Bodenphysikalische Bewertung der Kabelpflugtechnologie zur Legung von 380-kV-Stromkabeln
Gregor, Markus
Die deutsche Energiewende erfordert nicht nur eine Transformation der Energieproduktion, sondern gleichzeitig ein Aus- und Umbau des Stromnetzes. Ein zunehmender Anteil der Stromtrassen soll dabei unterhalb der Erde verlaufen. Der Trassenbau erfolgt zumeist über die offene Bauweise (OB), die deutlich zeit- und kostenintensiver als der Bau von Freileitungen ist. Eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Alternative zur OB ist auf niedrigen Spannungsebenen die Kabelpflugtechnologie (KPT). Ziel dieser Forschungsarbeit besteht in der Beurteilung dieser Technologie als Alternative zur OB auf der 380-kV-Höchstspannungsebene. Den Bewertungsrahmen bilden die Kabelbettanforderungen der offenen Bauweise, die auch vom Kabelpflug erfüllt sein müssen: 1. korrekte Bodentiefen und Abstände der Schutzrohre, Warn- und Schutzbänder, 2. keine Hohlräume, 3. Mindestverdichtung von 80 % zum Referenzboden und 4. Wärmeleitfähigkeiten bei feuchten und trockenen Bodenbedingungen von jeweils 1,0 W m–1 K–1 und 0,4 W m–1 K–1. Diese Anforderungen dienen dem Zweck, während des Betriebs der Stromkabel die Leitertemperaturen, TL, unterhalb einer kritischen Temperatur, Tk = 90°C, zu halten, um Kabelschäden zu verhindern. Zwei Arbeitspakete bestanden dabei in dieser Forschungsarbeit: (i) Feld- und Laboruntersuchungen, um die Auswirkung des Kabelpflugs auf den Boden zu bestimmen, und (ii) numerische Simulationen mit der Software Delphin 6, um die thermische Auswirkung der erfassten Standortbedingungen auf TL zu prognostizieren.
Der 1. Prototyp des Kabelpflugs kam 2019 an zwei Standorten, Aurachtal und Wartjenstedt, zum Einsatz. Die Kabelbettanforderungen 1–4 wurden in keinem Profil alle erfüllt. Um eine bessere Bodenverdichtung zu erzielen und die Bildung von Hohlräumen zu unterbinden, wurde zwischen 2019 und 2020 der starre Kabelpflug in einen mobilen Kabelpflug umgebaut. Der 2. Prototyp kam dann 2020 auf der gleichen Trasse in Wartjenstedt zum Einsatz. Durch die Modifikationen konnten Anforderung 1 und 2 erfüllt werden. Zur Überprüfung von Anforderung 3 und 4 wurden die Laboruntersuchungen herangezogen. Mit Hilfe der Wärmeleitfähigkeitsmessung wurde für vier ausgewählte und im Labor selbst gepackte Substrate die λ(θ)-Beziehung ermittelt (Sand: Sl3; Schluff: Ut3; Ton: Lt3; Lehm: Slu). Durch die Messungen ließ sich für jede Bodenart eine Mindesttrockenrohdichte (ρB,min) ermitteln, ab der Kabelbettanforderung 4 erfüllt ist (Lt3: 1,64 g cm–3; Sl3, Slu, Ut3: 1,50 g cm–3). Der Verdichtungsgrad von mindestens 80 % und das Erzielen von ρB,min wurde nur von den lehmigen Profilen erfüllt. Im Jahr 2021 kamen in Aurachtal zuletzt die zwei speziellen Kabelpflugtechniken „Wasserzufuhr“ und „Vibration“ zum Einsatz (Sand, St2), die beide Potenzial zur Verbesserung der Verdichtung aufzeigen. Die Untersuchung von zwei flüssigen Verfüllmaterialien, DrillMix 160 und Cable Cem F 0,4 des Unternehmens HeidelbergCement AG, sollte Aufschluss darüber geben, ob das Einbringen eines der beiden Substrate während des Kabelpflugeinsatzes Hohlräume vermeiden und Verdichtungen erhöhen könnte. Während das Cable Cem F 0,4 den thermischen Kabelbettanforderungen entsprach, wurde bei beiden Substraten während des Austrocknens ein irreversibles Schrumpfen festgestellt. Eine dauerhafte Lösung bietet daher keines der beiden Produkte.
Die im Feld und Labor erfassten Eigenschaften der vier Bodenarten wurden in den numerischen Modellierungen berücksichtigt. Zielgröße stellte für die Bewertung TL und Tk dar. Insgesamt ergab sich hinsichtlich TL die Reihenfolge TL,Sand < TL,Schluff < TL,Lehm < TL,Ton mit einer Differenz in TL,median zwischen Sand und Ton von 5,6°C. Neben der Bodenart zeigt sich auch, dass ρB einen relevanten Einfluss auf TL hat. Dabei nahm TL beim Schluff um 0,7°C, beim Ton um 0,6°C und beim Lehm um 0,5°C mit einer Zunahme von ρB um 0,10 g cm–3 ab. Beim Sand wurde ein vernachlässigbarer Effekt ermittelt. TL-Ergebnisse der Kabelpflugszenarien einer Bodenart lagen bis ρB-Werten von 2,0 g cm–3 über denen der OB (Schluff: 1,9 g cm–3). Bei den Kabelpflugszenarien mit ρB = ρB,min betrug für die vier Bodenarten TL der KPT mindestens 103 % (Sand) und höchstens 106 % (Schluff, Ton, Lehm) von TL der OB. Keine der durchgeführten Szenarien ergab dabei TL > Tk. Die Modellierung bei kompletter Austrocknung unterstrich jedoch, dass ρB,min erfüllt sein muss, damit Tk nicht überschritten wird.
Die in dieser Forschungsarbeit untersuchten Bodenarten konnten in drei Eignungsklassen für die KPT eingeordnet werden (geeignet, eingeschränkt geeignet, weniger geeignet). Bei Klasse I handelt es sich um nicht bindige Böden und bindige Böden mit breiten Korngrößenverteilungen (Sand, Sl3 und Lehm, Slu). Es bestehen hohe λ(θ)-Werte, während ρB,min im Feld bereits erzielt wird (Lehm) oder erwartet werden kann erzielt zu werden (Sand). Die KPT eignet sich an diesen Standorten. Spezielle Kabelpflugtechniken oder weitere Kabelpflugoptimierungen sind nicht erforderlich. Bei Klasse II handelt es sich um (i) bindige Böden mit mittleren ρB,min-Werten (Schluff, Ut3) und (ii) nicht-bindige Böden mit engen Korngrößenverteilungen in der Sandfraktion mit hohen ρB,min-Werten (Sand, St2). Die erforderlichen ρB,min wurden im Feld nicht (Schluff) bzw. mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht (Sand) erzielt. Für den Sand steht eine Bestimmung von ρB,min noch aus. Die KPT eignet sich eingeschränkt an diesen Standorten. Ein Einsatz des Kabelpflugs unter möglichst trockenen Bodenbedingungen könnte u. U. das Erzielen von ρB,min ohne die speziellen Kabelpflugtechniken ermöglichen, wenn dadurch die Ausrollgrenze der Substrate unterschritten wird. Die Kabelpflugtechniken „Wasserzufuhr“ und „Vibration“ sind in ihrer Verdichtungswirkung noch zu bewerten. Eine Eignung der Klasse II ist zukünftig denkbar. Bei Klasse III handelt es sich um sehr bindige Böden (Ton, Lt3). Diese Böden zeichnen sich aufgrund der Mineralogie durch geringe λ(θ)-Beziehungen aus. Im Feld wird ρB,min nicht erreicht. Aufgrund von möglichem Schrumpfungsverhalten kann u. U. kein dauerhafter Kontakt zwischen Schutzrohr und Bodenmatrix garantiert werden. Die KPT eignet sich weniger an diesen Standorten. Eine Unterschreitung der Ausrollgrenze ist unter den Klimabedingungen Mitteldeutschlands auch nicht nach Trockenperioden zu erwarten. Eine Verbesserung durch den jahreszeitlich bedingten Einsatz des Kabelpflugs sowie durch die Kabelpflugtechniken „Wasserzufuhr“ und „Vibration“ ist daher kritisch zu beurteilen. Das Grundproblem schlechter thermischer Eigenschaften und des möglichen Schrumpfungsverhaltens kann auch nicht durch weitere Optimierungen behoben werden. Die Bestimmung der Eignung aller Bodenarten für die KPT und für den Einsatz der speziellen Kabelpflugtechniken zur Nachverdichtung erfordert weitere Forschungsarbeiten und Kabelpflugeinsätze.
Angesichts dieser Ergebnisse kann die KPT auch auf der 380-kV-Spannungsebene unter Erfüllung der erforderlichen Kabelbettanforderungen einen positiven Beitrag zur Energiewende leisten. Weitere Forschungsschwerpunkte lassen sich aus dieser Arbeit ableiten, auf deren Grundlage weitere Optimierungen der KPT und der Modellierungen möglich sind. Zukünftig ist dabei eine stärkere Kooperation zwischen Bodenphysik, Elektrotechnik und Maschinenbau gefordert.
The German energy transition requires not only a transformation of energy production but also a simultaneous expansion and reconstruction of the electricity grid. It is assumed that an increasing proportion of the new power lines will run underground. In the past, most of the underground lines were built using the open-cut construction method, which is significantly more time-consuming and cost-intensive than the construction of overhead lines. At low voltage levels, cable-laying plough technology (CLPT) already offers a more cost-effective and environmentally friendly alternative. Therefore, this research aims to evaluate CLPT at the 380 kV extra-high voltage level as an alternative cable-laying method. The evaluation framework is based on the open-cut construction cable bed requirements, which the CLPT also must fulfill. The requirements consist of: 1st) correct soil depths and positions of the cable conduits, warning and protective stripes, 2nd) no air cavities, 3rd) minimum soil compaction of 80 % to the reference soil and 4th) thermal conductivities under wet and dry soil conditions of 1.0 W m–1 K–1 and 0.4 W m–1 K–1, respectively. The purpose of these requirements is to mainain conductor temperatures (TL) below a critical temperature (Tk = 90°C) during power cable operation to prevent cable damage. Two work packages formed the basis for this research: (i) field observations and laboratory tests to determine the effects of the cable plough on soil properties, and (ii) numerical simulations using Delphin 6 software to predict the thermal impact of the identified soil properties on TL.
The cable plough manufacturer deployed the 1st prototype at the two investigation sites of this research work, Aurachtal and Wartjenstedt, in 2019. No profile met all cable bed requirements 1 to 4. To achieve better soil compaction and prevent air cavity formation, the manufacturer converted the rigid prototype into a mobile one between 2019 and 2020. Subsequently, the manufacturer deployed the 2nd prototype on the same route in Wartjenstedt in 2020, where the cable plough met requirements 1 and 2. Laboratory investigations were conducted to evaluate requirements 3 and 4. Four substrates found on-site (sand: Sl3; silt: Ut3; clay: Lt3; loam: Slu) were packed in the laboratory with specified bulk densities to determine λ(θ) relationships using thermal conductivity measurements. The measurements allowed to determine a minimum dry bulk density (ρB,min) for each soil texture, above which cable bed requirement 4 is fulfilled (Lt3: 1.64 g cm–3; Sl3, Slu, Ut3: 1.50 g cm–3). Only the loamy profiles of the study sites met the minimum compaction of at least 80 % and ρB,min. In Aurachtal 2021, the manufacturer deployed two individual cable plough functions, “water injection“ and “vibration“, in sandy soils (St2) both showing potential to improve bulk density.
In the laboratory, two liquid backfill materials (DrillMix 160 and Cable Cem F 0,4, HeidelbergCement AG) were also tested to determine whether the introduction of these products during the cable ploughing could avoid air cavities and increase the bulk density. While the Cable Cem F 0,4 met the thermal cable bed requirements, both substrates were found to irreversibly shrink during the drying process. Therefore, neither product provides a permanent solution.
The thermal conductivity measurements of the four soil textures were taken into account in the numerical simulations. The target values for the evaluation of the simulations were TL and Tk. Regarding TL, we determined the following soil texture order: TL,sand < TL,silt < TL,loam < TL,clay. The difference in TL,median between sand and clay accounted for 5.6°C. Besides soil texture, dry bulk density also impacts TL. An increase in dry bulk density by 0.10 g cm–3 decreases TL by 0.7°C for silt, by 0.6°C for clay, and by 0.5°C for loam. The effects for sand were negligible. Model scenarios representing the cable plough profile calculated higher values for TL, up to bulk densities of 2.0 g cm–3, than open-cut construction scenarios for all soil textures (1.9 g cm–3 for silt). For cable plough scenarios with ρB = ρB,min, the CLPT scenarios for the four soil textures computed minimum 103 % (sand) and maximum 106 % (silt, clay, loam) of the TL-values for the open-cut method. None of the scenarios resulted in TL > Tk. However, simulations with completely desiccated soils underlined that ρB,min must be met for TL values < Tk.
Investigated soil textures of this research study (Sl3, St2, Slu, Ut3 and Lt3) could be divided into three different applicability classes regarding CLPT. Class I contains non-cohesive soils and cohesive soils with broad grain size distributions (sand, Sl3 and loam, Slu). These soils have large λ(θ) relations, while ρB,min is obtained on site (loam) or can be expected to be met (sand). The CLPT is applicable at these soil sites, while additional cable plough functions or further cable plough optimisations are not required. Class II contains (i) cohesive soils with medium ρB,min values (silt, Ut3) and (ii) non-cohesive soils with narrow particle size distributions in the sand fraction with high ρB,min values (sand, St2). In the field, ρB,min values were not met (silt) or not met with high probability (sand). Laboratory determination of ρB,min has yet to be accomplished for the sand. The CLPT is only to a limited extent suitable at these soil sites. Without further cable plough optimisations, ρB,min may be achieved if the cable plough is used seasonally under very dry soil conditions. The extent of dryness is required to let the soil´s water content fall below its plastic limit. The additional functions “water injection“ and “vibration“ still need to be evaluated for their compaction potential. The suitability of Class II for CLPT is conceivable in the future. Class III contains very cohesive soils (clay, Lt3). Mineralogically, these soils have low λ(θ) relations. In the field, ρB,min is not achieved. Permanent contact between conduits and soil matrix might possibly not be guaranteed, as these soils are potentially prone to swelling and shrinkage dynamics. CLPT is less suitable at these locations. Under the climatic conditions of central Germany, falling below the plastic limits of clays is unlikely, even after dry periods. Therefore, the increase of bulk densities by seasonal use of the cable plough or the additional functions “water injection“ and “vibration“ must be critically assessed. The basic problem of poor thermal properties and potential shrinkage behaviour cannot be remedied by further optimisation. Determination of the suitability of each soil texture for CLPT and for the application of additional cable plough functions requires future research studies and cable plough deployments.
Ultimately, CLPT can positively contribute to the energy transition even at the 380 kV level if necessary cable bed requirements are met. Further research topics can expand on this research work for further optimisation of CLPT and of modelling the respective research questions. These topics require greater cooperation between soil physicists, electrical engineers and mechanical engineers.
