Warum Harmonische die Lebensdauer von Kabelverbindungen beeinflussen
Die Stromnetze von heute verändern sich schneller denn je. Dezentrale Energieerzeugung und Energiespeicherung sind längst keine Ausnahme mehr, sondern beeinflussen zunehmend den Betrieb von Mittelspannungsnetzen. Dadurch verändern sich nicht nur Kapazität und Lastbedingungen, sondern auch die Qualität von Spannung und Strom. Damit gewinnt eine zentrale Frage immer mehr an Bedeutung: Funktioniert die bestehende Infrastruktur unter diesen neuen Netzbedingungen noch zuverlässig?
Die neue Realität im Stromnetz
Über viele Jahre hinweg waren Mittelspannungsnetze durch eine relativ stabile sinusförmige Spannung mit 50 Hz geprägt. Heute zeigt sich ein grundlegend anderes Bild:
- Strom wird lokal erzeugt (Solar- und Windenergie)
- Spannungsschwankungen nehmen zu
- Leistungselektronische Umrichter arbeiten mit höheren Schaltfrequenzen
Das Ergebnis: Spannungs- und Stromverläufe sind nicht mehr rein sinusförmig, sondern werden durch höherfrequente Oberschwingungen verzerrt.
Diese Harmonische gelangen ins Netz und beeinflussen Komponenten, die ursprünglich für frühere Betriebsbedingungen ausgelegt wurden.
Wo die Probleme beginnen: Isolationssysteme unter Belastung
Fehleranalysen in Mittelspannungsnetzen weisen häufig auf denselben Mechanismus hin: die Alterung des Isolationsmediums. Die Zuverlässigkeit von Mittelspannungsbetriebsmitteln wird in hohem Maße durch die Leistungsfähigkeit des Isolationssystems bestimmt. Die Lebensdauer von Kabelsystemen hängt somit direkt von der Qualität, der Auslegung und der tatsächlichen elektrischen Belastung der Isolation ab.
Das Problem ist nicht, dass diese Systeme grundsätzlich unterdimensioniert wären. Vielmehr basieren viele Konstruktionen, Qualifizierungen und Prüfverfahren auf Annahmen, die nicht mehr vollständig der heutigen Netzrealität entsprechen. Harmonische spielten in der Vergangenheit nur eine untergeordnete Rolle.
Die physikalischen Auswirkungen von Harmonischen
Harmonische sind kein abstraktes Phänomen. Sie haben einen direkten und messbaren Einfluss auf das elektrische, thermische und dielektrische Verhalten von Kabelgarnituren. Dabei spielen drei wesentliche Mechanismen eine Rolle:
1. Erhöhte elektrische Belastung der Isolation – Höhere Frequenzen beeinflussen die Verteilung des elektrischen Feldes, insbesondere in kritischen Bereichen wie:
- an der Grenzfläche unterschiedlicher Isoliermaterialien
- am Ende der halbleitenden Schicht
- im Bereich der Feldsteuerung
2. Erhöhte dielektrische Verluste
Die Energieverluste in Isoliermaterialien nehmen zu durch:
- Frequenz
- Spannung
- Dielektrische Verluste (tan δ)
3. Lokaler Temperaturanstieg
Höhere dielektrische Verluste führen zu zusätzlicher Wärmeentwicklung, die sich häufig auf kritische Bereiche konzentriert. Gerade die Kombination aus erhöhter elektrischer Beanspruchung und lokaler Erwärmung beschleunigt die elektrische und thermische Alterung.
Nicht jede Kabelgarnitur reagiert gleich
Ein entscheidender Faktor ist die Methode zur Steuerung der elektrischen Feldverteilung innerhalb einer Kabelgarnitur. Grundsätzlich lassen sich zwei Prinzipien der Feldsteuerung unterscheiden:
Geometrische Feldsteuerung
- Die Feldverteilung wird hauptsächlich durch die Geometrie des Feldsteuerkegels (Stress Cone) bestimmt.
- Das Verhalten bleibt auch bei höheren Frequenzanteilen relativ stabil.
- Kaum anfällig gegenüber Harmonische.
Resistive Feldsteuerung
- Die Feldverteilung hängt stark von Materialeigenschaften und Leitfähigkeit ab.
- Das Verhalten ist deutlich frequenzabhängig.
- Höhere Empfindlichkeit gegenüber Harmonische.
Die Unterschiede sind nicht nur theoretischer Natur, sondern lassen sich auch praktisch nachweisen. Simulationen und Messungen zeigen:
- Das lokale elektrische Feld kann bei höheren Frequenzen um das Vierfache ansteigen.
- Der Temperaturanstieg kann ohne Strombelastung von etwa 3 K auf nahezu 20 K zunehmen.
Weitere Projektergebnisse bestätigen dieses Bild:
- Bis zu 250 % höhere lokale elektrische Feldstärken bei resistiven Lösungen
- Temperaturunterschiede von bis zu 50 °C zwischen verschiedenen Konfigurationen
In praktischen Anwendungen, beispielsweise in oder in der Nähe von Wind- und Solarenergieprojekten, können diese Effekte mit erhöhten Ausfallraten zusammenfallen. Die Schlussfolgerung ist eindeutig: Nicht jede Art von Kabelgarnitur bietet in Mittelspannungsnetzen mit hoher Oberschwingungsbelastung eine ausreichend robuste Performance.
Möchten Sie tiefergehende Einblicke in die Auswirkungen von Harmonische auf Kabelgarnituren, Feldsteuerung und dielektrisches Verhalten erhalten?
Was bedeutet das für Netzbetreiber?
Für Asset Manager bedeutet dies einen grundlegenden Wandel bei der Bewertung, Überwachung und dem Management von Komponenten.
Beschleunigte Alterung der Isolation, eine weniger vorhersehbare Restlebensdauer und das Auftreten von Ausfällen in kritischen Netzabschnitten führen dazu, dass das Verhalten von Komponenten zunehmend von klassischen Auslegungs- und Lebensdauermodellen abweicht.
Der Druck auf Wartungs- und Investitionsentscheidungen steigt, da Austauschzeitpunkte schwerer planbar werden und sowohl Zustandsüberwachung als auch Risikobewertung komplexer werden. Gefragt ist nicht mehr vom Gleichen, sondern ein neuer Ansatz.
Der blinde Fleck in Normen und Prüfverfahren
Een belangrijk spanningsveld zit in de manier waarop kabelsystemen en accessoires worden gekwalificeerd.
Eine wesentliche Herausforderung liegt in der Art und Weise, wie Kabelsysteme und Kabelgarnituren qualifiziert werden. Die meisten Normen, Typprüfungen und Qualifikationstests basieren auf:
- Fester Frequenz
- Sinusförmiger Spannung
- Getrennt betrachteten Belastungsfaktoren
Die praktische Realität zeigt jedoch:
- Frequenzen variieren
- Mehrere Oberschwingungsanteile treten gleichzeitig auf
- Thermische und elektrische Belastungen beeinflussen sich gegenseitig
Die Realität moderner Stromnetze entwickelt sich schneller weiter als bestehende Prüfmethoden und Qualifizierungsverfahren.
Blick nach vorn: Bedeutung für Design und Asset Management
Der Trend ist eindeutig: Harmonische können nicht länger ignoriert werden. Im Gegenteil: Das weitere Wachstum von Leistungselektronik, Frequenzumrichtern, Batteriespeichern sowie AC/DC-Wandlung wird ihren Einfluss auf Mittelspannungsnetze weiter erhöhen.
Daher müssen Design- und Asset-Management-Entscheidungen künftig unter anderem Folgendes berücksichtigen:
- Frequenzabhängiges Materialverhalten
- Kombinierte thermische und elektrische Belastungen
- Standortspezifische Netzbedingungen
Nicht als theoretisches Szenario, sondern als tägliche betriebliche Realität.
Von Erkenntnissen zu robusten Lösungen
Die Energiewende verändert nicht nur die Art und Weise, wie Strom erzeugt wird, sondern auch die elektrische Belastung der Netze. Kabelverbindungen übernehmen dabei eine stille, aber entscheidende Rolle. Gerade weil sie meist außerhalb des Blickfelds liegen, wird ihr Verhalten unter veränderten Netzbedingungen häufig unterschätzt.
Wer heute Stromnetze plant oder betreibt, muss berücksichtigen, wie sich das Netz morgen elektrisch verhalten wird. Ein Netz mit zunehmender Oberschwingungsbelastung erfordert Kabelgarnituren, die auch außerhalb klassischer Auslegungs- und Prüfbedingungen zuverlässig und vorhersehbar funktionieren.
Lovink entwickelt und prüft Kabelverbindungen genau nach diesem Prinzip: robuste und vorhersehbare Leistung unter sich verändernden Netzbedingungen, basierend auf einem tiefen Verständnis von Feldverteilung, Materialverhalten, dielektrischer Belastung und Langzeitperformance.
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