Wechselspannungserdkabel an Land

Der Einsatz von Wechselspannung stellt eine von zwei technischen Optionen dar, neue Stromverbindungen als Erdkabel zu bauen. Allerdings entscheiden auch hier die physikalischen Gesetze - insbesondere die Kapazität - darüber, in welchem Umfang wir diese neue Technologie in unser Netz integrieren. Dabei haben die hohe Verfügbarkeit und Sicherheit des Übertragungsnetzes für uns stets oberste Priorität. Die wichtigsten Fakten über Wechselspannungskabel hier auf einen Blick:

Wechselspannung

• Die Polarität der Spannung ändert sich mit 50 Schwingungen pro Sekunde (50 Hertz).
• Leicht auf unterschiedliche Spannungsebenen transformierbar
• Eignet sich für die Übertragung im vermaschten Netz und für die Versorgung von Kunden/Verteilnetzen mit elektrischer Energie
  

• Benötigt im Betrieb kontinuierlich Blindleistung – ca. 10 bis 20 Mal mehr als eine Freileitung
• Die Länge von Wechselspannungskabeln ist physikalisch auf wenige Kilometer begrenzt.
• Gesetzlich vorgegebene Teilverkabelungsabschnitte auf vorgegebenen Pilotverbindungen

Kapazität von Wechselspannungskabeln

Auch bei Wechselspannungskabeln muss zunächst die Kapazität aufgeladen werden, bevor elektrische Leistung transportiert wird. Weil aber Plus und Minus alle 20 Millisekunden wechseln, fließt bei Wechselspannungskabeln kontinuierlich ein Lade- und Entladestrom – die sogenannte Blindleistung: Diese ist der entscheidende Unterschied zum Gleichspannungskabel.

Anschaulich erklären lässt sich das Thema Blindleistungsbedarf am Modell eines Wasserschlauches. Allerdings sind bei diesem Wasserschlauch die Wände nicht glatt, sondern enthalten Taschen. Pumpt man nun von einer Seite Wasser hinein, so füllen sich zunächst die Taschen.

Analog zur Wechselspannung schaltet man beim Schlauch alle 20 Millisekunden vom Pump- in den Saugbetrieb um – und umgekehrt. Damit kehrt sich auch die Fließrichtung des Wassers um und die Taschen werden wieder geleert. Durch diesen schnellen Wechsel wird nur eine gewisse Schlauchlänge mit Wasser gefüllt. Ist der Schlauch zu lang oder die Einfüllzeit zu kurz, kommt am anderen Ende kein Wasser an.

Ähnlich verhält es sich bei Wechselspannungskabeln: Zunächst muss die Kapazität des Kabels aufgeladen werden, bevor elektrische Wirkleistung transportiert wird. Durch den alle 20 Millisekunden erfolgenden Richtungswechsel kann bei einem langen Kabel die Kapazität nicht vollständig geladen werden. Deshalb kommt am anderen Ende keine Leistung mehr an. Aus diesem Grund ist die Länge eines Wechselspannungskabels technisch begrenzt.

Blindleistungskompensation

Teilweise beheben lässt sich das Problem der Blindleistung durch die sogenannte Blindleistungskompensation. Diese Aufgabe übernehmen Spulen, die großen Transformatoren ähneln und Blindleistung bereitstellen.

Diese Kompensation verursacht jedoch noch ein anderes physikalisches Phänomen. Schaltet man Spulen und Kabel elektrisch zusammen und verbindet diese mit einer Wechselspannungsquelle, so fließen kontinuierliche Ausgleichsströme zwischen diesen Elementen. Es kommt hierdurch zu Resonanzerscheinungen, die im Extremfall sogar die Netzstabilität gefährden können. Diese Resonanzen begrenzen ebenfalls den maximal möglichen Umfang der Verkabelung im Wechselspannungsnetz. Vergleichbar ist dies mit dem Effekt, der auftreten kann, wenn viele Fußgänger im Gleichschritt über eine Brücke gehen und diese durch die ausgelösten Resonanzen sogar zum Einsturz bringen können.

Erfahrungen mit Wechselspannungskabeln

Die Erdverkabelung von Wechselspannungsverbindungen findet auf der Höchstspannungsebene bislang kaum Anwendung – insbesondere wenn hohe Leistungen übertragen werden sollen. Dies liegt einerseits am hohen Blindleistungsbedarf. Anderseits gilt es, Erfahrungen mit dem Betrieb von Erdkabeln im eng vermaschten Wechselstromnetz zu sammeln. Deshalb untersuchen wir den Betrieb von Wechselspannungskabeln im Rahmen von Pilotprojekten.

Wechselspannung: wichtig für die Verbindung unterschiedlicher Netzebenen

Mit Transformatoren kann man Wechselspannung einfach in unterschiedliche Spannungsebenen umwandeln. In Umspannanlagen werden diese Transformatoren über sogenannte Sammelschienen und Schaltfelder untereinander sowie mit den Freileitungs- und Kabelanschlüssen verbunden. Die Sammelschienen sind vergleichbar mit Verteilersteckleisten, die Schaltfelder mit Schaltern.