Einfluss des Wasser- und Wärmehaushaltes von Böden auf den Betrieb erdverlegter Energiekabel

Influence of water and heat balance of soils of the heating of burried power cables

  • Die Festlegung der maximalen Strombelastbarkeit von erdverlegten Energiekabeln erfolgt anhand der Grenztemperatur des Leiters. Die Stromelastbarkeit der Kabel ist von entscheidender Bedeutung für die Dimensionierung eines Kabelnetzes und entscheidet über einen Trassenneu- oder –ausbau. Neben den thermischen Eigenschaften des Kabels und der Kabelanordnung bestimmen die thermischen Bo-deneigenschaften und die Bodentemperaturen die Leitertemperatur. Diese Einflussgrößen haben so-wohl räumlich als aDie Festlegung der maximalen Strombelastbarkeit von erdverlegten Energiekabeln erfolgt anhand der Grenztemperatur des Leiters. Die Stromelastbarkeit der Kabel ist von entscheidender Bedeutung für die Dimensionierung eines Kabelnetzes und entscheidet über einen Trassenneu- oder –ausbau. Neben den thermischen Eigenschaften des Kabels und der Kabelanordnung bestimmen die thermischen Bo-deneigenschaften und die Bodentemperaturen die Leitertemperatur. Diese Einflussgrößen haben so-wohl räumlich als auch zeitlich eine hohe Variabilität. In den Berechnungsverfahren der Energiewirt-schaft zur Strombelastbarkeit wird diese Variabilität nicht oder nur stark vereinfacht berücksichtigt, so dass Übertragungspotenziale von Trassen leicht unter- oder überschätzt werden können. Die Zielsetzung der vorliegenden Forschungsarbeit bestand daher in der Optimierung des Systems „Erdkabel“, unter Berücksichtung der Standort- und Bodenbedingungen. Dazu wurde ein Freilandmo-nitoring an einer 110kV Kabeltrasse in Berlin durchgeführt. An einem Strassen- und einem Wald-standort wurden für einen Zeitraum von 18 Monaten die Kabeltemperatur, sowie der Wärme- und Wassershaushalt im Kabelraum gemessen. Ein zweiter Schwerpunkt der Arbeit bestand in der Ermitt-lung von thermischen und hydraulischen Eigenschaften von Bodensubstraten. Dazu wurden thermi-sche und hydraulische Eigenschaften von verschiedenen Texturen im Labor gemessen und parametri-siert, sowie in ihrer Eignung für die Kabelverlegung bewertet. Ein dritter Punkt ist die Betrachtung der Wirkung von Witterung, Standort und Stromlastgang auf die Leitertemperatur. Dies erfolgte mit einem numerischen Modell für verschiedene Betriebsszenarien. Das Standortmonitoring ergab, dass der Wärmehaushalt der Standorte und der Jahresgang der Boden-temperatur die Kabeltemperatur bestimmt. Am Straßenstandort war die gemessene Kabeltemperatur um 5 – 10 K höher als am Standort Wald. Die durch die Strombelastung verursachte Erwärmung des Kabelmantels betrug maximal 5 K gegenüber dem unbeeinflussten Boden. Im Winter wurde nur eine geringe Erwärmung von 2-3 K gemessen. Die Ausbildung von Trockenzonen im Kabelraum aufgrund der Kabelerwärmung ließ sich nicht feststellen. Am Standort Wald bildete sich aber durch Wasserent-zug der Vegetation eine Trockenzone im Sommer, welche im Winter durch Versickerung vollständig verschwand. Die Laboruntersuchungen der thermischen Eigenschaften der Füllsubstrate zeigten, dass Bodenart und Wassergehalt die ausschlaggebenden Faktoren für die Wärmeleitfähigkeit sind. Substrate mit hohem Sandanteil (>40%) weisen im feuchten Zustand eine hohe Wärmeleitfähigkeiten (>2 W/mK) auf. Erst bei Unterschreitung eines kritischen Wassergehaltes sinkt die Wärmeleitfähigkeit stark bis auf unter 0,7 W/mK ab. Bei Substraten mit geringerem Sandgehalt werden im feuchten Zustand geringe Wär-meleitfähigkeiten (< 1,3 W/mK) gemessen. Es wurde für drei Substratgruppen (Sande, lehmige Sande, Lehme) die Abhängigkeit des spezifischen thermischen Widerstands vom Wassergehalt abgeleitet. Ein neues Verfahren bewertet für fünf definierten Feuchtestufen, welche sich aus einem boden- und stand-ortkundlichen Systemverständnis ableiteten, den thermischen Widerstand und die thermische Stabilität der Substrate im Kabelumfeld. Eine Bewertung mit dieses Verfahren zeigt, dass lehmige Sande deut-lich bessere thermische Bedingungen für ein Kabelsystem gewährleisten, als ein Füllsubstrat aus rei-nem Sand. Die numerischen Studien zur Strombelastbarkeit des Erdkabels wurde mit der Simulationssoftware DELPHIN4 realisiert. Im Modell wurde ein 110kV-Kabelstrang im Boden zweidimensional abgebil-det und anhand des Standortminitorrings erfolgte die Validierung der Berechnung. Für die Studie zur Strombelastbarkeit, wurden Varianten für drei Standortbedingungen und zwei Verlegetiefen definier-tund Jahresgänge mit feucht-kühlen bis hin zu warm-trockenen Witterungsverlauf simuliert. Als Va-rianten der Strombelastung wurden eine konstante und drei transiente Stromlastgänge gewählt. Die berechnete Leitertemperatur, als Zielgröße der Modellierung, zeigte deutliche Unterschiede in den Standortvarianten. Der unterschiedliche Temperatur- und Wasserhaushalt der Standortvarianten hat deutlichen Einfluss auf die Kabeltemperatur, und auch die Verlegetiefe wirkt sich darauf aus. In allen Varianten zeigt sich ein deutlicher Jahresgang der Temperatur. Während des Winterhalbjahres sind die Werte um 15-25 K niedriger als im Sommerhalbjahr. Die Berechnungen zeigen, dass der Wasserhaus-halt des Standorts den Wassergehalt im Kabelraum stark beeinflusst und somit auch die thermischen Eigenschaften des Bodens standort- und jahreszeitabhängig sind. Bei hoher Stromlast verstärkt sich die Austrocknung des Substrates im Kabelraum, doch eine dauerhafte Trockenzone bildet sich nur bei fehlender Versickerung, sowie unter ungünstigen hydraulische Bodeneigenschaften.show moreshow less
  • The definition of the maximum ampacity of a buried power line is limited by the temperature of the conductors. The knowledge of it is of significant interest for the dimensioning and determines a higher load or extension of a line. In addition to the thermal properties of a cable and their arrangement, the thermal soll conditions and the soil temperatures determines the temperature of the cable. While prop-erties and arrangement of cables are constant the soil conditions and on-site influences hThe definition of the maximum ampacity of a buried power line is limited by the temperature of the conductors. The knowledge of it is of significant interest for the dimensioning and determines a higher load or extension of a line. In addition to the thermal properties of a cable and their arrangement, the thermal soll conditions and the soil temperatures determines the temperature of the cable. While prop-erties and arrangement of cables are constant the soil conditions and on-site influences have a wide spatial as well as temporal variability. The procedures and technical standards which are applied in the energy engineering to calculate the ampacity of cables hardly factor in the variability of soil proper-ties, site conditions and climate. Therefore the ampacity of a power line may be under or over esti-mated. The work focused of the optimisation on the system cable, soil, site and climate. For that purpose an existing 1 10kV power line in Berlin was moitglored. Therefore the temperature of the cable as well as the heat and the water balance were measured in the cable trench for a period of 18 month. Two different sites at this line, a street and a forest location, were investigated. Another focus point was the determination of thermal and hydraulic properties of different backfill substrates in power cable trenches. The water retention, water conductivity and thermal conductivity of soils from different texture classes were measured and parameterised. To examine the impact of climate, location and soil properties as well as the influence of different levels of loads on the temperature of the cable, a physical numeric modelling was carried out. The monitoring of sites had shown that the heat balance of the locations and the resulting soil tempera-ture mainly determine the cable temperature. Because of higher soil temperatures at the street location we measured up to 5 — 10 K higher cable temperature then at the forest site. The heating of the cable in the summer caused by the heat loss of the conductor was maximum 5 K higher. Only a minor warming of 2 — 3 K was measured during winter time. A development of a drying zone in the sur-rounding soil caused by the heat loss of the cable was not observed. However, at the forest site in summer we detected a drying zone due to water uptake by roots. This completely disappeared in win-ter because of high infiltration. The laboratory study of the thermal properties of backfill substrates had shown that soil texture and water content are the main factors of thermal conductivity. Substrates with a higher content of sand (>40%) shown a high heat conductivity (>2 W/mK) under wet conditions. Below critical water content (< 5 Vol%) the thermal conductivity decreased rapidly to less then 0.7 W/mK. In substrates with a minor content of sand lower heat conductivity (< 1.3 W/mK) was measured at a wet condition. The specific thermal resistance as a function of the water content was described for three texture classes (coarse sand, loamy sand and loam). A new assessment method evaluates the thermal resistance and the thermal stability of the filling substrates in the cable periphery. An evaluation with this method shows that loamy sands allow significantly better thermal conditions for a power cable than a filling substrate of pure coarse sands. Different scenarios of loads, conditions and arrangements of buried cables were investigated with the numerical model Delphin4. The model was calibrated and validated by the data of the monitoring. The modelled and measured cable temperatures were very similar. For the study options were defined for location, cable depth, climate and current load. In the scenarios the calculated temperatures of the conductor showed significant differences between the different locations. This is caused by the different heat balances of the locations as well as by dif-ferences in the water content. The study also shows that deeper laying cables had significantly higher conductor temperatures. The temperatures of all locations show a clear seasonal cycle. During the winter period the values are lower than those in the summer by 15 — 25 K. The calculated soil mois-ture in the cable trench is influenced by the water balance of the location. An increasing dryness of the soil leads to increasing cable temperatures. At a high ampacity the drying up of the cable backfill sub-strate increases. Without infiltration events this results in a formation of a large drying zone around the cable. The presented results of this research had shown that the transmission capacity of buried power lines can be optimized by an assessment of site and soil conditions. The using of a numerical model is a powerful tool for predicting the optimum loads for cable grids. It is also very useful for studies and analysis of critical cable laying and transfer situations.show moreshow less

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Metadaten
Author: Steffen Trinks
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-28771
Advisor:Prof. Dr. Gerd Wessolek
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/02/15
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Date of final exam:2010/07/14
Release Date:2011/02/15
Tag:Bodenkunde; Bodenwärmehaushalt; Erdkabel; Strombelastbarkeit; thermischer Erdbodenwiderstand
ampacity; burried power cables; soil heat balance; soil science; soil thermal conductivity
Institutes:Institut für Ökologie
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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