DE19710445C2 - Verfahren zum Betreiben einer Kabelanlage und Kabelanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eine Kabelanlage zur Übertragung großer Leistungen durch Hochspannungskabel mit einer Kühleinrichtung nach dem Oberbegriff des 1. Patentanspruchs und eine entsprechende Kabelanlage nach dem Oberbegriff des 4. Patentan­ spruchs.

Das Prinzip solcher gekühlter Kabelanlagen wird allgemein mit hydraulischer Kaskadenschaltung bezeichnet und ist beispielsweise beschrieben in Elektrizitätswirtschaft 80 (1981) S. 323-328. Einadrige Hochspannungskabel mit im Kabel integrierten Kühlkanälen sind dargestellt in Elek­ trizitätswirtschaft 91(1992) S. 1387-1390. In weiteren Schriften (DE 36 27 149 C2, DE 36 24 327 A1) sind Kühlverfahren für Kabel dargestellt, in denen Anzahl und Durchmesser der Kühl­ rohre diskutiert wird, um eine optimale Kühlwirkung zu erzielen.

Zum wirtschaftlichen Betrieb einer solchen Kabelanlage sind besonders die Parameter Einspeise­ druck des Kühlmittels, Länge der Trasse, Zahl möglicher Kühlunterabschnitte, Anzahl der Kühl­ rohre und Hohlkanaldurchmesser optimal aufeinander einzustellen. Diese Größen sind für eine Kabelanlage jedoch in der Regel nach Abschluß der Planung und Installation unveränderlich.

Damit erreichen bisher vorgeschlagene Anlagen ihre Systemgrenzen. Verbesserungen an beste­ henden Anlagen könnten beispielsweise durch Erhöhen des Einspeisedrucks des Kühlmittels erreicht werden. Solche Maßnahmen haben jedoch ihre technischen Grenzen in der Druckbelast­ barkeit des Materials oder auch wirtschaftliche Schranken.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen vorzuschlagen, mit denen die Leistungsreserven von Kabelanlagen mit Bündelkühlung und kaskadischem Kühlprinzip erhöht werden können.

Die Lösung der Aufgabe wird verfahrensmäßig im Kennzeichen des Hauptanspruchs und als Anordnung im Kennzeichen des 4. Anspruchs wiedergegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen fin­ den sich in den zugeordneten Unteransprüchen.

Das wesentliche Merkmal des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, die hydraulischen Drücke am Ende jeweils des ersten bis vorletzten Unterabschnitts auf den Druck des letzten Unterabschnitts einzustellen. Mit diesem Vorgehen läßt sich die Kühlung von Kabelanlagen trotz der bei Planung und/oder Installation starren Vorgaben von Längen, Durchmessern und Anzahl von Kühlrohren- bzw. -abschnitten vorteilhaft verbessern.

Als kritische Parameter stellen sich die Fließgeschwindigkeit oder der verbleibende Druck im letz­ ten Abschnitt der Kaskade dar. Diese Parameter sind stark abhängig vom Strömungswiderstand, welcher selbst äußerst stark vom Rohrdurchmesser abhängt, da dieser Zusammenhang über die S. Potenz des Durchmessers bestimmt wird.

Zeitlich gesehen kann die Erfindung schon bei der Planung und Errichtung von Neuanlagen in Betracht kommen, oder als Verbesserungen an bestehenden Anlagen eingesetzt werden.

Als vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird eine der folgender zusätzlichen Maßnahmen vorgeschlagen: Stufung der Abfolge zunehmender Durchmesser der Kühlmittelhinleitungsrohre in jedem Unterabschnitt oder Stufung der Abfolge abnehmender Längen der Unterabschnitte.

Zusätzlich zu einem der aufgezählten Verfahren, kann die Kabelanlage so betrieben werden, daß das Kühlmittel zwangsgekühlt wird.

Neben den vorgeschlagenen Verfahren wird die Erfindung auch in Sachansprüchen konkretisiert. Eine solche Kabelanlage zur Übertragung großer Leistungen über einadrige Hochspannungskabel mit im Kabel integrierten Kühlkanälen und mit mindestens einem Paar zusätzlicher, außerhalb des Kabels liegender Kühlmittelrohre zur Kühlmittelhin- und -rückleitung und mit kaskadenartiger Unterteilung der Trasse in Unterabschnitte umfaßt Druckminderungsventilen am Ende jeweils des ersten bis vorletzten Unterabschnitts zur Einstellung auf den Druck des letzten Unterabschnitts.

Weiterhin kann die Kabelanlage mit mindestens einer der folgenden Vorrichtungen ausgestattet sein: zunehmend gestufte Abfolge der Rohrdurchmesser der Kühlmittelrohre je Unterabschnitt oder abnehmend gestufte Abfolge der Längen der Unterabschnitte.

Zusätzlich kann in den Kühlkreislauf der Kabelanlage nach einem der aufgeführten Ausführungs­ formen mindestens eine Kältemaschine geschaltet sein.

Die Erfindung wird in den Figuren dargestellt. Es zeigen im einzelnen

Fig. 1 das Kühlsystem für ein Drehstromkabel,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Kabelsystem,

Fig. 3 das hydraulischem Ersatzschaltbild,

Fig. 4 den Einfluß der Unterabschnittslänge auf die Belastbarkeit,

Fig. 5 den Einfluß des Bündelrohrdurchmessers auf die Belastbarkeit und

Fig. 6 den Einfluß der Kühlwassertemperatur auf die Belastbarkeit.

In Fig. 1 sind drei Unterabschnitte A₁, A₂, A₃ eines Kühlsystems für ein Drehstromkabel 10 mit Bündelkühlung dargestellt, dem sich ein weiteres Kühlsystem B₂ (nur schematisch angedeutet) anschließen kann. Beispielsweise sind drei hydraulisch parallel geschaltete Bündelrohre 4 je Kabel­ ader verwendet. Das Kühlsystem wird von einer Umwälzpumpe 24 einer Kühlstation 25 angetrie­ ben, welche einen bestimmten Kühlmitteldurchsatz I und einen bestimmten Druck p_ges erzeugt. Das Kühlmittel gelangt über eine Einspeisemuffe 11 in das Kabel 10, bzw. über ein Hinführungs­ rohr 20 mit den Abschnitten 20'', 20''' zu den weiteren Unterabschnitten A₂, A₃ mit entsprechenden Längen l₂, l₃ in Richtung Trassenende. Einspeisung und Ausspeisung des Kühlmittels geschieht an Zuführungen 21", 21''' zu Trennmuffen 12', 12'', 12''' am Ende jeden Abschnitts. Das erwärmte Kühlmittel läuft über Auslaufrohre 30', 30'', 30''' in das Rückführungsrohr 30. In den Auslaufrohren des vorletzen und vorvorletzten Abschnitts A₁, A₂ sind Druckminderungsventile 32', 32" eingebaut. Im letzten Abschnitt A₃ befindet sich kein Druckminderungsventil.

Durch die Erfindung ist es möglich, die Dauerbelastbarkeit von VPE-Kabeln, die für 110 kV aus­ gelegt sind, auf 350 MVA zu steigern. In Fig. 2 ist schematisch eine solche Konstruktion skiz­ ziert. Die Kabel 10 liegen in einer engen Dreieckanordnung im Kabelgraben, die beiden Rohre 20, 30 des Kühlsystems laufen über der Kabelstrecke.

Zum Aufbau der Kabel 10 wird erwähnt: oberhalb jeder Kabelader (mit Leiter 1, Isolierung 2, Kupferschirm 3) sind Edelstahl-Kühlrohre 4 (beispielsweise gemäß Figur zwölf) verseilt. Die Kabel 10 sind außen mit Bandage 5 und Korrosionsschutz 6 versehen. Die Wandstärke der Kühl­ rohre 4 beträgt 1 mm, und ihr Außendurchmesser variiert im Folgenden zwischen 8 und 12 mm.

Der Außendurchmesser dieser Konstruktion liegt damit um etwa 17 bis 25 mm höher als bei ungekühlten Konstruktionen (Außendurchmesser 192 mm): mit 119 bis 127 mm bleibt er durch­ aus in einem wirtschaftlich akzeptablen Bereich.

Die Strömungsverhältnisse sind in Fig. 3 in einem hydraulischem Ersatzschaltbild dargestellt. Mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 sind gleiche Teile der Kabelanlage bezeichnet. Vom Druck p_ges der Umwälzpumpe 24 steht im letzen Abschnitt nur noch der Druck p₀ an. Für den Fall, daß die Kabel mit Bündelrohren strömungstechnisch identisch aufgebaut sind, wird durch die Einhal­ tung eines bestimmten Drucks in jedem Unterabschnitt, der dem Druck p₀ im letzten Abschnitt entspricht, erreicht, daß der Kühlmitteldurchsatz I₀ durch jeden Unterabschnitt gleich ist.

In den weiteren Fig. 4 bis 6 sind Simulationen dargestellt, die für eine Kabelanlage mit folgen­ der Auslegung berechnet wurden: 110-kV-VPE-Kabel vom Typ N2XS2Y 3*1*1600/100, Druck p_ges = 50 bar. Weitere Parameter sind: Kühlmitteleintritsstemperatur Θ Durchmesser des Hin-, bzw. Rückführungsrohrs d_R, Zahl der Rückführungsrohre N_K, Länge l der Trasse und Längen der Unterabschnitte l₁, l₂, l₃.

Durch den Einsatz der Druckminderungsventile an den Einspeisestellen ergeben sich besonders günstige wirtschaftliche Verhältnisse für das hydraulische Netzwerk.

Schon einfache Betrachtungen an einer dreigeteilten Trasse können die Vorteile der Erfindung aufzeigen.

Je nach den thermischen Gegebenheiten ist der Betrieb einer vorgestellten Kabelanlage mit mindestens einer oder ohne zusätzlicher Kältemaschine möglich. Wenn geringe Einspeisetempera­ turen Θ (beispielsweise 30°C) erreichbar sind, kann die Erfindung auch ohne zusätzliche Kälte­ maschine umgesetzt werden.

Es ist erkennbar, daß im Bereich nicht allzu großer Kühlabschnittslängen l bis zu etwa l = 10 km spürbare Belastbarkeitssteigerungen um etwa 10 bis 15% erzielt werden können.

Einen Eindruck von der Leistungsfähigkeit der hydraulischen Kaskadenschaltung liefert Fig. 4. Zugrunde gelegt wird jeweils ein Rohr für das Hinführungs- bzw. Rückführungssystem. Als Innendurchmesser für diese Rohre wird einerseits mit d_R = 70 mm ein Rohr gewählt, daß hinrei­ chend biegbar für die Verwendung transportabler Kabeltrommeln ist, und alternativ hierzu mit d_R = 100 mm ein spürbar größeres Rohr.

Deutlich wird, daß die Belastbarkeiten bei vorgegebener Länge bzw. die Übertragungslängen bei vorgegebener Übertragungsleistung durch die hydraulische Kaskadenschaltung spürbar angehoben werden. So kann die angestrebte Übertragungsleistung von 350 MVA gegenüber rd. 1,8 km bei thermischer Kaskadenschaltung nun mit einer Kühlstation über einer Kühlabschnittslänge von l = 15 km geführt werden, wenn ein Rohrdurchmesser für das Hinführungs- bzw. Rückführungs­ system von d_H = d_R = 70 mm gewählt wird. Vergrößert man diesen Rohrdurchmesser auf d_H = d_R = 100 mm, so vergrößert sich die Kühlabschnittslänge auf rd. 26 km.

Setzt man - wie in Fig. 1 mit B₂ angedeutet - symmetrisch einen gleichartigen zweiten Kühlab­ schnitt an den ersten an, so betragen die entsprechenden Kühlstationenabstände 30 km bzw. mehr als 50 km.

Fig. 4 zeigt den Einfluß der Kühl-Unterabschnittslänge l₀ auf die Dauerbelastbarkeit S als Funk­ tion der Kühlabschnittslänge l bei sonstigen Parametern mit d_H = d_R = 70 mm. Gestrichelt (*) ist eine Anlage mit einem Rückführungs- jedoch ohne Hinführungsrohr dargestellt. Die maximal erreichbare Leistung einer solchen Anlage liegt bei 200 MVA.
Anzahl der Bündelrohre N_K = 12
Anzahl der Hin- bzw. Rückführungsrohre N_H = N_R = 1
Durchmesser der Hin- bzw. Rückführungsrohre d_H = d_R = 70 mm
p_ges = 50 bar; Kühlwasser-Eintrittstemperatur Θ = 30°C.

Die mit kleinen Kreisen (o) gekennzeichneten Schnittpunkte mit den Funktionsverläufen bedeuten, daß bei größeren Kühlabschnittslängen durchaus auch größere Kühl-Unterabschnittslängen gewählt werden können: so darf im gewählten Beispiel (S = 350 MVA) bei der maximalen Kühlab­ schnittslänge von 15 km durchaus eine Kühl-Unterabschnittslänge von l₀ = 2 bis 5 km gewählt werden, ohne daß nachteilige Effekte einträten.

Fig. 5 gibt einen Vergleich der Übertragungsleistungen bzw. der Kühlabschnittslängen für die beiden unterschiedlichen Außendurchmesser der Bündelrohre von d_R = 12 mm bzw. d_R = 8 mm (dünne Kennlinien). Ergänzend werden als Parameter für das Hin- bzw. Rückführungsrohrsystem gewählt:

• - N_H . d_H = N_R . d_R = 1 . 80 mm bzw.
• - N_H . d_H = N_R . d_R = 2 . 70 mm (d. h. jeweils zwei Rohre je Hin- bzw. Rückführungsrohrsystem).

In Fig. 5 ist der Einfluß des Bündelrohrdurchmessers d_K auf die Dauerbelastbarkeit S als Funktion der Kühlabschnittslänge l deutlich erkennbar. Wiederum ist gestrichelt (*,**) eine Anlage mit einem Rückführungsrohr, jedoch ohne Hinführungsrohr zum Vergleich eingezeichnet. Es bedeu­ ten die dicken Kennlinien: Durchmesser der Bündelrohre d_K = 12 mm, und sie dünnen Kennlinien: Durchmesser der Bündelrohre d_K = 8 mm. Die weiteren Größen sind:
Anzahl der Bündelrohre N_K = 12,
Anzahl N_H = N_R und Durchmesser d_H = d_R der Hin- bzw. Rückführungsrohre,
Kühl-Unterabschnittslänge l₀ = 500 m,
p_ges = 50 bar; Kühlwasser-Eintrittstemperatur Θ = 30°C.

Der Vergleich weist aus, daß der größere Durchmesser der Bündelrohre in einem Kühlabschnitts­ bereich bis zu etwa 5 km zu spürbaren Belastbarkeitssteigerungen führt, bei kleineren Übertra­ gungsleistungen bzw. bei größeren Kühlabschnittslängen ab etwa 10 bis 15 km jedoch keinen Vorteil mehr bringt.

So reicht für das gewählte Beispiel einer Übertragungsleistung S von 350 MVA ein Bündelrohr­ durchmesser von d_K = 8 mm aus, um bei den unterschiedlichen Hin- bzw. Rückführungsrohr- Durchmessern und -Anzahlen zu folgenden Kühlabschnittslängen zu führen

• - 15 km für N_R . d_R = 1 . 70 mm,
• - 20 km für N_R . d_R = 1 . 80 mm,
• - rd. 24 km für N_R . d_R = 2 . 70 mm und
• - 26 km für N_R . d_R = 1 . 100 mm.

Demnach können alternativ zu dem großen Rohr mit einem Durchmesser von d_R = 100 mm auch zwei Rohre je Hin- bzw. Rückführungssystem mit einem Durchmesser von d_R = 70 mm gewählt werden, d. h. eine Variante mit auftrommelbaren Rohren bei vergleichbarem Leistungsvermögen.

Bisher wurde den Berechnungen eine Kühlwasser-Eintrittstemperatur von Θ = 30°C vorausge­ setzt, so daß keine Kältemaschine eingesetzt werden muß. Wird der Frage nachgegangen, welche Leistungsreserven eine solche Kabelanlage z. B. im Überlastfall bietet, so ist die Kühlwasser-Ein­ trittstemperatur ein wesentlicher Parameter, wenn eine Kältemaschine für solche Laststeigerungen bereit gehalten wird.

Fig. 6 zeigt den Einfluß der Kühlwasser-Eintrittstemperatur Θ auf die Dauerbelastbarkeiten S, wenn die Kühlwasser-Eintrittstemperatur von Θ = 30°C auf 10°C gesenkt wird; dabei wird für das Hin- bzw. Rückführungsrohrsystem jeweils ein Rohr mit einem Innendurchmesser von d_R = 70 mm zugrundegelegt. Der Fig. 6 sind folgende Parameter zugrunde gelegt:
Anzahl der Bündelrohre N_K = 12,
Anzahl der Hin- bzw. Rückführungsrohre N_H = N_R = 1,
Durchmesser der Hin- bzw. Rückführungsrohre d_H = d_R = 70 mm,
Kühl-Unterabschnittslänge l₀ = 500 m; p_ges = 50 bar.

Deutlich wird, daß im Bereich nicht allzu großer Kühlabschnittslängen bis zu etwa 10 km spür­ bare Belastbarkeitssteigerungen um etwa 10 bis 15% erzielt werden können.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben einer Kabelanlage zur Übertragung großer Leistungen über einadrige Hochspannungskabel (10) mit im Kabel integrierten Kühlkanälen (4)
und mit mindestens einem Paar zusätzlicher, außerhalb des Kabels (10) liegender Kühlmittelrohre (20, 30) zur Kühlmittelhin- und -rückleitung,
und mit kaskadenartiger Unterteilung der Trasse in Unterabschnitte (A₁, A₂, A₃), dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulischen Drücke am Ende jeweils des ersten bis vorletzten Unter­ abschnitts (A₁, A₂) auf einen im letzten Unterabschnitt (A₃) herrschenden Druck mittels Druckminderungsventile (32', 32") eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulischen Drücke am Ende jeden Unterabschnitts (A₁, A₂) durch eine der folgenden zusätzlichen Maßnahmen eingestellt werden:

• 1. Stufung der Abfolge zunehmender Durchmesser der Kühlmittelhinleitungsrohre (20) in jedem Unterabschnitt (A₁, A₂) oder
• 2. Stufung der Abfolge abnehmender Längen (l₁, l₂) der Unterabschnitte (A₁, A₂).

3. Verfahren zum Betreiben einer Kabelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich das Kühlmittel zwangsgekühlt wird.

4. Kabelanlage zur Übertragung großer Leistungen über einadrige Hochspannungskabel mit im Kabel integrierten Kühlkanälen und mit mindestens einem Paar zusätzlicher, außerhalb des Kabels (10) liegender Kühlmittelrohre (20, 30) zur Kühlmittelhin- und -rückleitung, und mit kaskadenar­ tiger Unterteilung der Trasse in Unterabschnitte (A₁, A₂, A₃), dadurch gekennzeichnet, daß mittels Druckminderungsventilen (32', 32") die hydraulischen Drücke am Ende jeweils des ersten bis vorletzten Unterabschnitts (A₁, A₂) auf einen im letzten Unterabschnitt (A₃) herrschenden Druck einstellbar sind.

5. Kabelanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten bis vorletzten Unterabschnitt (A₁, A₂) mindestens eine der folgender Vorrichtungen zusätzlich eingesetzt ist:

• 1. zunehmend gestufte Abfolge der Rohrdurchmesser (d) der Kühlmittelrohre (20, 30) je Unterab­ schnitt oder
• 2. abnehmend gestufte Abfolge der Längen (1) der Unterabschnitte (A₁, A₂, A₃).

6. Kabelanlage nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich mindestens eine Kältemaschine (25) in den Kühlkreislauf geschaltet ist.