Druckluftkabel der Zukunft

Um eine grosse Menge an elektrischer Energie über längere Strecken zu transportieren, stehen grundsätzlich drei Hochspannungstechnologien zur Verfügung: Die bekannten Freileitungen und Kabel sowie die weniger bekannten gasisolierten Hochspannungsleitungen (GIL), die SF₆ oder Gasgemische mit SF₆ zur Isolierung verwenden. Dies sind ausgereifte Technologien, die schon lange eingesetzt werden und bei denen global umfangreiche Betriebserfahrungen vorliegen.

Diese Technologien unterscheiden sich stark bezüglich Transportkapazität, Überlastbarkeit und Ausfallwahrscheinlichkeit. Eine Freileitung ist bezüglich dieser drei Aspekte die bei Weitem beste Lösung. Sie kann viel Energie transportieren (etwa fünf- bis siebenmal mehr als Kabel), ihre Ausfallwahrscheinlichkeit und Ausfallzeit sind gering. Je nach Wetterbedingungen kann sie für einige Zeit massiv überlastet werden, was bei Hochspannungskabeln überhaupt nicht möglich ist. Freileitungen haben geringere Übertragungsverluste als Kabel, aber deutlich grössere als GIL. Wenn man nur die Punkte Übertragungskapazität, Ausfallwahrscheinlichkeit/Ausfallzeit und Überlastbarkeit betrachtet, sind Freileitungen rein technisch die bevorzugte Lösung – gesellschaftlich und politisch hingegen die unbeliebteste Option. Die Akzeptanz von unterirdischen Übertragungs-Korridoren wie Kabeln ist viel höher als bei Hochspannungsfreileitungen. Aber Kabelkorridore sind viel teurer im Bau, und wegen der vergleichsweise kleinen Übertragungskapazität der Kabel werden mehr parallele Systeme benötigt als bei Freileitungen.

Eine noch selten genutzte Alternative sind gasisolierte Leitungen. Sie haben eine hohe Transportkapazität, ähnlich einer Freileitung, die Verluste sind viel geringer und, was für die Gesellschaft am wichtigsten ist, gasisolierte Leitungen können unsichtbar unter der Erde verlegt werden. Von aussen sieht diese Technologie wie eine Pipeline aus, mit einem Aussengehäuse auf Erdpotenzial, das gefahrlos berührt werden kann. Im Inneren befindet sich ein zweites, von Isolatoren gehaltenes Rohr, das den Strom transportiert. Zwischen den beiden Rohren befindet sich unter hohem Druck stehendes Isoliergas, das es ermöglicht, diese Systeme so kompakt bauen zu können.

Die beiden Hauptgründe, die den Einsatz von GIL im grossen Stil bis jetzt verhindert haben, sind:

Mechanisch aufwendiger Aufbau: Da eine traditionelle GIL einen Betriebsdruck von 5 bar SF₆ benötigt, ist das traditionelle Flanschdesign sehr aufwendig. Das macht einen Einsatz «im Dreck», wo Energieleitungen verlegt werden müssen, schwierig. Weil das System gasdicht sein muss, muss jeder Flansch mit jeder Dichtung staubfrei sein.

SF₆ als Isoliergas: SF₆ ist ein 23'000-mal stärkeres Treibhausgas als CO₂. Hunderte Kilometer mit SF₆ isolierter Leitungen zu verlegen, ist aus ökologischer Sicht nicht vertretbar, selbst bei kleinsten Leckraten. Daher wird die traditionelle GIL-Technologie mit SF₆-Isolation nur an wenigen Orten weltweit eingesetzt, wo technisch eine andere Lösung nicht möglich wäre, beispielsweise am Flughafen Genf oder bei kurzen Ausleitungen an Umspannwerken.

Beide Aspekte werden in der neuen gasisolierten Leitung, die die Firma Hivoduct unter dem Namen Druckluftkabel in Zusammenarbeit mit der Gruppe für elektrische Energietechnik der Ostschweizer Fachhochschule entwickelt hat, elegant gelöst.

Die in diesem Artikel präsentierten Druckluftkabel könnten der Gamechanger in der Übertragungstechnik werden, da sie ohne SF₆ auskommen, dank ihres neuen Flanschsystems eine revolutionäre und günstige Verlegetechnik ermöglichen und viermal mehr Energie transportieren können als herkömmliche Hochspannungskabel.

Mechanischer Aufbau

Das am 21. Juli 2020 patentierte schraubenlose Flansch-Design mit Doppeldichtung löst alle mechanischen Nachteile der Technologie und kommt mit nur sechs Einzelteilen statt der rund 65 des traditionellen geschraubten Flanschdesigns aus. Das erleichtert die Installation im Feld erheblich. Zudem ermöglicht der schraubenlose Flansch viel höhere Betriebsdrücke im System als das traditionelle Flanschdesign.

Dank dem schraubenlosen Flansch hat das System insgesamt keinen grösseren Durchmesser als eine traditionelle GIL am Flansch, obwohl für Druckluft grössere Isolationsabstände nötig sind. Dies ermöglicht im Gegensatz zu Kabeln eine kostengünstige Verlegung: Die Hivoduct-Druckluftkabel können beispielsweise auf einem Rollensystem in vorher gebohrte Schächte, wie sie beispielsweise für Wasserleitungen Standard sind, geschoben werden.

Zukunftstaugliches Design

Ziel war es, ein umweltverträgliches, SF₆-freies Produkt zu entwickeln. Die Vermeidung von SF₆ ist eine grosse Herausforderung in der Hochspannungsisoliertechnik, da SF₆ das beste bekannte Isolationsgas ist. Luft isoliert ungefähr dreimal schlechter als SF₆ und ist zusätzlich leider auch nicht so elektronegativ, wie es SF₆ wegen des Fluoranteils ist.

Gemäss dem Paschengesetz steigt die Isolationsfestigkeit von Gasen mit steigendem Druck. Das ist die Basis des elektrischen Designs der neuen Druckluftkabel von Hivoduct mit Luft als Isolationsmedium. Es werden rund 11 bar Luft statt 5 bar SF₆ verwendet. Dieser höhere Betriebsdruck ist dank des neuen Flansch-Designs möglich.

Druckluft ist ein bestens untersuchtes Isoliergas. Es hat eine druckabhängige reale Durchschlagsfeldstärke, bei der der Luftdruck als ein Faktor mit Exponent 0,92 einfliesst. Der Druckexponent unter 1 berücksichtigt die Nichtlinearität, die mit zunehmendem Druck durch den wachsenden Einfluss von Oberflächenbeschaffenheiten der Elektroden entsteht. Dieser Effekt begrenzt die Anwendung von Druckluft als Isoliermedium in einem Bereich bis etwa 20 bar.

Die Feldstärke in einer koaxialen Rohranordnung ist am Innenleiter am höchsten und nimmt gegen aussen hin ab. Die maximale Feldstärke muss dabei bei der maximalen Spannungsbelastung während der Typprüfungen kleiner als die Durchschlagsfeldstärke der Druckluft sein. Daraus ergeben sich der nötige Isolierspalt und Aussendurchmesser.

Der Innenleiter-Durchmesser bestimmt die maximale Feldstärke und den verfügbaren Leiterquerschnitt. Er kann in einem weiten Bereich gewählt werden, um beide Parameter zu optimieren.

Bei einem Gehäuse-Aussendurchmesser von 212 mm und einer angelegten Spannung von 650 kV (entspricht der Blitzstoss-Prüfspannung bei Nennspannung 145 kV) variiert die maximale Feldstärke am Innenleiter je nach Innenleiter-Durchmesser von 17 bis 26 kV/mm. Die grüne Linie zeigt dazu die Durchschlagsfeldstärke von Luft bei 10 bar. Man erkennt ein Minimum bei rund 80 mm entsprechend einem Verhältnis von Aussen- zu Innendurchmesser von 2,71. Der Innenleiterquerschnitt, der entscheidend für die Stromtragfähigkeit des Druckluftkabels ist, steigt mit dem Durchmesser und der Wanddicke t. Optimale Wandstärken liegen zwischen 6 mm und 15 mm, wobei die untere Grenze durch ungenügende mechanische Stabilität des Innenleiters und die obere durch die Eindringtiefe der Wechselfelder in Aluminium bei 50 Hz gegeben ist.

Wie das folgende Bild zeigt, sind Leiterquerschnitte von über 2000 mm² daher design-inhärent für optimierte Druckluftkabel bei Hochspannungsanwendungen. Diese grossen Leiterquerschnitte sind die Basis für verlustarme Übertragungsleitungen.

Eine Übersicht über die technischen Eigenschaften von Druckluftkabeln mit dem Hivoduct-Basisdesign – skalierbar von 24 kV bis 420 kV – zeigt Tabelle 1.

In welchen Anwendungen diese technischen Eigenschaften vorteilhaft sind, wird in Tabelle 2 erläutert.

Installationsbeispiel

Eine dreiphasige Installation eines Druckluftkabels für 36 kV, 3 kA wurde als Ersatz für mehrere parallele Mittelspannungskabel in einem Kabelkanal aus Fertigbetonelementen (Innenmass: 550 x 400 mm) auf isolierenden Gleitfüssen ausgeführt. Spezielle Winkelelemente ermöglichen dabei jeden Winkel ohne Biegeradius, in diesem Fall 90°. Das Füllen mit Druckluft erfolgt via Druckluftflasche und Reduzierventil. Die Druckluftflasche kann auch zum Nachfüllen bei eventuellen Verlusten im Betrieb verwendet werden.

Fazit

Druckluftkabel werden typgeprüft nach IEC 62271-204 für verschiedene Nennspannungen, Nennströme und Kurzschlussströme bis 50 kA und sind nun verfügbar für anspruchsvolle Anwendungen in der Mittel- und Hochspannung.

Druckluftkabel unterstützen den Umbau der elektrischen Netze hin zu einer modernen, effizienten, leistungsfähigen und nachhaltigen Energieübertragung. Im Netzausbau ermöglicht diese neue Technologie dank ihrer gesellschaftlichen Akzeptanz neue Handlungsoptionen zur Netzverstärkung und zum Netzausbau.

Die Entwicklung der Druckluftkabel von Hivoduct wurde finanziell von Innosuisse unterstützt.