Betrachtung des elektrischen und magnetischen Feldes von HTS-Kabelgeometrien zur geometrischen Optimierung mittels FEM

Inhalt:
Die Übertragungs- und Verteilnetze stellen eine anspruchsvolle Infrastruktur dar, die kontinuierlich an die steigenden Anforderungen des technischen Wandels angepasst werden müssen. Bei den Optimierungs-, Neubau- und Verstärkungsmaßnahmen stellen supraleitende Erdkabel aufgrund ihrer geringen Übertragungsverluste, ihrer höheren Übertragungskapazität und ihres geringen Platzbedarfes eine interessante Alternative zu Freileitungen und konventionellen Erdkabeln dar. Dies gilt speziell für urbane Gebiete und Engstellen, da die kompakte Bauweise der Hochtemperatursupraleiter-Kabel (HTS-Kabel) und der geringere Platzbedarf zu einer deutlichen Reduzierung des tiefbau-technischen Aufwandes und zur Reduktion der Verlegekosten führt. Beispielsweise ist es möglich, eine avisierte Übertragungsleistung von 400 MVA durch lediglich ein 3-phasiges 110-kV-HTS-Kabel zu realisieren, statt durch bis zu fünf konventionelle Einleiterkabel-Systeme. Es wird offensichtlich, dass hierbei die Kosten für den Tiefbau und die Oberfläche um bis zu 80% gesenkt werden können. In unbefestigtem Gelände, z.B. Parks und unbebauten Landschaftsgebieten, reduziert die Verlegung kompakter HTS-Kabel in einem nicht begehbaren Graben mit 30 cm Breite die hohen tiefbautechnischen Kosten auf ein Minimum [1]. Ein weiterer substanzieller Vorteil ist die Möglichkeit, die geforderten Leistungen auf einer niedrigeren Spannungsebene zu übertragen (z.B. 110-kV-Ebene anstelle 400-kV-Ebene). Dies würde deutliche Kosteneinsparungen durch den Wegfall von Transformatoren und Schaltanlagen in der höherer Spannungsebene bedeuten und zudem kostbare Flächen im innerstädtischen Bereich einsparen. Dabei bieten HTS-Kabel die Möglichkeit einer nahezu umweltneutralen Energieübertragung (keine elektromagnetischen Felder, kein Temperatureintrag im Erdreich). Die Untersuchung beschäftigt sich mit der geometrischen Optimierung und dem Vergleich eines 70-kV-Triaxialkabels und eines 110 kV-Drei-Einleiterkabels, bei einer angenommenen Übertragungsleistung von 400 MVA. Ziel ist es, den äußeren Kabeldurchmesser durch Berechnungen mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) so stark wie möglich zu minimieren, und so ggf. eine Alternative für den grabenlosen Ersatz von 110-kV-Gasdruckkabeln zu schaffen.