Transiente Überspannungen in verkabelten Höchstspannungsnetzen

Durch die zunehmende Einspeisung erneuerbarer Energien befindet sich das deutsche Übertragungsnetz in einem Wandel. Es kommt zu einer Verschiebung der Erzeugungszentren und einer zunehmend dezentralen Energieerzeugung, was dazu führt, dass ein Netzausbau unabdingbar ist. Dieser wird in Deutschland im Netzentwicklungsplan geregelt.

Dabei werden im In- und Ausland immer häufiger Kabel als Übertragungsmedium für den Netzausbau als Alternative zu Freileitungen gefordert. Der Einsatz von Kabeln im Höchstspannungsnetz hat allerdings einen signifikanten Einfluss auf das Verhalten des Netzes selbst.

Im Netz auftretende Überspannungen stellen für die verwendeten Betriebsmittel bzw. deren Isolierungen eine maßgebende Belastung dar. Ziel der Isolationskoordination ist es daher die Spannungsfestigkeit der Betriebsmittel bzw. deren Isolation so zu bemessen, dass bei den in der tatsächlichen Netzkonfiguration zu erwartenden Überspannungen ein akzeptables Ausfallrisiko nicht überschritten wird. Dabei werden auch die äußeren Umweltbedingungen und mögliche Präventionsmaßnahmen wie Überspannungsableiter berücksichtigt.

Im Vergleich zu Freileitungen weisen Kabel eine deutlich höhere Kapazität, eine deutlich niedrigere Induktivität und einen deutlich niedrigeren Wellenwiderstand auf. Dies hat starke Einflüsse auf im Netz auftretende Überspannungen. Zusätzlich weisen Kabel im Gegensatz zu Freileitungen eine nicht selbstheilende Isolation auf und sind somit in Bezug auf Durchschläge deutlich kritischer zu betrachten.

Für einzelne Kabelstrecken im Höchstspannungsnetz und für vermehrten Kabeleinsatz im Hochspannungsnetz gibt es bereits umfangreiche Untersuchungen und wissenschaftliche Publikationen. Der Einfluss eines hohen Verkabelungsgrades im Höchstspannungsnetz wurde bisher jedoch noch nicht betrachtet.

Ziel dieser Forschungsarbeit ist es daher den Einfluss von Kabeln auf transiente Überspannungen im Höchstspannungsnetz genauer zu betrachten. Dazu werden Simulationen mit der Software EMTP ATP durchgeführt.

An dem zum modellierenden Netzausschnitt des Übertragungsnetzes werden daher temporäre Überspannungen (TOV), langsam ansteigende Überspannungen (SFO) und schnell ansteigende Überspannungen (FFO) untersucht. Dabei wird der Verkabelungsgrad ausgehend vom Ist-Zustand zunehmend erhöht.

Die Weiterverwendung der aktuell in Nutzung befindlichen Betriebsmittel sowie das Auslegungsverfahren der Überspannungsableiter soll bestätigt oder neue Anforderungen an Spezifikationen formuliert und Zusatzmaßnahmen bestimmt werden. Außerdem sollen gegebenenfalls Empfehlungen zur Anpassung von Prüfspannungswerten für Kabel und Kabelgarnituren ausgesprochen werden. Ebenfalls zu betrachten sind die verschiedenen Einflussfaktoren auf auftretende Überspannungen inklusive Cross-Bonding und Mantelspannungsbegrenzung der Kabel.