Hochspannungskabel

Ein Hochspannungskabel ist ein elektrisches Kabel welches für den Betrieb mit Hochspannung, das sind elektrische Spannungen über 1 kV, ausgelegt ist. Dieser Kabeltyp wird unter anderem zur Übertragung großer Leistungen (bis über 1 GW und Spannung bis zur Größenordnung von 500 kV) in Stromnetzen zur elektrischen Energieversorgung als Alternative zu Freileitungen und gasisolierten Rohrleitern verwendet. Weitere Anwendungen liegen im Bereich von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) und Seekabeln.

Hochspannungskabel für 110 kV (links) und für 400 kV (rechts)

Hochspannungskabel sind, wie auch andere Kabel, durch eine isolierende Ummantelung um den spannungsführenden elektrischen Leiter gekennzeichnet, wobei bei Hochspannungskabeln pro Kabel im Regelfall nur ein Leiter im Kabel vorhanden ist. Für den in elektrischen Energienetzen üblichen Dreiphasenwechselstrom sind drei einzelne Hochspannungskabel parallel verlegt nötig. Durch die höhere Spannungen ist das Isolationsmaterial dicker ausgeführt um den hohen elektrischen Feldstärken zu widerstehen und umfasst eine äußere Abschirmung welche den elektrischen Feldstärkeverlauf im Isolationsmaterial festlegt.

Aufbau

Schnittdarstellung

Querschnitt durch ein 400 kV-Erdkabel

Hochspannungskabel, insbesondere Kabel für Betriebsspannungen über 100 kV, sind im Querschnitt axialsymmetrisch aufgebaut und bestehen im Inneren nur aus einem elektrischen Leiter. Sie sind in mehreren Schichten aufgebaut, wie in nebenstehender Schnittdarstellung abgebildet.

Im Zentrum befindet sich der eigentliche Leiter, welcher aus Kupfer oder Aluminium besteht, und einen Querschnitt bis zu 3500 mm² aufweisen kann, im Bild mit (1) beschriftet. Daran anschließend befindet sich eine elektrisch schwach leitfähige Schicht (2) gefolgt von dem eigentlichen Isolationsmaterial (3). Als Isolationsmaterial kommen Kunststoffe wie vernetztes Polyethylen (VPE, im Englischen als XLPE abgekürzt) zum Einsatz, welches bis ca. 120 °C temperaturbeständig ist und sich in homogenen Strukturen mittels Reinraumtechniken aufbringen lässt. Früher wurden auch ölgetränkte Papierschichten in Form der Ölkabeln als Isolationsmaterial eingesetzt. Daran anschließend kommt eine schwach leitfähige Schicht (4), gefolgt von der äußeren elektrischen Schirmung und die Außenisolierung welche vor Umwelteinflüssen, Feuchtigkeit und mechanischen Schäden schützt ^[1].

Die schwach leitfähigen Schichten zum eigentlichen Isolationsmaterial dienen dazu, um eine gleichmäßig glatte Oberfläche zwischen dem elektrischen Leiter und dem Isolationsmaterial zu gewährleisten. Weiters dient es dazu, Lufteinschlüsse zu vermeiden. Ohne diese schwach leitende Schicht käme es durch Unebenheiten zu lokalen Feldstärkeüberhöhungen im Grenzbereich, welche Teilentladungen begünstigen und so Auslöser zu Spannungsdurchschlägen und in Folge der thermischen Zerstörung des Kabels sein können.

Das Isolationsmaterial wie XLPE muss sehr gleichmäßig (homogen) in der Struktur aufgebracht sein und darf keine Lufteinschlüsse, Fremdkörper oder Verschmutzungen aufweisen. Einschlüsse im Isolationskörper würden ebenfalls zu ungleichen Feldstärkeverlauf mit der Folge eines Spannungsdurchschlags führen.

Kabelenden

Dreimantel-Kabel für 30 kV für die Erdverlegung

Bei den Enden von Hochspannungskabeln muss besonderes Augenmerk auf den Feldstärkeverlauf im Isolationsmaterial gelegt werden. Wird die äußere Schirmung wie bei Niederspannungskabeln abgemantelt kommt es in diesem Bereich zu einer Feldstärkeerhöhung welche über der Durchschlagfestigkeit des Isolationsmaterials liegen kann.

Abhilfe stellen speziell geformte und leitfähige Kabelendhülsen dar, wie in unten stehenden Abbildungen dargestellt. Durch deren Geometrie ergeben sich annähernd gleichmäßiger Feldstärkeverläufe. Einsatz finden diese Elemente an den Kabelenden wie beispielsweise bei Kabelüberführungsstationen zwischen Erdkabeln und Freileitungen oder bei Kabeldurchführungen im Bereich von Umspannwerken.

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  Kritischer Feldstärkeverlauf am Kabelende, rot der Innenleiter

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  Optimaler Feldstärkeverlauf am Kabelende durch Kabelendhülse

Literatur

• Andreas Küchler: Hochspannungstechnik: Grundlagen - Technologie - Anwendungen. 3. Auflage. Springer, 2009, ISBN 978-3-540-78412-8.

Einzelnachweise

1. ↑ E. Kuffel, W.S. Zaengl: High Voltage Engineering: Fundamentals. 2. Auflage. Newnes, ISBN 0-7506-3634-3.

Weblinks

• Hochspannungskabel, Aufbau und techn. Daten, Firmenschrift Tele-Fonika Kable, 2007