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Bestimmung thermischer Materialkennwerte von Erdkabelbettungen

Stegner, Johannes :
Bestimmung thermischer Materialkennwerte von Erdkabelbettungen.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Bestimmung thermischer Materialkennwerte von Erdkabelbettungen
Language: German
Abstract:

Die Funktion der elektrischen Energienetze ist weltweit wichtig für die Bevölkerung und Wirtschaft der Länder. Beim Bau und beim Netzbetrieb stellen die Versorgungssicherheit sowie ökologische und ökonomische Sachverhalte die wichtigsten Aspekte dar. In Schwel-lenländern erfolgt z. B. zurzeit ein Aus- und Umbau zur Vermeidung von Netzüberlastun-gen aufgrund der wachsenden Industrie und Veränderungen in der Bevölkerungsstruktur. In Industrienationen und insbesondere in Deutschland als Vorreiter der Energiewende ist der Bau von Hoch- und Höchstspannungstrassen zum Transport der Energie aus großen Windparks notwendig. Zusätzlich müssen für die Nutzung erneuerbarer Energiequellen in Kleinkraftwerken und der damit einhergehenden Dezentralisierung der elektrischen Ener-gieproduktion umfangreiche Umbauten in den heute überwiegend mit erdverlegten Kabeln realisierten Verteilnetzen durchgeführt werden. Zurzeit erfolgen in Deutschland zeitweise Abschaltungen von Anlagen zur Nutzung erneu-erbarer Energien aufgrund fehlender Netzkapazitäten (ECOFYS, 2012). Diese Abschaltun-gen sind u. a. auch deshalb notwendig, weil es bei im Boden verlegten Stromkabeln zu elektrischen Verlusten kommt, die in Form von Wärme abgegeben werden. Die maximale Strombelastung wird durch die maximal zulässigen Leitertemperaturen beschränkt, die von den Kabelherstellern mit 70 bis 90 °C angegeben werden. Die Strombelastbarkeiten von Erdkabeln werden durch die Normen IEC 60287 und die DIN VDE 0276-1000 vorgegeben. Beim Nachweis von mittleren und geringen Wärmewider-ständen der Kabelumgebung bieten sie die Möglichkeit, erhöhte Werte als Bemessungs-strom für die Kabel anzusetzen. Die Wärmetransportmechanismen in Böden sind neben dem Einfluss der mineralischen und organischen Bestandteile sowie der Temperatur eng mit dem Wassergehalt verknüpft. Der Wassergehalt wiederum hängt maßgeblich von der Saugspannung im Boden ab. Die Verknüpfung zwischen dieser und dem Wassergehalt von Lockergesteinen bildet die sogenannte Wasserspannungskurve. Bisher werden die Möglichkeiten zur Bewertung der Kabelbelastbarkeit anhand von Bo-denkennwerten in der Praxis nahezu nicht genutzt, weil keine standardisierten Messme-thoden und Auswerteverfahren für die Wärmeleitfähigkeiten von Erdkabelbettungen existie-ren. In der vorliegenden Arbeit wurden deswegen Methoden für die Ermittlung der boden-physikalischen Kennwerte für die thermische Belastbarkeit von erdverlegten Kabelsyste-men entwickelt und validiert, und es wird deren Anwendung dargestellt. Die theoretischen Ansätze dieser Arbeit wurden durch umfangreiche Labor- und Felduntersuchungen beglei-tet und validiert. Die Grundlagen des Wärmetransports um Erdkabel herum wurden aus den Fachbereichen Elektrotechnik und Geowissenschaften zusammengetragen. Dazu wurden die Kennwerte für die Untersuchung unterschiedlicher Erdkabelbettungen (offshore, onshore, Sonderbau-formen) ermittelt und Entnahme-, Lagerungs- und Transportkonzepte erstmals abgeleitet. Aus der Geothermie bekannte Messverfahren wurden auf die kombinierte Messung von thermischen und hydraulischen Kennwerten von ungesättigten und gesättigten Kabelbet-tungen übertragen und weiterentwickelt. Ein klassischer Verdunstungsversuch wurde mit einer Wärmeleitfähigkeitsmessung mittels Nadelsonden kombiniert. Mit dieser methodischen Weiterentwicklung kann die Wärmeleit-fähigkeit einer Bodenprobe direkt über einen weiten Wassergehalts- und Saugspannungs-bereich bestimmt werden, während das Wasser aus der Probe verdunstet. Zudem wurde ein neues Verfahren für die Überführung der einzelnen Messwerte in eine stetige Funktion abgeleitet. Das Versorgungsgebiet des Projektpartners, der E.ON AG, umfasst erhebliche Anteile Bayerns. Deshalb wurden insbesondere bayerische Böden, sowie zu Vergleichszwecken Seeböden der Nord- und Ostsee untersucht. Da erdverlegte Kabel häufig auch in künstli-che Bettungsbaustoffe eingebaut werden, wurden Rohstoffe für Bettungsbaustoffe ebenso untersucht. Die Mess- und Auswerteverfahren wurden auch hier angewendet und validiert. Mittels statistischer Betrachtungen der Messergebnisse konnte das Potenzial der geother-mischen Voruntersuchung von Verlegetrassen für die Berechnung der Kabelbelastbarkeit aufgezeigt werden. Bei den bayerischen Böden ergaben sich für 14 % der untersuchten Proben Wärmeleitfähigkeiten, die unter 1 Wm-1K-1 liegen. Für diese Böden ist der oft bei Bemessungen der Übertragungsleistung nach DIN 0276-1000 angesetzte Bemessungs-wert von 1 Wm-1K-1 zu groß gewählt. Mit üblichen Bodenverdichtungsarbeiten im Bereich der Kabelgräben werden dagegen Wärmeleitfähigkeiten von mehr als 1,5 Wm-1K-1 leicht erreicht. Dieses konnte für mindestens 50 % der Böden gezeigt werden. Damit kann für Kabel in diesen Böden eine erhöhte Belastbarkeit nach DIN 0276-1000 für die Verteilung elektrischer Energie angesetzt werden. Es wird gezeigt, dass eine Identifizierung von Böden mit niedrigen Wärmeleitfähigkeiten ebenso wie die Identifizierung von Böden mit hohen Wärmeleitfähigkeiten während des Trassenbaus möglich ist. Damit können Böden mit niedrigen Wärmeleitfähigkeiten gezielt ausgetauscht werden. Die Messergebnisse der vorliegenden Arbeit wurden in einer hierfür erstellten GIS-Karte erfasst. Sie bildet mit den Messwerten der folgenden Projektabschnitte die Basis für die Entwicklung einer räumlichen Bewertungsmethode zur Planung von Ka-beltrassen, welche den Einfluss des Energie- und Wasserhaushalts der Standorte berück-sichtigt. Zur Validierung wurden die Labormesswerte in einem hierfür errichteten Kabeltestfeld mit Feldmesswerten verglichen. Hierfür wurden Temperaturzeitreihen an Mittel- und Nieder-spannungskabeln mittels Software, die in der Geothermie für die Berechnung der Wärme-leitfähigkeit des Bodens um Erdwärmesonden eingesetzt wird, ausgewertet. Es zeigen sich gute Übereinstimmungen zwischen den Feld- und Labormesswerten. Bei den Feldmess-werten ist aufgrund der Kabeltemperaturen ein zusätzlicher konvektiver Wärmetransport im Porenraum über die Dampfphase erkennbar. Das dargestellte Auswertungsverfahren stellt eine Möglichkeit dar, bei neugebauten Trassen durch Anbringung von Temperatursensoren bzw. Lichtwellenleitern über eine Aufheizung des Kabels die Kennwerte des umgebenden Bodens zu ermitteln und zusätzlich Trassenbereiche mit besonders hoher Wärmeentwick-lung zu identifizieren und möglicherweise zu sanieren. Auf Basis der im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten Untersuchungen wurde ab-schließend ein neues Messgerät entwickelt, dass die bisherigen Messverfahren ergänzt. Hierin erfolgt die Messung unter Variation der Verdichtung und der Temperaturgradienten in der Probe, wodurch der Dampftransport in der Probe miterfasst wird.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The proper functioning of its power grid is an infrastructural key factor for every country, economy and population worldwide. Security of energy supplies and other ecological and economic issues are the main aspects in building and operating a power grid. Emerging economies are currently extending and remodeling their infrastructure to prevent over-stressing the grids due to the demands of a growing industry and changes in their popula-tion structure. In industrial nations - especially in Germany, the pioneer of the „Ener-giewende“ - the construction of high voltage lines to transport energy from large wind farms has become a necessity. To make use of alternative sources of energy in small power plants and due to the decentralization of power production that comes along with it, exten-sive remodeling of the grid has to be done. At the time being distribution networks consist mainly of buried power lines. Facilities that make use of renewable energies currently have be to shut down intermittently because of lacking grid capacities (ECOFYS,2012). This shut downs arise from various reasons - including the one that buried power lines suffer losses that are emitted as heat. The maximum current load is limited by the maximum temperature of the conductor, which is specified by the power line manufacturers as 70 to 90° Celsius. The maximum current load of buried lines is specified by the IEC 60287 and DIN VDE 0276-1000. These standards offer the possibility to raise the maximum current for used cables, if medium to low thermal resistance of the cable surroundings can be proved. The mechanisms of heat transport in soils are, among the influence of mineral and organic constituents and their temperature, tightly coupled to their water content. The water content in turn significantly depends on the ground's capillary tension. Joining the capillary tension with the specific water content of unconsolidated rocks results in the so-called water reten-tion curve. Until now, the possibilities of rating the capacity of power lines based on soil properties are rarely used, because no standardized methods of measuring and evaluating thermal con-ductivity of underground cable beddings exist. This project succeeded in developing and evaluating methods for determining geophysical properties of underground power line sys-tems and depicting exemplary application. The theoretical approach was validated by com-prehensive laboratory and field studies. Basic principles of heat transmission have been compiled from the work of the departments of electrical engineering and geosciences. For that purpose, properties of different cable beddings (offshore, onshore, special forms) were analyzed and concepts of extraction, storage and transportation of samples were deduced for the first time. Known geothermal energy-measurement processes have been adopted and advanced for the combined measurement of thermal and hydraulic properties of unsaturated and saturated cable bed-dings. A classic evaporation experiment has been combined with a thermal conductivity meas-urement with needle probes. This methodological advance made it possible to determine the thermal conductivity of a soil sample over a wide range of water content and capillary tension while the water evaporates from the sample. Furthermore, a new method for trans-forming single test results in a continuous function has been developed. The supply area of the project partner E.ON AG covers large parts of Bavaria. Therefor especially Bavarian soil was examined, as well as submarine ground of the North Sea and the Baltic Sea for control purposes. Since underground power lines are often bedded in synthetic building materials, they have been analyzed as well. The developed measure-ment and evaluation procedures were also successfully applied here. Statistical analysis of the measurement results proved the potential of geothermal examination in the forefront of the calculation of the maximum current loads of buried cable lines. For Bavarian soils 14 % of the samples showed a thermal conductivity below 1 Wm-1K-1. For these soils, the often-used maximum current load according to DIN 0276 1000 of 1 Wm-1K-1 is too high. With usual soil compaction procedures in the area of the cable trenches, a thermal conductivity of more than 1,5 Wm-1K-1 could be reached. This was proven for over 50% of the examined soils. Therefor for buried power lines in these soils, a raised power rating according to DIN 0276 1000 can be assumed for the distribution of electrical energy. It was shown that the identification of soils with low thermal conductivity, as well as soils with high thermal conductivity during construction of underground power grids is possible. Soils with low thermal conductivity could be exchanged accordingly. The measurement results of the project have been recorded as a GIS map for presentation. Together with the results of the project phases described in the following, it forms the basis for the develop-ment of a spatial rating procedure for planning cable routes, which incorporates the influ-ence of local environmental constraints. In order to validate laboratory results, they have been compared to results from a therefore erected cable-testbed in the field. Temperature-time sequences for medium and low volt-age cables have been examined with a software that is used in geothermal energy studies for the calculation of thermal conductivity of soil around geothermal energy probes. Good correlation between results from the laboratory and the field was found. Measurements from the testbed showed additional convective heat transport via steam through the pores. The described rating procedure offers a possibility to identify the surrounding soil's parame-ters when constructing new underground power routes with the help of temperature sen-sors and optical fiber. Identifying areas with unusually high heat emissions for renovation is another philosophy of use. As described above, a new measuring device that supplements the existing devices was developed based on the findings of this. The device makes use of varying compaction of the soil sample and its temperature gradient and the steam movement.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Geothermal Science and Technology
Exzellenzinitiative > Graduate Schools > Graduate School of Energy Science and Engineering (ESE)
Date Deposited: 09 Nov 2016 14:42
Last Modified: 09 Nov 2016 14:42
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-57531
Referees: Sass, Prof. Dr. Ingo and Hinrichsen, Prof. Dr. Volker
Refereed: 21 April 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5753
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