Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Leitung von Strom unter Hochspannung und zur Datenübertragung sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung.

Angesichtes des zunehmenden Einsatzes von regenerativen Energien ist ein Ausbau des gesamten Leitungsnetzes zwingend erforderlich. Dabei sind wegen der zeitlich und örtlich sehr unterschiedlichen Verfügbarkeiten der einzelnen Erzeuger wie Windkraft und Solarenergie insbesondere die großräumigen Verbindungen verstärkt gefragt.

Ein weiterer Grund liegt in der Einbindung der Zwischenspeichertechnik, die die Wasserkraft von den Alpen bis Norwegen in diesem Verbund erforderlich macht. Auch sind für regenerative Energien häufig unzugängliche oder katastrophenrelevante Gebiete zu durchqueren, was an die Energietransporttechnik besondere Anforderungen stellt.

Der derzeitig geplante Weg der zusätzlichen überirdischen Aufständerung von Überlandleitungen ist aus Kosten- wie Genehmigungsgründen nicht gangbar. Darüber hinaus ist die Katastrophenanfälligkeit überirdischer Leitungssysteme zu groß, um auch aus unwegbaren Gegenden Strom anzutransportieren. Zur Schaffung von sogenannten Stromautobahnen sind daher dringend neue Techniken zu entwickeln, die zukunftsweisende Lösungen liefern können.

Freileitungen werden entweder als Drehstromsysteme oder als Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) ausgeführt. Die Trassen bestehen dabei aus Stahlseilen, die mit Aluminium umsponnen sind. Problematisch dabei sind die starken Außenfelder, der geringere Isolationswiderstand durch das Vorhandensein von Luftfeuchtigkeit und die Korona-Verluste durch die sehr hohe Feldstärke an der Drahtoberfläche. Erdkabel besitzen durch die Verwendung von Kupfer zwar einen um 40% geringeren ohmschen Widerstand, haben aber als Drehstromsystem einen deutlich höheren Blindleistungsanteil durch den kapazitiven Belag des Kabels, der nur außerhalb der Übertragungsstrecke kompensiert werden kann. Gerade als Überseeka- bei werden sie deshalb als HGÜ-System ausgeführt.

Während die Freileitungen durch optische Kontrollen überprüft werden können, sind Beschädigungen an Erdkabeln oft nicht rechtzeitig zu erkennen. Gasisolierte Rohrleiter (GIL) werden zunehmend als Alternative für unterirdische Hochspan- nungsleitungen eingesetzt. Rohrleiter unterliegen im Gegensatz zu feststoff isolierten Leitungen nahezu keiner Alterung und sind im Vergleich zu anderen Energieübertragungsanlagen außerordentlich betriebssicher. GIL sind aber von außen leicht zu beschädigen und werden mit einem klimawirksamen Gas (SF ₆ ) gefüllt. Das Feld der Möglichkeiten spannt sich also zwischen erhöhter Verlustleistung bei Freileitungen, Wartungsintensität bei Erdkabeln und technischen Risiken bei dem Einsatz von Isoliergas.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels derer Strom unter Hochspannung und Daten verlustarm geleitet werden können, wobei diese Vorrichtung hochfest gegen Umwelteinflüsse und wartungsfrei sein sollte. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren nach Anspruch 8 sowie den weiteren vorteilhaften Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen. Die darin enthaltenen Merkmale sind jedoch auch mit anderen Merkmalen aus der nachfolgenden Be- Schreibung zu weiteren Ausgestaltungen verknüpfbar und nicht allein auf die jeweilige beanspruchte Weiterbildung beschränkt.

Vorgeschlagen wird ein Vorrichtung zur Leitung von Strom unter Hochspannung und zur Datenübertragung, umfassend zumindest: - ein Schutzrohr, welches mit einer isolierenden Masse, umfassend ein mit Kunststoff gebundenes silikatisches Füllmaterial, ausgekleidet ist,

- stromführende Leiter, die in dem Schutzrohr angeordnet sind und

- einen Überwachungssensor.

Vorzugsweise umfasst das Schutzrohr einen Stahl Werkstoff. Hierdurch kann die Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform unterirdisch verlegt werden.

Die einzelnen stromführenden Leiter können ein hochleitfähiges Metall umfassen oder aus diesem bestehen, welches in Form von Einzeladern ausgeführt ist, die so gewickelt sind, dass der Einfluss der Stromverdrängung hierdurch minimiert werden kann. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die stromführenden Leiter als ein Zweiphasen-Wechselstromsystem ausgebildet sind.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die stromführenden Leiter als ein Dreiphasen- Drehstromsystem ausgebildet sind.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die stromführenden Leiter als ein Hochspannungs-Gleichstromsystem ausgebildet sind.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass um die Leiter Ferritelemente regelmäßig beabstandet angeordnet sind. Wenn Ferritelemente in regelmäßigen Abständen um den Leiter herum eingebettet sind, führt dieses zur Korrektur der bei Wechselstrom auftretenden Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom, wodurch die sogenannte Blindleistungskompensation be- wirkt wird. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Schutzrohr eine Kommunikationsleitung, vorzugsweise Glasfasern umfassend, angeordnet ist. Die Kommunikationsleitung kann vollständig aus Glasfasern bestehen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung mehrere Sensorelemente zur Ausbildung eines Telemetriesystems umfasst, über welches Überwachungsdaten generierbar sind. Bei der Mitverlegung von Sensorelementen zur Ausbildung des Telemetriesystems können diese bei Wechselstromsystemen induktiv versorgt werden, wobei die Auslesung der Ergebnisse entweder als Holleiterwelle möglich ist, oder bei Gleichstromsystemen eine datentechnische Verbindung zu der Glasfaser-Kommunikationsleitung hergestellt werden kann. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Leitung von Strom unter Hochspannung und Datenübertragung vor, wobei

- in einem Schutzrohr zumindest stromführende Leiter und

- zumindest ein Überwachungssensor verlegt werden und

- das Schutzrohr mit einer isolierenden Masse, umfassend ein mit Kunststoff gebundenes silikatisches Füllmaterial, ausgekleidet wird.

Es wurde herausgefunden, dass mit der Erfindung eine Vorrichtung und eine Technologie zum Aufbau von Stromautobahnen, vorzugsweise in unterindischer Verlegung zur Verfügung gestellt werden können, die vorteilhafterweise als Stahlrohrpipeline mit einer Mineralgussfüllung ausgeführt sind. In das kalthärtende silikatische Material können beim Verlegen beispielsweise Kupferstränge, Glasfaserleiter und Sensorelemente mit eingebettet werden. Blindleistungskompensations- Vorrichtungen können ebenfalls bei der Erstellung der Pipeline mit eingebracht werden.

Diese Technik ist verlustarm, hochfest gegen Umwelteinflüsse und wartungsfrei. Es können in dieser Technologie sowohl Drehstromsysteme als auch HGÜ- Techniken realisiert werden. Die Außenbelastung der Umwelt durch Gefährdung, Wärmeabfuhr und elektrische Felder ist so minimal, dass diese Strompipeline na- hezu genehmigungsfrei überall verlegt werden kann. Die vollständige Recycelbar- keit des Materials ist ebenfalls gegeben.

Erfindungsgemäß kann die Vorrichtung aus einem Stahlrohr bestehen, welches mit sogenanntem Mineralguss gefüllt ist. Dieses Material besteht beispielsweise aus einem Sand- und Kiesgemisch, welches mit Epoxid-Harz gebunden wird. Dieses kalthärtende Material besitzt die notwendige Isolationswirkung von 10 ¹⁵ Ω und so eine geringe Dielektrizitätskonstante, dass der Kapazitätsbelag der Leitung bei Wechselstromanwendungen nicht zu hoch wird. Die Einbringung des bindenden Kunststoffs auf die Kupferstränge und in die Innenwandung des Stahlrohrs bietet bei der Zusammenbringung der einzelnen Elemente dazu einen idealen Korrosionsschutz.

Der Pipelineaufbau aus Stahlrohr basiert wegen der verbesserten Fertigbarkeit vorzugsweise auf gebogene Blechplatinen mit Längs- und Querverschweißung. Da es sich bei Strahlwerkstoff um ein permeables Material handelt, ist dadurch auch eine effektive Abschirmung von magnetischen Wechselfeldern möglich. Für die verwendeten Kupferstränge muss der Aufbau aus oxid isolierten Einzeladern und die Wicklungsart gewählt werden, damit bei ausreichend hohem Querschnitt Stromverdrängungseffekte vermieden werden. Diese verhindern neben der Widerstandserhöhung das Ausbreiten einer verlusterzeugenden Korona auf der Oberfläche des Leiters.

Bezüglich der elektrischen Auslegung sind sowohl ein Drehstromsystem wie ein HGÜ-Zweileitersystem möglich. Wichtige Parameter dabei sind die geometrischen Verhältnisse unter dem Aspekt der Hochspannung, der entstehende Kapazitätsund Induktivitätsbelag, die mögliche Länge der Gesamtleitung, der Verlust und die Erwärmung aufgrund des ohmschen Widerstands und aufgrund des magnetischen Kurzschluss im Stahlmantel und die möglicherweise notwendige Blindleistungs- kompensation durch zusätzliche Ferritringe um die einzelnen Leiter.

Die Technik der als Datenautobahn dienenden Glasfaserstränge ist ein nutzbringendes Abfallprodukt, welches aber auch für die Telemetrie der Überwachungssensoren verwendet werden kann.

Da es sich hier dank des Werkstoffmixes um eine hochfeste und in sich geschlossene Struktur handelt, ist eine on-line-Überwachung erforderlich. Diese wird von einer Anzahl von Sensoren für Temperatur, Schwingung, Dehnung, Feuchtigkeit, Feldstärke etc. als ein separates Telemetriesystem durchgeführt, die beispielsweise in einer separaten Metallkapsel untergebracht sind. Durch Empfang und Gleichrichtung des vorhandenen Wechselfeldes von 50 Hz wird die Sensoreinheit versorgt. Das Ergebnis der Messung kann sowohl glasfaseroptisch über die Datenautobahn ausgekoppelt werden, als auch höchstfrequenzmäßig auf Hohlleiterbasis durch die Röhre an das Ende der Leitung gesendet werden. Eine entsprechende Empfangsstelle wertet dann ständig die Messwerte der Überwachungs- sensorik aus, so dass die Stromautobahn ständig kontrolliert gefahren werden kann.

Diese einzelnen Metallkapseln müssen dann während der Fertigung in großer Stückzahl in den feuchten Mineralguss an einer Stelle mit geringer Feldstärke eingebettet werden und können dann ständig Messdaten generieren und übertragen.

Die Fertigung einer solchen Stompipeline erfolgt dann vor Ort während der Verlegung. Der äußere Stahlmantel, der aus gebogenen Blechsegmenten zusammengesetzt werden muss, wird dann um die kontinuierlich von Trommeln abgewickelten Kupfer- und Glasfaserstränge gelegt und verschweißt. Dann erfolgt mit einem Spezialwerkzeug die Verbringung des frischen Mineralgusses in das gefertigte Segment, wobei Blindleistungskompensatoren und Sensorkapseln in dieser Phase mit eingebracht werden müssen. Vor der Unterflurverlegung wird dann der Stahlmantel noch von außen Korrosionsgeschützt. Leitungsabschnitte von bis zu 100 km Länge sind so möglich.

Eine Verlegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Gewässer mittels ein- schlämmen, eine Integration in Tunnel- oder Brückenkonstruktionen oder eine erhabene dammförmige Errichtung zur Überquerung von Gebirgen ist ebenfalls möglich.

Aufgrund der mechanischen Widerstandsfähigkeit und des idealen Korrosionsschutzes bildet die Strompipeline eine langfristig verfügbare Alternative zu bisherigen Überlandleitungen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale werden anhand der nachfolgenden Figuren jeweils näher erläutert. Die dort dargestellten Bespiele sind jedoch nicht beschränkend auszulegen, sondern beispielhaft. Die nachfolgend beschriebenen Merkmale sind jeweils auch mit Merkmalen aus den anderen Figuren sowie mit Merkmalen der oben beschriebenen Offenbarung zu weiteren Ausgestaltungen verknüpfbar.

Es zeigen: Fig. 1 : schematisch den Aufbau der Vorrichtung als Strompipeline für ein Dreiphasen-Drehstromsystem und

Fig. 2: den schematischen Aufbau der Vorrichtung als Strompipeline für ein doppeltes Hochspannung-Gleichstrom-Übertragungssystem

In der Fig. 1 wird schematisch der Aufbau der Vorrichtung als Strompipeline für ein Dreiphasen-Drehstromsystem dargestellt, die zur Leitung von Strom unter Hochspannung und zur Datenübertragung ist. Die Vorrichtung 1 umfasst hierbei beispielhaft zumindest

ein Schutzrohr 2, welches mit einer isolierenden Masse 3, umfassend ein mit Kunststoff gebundenes silikatisches Füllmaterial, ausgekleidet ist, stromführende Leiter 4, die in dem Schutzrohr 2 angeordnet sind und einen Überwachungssensor 5.

Es können hierbei ein oder mehrere Überwachungssensoren 4 vorgesehen sein, die beispielsweise durch Wechselfelder versorgt werden.

Die Leiter 4 können als Kupferleiter, beispielsweise gewickelt nach dem Röbels- Prinzip ausgebildet sein. Das Schutzrohr 2 ist beispielsweise ein Stahlmantel aus geschweißten Rohrelementen.

Zudem ist eine Anordnung Monomode-Glasfasern 6 zur Datenübertragung vorgesehen. Zur Blindleistungskompensation ein Ferritring 7 vorgesehen, bei dem Ferritele- mente in regelmäßigen Abständen um den Leiter herum eingebettet sind.

In der Fig. 2 wird schematisch der Aufbau der Vorrichtung 1 als Strompipeline für ein doppeltes Hochspannung-Gleichstrom-Übertragungssystem dargestellt.

Die Vorrichtung 1 umfasst ein Schutzrohr 2, welches ebenfalls als Stahlmantel aus geschweißten Rohrelementen ausgebildet sein kann. Die stromführenden Leiter 4 können in dieser Ausführungsform ebenfalls gewickelte Kupferleiter sein. Zur Da- ten Übertragung ist auch hier eine Anordnung von Monomode-Glasfasern 6 vorgesehen, die beispielsweise um einen Überwachungssensor 5 angeordnet sein können. Der Überwachungssensor 5 kann durch elektrische Leiter versorgt und ausgelesen werden. Dadurch, dass bei der Verlegung bzw. Herstellung der Vorrichtung auch Sensorelemente als Telemetriesystem mit eingefügt werden können, die Überwachungsdaten generieren, und die bei Wechselstromsystemen induktiv versorgt werden können, ist die Auslesung der Ergebnisse entweder als Holleiterwelle möglich, oder es kann bei Gleichstromsystemen kann eine datentechnische Ver- bindung zu der Glasfaser-Kommunikationsleitung hergestellt werden.

Die dargestellten Figuren zeigen die Anwendbarkeit der entwickelten Vorrichtung belegen Möglichkeiten zu deren Herstellung, wobei die Erfindung nicht auf die aufgezeigten Verwendungsmöglichkeiten und Materialien sowie Kombinationen dieser beschränkt ist.