Leitungsaustausch/ Parallelverkabelung

Eine Möglichkeit die Impedanz einer Übertragungsstrecke zu reduzieren ist es, vorhandene Freileitungen oder Kabel durch neue Leitungen mit größerem Querschnitt zu ersetzen. Hierdurch wird vor allem der ohmsche Widerstand verkleinert.

$R=\frac{\rho \cdot l}{A}$
  • $R$: ohmscher Widerstand
  • $\rho$: spezifischer Widerstand
  • $A$: Querschnittsfläche
  • $l$: Leitungslänge

Würde man beispielsweise eine Freileitung mit $50mm^2$ Querschnitt durch eine mit $95mm^2$ ersetzen, erhält man fast eine Halbierung des Gleichstromwiderstandes von $0,59 \quad \Omega/km$ auf rd. $0,30 \quad \Omega/km$. Entsprechend verringert sich auch der ohmsche Spannungsfall, welcher für die Spannungsbandausnutzung maßgeblich ist. Zudem sinkt auch die Betriebsreaktanz um rund $20 \quad m \cdot \Omega/km$ sowohl bei Niederspannungsleitungen als auch bei Mittelspannungsleitungen. Freileitungen weisen bei kleinerer Querschnittsfläche eine höhere thermische Tragfähigkeit auf als Kabel. Dies liegt daran, dass die Wärmeabfuhr bei Freileitungen durch die Umgebungsluft und den Wind besser ist als bei Kabeln. Im Umkehrschluss weisen Freileitungen mit gleicher thermischer Tragfähigkeit als ein Kabel einen höheren Spannungsfall auf. Hierfür gibt es zwei Gründe:

  1. der kleinere Querschnitt der Freileitung erzwingt einen höheren ohmschen Widerstand und
  2. die vom Strom eingeschlossene Fläche ist bei Freileitungen deutlich größer, was einen höheren reaktiven Widerstand hervorruft [1].

In Abbildung 2 ist der komplexe Spannungsfall entlang einer NS-Leitung im Einspeisefall dargestellt. Die Spannungszeiger sind dabei mit gleichem Maßstab und unter Berücksichtigung der jeweiligen Leitungsbeläge eingezeichnet. Zu erwähnen ist, dass die Freileitung (FL) (mit $70mm^2$) ungefähr die gleiche thermische Tragfähigkeit wie das Kabel (Ka) mit $150mm^2$ Querschnittsfläche aufweist, allerdings einen deutlich höheren Spannungsfall hervorruft. Weiter ist gut zu erkennen, dass der Effekt der Impedanzreduzierung maßgeblich von der Verringerung des ohmschen Widerstandes und dessen Spannungsfall ($\underline{U}_{RL}$) abhängt.

Auswirkung der Impedanzreduzierung
Abbildung 2: Auswirkung der Impedanzreduzierung

Tabelle 1 zeigt die elektrischen Parameter von typischen Freileitungen und Kabeln der NS- und MS-Ebene. Als NS-Kabel wird heute meist ein NAYY $4x150 mm^2$ und bei NS-Freileitungen ein Querschnitt von $50mm^2$ verwendet.

Tabelle 1: Elektrische Daten von Kabeln und Freileitungen
%\begin{tabular}{|l|p{2,5 cm}p{2 cm}p{2 cm}p{2,5 cm}p{2 cm}p{2 cm}p{4 cm}|} \begin{tabular}{|l|ccccccc|} %\hline & $I_{max}$\newline (Kabel bei\newline Erdverlegung) & $P_{max}\newline $\cos \phi = 0,9$$ & $P_{max}$\newline $\cos \phi = 1,0$ & Gleichstrom-\newline widerstand\newline bei 20°C & Reaktanz-\newline belag & Suzeptanz-\newline belag & Wechselstromwiderstand bei 70°C(NAYY..),\newline 80°C(Freileitungen)\newline und 90°C(NA2X..) \\ \rowcolor[gray]{.9} \hline & $I_{max}$& $P_{max}$ & $P_{max}$ & Gleichstrom-& Reaktanz-& Suzeptanz-& Wechselstromwiderstand \\ \rowcolor[gray]{.9} & (Kabel bei & $\cos \varphi = 0,9$ & $\cos \varphi = 1,0$ &widerstand&belag & belag & bei 70°C(NAYY..), \\ \rowcolor[gray]{.9} & Erdverlegung) & & &bei 20°C & & & 80°C(Freileitungen) \\ \rowcolor[gray]{.9} & & & &bei 20°C & & & und 90°C(NA2X..) \\ \rowcolor[gray]{.9} & in $A$ & in $kW$ & in $kW$ & in $\frac{\Omega}{km}$ & in $\frac{\Omega}{km} & in $\frac{\mu S}{km} & in $\frac{\Omega}{km} \\ \hline NS-Kabel & & & & & & & \\ NAYY 4x120 $mm^2$ & 245 & 153 & 170 & 0,208 & 0,08 & 263,9 & 0,27 \\ NAYY 4x240 $mm^2$ & 364 & 227 & 252 & 0,125 & 0,08 & 273,3 & 0,17 \\ \hline NS-Freileitung Aluminium & & & & & & & \\ 24-AL1/4-ST1A & 140 & 87 & 97 & 1,200 & 0,304 & 3,6 & 1,46 \\ 48-AL1/8-ST1A & 210 & 131 & 145 & 0,594 & 0,283 & 3,9 & 0,76 \\ 70-AL1/11-ST1A & 290 & 181 & 201 & 0,413 & 0,270 & 4,1 & 0,56 \\ \hline MS-Kabel & & & & & & & \\ NA2XS2Y 1x125 & 409 & 12.751 & 14.168 & 0,206 & 0,114 & 113,0 & 0,28 \\ NA2XS2Y 1x185 & 461 & 14.373 & 15.970 & 0,164 & 0,110 & 122,0 & 0,23 \\ NA2XS2Y 1x240 & 532 & 16.586 & 18.429 & 0,125 & 0,105 & 138,0 & 0,19 \\ \hline MS-Freileitung & & & & & & & \\ 48-AL1/8-ST1A & 210 & 6.547 & 7.275 & 0,594 & 0,386 & 2,9 & 0,81 \\ 70-AL1/11-ST1A & 290 & 9.041 & 10.046 & 0,413 & 0,375 & 2,9 & 0,62 \\ 94-AL1/15-AT1A & 350 & 10.912 & 12.124 & 0,306 & 0,368 & 3,0 & 0,52 \\ % & & & & & & & \\ % & & & & & & & \\ \hline \end{tabular}

Ähnlich der Querschnittsvergrößerung führt auch die Verlegung eines zweiten Kabels parallel zu einer existierenden Strecke zu einer Impedanzreduktion. Dem Stromfluss steht insgesamt ein größerer Querschnitt zur Verfügung. Im Unterschied zur Querschnittsvergrößerung durch Austausch der Leitung durch eine größere, wird mit der Parallelverkabelung nicht nur der ohmsche Widerstand nahezu umgekehrt proportional verkleinert, sondern auch die resultierende Reaktanz der Strecke, was aber für die Spannungsbandausnutzung kaum eine Rolle spielt. Bei der Parallelverkabelung kann man zwischen einer echten elektrischen Parallelschaltung und einer zur örtlichen Kabelverlegung parallel zur Bestandsleitung mit Aufteilung dieser und Anschluss des hinteren Streckenabschnitts auf die „Parallelleitung“ (siehe Abbildung 7).

In diesem Fall wird nicht der Querschnitt für den Stromfluss vergrößert, sondern der Stromfluss selbst verringert. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, soll diese Art von Parallelverkabelung als Zusatzstrang bzw. Erhöhung der Stromdichte bezeichnet werden. Abbildung 3 zeigt zusammenfassend die Beispiele von Netzverstärkungen durch Leitungsaustausch/parallele Kabel im Verteilungsnetz.

Netzverstärkung durch parallele Leitungen
Abbildung 3: Netzverstärkung durch parallele Leitungen

[1] G. Britz, Hrsg., Energiewirtschaftsgesetz, 2. Aufl. München: Beck, 2010.