Erdkabel

Erdkabel

Erdkabel zur Stromübertragung sind weit verbreitet, allerdings fast aus­schließlich in den regionalen Verteilernetzen. 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 Verteilernetz in der Nieder- und Mittelspannungsebene im Einsatz. Im Übertragungsnetz und den dazugehörenden Hochspannungsebenen sind aufgrund der weiten Über­tragungs­strecken bisher kaum Erdkabel im Einsatz. 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.

Für die Übertragung von Gleichstrom können Kabel mit geringerem Quer­schnitt im Vergleich zu Wechselstrom eingesetzt werden, um die gleiche Leistung zu übertragen. Durch das geringere Gewicht können längere Kabel­abschnitte auf einer Kabeltrommel transportiert werden. Bei längeren Kabel­abschnitten müssen wiederum insgesamt weniger Verbindungsmuffen verbaut werden. Auch die Trasse ist bei Gleichstrom-Erdkabeln schmaler 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 und gasisolierten Rohrleitungen (GIL) 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. Die Kabeltrassen müssen dabei den Anforderungen nach DIN 4124 entsprechen.

Bei der üblichen offenen Bauweise wird die gesamte Kabeltrasse bis auf eine Tiefe von etwa 2 m aufgegraben. Zu diesen umfangreichen Erd­bewegungen kommen gegebenenfalls noch zusätzliche notwendige Anforderungen wie etwa Munitionsberäumungen.

Zu Beginn der Bauphase wird der Oberboden in der gesamten Breite des Bau­feldes abgetragen und in der Nähe des Kabelgrabens nach Bodenhorizonten getrennt gelagert. Dabei ist es möglich, dass erhebliche Mengen von Erdaushub und Abraum anfallen, die zum Teil nicht unmittelbar am Entstehungs­ort wieder eingebaut werden können (mehr).

Für die Kabelverlegung in Gräben (offene Bauweise) kann je nach Grundwasser­stand eine Grundwasserhaltung beziehungsweise bei Querung von Gewässern eine Einstauung und Umleitung des Wassers mittels Pumpe erforderlich sein. Bei Dükerungen von mehr als 300 m Länge kommen größere Bohranlagen auf einer Fläche von etwa 1.000  auf der Seite des Bohrgeräts und etwa 300  auf der Zielseite der Bohrungen zum Einsatz. Eine Dükerung kann gegebenen­falls auch unter Baugrundgesichtspunkten empfehlenswert sein.

Die Kabeltrasse muss zugänglich sein für den Abtransport von Boden- und den Antransport von Baumaterial (insbesondere Bettungsmaterial). Für ein Kabel­system ergibt sich ein Bodenaushub von etwa 4,5 /m, wobei der Bedarf an Bettungsmaterial etwa 1,5 /m beträgt. Ein Zugang für Schwertransporter zum Transport der Kabelspulen mit einem Gewicht von etwa 40 t ist mindestens im Abstand der verwendeten Kabellängen erforderlich. Auch für den Transport von größeren Bohranlagen ist die Zufahrt für Schwerlaster notwendig. Während der Bauphase kommt es durch die Baustelleneinrichtung und den Baustellen­betrieb außerdem zu Geräusch- und Abgasemissionen. Entlang der gesamten Trasse müssen Bau- und Zufahrtsstraßen angelegt werden. Für die Dauer der gesamten Bauphase werden abseits der Trasse Materiallager notwendig.

Neben der offenen Bauweise, Bohrungen und Dükerungen ist prinzipiell auch das Verlegen mit Fräsen und Pflügen möglich. Diese Techniken unterscheiden sich dabei grundsätzlich durch die Art und Weise der Kabelgraben-Erstellung. Beide Kabelgräben sind relativ schmal im Vergleich zur herkömmlichen, offenen Verlege-Technik. Vor allem das Pflügen wird bereits bei Stromkabeln im Nieder- und Mittelspannungsnetz eingesetzt. Der Einsatz erfolgt dabei hauptsächlich dort, wo wenige Querungen die Verlege­arbeit behindern und lange un­unterbrochene Trassenbereiche im freien Gelände sowie geeignete Böden vorhanden sind.

Ein Nachteil beider Verlegeverfahren ist, dass die Kabelverlegung in Kreuzungs­punkten wie Straßen oder Bahnlinien und an größeren Gewässern in der Regel unterbrochen werden muss. Bei beiden Verfahren kann es beim Vorliegen von Schichtenwasser zu Problemen mit den Grundwasserhorizonten kommen. Außerdem gilt für beide Verfahren die Grundvoraussetzung, dass das Gelände für die Befahrung durch schweres Gerät geeignet sein muss und keine Steil­hänge sowie Schräghanglagen vorhanden sein dürfen. Bei weichem und nassem Untergrund ist der Einsatz grundsätzlich problematisch. Zudem ist das Risiko, nicht oder fehlerhaft registrierte Fremdleitungen oder Bodendenkmäler zu beschädigen, beim Pflug- beziehungsweise Fräsverfahren höher als bei der offenen Bauweise.

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 Meter beziehungsweise mindestens das etwa 20-fache des Kabel­durch­messers. Aufgrund des hohen Kabelgewichts und der Transport­kapazitäten von einsetz­baren Fahrzeugen können an Land Kabel mit einer Länge von maximal 600 bis 800 Meter am Stück verlegt werden. Die Kabel werden in etwa 1,5 Meter 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.

Eine gasisolierten Rohrleitung (GIL) besteht aus einem Aluminiumleiter, der in einem mit Isoliergas gefüllten Metallrohr eingeschlossen ist. Als Isoliergas wird ein Stickstoff-Schwefelhexafluorid-Gemisch verwendet, das zu 80 Prozent aus Stickstoff (N2) und zu 20 Prozent aus Schwefelhexafluorid (SF6) besteht. Schwefel­hexafluorid wird verwendet, um Lichtbögen zu löschen. Aufgrund der Gasisolierung zeigen GIL im Gegensatz zu Kabelstrecken ein elektrisch er­wünschtes, der Freileitung sehr ähnliches Betriebsverhalten. Das Gasgemisch ist nicht entzündlich und für den Menschen nicht giftig. Schwefelhexafluorid wird jedoch als stark klimaschädliches Treibhausgas eingestuft, das in der Atmo­sphäre eine Verweilzeit von über 1.000 Jahren hat und daher strengen Umwelt­kontrollen unterliegt. Zur Vermeidung von Leckagen sind GIL standard­mäßig in geschlossene Gasräume unterteilt. Diese sind bis zu 1.200 Meter lang und mit einem Gasüberwachungssystem ausgestattet, das den Gasdruck über­wacht. Die Lebensdauer von GIL wird mit mindestens 50 Jahren kalkuliert. Die Anforder­ungen an gasisolierte Leitungen sind in der DIN EN 62271-204 beschrieben.

Es ist auch auf den später anfallenden Rückbau der Erdkabel zu achten, die generell nach Aufgabe der Nutzung wieder entfernt werden müssen. Aus­nahmen gibt es hier nur, wenn der Rückbau vergleichsweise größere Nach­teile mit sich bringen würde.

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). GIL haben eine geringere Wärmebildung als Erdkabel mit herkömmlicher VPE-Isolierung.

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. Infolge der abschirmenden Wirkung der Metallkapselung weisen GIL-Übertragungs­systeme direkt oberhalb der Trasse ein geringeres magnetisches Feld auf als Wechselstrom-Kabelsysteme mit VPE-Isolierung.

Die für unterirdisch verlegte Kabel und GIL 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). Bei GIL beträgt die Trassenbreite etwa 7 bis 9 m (bei zwei 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.

Zum Betrieb von Höchstspannungs-Gleichstrom-Erdkabelsystemen ist anzu­merken, dass die Maximalwerte der magnetischen Flussdichte bei gleicher Verlegetechnik um ein Vielfaches unter dem Grenzwert von 500 µT liegen und Werte zwischen 40 und 75 µT (bei einer Leistung von 3.000 MW) aufweisen. 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: 12.12.2016