Constantin Balzer

Constantin Balzer, M.Sc.

Leistungsreserven von MS- und NS-Kabeln

+49 6151 16-20436
+49 6151 16-20434

Fraunhoferstr. 4
64283 Darmstadt

Raum: S3|21 402

Lehrveranstaltungen

Überspannungsschutz und Isolationskoordination

Beschreibung des Promotionsprojektes

Bodenaustrocknung um ein Mittelspannungskabelbündel (Dreileiteranordnung) auf dem Erdkabeltestfeld der TU Darmstadt
Bodenaustrocknung um ein Mittelspannungskabelbündel (Dreileiteranordnung) auf dem Erdkabeltestfeld der TU Darmstadt

Bei der Übertragung von elektrischer Energie durch erdverlegte Kabel werden die elektrischen Verluste in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben, was eine Erhöhung der Temperatur des Leiters zur Folge hat. Da letztere beschränkt und direkt proportional zum Leiterstrom ist, bildet die sogenannte thermische Stromtragfähigkeit eine wichtige Grenze der Übertragungskapazität von Kabeltrassen.

Derzeit werden die Stromtragfähigkeiten meist auf der Basis von standardisierten Verbrauchsprofilen und konservativen Annahmen bezüglich der thermischen Eigenschaften der Bettung ermittelt. Dadurch ergeben sich allerdings Werte unterhalb der tatsächlichen Belastbarkeit der Kabeltrassen, falls beispielsweise eine hohe tägliche und saiso-nale Dynamik der Belastung – wie die typisch bezüglich der Einspeisung aus Photovoltaikanla-gen ist – auftritt. Auch wird der Einfluss von natürlichen Wassergehaltsänderungen des umgebenden Bodens auf die thermischen Eigenschaften der Bettung bisher nicht betrachtet.

Das Forschungsvorhaben ruht hierbei im Wesentlichen auf drei Säulen: Untersuchungen unter definierten Randbedingungen im Labor, Messungen unter realitätsnahen Bedingungen auf dem eigens errichteten Kabeltestfeld sowie Simulation der Ergebnisse mittels numerischer Modelle .

Die daraus abgeleiteten Zusammenhänge fließen letzten Endes in ein Monitoring-Tool ein, welches dem Netzbetreiber in Echtzeit die mögliche Belastbarkeit bereitstellt.

Laborversuche

Laborversuchsstand zur Untersuchung der thermischen & hydraulischen Veränderungen von Bettungsmaterialien im Nahbereich um ein Erdkabel
Laborversuchsstand zur Untersuchung der thermischen & hydraulischen Veränderungen von Bettungsmaterialien im Nahbereich um ein Erdkabel

Zur Quantifizierung der thermophysikalischen, hydraulischen und geotechnischen Kennwerte von Böden & Bettungsmaterialien wurde u. a. ein Verdunstungsversuch weiterentwickelt, um damit alle relevanten Kennwerte eines Probenkörpers simultan in vergleichsweise kurzer Zeit messen zu können.

Um zudem die Abhängigkeit dieser Größen vom Grad der Verdichtung sowie den Einfluss des latenten oder konvektiven Wärmetransporst innerhalb der Bettung zu quantifizieren, wurde eigens ein Messgerät entwickelt und patentiert.

Um schließlich Austrocknungserscheinungen um das Kabel, welche einen großen negativen Ein-fluss auf die Belastbarkeit haben können, unter definierten Randbedingungen nachbilden zu können, wurde ein maßstabsgerechter Versuchs-aufbau konstruiert.

Großfeldversuch – Erdkabeltestfeld

Luftaufnahme des Erdkabeltestfeldes - 2015
Luftaufnahme des Erdkabeltestfeldes – 2015

Um den Einfluss von Umweltbedingungen auf die Kabelbelastbarkeiten zu quantifizieren, wurde bereits 2013 auf dem Gelände der TU Darmstadt ein Erdkabeltestfeld errichtet.

Dieser Feldversuch erlaubt es, verschiedene Kabel und Kabelanordnungen in unterschiedlichsten Bettungs- und Bodentypen unter natürlichen Bedingungen zu untersuchen. Das Testfeld ist dazu bei einer Gesamtlänge von 14 m und 6 m Breite in vier hydraulisch und thermisch voneinander entkoppelte Sektoren mit jeweils 3,5 m Länge aufgeteilt, in denen Mittel- und Niederspannungskabel in Schluff, Sand, Ton und eine Flüssigbodenbettung gebettet wurden. Die Veränderungen der thermischen und hydraulischen Verhältnisse im Testfeld werden durch zahlreiche Sensoren erfasst.

Numerische Modellierung

Beispiel der Modellierung der kon-vektion von Luft in einem Hüllrohr. Gezeigt ist die Strömungsgeschwindigkeit in m s-1 bei verschiedenen Kabelpositionen
Beispiel der Modellierung der kon-vektion von Luft in einem Hüllrohr. Gezeigt ist die Strömungsgeschwindigkeit in m s-1 bei verschiedenen Kabelpositionen

Die in den Laborversuchen sowie dem Kabeltestfeld aufgezeichneten Daten werden schließlich zur Vali-dierung numerischer Modelle, welche alle relevanten physikalischen Prozesse nachbilden sollen, genutzt. Auf Basis dieser Modelle lassen sich dann eine Viel-zahl von Parametervariationen durchführen und generalisierbare Aussagen gewinnen, die in eine optimierte Betriebsführung von Kabelnetzen einfließen.

Publikationen

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