Einfluss der hydraulischen Eigenschaften von Bettungsmaterialien auf die Belastbarkeit erdverlegter Stromkabel

Christoph Drefke1, Markus Schedel1, Johannes Stegner1, Constantin Balzer2, Volker Hinrichsen2, Ingo Sass1
1 FG Angewandte Geothermie, TU Darmstadt
2 FG Hochspannungstechnik, TU Darmstadt

P 3.1 in Bauen und Grundwasser

 

 

Der Stromtransport in erdverlegten Kabeln führt zu Verlusten, die zum überwiegenden Teil in Form von Wärme an den zumeist teilgesättigten Untergrund abgegeben werden. Diese Wärmeverluste werden in der Hauptsache durch den ohmschen Widerstand der elektrischen Leiter verursacht. Um eine Überhitzung der Kabel auszuschließen, muss diese Verlustenergie zuverlässig vom Untergrund abgeführt werden. Die Übertragungsleistung erdverlegter Kabeltrassen ist damit in hohem Maße mit den thermophysikalischen Eigenschaften der Bettung verknüpft.

In offenen Leitungsgräben werden erdverlegte Kabel i. d. R. in den zuvor ausgehobenen Boden oder in spezielle Bettungsmaterialien gebettet. Diese Bettungen stehen in direktem hydraulischem Kontakt zum umgebenden Boden, weshalb saisonale Veränderungen des hydraulischen Potentials vom umgebenden Boden auf den Bettungskörper übertragen werden. Dies kann zu saisonalen Veränderungen des Wassergehaltes und damit zu drastischen Veränderungen der thermischen Eigenschaften führen.

Die Wärmeverluste von bis zu 70 °C am Kabelmantel, führen zu einer lokalen Erwärmung der umgebenden Bettung, was dort zu Wasserbewegungen und lokalen Veränderungen des Wassergehaltes führt. Diese Veränderungen haben maßgebenden Einfluss auf die thermischen Eigenschaften der Bettung. Neben den natürlichen Veränderungen des Wassergehaltes, müssen deswegen die durch den Betrieb erdverlegter Stromkabel verursachten Veränderungen des Wassersgehaltes aufgrund Verdunstungs- und Kondensationsvorgänge berücksichtigt werden.

In Labor und Freilandversuchen werden die hydraulischen, thermophysikalischen und geotechnischen Kennwerte teilgesättigter Lockergesteine und Bettungsmaterialien untersucht. Die Bettungsmaterialien wurden so ausgewählt, dass sie repräsentativ für die üblicherweise als Kabelbettung verwendeten Materialien (Böden und Baustoffe) stehen. Ziel der kombinierten Untersuchung ist, die Anwendbarkeit von in Laborversuchen an Bodenproben gewonnenen thermophysikalischen Bemessungskennwerte für die Realität zu überprüfen. Hierbei werden die Laborkennwerte in einem realitätsnahen Großfeldversuch auf einem Testfeld, in dem reale Mittel- und Niederspannungskabel eingebaut sind und mit variablen Lasten beaufschlagt werden, validiert und kalibriert.

Die Aufheizkurven von Kabeln im Testfeld werden dabei unter Verwendung geothermischer Berechnungsmethoden zur in-situ Bestimmung der thermophysikalischen Kennwerte, die zur Zeit hauptsächlich für die Dimensionierung von Erdwämesonden-Anlagen verwendet werden ausgewertet und auf die im Labor ermittelten Kennwerte rückgerechnet. Diese stellen anschließend eine wichtige Grundlage für gekoppelte thermisch, hydraulisch Finite Elemente Modellierungen sowohl der Umgebung erdverlegter

Stromkabel als auch von flachen geothermischen Anlagen dar.