dem Netzverband getrennt werden. In diesem Fall wird der Stromfluss an der jeweiligen Stelle unterbrochen, um die Gefährdungsquelle zu beseitigen. 

Dieser Fähigkeit zur „Selbstheilung“ des Netzes sind allerdings physikalische Grenzen gesetzt: Je größer ein Netz wird, umso größer muss auch der im Fehlerfall erforderliche „Löschstrom“ sein. Ab einer gewissen Netzgröße ist eine zuverlässige Lichtbogenlöschung aus physikalischen Effekten daher nicht mehr gewährleistet. Abhängig von Übertragungsleistungen und den technischen Spezifikationen des Erdkabels wird diese Schwelle bei 2-systemigen Freileitungen bei Längen zwischen 2.200 und 3.500 Kilometern erreicht. Physikalisch bedingt verbraucht 1 Kilometer 2-systemiges Erdkabel aber die rund 60-fache Menge an Löschstrom im Vergleich zu 1 Kilometer einer 2-systemigen Freileitung. Dieses Verhältnis definiert die in einem gelöscht betriebenen Netz maximale Erdkabellänge zwischen ca. 80 und ca. 130 Kilometern. Dieser Erdkabelanteil wird oftmals als „Kabelreserve“ bezeichnet.   

Die Behebung von Störungen ist bei Kabel­trassen erheblich aufwändiger als bei Frei­leitungen. Alleine für die Ortung der fehlerhaften Stelle werden in der Studie rund ein bis drei Tage veranschlagt.

Einfach ein Erdkabel statt einer Freileitung bauen? 

Die Studie nimmt auf den immer wieder auftretenden Wunsch Rücksicht, den notwendigen Netzausbau im 110-kV-Verteilnetz vermehrt mit Erdkabeln durchzuführen. Durch das schnellere Erreichen der Löschgrenze (keine selbstständige Lichtbogenlöschung mehr möglich) müssten alternative Maßnahmen ergriffen werden:

  • Weitere Teilnetze müssen gebildet werden, um vermehrt Erdkabel integrieren zu können. Das erfordert allerdings zusätzliche Netzabstützungen (= Anschlüsse an das übergeordnete Höchstspannungsnetz mit neuen Leitungen und Umspannwerken).
  • Eine Sonderform der Teilnetzbildung ist der Einbau von „Trenntransformatoren“, mit denen Erdkabelverbindungen aus dem Gesamtnetz herausgelöst werden können. Dafür sind Erweiterungen in den Schaltanlagen notwendig. Diese Transformatoren bringen auch zusätzliche Ausfallwahrscheinlichkeiten mit sich, da es sich bei diesen um sonder­angefertigte Spezialkomponenten handelt. Ein kurzfristiger Austausch ist deshalb nicht möglich. Zugleich wird durch die Transformation zusätzliche Energie im Ausmaß von rund 700 Haushalten verbraucht.
  • In einem 110-kV-Netz mit der Betriebsart „niederohmige bzw. starre Erdung des Sternpunkts“ wäre die Integration von Erdkabeln wesentlich einfacher. Eine komplette Umstellung der Betriebsart würde allerdings sehr aufwändige Maßnahmen in Schaltanlagen (Primär- und Sekundärtechnik) ebenso wie im Bereich der Erdungsanlagen von Masten und Schaltanlagen erfordern.  Mit der Umstellung geht auch der Vorteil der „Netz-Selbstheilung“ verloren, die Versorgungsqualität im Netz wird schlechter. 


Wie schnell altern Erdkabel?

Auch die Lebensdauer von Erdkabeln haben die Studienautoren im Detail betrachtet: Aufgrund der wesentlich komplexeren Bauweise und der höheren Beanspruchungen ist immer wieder von einem Nachteil des Erdkabels gegenüber den Leiterseilen der Freileitung die Rede. Der Studie zufolge wird in Ausschreibungen meist von 40 bis 50 Jahren ausgegangen, die Hersteller geben diesen Zeitraum auch als Referenzwert an. 

Kabeltrommel
Kran für Erdkabelverlegearbeiten: Von fast 238.000 Kilometern Stromnetz in Österreich sind etwa 75 Prozent aller Leitungen erdverkabelt. © Wegscheid

Abhängig ist die Lebensdauer von einer Reihe von Faktoren: Bei der Beurteilung zu berücksichtigen sind neben den heutzutage mit vernetztem Polyethylen (VPE) isolierten Kabeln selbst vor allem die Kupplungsstücke („Muffen“) zur Verbindung zwischen den einzelnen Kabel-Teilstücken sowie deren Endverschlüsse. Die Alterung verkabelter Leitungen selbst wiederum ist abhängig vom Kabelaufbau, ihrer Verlegung und ihrem Betrieb. Produktionsfehler verkürzen verständlicherweise die Lebensdauer der Kabel, insbesondere dann, wenn es durch lokale, geringfüge Materialfehler (z. B. Verunreinigung) nach mehreren Jahren Betrieb zur Zerstörung des Isoliermaterials kommt. 

Der Lebensdauer ebenfalls wenig zuträglich ist das Eindringen von Feuchtigkeit in das Isoliermaterial, etwa weil der Kabelmantel infolge einer mechanischen Beschädigung nicht wasserdampfdicht ist. Gefürchtet ist in diesem Zusammenhang die Bildung sogenannter „Wasserbäumchen“, die über kurz oder lang die Isolation zerstören. Laut der Studie empfiehlt sich daher außerhalb von trockenen Bauwerken die Verwendung von Kabeln mit metallisch geschweißtem Mantel.

Der Aspekt der Lebensdauer und notwendigen Zugänglichkeit beeinflusst auch wesentlich die Trassenführung eines Erdkabels. Die Freileitung ermöglicht eine relativ kurze Verbindung zwischen Ausgangs- sowie Endpunkt und kann auch in unwegsamen Gelände mit vertretbarem technischen Aufwand errichtet werden. Erforderlich sind Maßnahmen zur Trassenpflege, um bei der Überspannung der Trassenführung durch Waldflächen eine Gefährdung der Leitung und eine Beeinträchtigung des zuverlässigen Betriebs durch Baumfall zu verhindern. Erdkabeltrassen werden hingegen gänzlich anders geplant und führen bevorzugt entlang oder in der Nähe von Straßen und Wegen, um eine bestmögliche Zugänglichkeit für Wartung und Reparatur sicherzustellen. Andernfalls muss z. B. zur Querung eines Waldes eine völlig freizuhaltende Schneise hergestellt werden. Die Verlegung im steilen Gelände erfordert oft, ähnlich wie im Wegebau, Serpentinen inklusive ggf. geomechanisch aufwändiger Verankerungen. Die Überspannung eines Grabens im Gelände bis zu mehreren 100 Metern mit einer Freileitung ist vergleichsweise einfach. Entlang der Trasse muss rund alle 1.000 Meter eine ständig zugängliche „Muffengrube“ errichtet werden. In diesen werden die Teilstücke des Erdkabels verbunden.

Verlegt werden die Kabel entweder ohne mechanischen Schutz im Erdboden oder in Kunststoffrohren bzw. in (Beton-)Trögen. Erdkabel werden im 110-kV-Netz heute überwiegend in Kunststoffrohren verlegt. Das ermöglicht während des Baus die Aufteilung in kürzere Abschnitte (weniger Verkehrsbehinderung) sowie leichtere Tauschmöglichkeit. Allerdings ist die Wärmeabfuhr deutlich schlechter als bei der direkten Erdverlegung, denn durch den direkten Erdkontakt kann die Wärme der Kabel gut abgeführt werden, solange das Erdreich nicht austrocknet. Die Verlegung in Trögen wiederum schützt das Kabel sehr gut vor Beschädigungen. Außerdem werden die Tröge mit Kabelsand verfüllt, der die Wärme ähnlich gut ableitet wie der Erdboden. Der Einsatz dieser Verlegemethode ist im öffentlichen Stromnetz allerdings sehr selten anzutreffen. Sie kommt überwiegend in Umspannwerken bzw. entlang von Bahntrassen zum Einsatz.

Um eine möglichst hohe Lebensdauer der Kabel zu erreichen, würden sich der Studie zufolge mehrere Maßnahmen empfehlen: 

  • ein kontinuierliches Last-Monitoring, „um einen Überlastbetrieb auszuschließen“; gerade dieser verkürze die Lebensdauer der Kabel „empfindlich“, warnen die Wissenschaftler
  • regelmäßig, das heißt etwa alle zwei Jahre, sollten Mantelprüfungen erfolgen. Zur Prävention plädieren Fickert und seine Kollegen für eine „regelmäßige und in kurzen Abständen durchgeführte Trasseninspektion“. Damit ist es möglich, Beschädigungen rasch festzustellen. 
     

Wie einfach lassen sich Störungen orten und beheben?

Die Behebung von Störungen ist bei Kabeltrassen erheblich aufwändiger als bei Freileitungen. Alleine für die Ortung der fehlerhaften Stelle in einer Kabeltrasse werden in der Studie rund ein bis drei Tage veranschlagt. Ist die Fehlerstelle gefunden, geht es ans Aufgraben, um sie freizulegen. „Die typische Länge einer solchen Baustelle beträgt aufgrund der mechanischen Eigenschaften der umzuverlegenden Kabel 20 Meter und mehr“, heißt es in der Studie. Die Baustelle muss gegen Witterungseinflüsse abgesichert werden. Die Zeit für das Freilegen der Fehlerstelle und die Vorbereitung der Baugrube wird in der Studie mit vier bis sechs Tagen beziffert. Um die Störung zu beheben, ist es notwendig, den schadhaften Teil des Erdkabels zu ersetzen. Zu beachten ist dabei, dass das Reservekabel vom Hersteller üblicherweise in seiner Gesamtlänge von rund 500 Metern auf einer Trommel mit vier Metern Durchmesser geliefert wird, was rund zwei bis drei Tage dauert. Für die Einbindung des neuen Kabelstücks müssen von speziell ausgebildeten Kabeltechnikern Muffen installiert werden. Dafür sind weitere rund zwei bis drei Tage erforderlich. Nach der Reparatur schließlich ist die Kabeltrasse auf ihre Funktionsfähigkeit zu testen. „Die dafür zu veranschlagende Zeit beträgt ein bis zwei Tage, sofern eine Prüfeinheit verfügbar ist“, heißt es in der Studie. Somit ergibt sich unter optimalen Bedingungen eine Gesamtdauer von zehn bis 17 Tagen für die Reparatur eines Erdkabels. Zum Vergleich: Eine Freileitung kann üblicherweise binnen 24 bis 36 Stunden nach ihrem Ausfall wieder in Betrieb genommen werden.

Da sowohl die Technologie der Freileitungen als auch jene für Kabel einschließlich der Techniken zur Errichtung als ausgereift zu betrachten sind, ist zu erwarten, dass die genannten Fakten auch in den kommenden Jahren weiterhin gelten. Die Errichtung eines 110-kV-Netzes mit Erdkabeln ist technisch aufwändiger als Freileitungen. Insbesondere aber ist die Integration von längeren Erdkabelstrecken in ein bestehendes Freileitungsnetz – vor allem wenn es sinnvollerweise gelöscht betrieben wird – noch mit einigem zusätzlichen technischen Aufwand verbunden. Dem technisch Möglichen stehen begrenzte Ressourcen gegenüber, im Bereich der Finanzierung ebenso wie bei der Verfügbarkeit der erforderlichen Techniker mit speziellen Qualifikationen.