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Offshore-Windparks - Übertragungskabel

Offshore-Windparks - Übertragung

Offshore-Windpark

Die europäische Windkraftindustrie wendet sich zunehmend der Offshore-Wind Ressource, und die Vereinigten Staaten werden auf dieDie Erfahrungen der Europäer bei der Planung von Offshore-Windparks. Ohne Erzeugung von Wasserstoff oder anderweitiger Nutzung oder Speicherung der Energie an Land (siehe z. B. Altmann 2001) muss sie mit Unterseekabeln zu den Lastzentren an Land geleitet werden.

Offshore-Übertragung hat sich bewährtin Europa schwierig und kostspielig und stellt in den USA zusätzliche Herausforderungen dar, da inländische Hersteller von Hochspannungs-Unterseekabeln mit hoher Kapazität fehlen und es an Ausrüstung und Erfahrung bei der Installation dieses Kabeltyps fehlt.

U-Boot Übertragungskabel In den USA sind andere Anwendungen üblich, aber diese Erfahrung ist für Windparks nur begrenzt anwendbar.

Die Offshore-Gas- und Bohrindustrie verwendet wenigerLeistungsstufen und niedrige (unter 10 kV) bis mittlere Spannung (10-100 kV), während der Trend bei der Offshore-Windenergie in Richtung Hochspannungsübertragung geht. In den USA wurde eine Reihe von Mittel- und Hochspannungsübertragungskabeln installiert, um Inseln zu versorgen, aber die U-Boot-Übertragung ab Generation bietet andere Probleme als die Übertragung an eine Last.

Windparks haben zum Beispiel normalerweise einen hohen WertBlindstromanforderungen, da die meisten Windenergieanlagen Induktionsgeneratoren verwenden. Dies kann zu Resonanz mit der Kapazität der Kabel führen. Skaleneffekte treiben die Größe von Offshore-Windparks in die Höhe. Größere landwirtschaftliche Betriebe werden sowohl anspruchsvollere elektrische Übertragungssysteme zulassen als auch verlangen, da die Windenergie das Onshore-Stromnetz stärker beeinflusst. Bei der Entwicklung der Leistungselektronik können wir davon ausgehen, dass sie eine größere Rolle bei der Entwicklung und Entwicklung von Offshore-Windparks spielen, einschließlich der Einführung von Hochspannung Gleichstromübertragung (HGÜ).

Nachfolgend finden Sie eine kurze Einführung in die Kabeltypen und -komponenten in Bezug auf Offshore-Windanlagen.

Isolierung

Drei Arten von Kabelisolierung sind üblich für Unterseebootübertragung fürgroße Entfernungen (mindestens einige Kilometer). Während die Isolationskonstruktion und -dicke je nach Spannung variieren, werden alle drei hier beschriebenen Typen für mittlere und hohe Spannungen verwendet. Die Isolierung ist durch ihr Isolationsmaterial, ihren Aufbau und die Frage, ob das Dielektrikum (d. H. Die Isolierung) geläppt oder extrudiert ist, gekennzeichnet.

Niedriger Druck ölgefüllt (LPOF) oder flüssigkeitsgefüllt (LPFF) Kabel, mit Flüssigkeit imprägniert isoliertPapier, waren in den USA in der Vergangenheit die am häufigsten verwendeten Kabel für die U-Boot-Wechselstromübertragung. Die Isolierung ist mit synthetischem Öl imprägniert, dessen Druck typischerweise durch Pumpstationen an beiden Enden aufrechterhalten wird. Das unter Druck stehende Fluid verhindert, dass sich in der Isolierung Hohlräume bilden, wenn sich der Leiter ausdehnt und zusammenzieht, wenn sich die Belastung ändert. Die Hilfsdruckausrüstung macht einen erheblichen Teil der Systemkosten aus. Bei LPFF-Kabeln besteht die Gefahr des Austretens von Flüssigkeit, was eine Umweltgefährdung darstellt.

Flüssigkeitsgefüllte Kabel können bis zu etwa 50 km hergestellt werden(30 Meilen) in der Länge. Sie werden selten für Gleichstromanwendungen verwendet, die im Allgemeinen länger sind als für das Beaufschlagen mit Druck. Während LPFF-Kabel weltweit weit verbreitet sind, haben die Kosten der Zusatzgeräte, die Umweltrisiken und die Entwicklung kostengünstigerer Alternativen mit geringeren Verlusten alle dazu beigetragen, dass in den letzten Jahren weniger LPFF-Kabel verwendet wurden.

Ähnlich im Aufbau sind die Festkörper,Massenimprägnierte, papierisolierte Kabel, die traditionell für die HGÜ-Übertragung verwendet werden. Die überlappende Papierisolierung ist mit einer Flüssigkeit mit hoher Viskosität imprägniert, und bei diesen Kabeln besteht nicht die Gefahr eines Auslaufens des LPOF-Kabels.

Extrudierte Isolierung ersetzt geläpptInstallation als bevorzugte Option in vielen Anwendungen. Vernetztes Polyethylen (XLPE, auch PEX genannt) ist kostengünstiger als ein LPOF mit vergleichbarer Leistung und hat eine geringere Kapazität, was zu geringeren Verlusten bei AC-Anwendungen führt. XLPE kann in größeren Längen als LPFF hergestellt werden (Gilbertson 2000).

Bis vor kurzem war XLPE keine Option für DCÜbertragung, da sie bei Vorhandensein eines Gleichstroms schnell ausfiel, die jüngsten Verbesserungen erlauben jedoch auch die Verwendung von Gleichstrom. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel eines XLPE-Kabels.

Abbildung 1: Anatomie eines einadrigen XLPE-Kabels (vom Long Island Cross Sound-Kabel von ABB)

Abbildung 1: Anatomie eines einadrigen XLPE-Kabels (vom Long Island Cross Sound-Kabel von ABB)


Eine andere extrudierte Isolierung, die in Unterseekabeln verwendet wird, ist Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR), der ähnliche Eigenschaften aufweist XLPE bei niedrigeren Spannungen, aber bei 69 kV und darüber, hathöhere Kapazität (Gilbertson, 2000). Hochspannungs-U-Boot-XLPE-Kabel wird nicht in Nord- oder Südamerika hergestellt. LPOF-Kabel werden hier hergestellt, sind jedoch nicht in den Größen und Längen verfügbar, die für einen kostengünstigen Offshore-Windpark erforderlich sind. Derzeit muss jeder Offshore-Windpark in den USA (oder anderswo in der westlichen Hemisphäre) Kabel aus Europa oder Japan importieren.

Bei Kabeln, die mehr als 75 kg / m wiegen können, sind die Transportkosten ein erheblicher Teil der Kosten des Kabels.

Dirigenten

Der Leiter in Mittel- und Hochspannungskabelnist Kupfer oder seltener Aluminium, das eine geringere Strombelastbarkeit (Strombelastbarkeit) aufweist und daher einen größeren Durchmesser erfordert. Die Ampazität steigt proportional mit der Querschnittsfläche, die bis zu etwa 2000 mm² (3 Zoll², d. H. 50 mm Durchmesser) reichen kann, bevor das Kabel unhandlich wird und der Biegeradius zu groß wird. Große Kabel können einen Biegeradius von bis zu 6 m (20 ft) haben.

Die Entwurfsstromstärke ist nicht nur eine Funktion derSpannung und zu transportierende Leistung, aber auch Kabellänge, Isolationsart, Verlegung, Einbautiefe, Bodentyp und elektrische Verluste Gilbertson (2000) bietet eine ausführliche technische Referenz zu diesen Themen. Die Fragen der Länge und des Verlusts werden im Folgenden ausführlicher erörtert.

Anzahl der Leiter

Wenn möglich in AC-Kabelanwendungen, alle dreiPhasen sind in einem "dreiadrigen" Kabel gebündelt. Ein dreiadriges Kabel reduziert die Kabel- und Verlegekosten. Es erzeugt auch schwächere elektromagnetische Felder außerhalb des Kabels und hat geringere induzierte Stromverluste als drei einzeln verlegte einadrige Kabel. Wenn die Lastanforderungen und der Leiterdurchmesser steigen, wird jedoch ein dreiadriges Kabel unhandlich und nicht mehr machbar.

Einadrige Kabel haben den Vorteil, dass dies der Fall istEs ist einfacher und billiger, ein viertes Ersatzkabel zu betreiben. Ein weiterer Vorteil ist, dass längere Längen ohne Spleiße oder Verbindungen hergestellt werden können. Abbildung 2 zeigt ein dreiadriges Kabel.

Screening

Eine halbleitende Abschirmschicht aus Papier oderextrudiertes Polymer wird um den Leiter herum angeordnet, um das elektrische Feld zu glätten und elektrische Spannungskonzentrationen zu vermeiden und um eine vollständige Verbindung der Isolation mit dem Leiter sicherzustellen.

Abbildung 2: Dreiadriges Kabel (Nexans)

Abbildung 2: Dreiadriges Kabel (Nexans)


Abbildung 1 zeigt die Abschirmung an einem einadrigen Kabel, und Abbildung 3 zeigt ein dreiadriges Kabel mit Abschirmung sowohl für die einzelnen Leiter als auch für das dreiadrige Bündel.


Ummantelung

Außerhalb der Abschirmung aller Leiter ist aMetallummantelung, die mehrere Rollen spielt. Es hilft, das Kabel als Ganzes zu erden, und es führt Fehlerstrom, wenn das Kabel beschädigt ist. Es schafft auch eine Feuchtigkeitssperre. In Wechselstromkabeln wird in dieser Ummantelung Strom induziert, der zu umlaufenden Ummantelungsverlusten führt; Es wurden verschiedene Hüllenerdungsschemata entwickelt, um umlaufende Ströme, die in der Hülle entstehen, zu reduzieren.

Im Gegensatz zu anderen Kabeltypen erfordert die EPR-Isolierung keinen Metallmantel.

Abbildung 3: Dreiadriges Kabel (Okonite)

Abbildung 3: Dreiadriges Kabel (Okonite)


Tabelle 1: Kapazitäten von Hochspannungskabeln (Häusler, ABB, 2002)

System AC 3 einadrige Kabel Bipolarer DC-Betrieb, 2 Kabel
Kabelisolationstyp XLPE
Polymer
LPOF:
Ölgefüllt
Papier-
LPOF:
Ölgefüllt
Papier-
Mass Imp.
Papier
XLPE
Polymer
Maximale Spannung 400 kV 500 kV 600 kV 500 kV 150 kV
Maximale Leistung 1200 MVA * 1500 MVA * 2400 MW 2000 MW 500 MW
Max. Länge, km (mi) 100 (62) 60 (37) 80 (50) Unbegrenzt Unbegrenzt

* Verluste können bei diesen Befugnissen übermäßig sein

Rüstung

Eine Gesamtjacke und dann eine Panzerung vervollständigen dasKonstruktion. Korrosionsschutz wird auf die Panzerung angewendet; Dies kann ein Biozid umfassen, das die Zerstörung durch Meerestiere wie Meeresbohrer, die sich in südöstlichen Gewässern der USA befinden, hemmt und kürzlich im Nordosten berichtet wurde (Fox Islands, 2001).

Glasfaserkabel für Kommunikation und Steuerungkann in die Kabel gebündelt werden. Beachten Sie die gebündelte Glasfaserleitung in Abbildung 2. Tabelle 1 fasst die aktuelle Verfügbarkeit und Einschränkungen von AC- und DC-Kabeln zusammen.

QUELLE: Übertragungsoptionen für Offshore-Windparks in den Vereinigten Staaten
Bemerkungen: