Wechselspannungstechnologiebasierte bipolare Mehrphasensysteme (2013)

In dieser Arbeit werden auf Wechselspannungstechnologie basierende bipolare Mehrphasen-Kabelsysteme zum Anschluss groser Windparkcluster vorgestellt und diskutiert. In einem Uberblick uber andere, derzeit diskutierte Ubertragungssysteme wird herausgestellt, dass derzeit oft der Gleichspannungstechnologie der Vorzug eingeraumt wird. Dies wird mit den Zusatzverlusten und dem Blindleistungsbedarf der Wechselspannungstechnologie begrundet. Zur Minderung des Einflusses solcher Effekte werden daher mehrere Ansatze verfolgt:

Es werden Kabel mit Verbundleitern zur Ubertragung hoher Strome vorgestellt. Diese langswasserdichte und somit fur Seekabel gut geeignete Konstruktion ermoglicht Leiterquerschnitte, die vergleichsweise hohere Ubertragungsstrome zulassen. Als weiterer Schritt zu hoheren Ubertragungsleistungen werden bipolare Mehrphasensysteme diskutiert. In diesen wechselspannungsbasierten Systemen entstehen, durch geeignete Transformatorschaltungen, aus dem dreiphasigen Drehstromsystem Spannungen mit vier oder sechs unterschiedlichen Phasenlagen, von denen jeweils zwei um 180° versetzt sind. Um die dadurch generierten Eigenschaften vorteilhaft ausnutzen zu konnen, werden, neben bestehenden, neue Kabelkonzepte entwickelt:

So wird der Einsatz von Einleiterseekabeln diskutiert, die in Strangen mit je zwei Kabeln angeordnet sind. Aufgrund des bipolaren Charakters des Ubertragungssystems sind die einzelnen Strange magnetisch voneinander entkoppelt, so dass auch bei grosen Abstanden zwischen den Strangen keine negativen Einflusse auf die Ubertragungsparameter zu befurchten sind. Durch die grosere raumliche Trennung ist die thermische Kopplung gering, so dass die einzelnen Strange hoher belastbar sind.

Als Neuerung werden vieradrige Seekabel diskutiert. Dieser Kabeltyp benotigt keine Metallmantel oder -schirme mit hohen elektrischen Leitwerten, wohl aber eine hohere Aderzahl. Hier konnen durch Optimierung hohe Ubertragungsleistungen erreicht werden, die denen vergleichbarer einadriger Losungen bei kleineren Systemspannungen entsprechen. Dies stellt geringere Anspruche an die Isolierung und die Garniturentechnik, weshalb diese Option hochspannungstechnisch und auch vom Gesamtaufwand her interessant ist.

Die Erhohung der ubertragbaren Leistung durch Verbundleiter und die Reduktion der Zusatzverluste fuhren dazu, dass der Anteil der nahezu konstant bleibenden, spannungsabhangigen Blindleistung an der gesteigerten Ubertragungsleistung (Scheinleistung) geringer wird. Somit kann die ubertragbare Wirkleistung gesteigert werden. Anhand der fur die Nordsee diskutierten Windparkcluster wird gezeigt, dass selbst groste Ubertragungsleistungen mit dem auf Wechselspannung basierenden bipolaren Mehrphasensystem uber grose Distanzen ubertragbar sind. Beim Vergleich zur Gleichspannungstechnologie wird deutlich, dass zwar die Kabelverluste bei Wechselspannungssystemen hoher sind, aber die Konverterverluste der Gleichspannung die Gesamtbilanz negativ dominieren. Auch ist die Anzahl der notwendigen Verbindungen der Bipolarlosung in den diskutierten Beispielen nur um Eine hoher.

An Land konnen bipolare Mehrphasensysteme mit der gleichen Strangzahl weitergefuhrt werden. Die Trassen besitzen eine hohe Leistungsdichte, so dass die resultierenden Trassenbreiten schmal ausfallen konnen. Je nach Ubertragungsleistung sind thermisch stabilisierte, abmessungsoptimierte Grabenruckfullungen notwendig. Zudem wird das Ubertragungsvermogen der Landtrasse unter Berucksichtigung der Windlastcharakteristik diskutiert. Bei Landkabelsystemen zeigt sich, dass Mehrphasensysteme geringere ausere Magnetfelder besitzen. Restriktionen, die durch Grenzwerte des magnetischen Feldes entstehen, konnen durch Anwendung bipolarer Technik umgangen werden. Fur besonders niedrige Grenzwerte der magnetischen Induktion wird eine in beiden wechselspannungsbasierten Systemen einsetzbare, in die Einleiterkabelkonstruktion integrierte Schirmungsmasnahme vorgestellt, die hochste Schirmungsfaktoren auch bei Kabelanlagen groser raumlicher Ausdehnung ermoglicht.