Erdkabel

Erdkabel

Erdkabel zur Strom­über­tragung sind weit verbreitet, vor allem in den regionalen Verteil­netzen. Vergleichs­weise neu ist die Verwendung von Erd­kabeln in den über­regionalen Übertragungsnetzen, die große Strom­mengen über weite Distanzen transportieren müssen.

Strom kann per Erd­kabel ebenso wie bei einer Frei­leitung entweder als Wechsel­strom oder als Gleich­strom übertragen werden. Je nach Über­tragungs­art muss ein spezieller Kabel­typ gewählt werden.

Wechselstrom-Erdkabel sind in Deutschland vor allem im Verteilnetz in der Nieder- und Mittel­spannungs­ebene im Einsatz. Im Bereich der Hoch­spannung nimmt der Anteil der Erd­ver­kabelung zu. Im Über­tragungs­netz und den dazu­gehörenden Höchst­spannungs­ebenen bringt der Einsatz von Erd­kabeln neue technische Heraus­forderungen mit sich. Des­wegen wurden hier bisher nur wenige Kilo­meter als Erd­kabel realisiert. Je länger ein Wechsel­strom-Erdkabel ist, desto größer ist der Anteil der nicht nutz­baren Blindleistung. Ab einer gewissen Länge sind etwa alle 15 km zusätzliche Kompen­sations­maßnahmen notwendig. Dafür kann Wechsel­strom direkt in das her­kömm­liche Strom­netz eingespeist werden und die Spannung lässt sich besonders effizient ändern.

Bei Gleichstrom-Erdkabeln kann die Trasse bei vergleich­barer Über­tragungs­leistung schmaler ausgeführt werden, als bei Wechsel­strom-Erd­kabeln, weil weniger Leiter benötigt werden. Außerdem gibt es bei Gleich­strom keine Blind­leistungs­verluste, daher wird auch keine Kompensations­einrichtung benötigt und die Energie kann über weitere Strecken übertragen werden. Erd­kabel werden für Gleich­strom­leitungen im Hoch- und Höchst­spannungs­bereich in Deutsc­hland derzeit nur zur Offshore-Anbindung eingesetzt. Künftig sollen aber auch für Gleich­strom­leitungen an Land vermehrt Erd­kabel verwendet werden.

Die Verlegung von Erd­kabeln ist deutlich auf­wändiger als die von Freileitungen. Die Prüf­verfahren und Anforderungen für fest verlegte Über­tragungs­kabel­systeme werden in der DIN IEC 62067 / VDE 0276-2067 beschrieben.

Bauphase / Kabelverlegung

Vor Beginn der Bauarbeiten ist eine Rodung im Trassenbereich sowie für die Fahrwege und eventuell weitere Arbeitsbereiche notwendig. Bei der Planung und Durchführung der Bauarbeiten ist insbesondere die DIN 19639 zu beachten.

Außerdem sind vor der Verlegung von Erdkabeln umfangreiche Vorarbeiten wie beispielsweise die Durchführung einer Kampfmittelsondierung, die Durchführung von archäologischen Untersuchungen oder die Untersuchung des vorhandenen Baugrundes erforderlich.

Offene Bauweise

Der weitaus größte Anteil der Erdkabel wird in der offenen Bauweise verlegt. Dabei wird zuerst der vorhandene Oberboden mittels Bagger abgetragen und im Randbereich der Erdkabelbaustelle zum späteren Wiedereinbau fachgerecht zwischengelagert. Die Kabeltrasse wird bei der offenen Bauweise bis auf eine Tiefe von ca. 2 m aufgegraben. Nach Aushub des Kabelgrabens und separat durchgeführter Zwischenlagerung des Aushubmaterials erfolgt im Anschluss der Einbau von Leerrohren zur Aufnahme der Kabel. Alternativ können die Stromkabel auch ohne Leerrohre in den entsprechenden Graben verlegt werden. Nach Einbau der Leerrohre bzw. der Stromkabel werden Bettungsmaterialien eingebaut und der Graben wird wieder mit dem zwischengelagerten Grabenaushubmaterial lagenweise verfüllt. Im letzten Schritt wird der zwischengelagerte Oberboden wieder aufgetragen.

Für ein Kabelsystem ergibt sich insgesamt ein Bodenaushub von ca. 4,5 m3/m, wobei der Bedarf an Bettungsmaterial ca. 1,5 m3/m beträgt. Dabei ist es möglich, dass Erdbodenmassen durch den Einbau des Bettungsmaterials am Entstehungsort nicht mehr eingebaut werden können (mehr). Die Breite der gesamten Baubedarfsfläche differiert dabei immer und hängt maßgeblich von den vorhandenen Bodenverhältnissen, der Anzahl der zu verlegenden Kabel und den topografischen Verhältnissen ab.

Für die offene Bauweise können jedoch eine Oberflächenwasserhaltung und je nach Grundwasserstand eine Grundwasserhaltung erforderlich sein (mehr).

Geschlossene Bauweise

Neben der Verlegung der Kabelsysteme in offener Bauweise, ist prinzipiell auch das Verlegen durch Einpflügen / Einfräsen der Stromkabel oder mit Hilfe von Horizontalbohrungen möglich. Diese Techniken unterscheiden sich dabei grundsätzlich zu der offenen Grabenbauweise und dienen generell als Ergänzung zur offenen Kabelverlegung.

Der Kabelpflug schneidet den Untergrund auf und erstellt den Hohlraum durch Verdrängung bzw. Verdichtung des Bodens in die angrenzenden Bereiche. Dabei wird also kein Bodenmaterial gefördert und muss somit nicht wieder eingebaut oder entsorgt werden. Das bedeutet aber auch, dass im Gegensatz zur offenen Grabenbauweise kein Bettungsmaterial eingebaut werden kann. Das Bettungsmaterial kommt in der Regel zur Sicherstellung des Wärmeabtransports und zur mechanischen Sicherung der Stromkabel zum Einsatz.

Bei einer Fräse wird der Boden mechanisch durch eine mit Schneiden bestückte Fräskette bzw. Fräsband gelöst und nach oben befördert. Der Aushub liegt dann einseitig am Grabenrand und kann bei Eignung anschließend zur Grabenverfüllung genutzt werden.

Im Vergleich mit der offenen Grabenbauweise scheint das Pflugverfahren fordergründig mit einem schmaleren Kabelgraben auszukommen, als die offene Grabenbauweise. Zu berücksichtigen ist allerdings, dass der Bodenaushub ebenso wie bei der offenen Grabenbauweise lagenweise zwischengelagert werden muss und die Breite zur Befahrung der Zugfahrzeuge des Pfluggerätes bereitgehalten werden muss. Bei Durchführung des Fräsverfahrens ist eine separate Zwischenlagerung des Bodenmaterials nicht mehr möglich, da die Fräse den Graben bis auf die benötigte Arbeitstiefe in einem Arbeitsgang herstellt.

Ein Nachteil beider Verlegeverfahren ist, dass die Kabelverlegung in Kreuzungspunkten (Straßen, Bahnlinien, etc.) und größeren Gewässern in der Regel unterbrochen werden muss Außerdem gilt für beide Verfahren die Grundvoraussetzung, dass das Gelände für die Befahrung durch schweres Gerät geeignet sein muss und keine ausgeprägten Steilhänge sowie Schräghanglagen vorhanden sein dürfen. Zudem ist das Risiko beim Pflug bzw. Fräsverfahren im Vergleich zur offenen Grabenbauweise, nicht oder fehlerhaft registrierte Fremdleitungen und Bodendenkmäler zu beschädigen.

Vor allem das Pflügen wird bereits bei Stromkabeln im Nieder- und Mittelspannungsnetz eingesetzt. Der Einsatz erfolgt dabei hauptsächlich dort, wo wenige Querungen (zum Beispiel Straßen) die Verlegearbeit behindern und lange ununterbrochene Trassenbereiche im freien Gelände sowie geeignete Böden vorhanden sind.

Die Kabeltrasse muss unabhängig von der durchgeführten Bauvariante für den An- und Abtransport von Baumaterial während der Bauphase zugänglich sein. Auch für den Transport von größeren Bohranlagen ist die Zufahrt für Schwertransporte notwendig. Entlang der gesamten Trasse müssen somit Bau- und Zufahrtsstraßen angelegt werden. Unter Umständen ist die Einbeziehung bereits vorhandener Wege oder Straßen möglich.

Bei Höchstspannungs-Gleichstrom-Übertragung können auch bipolare Systeme mit nur zwei Leitern ohne Neutralleiter verwendet werden. Baubedingt kann sich dabei eine geringere Trassenbreite ergeben, die mit entsprechend reduzierten Bauarbeiten und weniger Nutzungseinschränkungen im Bereich der Schutzgüter einhergeht. Außerdem sind zusätzliche Auswirkungen auf die Umwelt durch notwendige Nebenanlagen möglich.

Anlage

Die Anlage der Erdkabel unterscheidet sich grundlegend von der Anlage der Freileitung. Derzeit existieren jedoch für den Aufbau der Kabel­systeme auf Höchst­spannung­sebene weder auf nationaler noch auf inter­nationaler Ebene entsprechende Normen.

In der Regel werden Aluminium-, aber auch Kupfer­leiter benutzt, die von einer Isolierungs­schicht in der Regel aus vernetztem Poly­ethylen (VPE) ummantelt sind. Der Leiter weist dabei meist einen Durch­messer von etwa 50 mm auf. Der Gesamt­durch­messer liegt bei etwa 115 mm.

Ein Erd­kabel wiegt pro Meter etwa 13 kg. Der Biege­radius beträgt etwa 2,5 bis 3 m beziehungs­weise mindestens das etwa 20-fache des Kabel­durch­messers.

Im Bereich von Hoch- und Höchst­spannung gibt es zwei unter­schied­liche Kabel­typen, die sich nach Art des verwendeten Isolier­stoffs unter­scheiden. Prinzipiell sind beide Kabel­typen ähnlich aufgebaut. Beim ersten Kabel­typ, dem sogenannten papierisolierten Kabel, besteht die Isolierungs­schicht aus in Öl getränktem Papier, über das ein Schutz­mantel aus verschiedenen Materialien aufgebracht wird. Je nach Art des verwendeten Imprägnier­stoffes unter­scheidet man die papier­isolierten Kabel in Ölkabel und Masse-imprägnierte Kabel (MI-Kabel).

Dem papier­isolierten Kabel steht das kunststoffisolierte Kabel gegen­über, bei dem die isolierende Schicht aus einem hierfür entwickelten Kunst­stoff und einem Mantel aus einer Kupfer-, einer Gummi- und einer abschließenden Poly­ethylen­schicht besteht. Vorteile von kunst­stoff­isolierten Kabeln gegenüber papier­isolierten Kabeln sind geringere Produktions­kosten und geringere dielektrische Verluste. Verglichen mit kunst­stoff­isolierten Kabeln und MI-Kabeln stellen Kabel mit öl­getränktem Papier ein höheres Umwelt­risiko dar, da trotz aller Maßnahmen immer auch ein Leckage-Risiko gegeben ist.

Aufgrund des hohen Kabel­gewichts und der Transport­kapazitäten von einsetz­baren Fahrzeugen können an Land Kabel mit einer Länge von maximal 500 m (MI-Kabel) bis 1200 m (kunst­stoff­isoliertes Kabel) am Stück verlegt werden. Die Kabel werden in etwa 1,5 m Tiefe verlegt.

Bei der Wechsel­stromübertragung besteht ein System aus drei Adern, die je nach Anordnung in unter­schiedlichem Abstand zueinander liegen. Verschiedene Systeme werden mit einem Mindest­abstand von etwa einem Meter zueinander verlegt. Die Leiter werden je nach zu erwartender Wärme­bildung und Boden­beschaffen­heit in speziellen Bettungen verlegt, die den Wärme­transport begünstigen.

Entlang der Trasse werden in Abständen Markierungs­pfähle gesetzt, die vor unbeabsichtigter Beschädigung des Kabels bei Bau­arbeiten beispiels­weise im Straßen­bau warnen. Bezüglich der VPE-Kabel sowie der dazu­gehörigen End­verschlüsse und Muffen geht man bei ordnungs­gemäßem Betrieb von einer technischen Lebens­dauer von mehreren Jahr­zehnten (mindestens 40 Jahre) aus, wobei (im Höchstspannungsbereich) noch keine Lang­zeit­betriebs­erfahrungen existieren und zu beachten ist, dass dauer­haft hohe Temperaturen zu einer signifikant beschleunigten Zersetzung der Kunst­stoff­isolation führen können.

Betriebsphase

Das Höchstspannungs­kabel erwärmt sich während des Betriebs und gibt diese Wärme an die Umgebung ab. Die Erwärmung an der Leiter­ober­fläche ist ab­hängig von einer Reihe von Faktoren (unter anderem Lege­tiefe, Kabel­isolierung, Bettung des Kabels, Anordnung der Kabel, Abstand der Kabel unter­einander, Wärme­leit­fähigkeit des Erd­reichs und des Bettungs­materials sowie der tatsäch­lichen Kabel­aus­lastung).

Anders als bei Freileitungen treten beim Betrieb von Erd­kabeln keine Koronaeffekte mit ihren Folge­wirkungen auf. Außer­dem emittieren Erdkabel aus­schließ­lich magnetische und keine elektrischen Felder, da diese durch die metallische Kabel­um­hüllung abge­schirmt werden. Im Bereich der Erd­kabel­trassen treten die stärksten Magnet­feld­stärken an den Orten mit der geringsten Boden­überdeckung auf. Die Stärke nimmt mit zunehmendem Abstand zur Trassen­mitte mit einer negativen Potenz ab und damit deutlich schneller als bei Frei­leitungen. Sie ist abhängig von konstruktiven und betrieb­lichen Parametern wie der Stärke des übertragenen Stroms, der Verlegungs­tiefe, der relativen Anordnung der Phasen­leitungen der Systeme sowie deren Strom­belegung.

Die für unterirdisch verlegte Kabel benötige Kabel­trasse mit Schutz­streifen darf nicht bebaut werden und muss von tief wurzelnden Pflanzen frei­gehalten werden, um ein Eindringen der Wurzeln in den Kabel­graben zu vermeiden. Je nach Anzahl der verlegten Systeme sind die Schutz­streifen bei Drehstrom-Erdkabeln etwa 13 bis 21 m breit (bei vier Systemen). Zusätzlich ist in jedem Fall ein etwa 4 bis 5 m breiter Korridor für den zukünftigen Zugang frei­zuhalten. Ansonsten kann der Boden land- und eingeschränkt forst­wirt­schaft­lich genutzt werden.

Bei Erdkabeln sind Störungen des bestimmungs­gemäßen Betriebs durch mechanische Einwirkung, Korrosion, Über­spannung oder mechanisch-thermische Über­bean­spruchung (Wärme­emissionen) möglich. Potenzielle Wirkungen können beim Betrieb von Erd­kabeln auch von Bränden und Explosionen der End­verschlüsse der Muffen ausgehen. Darüber hinaus werden in regel­mäßigen zeitlichen Abständen Wartungs­arbeiten durchgeführt, bei denen Lärm- und Abgas­emissionen entstehen und gegebenen­falls zusätzlich notwendige Verrichtungen erforderlich werden können.

Beim Betrieb von Höchstspannungs-Gleichstrom-Erdkabelsystemen liegen die Maximal­werte der magnetischen Fluss­dichte in der Regel um ein Viel­faches unter dem Grenz­wert von 500 µT. Des Weiteren ist die Erwärmung der Boden­umgebung bei der Übertragung von Gleich­strom geringer als bei der von Wechsel­strom, sodass die Kabel bei sandigen Böden teil­weise direkt im Graben verlegt werden können und keine Auffüllung zum Schutz des Kabels notwendig ist. Je nach Anzahl der verlegten Systeme sind die Schutz­streifen bei Gleich­strom­erd­kabeln etwa 11 bis 20 m breit (bei vier Systemen).

Stand: 12.10.2020

Quellennachweis für die hier zum Erdkabel gemachten Ausführungen

Belli, S., Perego, G., Bareggi, A., Caimi, L., Donazzi, F., Zaccone, E.: P-Laser (2010): Break­through in power cable systems. Conference Record of the 1988 IEEE International Symposium. DOI: 10.1109/ELINSL.2010.5549826.

DIN 19639 (2019): Boden­schutz bei Planung und Durch­führung von Bau­vorhaben. Hand­buch der Boden­unter­suchung. Beuth Verlag. Berlin.

Habild, S. (2015): Erd­ver­kabelung im Bereich der HGÜ-Leitungen. Vortrag vom Geschäfts­bereichs­leiter Grid­Systems, ABB AG am 17.01.2015.

Hofmann, L., Mohrmann, M., Rathke, M. (2012): Ökologische Auswirkungen von 380-kV-Erd­leitungen und HGÜ-Erd­leitungen. Bericht der Arbeits­gruppe Technik/Ökonomie. Auftrag­geber: Bundes­ministerium für Umwelt, Natur­schutz und Reaktor­sicherheit (BMU). E. Cuvillier Verlag. 1. Auf­lage.

Küchler, A. (2009): Hoch­spannungs­technik: Grund­lagen - Technologie - Anwendungen. Springer Verlag, 3. Auflage. Heidel­berg. Seite 477 ff.

Rohrleitungsbauverband e.V. (2016): Stellung­nahme zu den Verlege­techniken Fräsen und Pflügen.

Fach­stellung­nahme im Auftrag der Bundes­netz­agentur (2012):