DE102012016670A1

DE102012016670A1 - Vorrichtung (genannt J-Tube) zum Schutz von Energieübertragungsseekabeln vor äußeren mechanischen Einflüssen an Offshore Plattformen

Info

Publication number: DE102012016670A1
Application number: DE201210016670
Authority: DE
Inventors: Sebastian Zaitz
Original assignee: Strabag Ow Evs GmbH
Current assignee: Strabag Ow Evs GmbH
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: DE102012016670B4

Abstract

Bei bekannten J-Tube Designs ist das zu schützende Energieübertragungsseekabel von Luft umgeben, deren schlechte thermische Eigenschaften Kabel größeren Kupferquerschnitts erfordern. Das neue Design soll eine verbesserte Wärmeabfuhr gewährleisten und somit höhere Übertragungsleistungen ermöglichen bzw. den notwendigen Kupferquerschnitt des Energieübertragungsseekabels verringern. Sowohl deutlich unterhalb der Wasserkante als auch am oberen Ende der J-Tube ist diese mittels Hangoffs (1), Flanschen und Dichtungen (2) abgedichtet und mit einem flüssigen Kühlmedium (3) wie zum Beispiel Wasser oder biologisch abbaubaren Transformatoröl befüllt. Ein thermisch isolierendes Rohr (4) befindet sich in der J-Tube, so dass eine Zirkulation des Kühlmediums in einem geschlossenen Kreislauf erfolgen kann. Diese kommt durch natürliche Konvektion aufgrund der thermischen Differenz zwischen dem Kabel (5) und dem umgebenden Meerwasser (6) zustande. Energieübertragungsseekabel in Offshore Wind Projekten können mit dieser Erfindung effizienter ausgenutzt sowie höhere Übertragungsleistungen ermöglicht werden.

Description

Es ist bekannt, dass Energieübertragungsseekabel eine maximale absolute Leitertemperatur im Betrieb nicht überschreiten dürfen. Diese setzt sich naturgemäß aus der Summe von Umgebungs- und Leiterübertemperatur zusammen und ergibt im Fall von XLPE Energieübertragungsseekabeln einen Wert von 20°C (Umgebungstemperatur) + 70 K (Leiterübertemperatur) = 90°C (absolute Leitertemperatur).1

1: ABB Produktbroschüre: XLPE Submarine Cable Systems; Attachment to XLPE Land Cable Systems – User's Guide, Rev 5

Ersichtlich ist demnach, dass eine Umgebungstemperatur des Energieübertragungsseekabels, die über 20°C hinausgeht, dazu führt, dass die Leiterübertemperatur abgesenkt werden muss, um innerhalb der erlaubten Absoluttemperatur von 90°C zu bleiben und einen irreparablen Schaden zu vermeiden. Als Konsequenz daraus erwächst, dass die durch das Energieübertragungsseekabel transportierte Leistung reduziert werden muss, da diese im direkten kausalen Zusammenhang mit der Leiterübertemperatur steht.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass Offshore Plattformen, auf denen elektrische energietechnische Gewerke angeordnet sind, sich oberhalb der Wasserlinie befinden und insofern Energieübertragunsseekabel innerhalb einer J-Tube einen Bereich überbrücken müssen, in dem dieses nicht von Wasser, sondern von Luft umgeben ist. Diese bietet folgende thermische Eigenschaften gegenüber Wasser2

2: Taschenbuch der Physik: Formeln, Tabellen, Übersichten/hrsg. Von Horst Stöcker. – 2., völlig überarb. Und erw. Aufl. -Thun; Frankfurt am Main: Deutsch, 1994 ISBN:3-8171-1358-7

Medium	Cp [J·g^–1·K^–1]	λ [W·m^–1·K^–1]
Wasser	4,187	0,60
Luft	1,005	0,02454

Ein Vergleich der thermischen Kennwerte zeigt die deutlich schlechteren thermischen Eigenschaften der Luft als Medium zur Wärmeabfuhr im Vergleich zu Wasser. Hinzu kommt, dass J-Tubes Sonneneinstrahlung ausgesetzt sein können, die die Luft im Inneren der J-Tubes erhitzt. Gemäß anerkanntem Stand der Technik wird diesem Problem in der Form begegnet, dass Luftschlitze in die J-Tubes eingebracht werden, um eine Luftzirkulation mittels Kamineffekt zuzulassen. Diese Maßnahme reicht jedoch nicht aus, um die Bildung eines sogenannten Hot Spots an dieser Stelle zu verhindern, der die Dimensionierung des Kabels bestimmt.3

3: CIGRE: Guidelines fort he Design and Construction of AC Offshore Substations for Wind Power Plants, Working Group B3.26, Copyright 2011, ISBN: 978-2-85873-174-9

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Diese besagen im Detail, dass das Energieübertragungsseekabel im kritischen Bereich komplett mit einem Kühlmedium mit besseren thermischen Eigenschaften als Luft umgeben wird, wie zum Beispiel Wasser (siehe Tabelle oben) oder spezielle pflanzliche Öle (Produktbeispiel: Biotemp der Firma ABB). Zum anderen wird durch die innere konstruktive Ausführung der J-Tube eine natürliche Konvektion des eingesetzten Kühlmediums erzeugt. Charakteristische Merkmale dieser sind sowohl der hermetische Abschluss der J-Tube deutlich unterhalb der Wasserkante, um eine Rückkühlung des primären Kühlmediums durch das sekundäre Kühlmedium (umgebendes Meerwasser) zu gewährleisten und der hermetische Abschluss der J-Tube am oberen Ende, um ein geschlossenes System zu erzeugen, das einen Konvektionsvorgang ermöglicht, als auch der Einsatz eines thermischen Isolationsrohres, das eine Trennung zwischen dem sich erwärmenden und aufsteigenden Kühlmedium direkt am Energieübertragungsseekabel und dem sich abkühlenden und absinkenden Kühlmedium am Innendurchmesser der J-Tube darstellt.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass im thermisch am höchsten belasteten Bereich des Energieübertragungsseekabels (Hot Spot) eine gezielte Wärmeabfuhr gewährleistet und dadurch eine erhöhte Stromtragfähigkeit des Energieübertragungsseekabels erreicht wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 2 ermöglicht eine erhöhte Effizienz der Rückkühlung des primären durch das sekundäre Kühlmedium. Hierbei wird die J-Tube nach aussen hin mit Radiatoren ergänzt, die eine zusätzliche Fläche zur Wärmeabstrahlung zur Verfügung stellen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 3 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 3 erzielt eine bessere thermische Isolation zwischen aufheizendem und abkühlenden Primärkühlmedium und somit eine effizientere Wärmeabfuhr des Energieübertragungsseekabels.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen 1, 2, 3 dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
1 zeigt einen Schnitt durch eine J-Tube gemäß Patentanspruch 1. Klar erkennbar ist die Umwälzung des Kühlmediums aufgrund der Wärmeabgabe des Energieübertragungsseekabels und die Rückkühlung über das die J-Tube umgebende Meerwasser.
2 zeigt einen Schnitt durch eine J-Tube gemäß Patentanspruch 2. Hier sind Radiatorenelemente zu erkennen, die unterhalb der Wasserunterkante angebracht sind, um eine effizientere Rückkühlung zu gewährleisten. Diese sind am Umfang der J-Tube verteilt in der jeweils benötigten Anzahl angeordnet, wie in der Ansicht von oben erkennbar ist.
3 zeigt einen Schnitt durch eine J-Tube gemäß Patentanspruch 3. Hevorgehoben ist als Merkmal, das Isolationsrohr hohl auszuführen und diesen Hohlraum mit einem speziellen Isolationsmaterial zu befüllen oder aber in diesem Rohr ein Vakuum zu ziehen, um die natürliche Konvektion des Kühlmediums innerhalb der J-Tube zu optimieren.

Claims

Vorrichtung (genannt J-Tube) zum Schutz von Energieübertragungsseekabeln vor äußeren mechanischen Einflüssen an Offshore Plattformen, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Teilen unterhalb der Wasserkante und bis zum oberen Ende der J-Tube das Energieübertragungseekabel mit einem flüssigen Medium umgibt, das mit Hilfe von natürlicher Konvektion in einem geschlossenen Kreislauf durch das Seekabel erhitzt und durch das Meerwasser als sekundärem Kühlmedium wieder abgekühlt wird mit dem Ziel, die Fähigkeit des Seekabels, elektrische Leistung zu übertragen, durch gezielte Abwärmeabfuhr zu verbessern. Hierbei befindet sich ein thermischer Isolator in konstruktiver Form eines Rohrs innerhalb der J-Tube, der einen natürlichen Konvektionskreislauf ermöglicht.
J-Tube nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die J-Tube zusätzlich mit Radiatorenelementen versehen wird, um die Rückkühlung zu verbessern.
J-Tube nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr innerhalb der J-Tube, welches als thermischer Isolator dient, hohl ausgeführt und mit einem thermisch isolierenden Medium gefüllt wird