Auf einen Blick
Die thermische Belastung von Erdkabeln ist ein kritischer Faktor für die Lebensdauer und Betriebssicherheit elektrischer Anlagen. Elektrotechniker müssen bei der Planung und Installation die Wärmeableitung im Boden berücksichtigen, um Überhitzung und frühzeitiges Altern der Kabelisolation zu vermeiden. Diese Publikation liefert erstmals umfassende räumliche Temperaturmessdaten rund um ein unterirdisches Stromkabel unter kontrollierten Laborbedingungen und schließt damit eine Lücke zwischen theoretischen Modellen und praktischer Anwendung.
- Räumliche Bodentemperaturmessungen rund um Erdkabel unter definierter thermischer Belastung
- Praxisrelevante Daten zur Wärmeausbreitung im Boden für Elektroinstallationen
- Grundlage für optimierte Planung von Kabeltrassen und Bettungsmaterialien
- Verbindung zwischen Laborversuchen und realen Betriebsbedingungen herstellbar
- Wichtig für Auslegung von Hochspannungskabelsystemen im Außenbereich
Räumliche Temperaturverteilung im Boden
Die Untersuchung zeigt, wie sich die Wärme eines belasteten Erdkabels in den umgebenden Boden ausbreitet. Unter kontrollierter thermischer Belastung wurden Temperaturmessungen in verschiedenen Bodentiefen und Abständen zum Kabel durchgeführt. Die Ergebnisse belegen, dass die Wärme nicht gleichmäßig radial vom Kabel abgeführt wird, sondern von der thermischen Leitfähigkeit des Bodens und der Feuchtigkeit abhängt. Besonders relevant: In einem Abstand von nur 30 cm vom Kabel sank die Temperatur um durchschnittlich 40–50% gegenüber der Kabeloberfläche, was für die Dimensionierung von Sicherheitsabständen zu anderen Versorgungsleitungen essenziell ist.
Einfluss des Bettungsmaterials auf die Wärmeableitung
Vergleichende Messungen mit verschiedenen Bettungsmaterialien zeigen deutliche Unterschiede in der Wärmeableitung. Thermisch optimierte Füllmaterialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit können die Temperaturen an der Kabeloberfläche um bis zu 15–20°C senken im Vergleich zu Standard-Bodenmaterial. Dies wirkt sich direkt auf die maximal mögliche Strombelastung aus: Bei gleicher Kabeltemperatur kann der Strom um etwa 10–15% erhöht werden, wenn das richtige Bettungsmaterial verwendet wird. Die zyklische Belastung – also schwankende Stromlasten über den Tagesverlauf – führt zu einer thermischen Trägheit des Bodens, die erst nach mehreren Stunden einen stationären Zustand erreicht.
Thermische Wechselwirkungen bei mehreren Kabeln
In der Praxis werden oft mehrere Kabel in einer gemeinsamen Trasse verlegt. Die Messdaten zeigen, dass sich die Wärmefelder benachbarter Kabel überlagern. In einem Abstand von weniger als 50 cm zwischen zwei Kabeln kann die Bodentemperatur zwischen den Kabeln um 25–30% höher liegen als bei Einzelfachverlegung. Dies führt zu einer verringerten Stromtragfähigkeit beider Kabel. Die Daten aus dieser Studie lassen sich direkt in Simulationssoftware für Kabelauslegung übertragen und ermöglichen präzisere Dimensionierungen.
Transferpotenzial für Elektrotechniker
Die Ergebnisse dieser Untersuchung bieten Elektrotechnikern konkrete Anhaltspunkte für die Praxis:
- Dimensionierungshilfe: Die Messdaten können zur Überprüfung von Software-Modellen für die Kabelauslegung genutzt werden und liefern Referenzwerte für kritische Betriebszustände.
- Bettungsmaterial-Wahl: Thermisch leitfähige Füllmaterialien (wie Sand-Kies-Gemische oder spezielle thermisch verbesserte Bettungsstoffe) sollten bevorzugt werden, insbesondere bei hohen Strömen oder begrenztem Platz.
- Abstandsminimierung: Bei engen Trassenverhältnissen liefern die Daten Argumente für vertretbare Mindestabstände oder thermisch entkoppelte Verlegearten.
- Zyklische Lastprofile: Die thermische Trägheit des Bodens muss bei Lastprofilen mit Lastspitzen berücksichtigt werden – kurzzeitige Überlastung ist möglich, wenn genügend Abkühlzeit folgt.
- Dokumentation und Nachweispflicht: Die Daten ermöglichen eine fundiertere Begründung der gewählten Auslegung gegenüber Auftraggebern und Behörden.
Für die praktische Umsetzung fehlen aktuell noch breit verfügbare Bemessungsprogramme, die diese Datensätze integrieren. Der Transfer könnte über Fachsoftware-Hersteller oder Übernahme der Daten in VDE-Weiterentwicklungen erfolgen.
Fazit
Die vorliegende Publikation liefert praxisrelevante Messdaten zur thermischen Umgebung von Erdkabeln, die Elektrotechniker für die fundierte Planung und Installation nutzen können. Die einheitliche TRL-Einschätzung liegt bei 4, da alle Untersuchungen im Labor unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt wurden und die Übertragung auf reale Feldbedingungen mit variablen Umweltfaktoren noch aussteht. Die konsistente Bewertung reflektiert den Entwicklungsstand: validierte Laborergebnisse mit klarem Anwendungspotenzial, aber noch ohne Nachweise im Betrieb unter realitätsnahen Bedingungen. Künftige Entwicklungen sollten diese Daten in branchenübliche Dimensionierungssoftware integrieren und die Erkenntnisse in aktualisierte Vorgaben der VDE-Normen einfließen lassen.
Quellen
- Primär: Spatial soil temperature measurement data around an underground power cable under controlled thermal loading (2024). https://doi.org/10.1016/j.dib.2024.112582
- Verwandt: Evolution of Temperature Field around Underground Power Cable for Static and Cyclic Heating (2021). DOI: 10.3390/en14238145
- Verwandt: Experimental study of thermal performance of the backfill material around underground power cable under steady and cyclic thermal loading (2019). DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2019.03.024
- Verwandt: Unveiling soil thermal behavior under ultra-high voltage power cable operations (2025). DOI: keine Angabe verfügbar
- Verwandt: Numerical modelling of effective thermal conductivity for modified geomaterial using lattice element method (2017). DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2017.01.004
- Verwandt: Cyclic Loading of Underground Cables Including the Variations of Backfill Soil Thermal Resistivity and Specific Heat With Temperature Variation (2018). DOI: 10.1109/TPWRD.2017.2771796
- Verwandt: Experimental Validation of a Heat Transfer Model in Underground Power Cable Systems (2020). DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2020.106476