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Modulares Analysesystem für Grundsatzuntersuchungen an langen Netzverbindungen mit Drehstrom-Hoch- und Höchstspannungskabeln

Dong, Tao

Die ständig steigende Integration der Erneuerbaren Energien in das Übertragungsnetz macht eine Verstärkung vorhandener Stromtrassen auf Hoch- und Höchstspannungsebene dringend erforderlich. Dazu werden in mehreren Ländern anstelle von Freileitungen Kabelsysteme geplant und gebaut. Die Erfahrungen bezüglich Planung und Betrieb ausgedehnter Übertragungsnetze beziehen sich größtenteils auf Freileitungen. Wegen der deutlich unterschiedlichen elektrischen Parameter von Freileitung und Kabel kann der Netzausbau durch Einsatz von Drehstromkabeln großer Länge das Betriebsverhalten des vorhandenen Übertragungsnetzes wesentlich verändern. Daraus ergeben sich viele neue technische Probleme und Herausforderungen, die bei konventionellen Freileitungsnetzen nicht auftreten oder nicht beachtenswert sind. Entwurfkriterien für Energiekabel liegen bisher hauptsächlich für kurze Stecken vor. Beachtliche Unterschiede beim Design langer Kabelsysteme bestehen darin, dass wichtige Betriebskenngrößen wie Temperaturen, Verluste, Ströme und Spannungen entlang der Kabelstrecke sowohl bei stationären als auch bei transienten Betriebsvorgängen nicht mehr gleichmäßig, sondern ortsabhängig verteilt sind. Diese Verteilungen sind von vielen Parametern wie Einspeisebedingungen, Blindleistungskompensationen sowie Schirmbehandlungen abhängig. Vernachlässigungen dieser ortsabhängigen Effekte können einerseits zu Risiken und andererseits zu wirtschaftlich ungünstigen Überschätzungen der Übertragungsverluste sowie zur Überdimensionierung der Kabelaufbauelemente führen. Um die Einschränkungen der bestehenden Standardmethoden bei der Analyse von ausgedehnten Kabelsystemen zu umgehen, wird ein umfassendes und kompaktes Energiekabelanalysesystem auf Basis eines Schaltungssimulationsprogramms „ATP-EMTP“ entwickelt. Statt einer konventionellen, separierenden Betrachtungsweise ermöglicht das neu entwickelte Analysesystem ein kompaktes Design sowie die simultane Analyse und Optimierung von Kabelanlagen bezüglich elektrischer, thermischer, magnetischer und mechanischer Anforderungen in stationären sowie in transienten Betriebszuständen. Zudem werden neue Möglichkeiten der Modellierung der thermischen Kopplungen im Erdboden vorgestellt, welche eine schnelle thermische Analyse für Kabelanlagen bei beliebigen Belastungen erlaubt und sehr geeignet ist zur Untersuchung der dynamischen Überlastbarkeiten von Seekabeln, Kabeln in Tunneln oder gehäuft verlegten Kabelsystemen. Mit dem entwickelten Analysesystem werden die wichtigsten stationären und transienten Betriebsvorgänge bei langen Kabelverbindungen sowie bei Zwischenverkabelungen eingehend untersucht. Risiken, Gegenmaßnahmen sowie Optimierungsmöglichkeiten beim Netzausbau mit Drehstromkabeln großer Länge werden aufgezeigt.

The increasing integration of renewable energy into the transmission system requires a reinforcement of existing transmission networks urgently. For this purpose, cable systems instead of over head lines are designed and installed in several countries. The experiences of planning and operation of large transmission networks are mainly based on overhead lines. Because of the significantly different electrical parameters of overhead lines and cables, the grid expansion by large-scale installation of HVAC cables can change the operational behaviour of the existing transmission network. This leads to many new technical challenges and problems, which may not occur in conventional overhead line networks. The design criteria for power cables are mainly applied to short cable connections, so far. Significant differences in the design of long cable systems are that important operating parameters such as temperatures, losses, currents and voltages along the cable route are no longer uniformly distributed but dependent on the location, in steady state as well as in transient state. These distributions depend on many parameters such as power supply conditions, reactive power compensations as well as sheath bonding methods. Neglecting these local effects can lead to risks, overestimations of transmission losses and thus an oversizing of the applied cables. In order to overcome the limitations of the existing standard methods for analysis of extended cable systems, a comprehensive and compact power cable analysis system is developed, based on a circuit simulation program "ATP-EMTP". In contrast to conventional approaches, this new developed system enables a compact design and simultaneous analysis and optimization of cable systems with respect to electrical, thermal, magnetic and mechanical requirements under steady state as well as under transient operating conditions. A new developed method for modelling the external thermal resistance allows a rapid thermal analysis for cable systems under arbitrary loads. This method is very suitable for studying the dynamic rating of submarine cables, cables installed in tunnels or groups of cable systems. The developed analysis system is applied to study the most important stationary and transient operation performances of long cables or connections with mixed overhead lines and cables. Risks, countermeasures and optimization of grid reinforcements with long HVAC cables are shown.

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Dong, Tao: Modulares Analysesystem für Grundsatzuntersuchungen an langen Netzverbindungen mit Drehstrom-Hoch- und Höchstspannungskabeln. 2013.

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