FEM-Simulation des thermischen Langzeitverhaltens von Hochspannungskabelanlagen bei Laständerungen

Durch den zunehmenden Einsatz erneuerbarer Energien nimmt die Dezentralisierung der Stromnetze immer mehr zu und Belastungszustände von Kabelanlagen sind vielfach starken Schwankungen unterworfen. Dies erfordert die genauere Untersuchung der transienten thermischen Belastung von erdverlegten Kabeln, als es die thermische Auslegung von Kabelanlagen nach IEC 60287 für den vollständig eingeschwungenen Zustand bei 100% Lastfaktor sowie für transiente oder zyklische Belastungen nach IEC 60853 ermöglicht. Die Umgebungsbedingungen, auf welchen diese Normen basieren, findet man in der Realität praktisch nie vor und die Kabelbelastbarkeit nach IEC 60287 beinhaltet zum Teil beträchtliche Reserven. Am Institut für Hochspannungstechnik und Systemmanagement der TU Graz wurde mittels Finite Elemente Methode (FEM) ein leistungsfähiges Programm zur transienten Simulation des thermischen Langzeitverhaltens von Hochspannungs-Kabelanlagen entwickelt. Unter verschiedenen Rahmenbedingungen, wie Art der Verlegung, Lastzustand, Anzahl der Kabelsysteme sowie Berücksichtigung von jahreszeitlich bedingten Temperaturschwankungen des Erdreichs kann das thermische Verhalten von erdverlegten Hochspannungs-Kabelanlagen durch Simulation mittels Finite Elemente Methode (FEM) nachgebildet werden.
Insbesondere bei Kabeln mit starken Lastschwankungen, wie etwa für Windparkanlagen, ist die Kenntnis des thermischen Verhaltens von Bedeutung. Anhand von 15 min-Leistungsdaten können zeitliche Temperaturverläufe für Beobachtungszeiträume von einigen Jahren simuliert werden. Im gegenständlichen Fall wurde untersucht, ob ein bestehendes Kabel für die Energieableitung bei Erweiterung der installierten Windparkleistung auf 143 % ausreichend ist, wobei die Simulationen sowohl für konstante als auch für jahreszeitlich schwankende Bodentemperatur anhand von aufgezeichneten 15 min-Leistungsdaten für den Zeitraum 2011 – 2014 durchgeführt worden sind.