Title:
Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von Seekabeln zur Energieübertragung sowie Kabeleinführung einer Offshore-Struktur
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von Seekabeln zur Energieübertragung im Bereich von Hotspots der Seekabel, insbesondere im Bereich von Kabeleinführungen an Offshore-Strukturen, wobei das Verfahren eine Begrenzung der maximalen Oberflächentemperatur eines oder mehrerer Leiter des Seekabels durch Anschließen einer Wärmesenke im Bereich eines Hotspots oder durch aktives oder passives Kühlen eines Hotspots oder durch abschnittsweise Erhöhung des Leitungsquerschnitts im Bereich eines Hotspots oder durch bereichsweise Erhöhung des Leitwerts wenigstens eines Leiters im Bereich eines Hotspots umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kabeleinführung einer Offshore-Struktur umfassend wenigstens ein Seekabel in die Offshore-Struktur, eine Kabeldurchführung in die Struktur und eine Vorrichtung zum Schutz des Seekabels gegen äußere mechanische Einwirkungen, mit Mitteln zur Begrenzung der maximalen Oberflächentemperatur eines oder mehrerer Leiter des Seekabels.




Inventors:
Runge, Jörn, Dr. (20251, Hamburg, DE)
Bartminn, Daniel (25335, Elmshorn, DE)
Application Number:
DE102016218702A
Publication Date:
03/29/2018
Filing Date:
09/28/2016
Assignee:
INNOGY SE, 45128 (DE)
Domestic Patent References:
DE102014206000A1N/A2015-10-01
DE102012016670A1N/A2014-03-20
DE102004063508A1N/A2006-07-13
DE69727484T2N/A2004-12-23



Foreign References:
62255532001-05-01
Attorney, Agent or Firm:
Kierdorf Ritschel Richly Patentanwälte PartG mbB, 51429, Bergisch Gladbach, DE
Claims:
1. Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von Seekabeln zur Energieübertragung im Bereich von Hotspots der Seekabel, insbesondere im Bereich von Kabeleinführungen an Offshore-Strukturen, wobei das Verfahren eine Begrenzung der maximalen Oberflächentemperatur eines oder mehrerer Leiter des Seekabels durch Anschließen einer Wärmesenke im Bereich eines Hotspots oder durch aktives oder passives Kühlen eines Hotspots oder durch abschnittsweise Erhöhung des Leitungsquerschnitts im Bereich eines Hotspots oder durch bereichsweise Erhöhung des Leitwerts wenigstens eines Leiters im Bereich eines Hotspots umfasst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine passive Wasserkühlung im Bereich einer Kabeleinführung in die Offshore-Struktur, insbesondere in einer Kabeldurchführung einer Vorrichtung zum Schutz des Seekabels gegen äußere mechanische Einwirkungen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Kabeleinführung eine aktive Kühlung des Seekabels durch Meerwasserzirkulation durch eine Vorrichtung zum Schutz des Seekabels gegen äußere mechanische Einwirkungen vorgesehen ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Kabeleinführung eine Wärmeabfuhr des Seekabels dadurch bewirkt wird, dass eine mechanische Wärmeleitverbindung des Seekabels mit einem Fundament der Offshore-Struktur hergestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Kabeleinführung ein Wärmetausch mit Meerwasser unter Verwendung wenigstens eines Wärmetauschers oder Wärmetauscherkörpers bewirkt wird.

6. Kabeleinführung einer Offshore-Struktur umfassend wenigstens ein Seekabel (2) der Offshore-Struktur, eine Kabeldurchführung in die Struktur und eine Vorrichtung zum Schutz des Seekabels (2) gegen äußere mechanische Einwirkungen, mit Mitteln zur Begrenzung der maximalen Oberflächentemperatur eines oder mehrerer Leiter (4) des Seekabels, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Mittel zum aktiven oder passiven Kühlen des Seekabels (2) im Bereich der Kabeleinführung, einen Leitungsabschnitt mit einem erhöhten Leitungsquerschnitt und/oder mit einem abschnittsweise erhöhten Leitwert, eine mechanische Wärmeleitverbindung an eine entfernt angeordnete Wärmesenke, einen Wärmetauschkörper.

7. Kabeleinführung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabeldurchführung wenigstens einen mit Meerwasser durchflutbaren Führungsstopfen aufweist.

8. Kabeleinführung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Seekabel (2) wenigstens eine Verbindungs- und Übergangsmuffe (1) aufweist, mittels derer eine oder mehrere Leiter (4) des Seekabels (2) mit einem ersten kleineren Querschnitt und/oder aus einem Material mit einer ersten geringeren Leitfähigkeit mit einem Abschnitt eines oder mehrerer Leiter mit einem zweiten größeren Querschnitt und/oder aus einem Material mit einer zweiten größeren Leitfähigkeit verbunden sind.

9. Kabeleinführung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch wenigstens eine Manschette, die das Seekabel (2) umschließt und die über einen Wärmeleiter mit dem Fundament der Offshore-Struktur verbunden ist.

10. Kabeleinführung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungs- und Übergangsmuffe (1) über einen Wärmeleiter mit dem Fundament der Offshore-Struktur verbunden ist.

11. Kabeleinführung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Schutz des Seekabels (2) gegen äußere mechanische Einwirkungen an einen vorzugsweise offenen Meerwasserkühlkreislauf angeschlossen ist.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von Seekabeln zur Energieübertragung sowie eine Kabeleinführung einer Offshore-Struktur.

Der mit Seekabeln zur Energieübertragung maximal übertragbare Kabelstrom wird durch die maximale Oberflächentemperatur des Leiters begrenzt. Seekabel dürfen grundsätzlich eine vorgegebene absolute Leitertemperatur im Betrieb nicht überschreiten. Die absolute Leitertemperatur ist normalerweise auf 90°C begrenzt. Diese setzt sich zusammen aus der Umgebungstemperatur und der sogenannten Leiterübertemperatur. Offshore-Strukturen mit elektrischen Einrichtungen zur Energieerzeugung oder zur Transformation als sogenannte „Substations” sind oberhalb der Wasserlinie angeordnet. Die Seekabel werden durch sogenannte J-Tubes in einer Offshore-Struktur, beispielsweise in Form eines Turmbauwerks mit Monopile-Gründung oder in Form einer Plattform mit Jacket-Fundament eingeführt. Hierzu sind an der Offshore-Struktur Kabeleinführungen in Form von Führungsbuchsen, Kabeldurchführungen oder dergleichen vorgesehen.

Als J-Tubes bezeichnet man rohrförmige Vorrichtungen zum Schutz des Seekabels gegen äußere mechanische Einwirkungen.

Im Bereich der Kabeleinführung der Offshore-Struktur sind die Seekabel normalerweise Umgebungstemperaturen ausgesetzt, die höher sind als unterhalb der Wasserlinie. Bereits bei Umgebungstemperaturen von über 20°C sind gegebenenfalls bereits Maßnahmen einzuleiten, um die Leitertemperatur zu begrenzen, beispielsweise durch Reduzierung der durch das Seekabel transportierten elektrischen Leistung.

Übergangsbereiche der Seekabel, in denen diese einer erhöhten Temperatur ausgesetzt sind, werden im Allgemeinen und auch im Folgenden als Hotspots bezeichnet.

Solche Hotspots führen zur Reduzierung des maximal zulässigen Stroms in dem betreffenden Leiter. Eine solche Reduzierung ist grundsätzlich unerwünscht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, dem Rechnung zu tragen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Kabeleinführung einer Offshore-Struktur nach Anspruch 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von Seekabeln zur Energieübertragung im Bereich von Hotspots der Seekabel, insbesondere im Bereich von Kabeleinführungen an Offshore-Strukturen, vorgesehen, wobei das Verfahren eine Begrenzung der maximalen Oberflächentemperatur eines oder mehrerer Leiter des Seekabels durch Anschließen einer Wärmesenke im Bereich eines Hotspots oder durch aktives oder passives Kühlen eines Hotspots oder durch abschnittsweise Erhöhung des Leitungsquerschnitts im Bereich eines Hotspots oder durch bereichsweise Erhöhung des Leitwerts wenigstens eines Leiters im Bereich des Hotspots umfasst.

Eine Offshore-Struktur im Sinne der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise ein Turmbauwerk für einen Windkraftgenerator oder eine Plattform mit einer elektrischen Installation, beispielsweise in Form einer sogenannten Substation sein. Die Kabeleinführung kann beispielsweise an einem Monopile eines Turmbauwerks vorgesehen sein, alternativ kann die Kabeleinführung an einem Übergangsstück (Transition Piece) vorgesehen sein, welches auf einem Jacket-Fundament oder einem Monopile aufgestellt ist. Die Art der Gründung und die Art der Offshore-Struktur sind für die vorliegende Erfindung nicht kritisch.

Wie vorstehend bereits erwähnt, ist im Sinne der vorliegenden Erfindung unter einem Hotspot ein Bereich eines Seekabels zu verstehen, der einer erhöhten Umgebungstemperatur ausgesetzt ist und der insbesondere hinsichtlich der maximal zulässigen Leitertemperatur kritisch ist.

Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist eine passive Wasserkühlung im Bereich einer Kabeleinführung in die Offshore-Struktur vorgesehen, insbesondere in einer Kabeldurchführung einer Vorrichtung zum Schutz des Seekabels gegen äußere mechanische Einwirkungen. Diese Vorrichtung wird im Fachjargon auch als sogenanntes J-Tube bezeichnet. Es handelt sich dabei um einen Rohrabschnitt eines Führungsrohrs für das Seekabel, der beispielsweise j-förmig gebogen ist, um dem Seekabel einen vorgegebenen maximalen Biegeradius aufzugeben.

Eine passive Wasserkühlung im Bereich einer Kabeldurchführung kann beispielsweise dadurch gewährleistet werden, dass ein Führungsstopfen für wenigstens ein Seekabel im Bereich des J-Tube-Entry-Hole wasserdurchlässig ausgebildet ist. Dieser Führungsstopfen kann beispielsweise Löcher aufweisen, die eine Meerwasser- bzw. Seewasserzirkulation im Bereich der Kabeldurchführung ermöglichen. Insbesondere im Bereich von Kabeldurchführungen ist durch eine Einspannung des Seekabels sonst die Wärmeabfuhr des Seekabels durch entsprechende Kabelführungen behindert.

Bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine aktive Kühlung des Seekabels durch Meerwasserzirkulation durch eine Vorrichtung zum Schutz des Seekabels gegen äußere mechanische Einwirkungen vorgesehen sein. Es kann beispielsweise erfindungsgemäß vorgesehen sein, Meerwasser aktiv durch das J-Tube zu zirkulieren. Wenn die Offshore-Struktur eine sogenannte Substation (Transformatorstation) aufnimmt, kann das Kühlsystem der Substation zur aktiven Kühlung des Hotspots verwendet werden.

Bei einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Bereich der Kabeleinführung des Seekabels eine Wärmeabfuhr des Seekabels dadurch bewirkt wird, dass eine mechanische Wärmeleitverbindung des Seekabels mit einem Fundament der Offshore-Struktur als Wärmesenke hergestellt wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann sowohl für ein einziges als auch für mehrere Seekabel an einer Offshore-Struktur Anwendung finden.

Eine mechanische Wärmeleitverbindung des Seekabels mit einer Wärmesenke kann beispielsweise mittels einer Manschette aus einem wärmeleitfähigen Material bewirkt werden, die im Bereich des Hotspots das Seekabel umgreift und die in direktem wärmeleitenden Kontakt mit dem Seekabel ist. Die Wärme kann dann über ein Wärmeleitelement abgeführt werden, beispielsweise in Form eines Seils, Kabels oder einer Stange, die mit der Wärmesenke, beispielsweise mit dem Fundament der Offshore-Struktur, verbunden ist.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass im Bereich der Kabeleinführung ein Wärmetausch mit Meerwasser unter Verwendung wenigstens eines Wärmetauschers oder wenigstens eines Wärmetauscherkörpers bewirkt wird. Ein solcher Wärmetauscher kann beispielsweise als Wärmeleitkörper mit einer vergrößerten Oberfläche ausgebildet sein. Der Wärmeleitkörper kann in unmittelbar wärmeleitendem Kontakt mit dem Seekabel sein.

Das Seekabel umfasst vorzugsweise einen oder mehrere elektrische Leiter und wenigstens eine die Leiter umschließende Isolation. Wenn vorstehend davon die Rede ist, dass das Seekabel in wärmeleitendem Kontakt mit einem Wärmetauscherkörper oder einer Manschette ist, so ist damit ein Kontakt der Isolation des Seekabels mit der Manschette oder dem Wärmetauscherkörper gemeint.

Die vorstehend beschriebenen Verfahrensmerkmale können jeweils für sich genommen, aber auch in beliebiger Kombination miteinander, durchgeführt werden.

Die Erfindung umfasst weiterhin eine Kabeleinführung, umfassend wenigstens ein Seekabel der Offshore-Struktur, eine Kabeldurchführung in die Struktur und eine Vorrichtung zum Schutz des Seekabels gegen äußere mechanische Einwirkungen, mit Mitteln zur Begrenzung der maximalen Oberflächentemperatur eines oder mehrerer Leiter des Seekabels, die ausgewählt sind, aus einer Gruppe umfassend Mittel zum aktiven oder passiven Kühlen des Seekabels im Bereich der Kabeleinführung, einen Leitungsabschnitt mit einem erhöhten Leitungsquerschnitt und/oder mit einem abschnittsweise erhöhten Leitwert, eine mechanische Wärmeleitverbindung an eine entfernt angeordnete Wärmesenke und einen Wärmetauschkörper.

Eine Variante der Kabeleinführung gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kabeldurchführung wenigstens einen mit Meerwasser durchflutbaren Führungsstopfen aufweist. Eine solche Kabeldurchführung wird auch als sogenanntes J-Tube-Entry-Hole bezeichnet.

Bei einer Variante der Kabeleinführung gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das Seekabel wenigstens eine Verbindungs- und Übergangsmuffe aufweist, mittels derer einer oder mehrere Leiter des Seekabels mit einem ersten kleineren Querschnitt und/oder aus einem Material mit einer ersten geringeren Leitfähigkeit mit einem Abschnitt eines oder mehrerer Leiter mit einem zweiten größeren Querschnitt und/oder aus einem Material mit einer zweiten größeren Leitfähigkeit verbunden sind.

So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass abschnittsweise der Querschnitt der Leiter erhöht wird, wodurch sich eine geringere Leiteroberflächentemperatur und eine bessere Leitfähigkeit einstellt. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, das Seekabel abschnittsweise aus einem Material mit einer höheren Leitfähigkeit auszustatten, beispielsweise im Bereich des Hotspots, so dass der elektrische Widerstand des Seekabels im Bereich des Hotspots reduziert wird und somit auch die erzeugte Verlustwärme geringer ist. Beispielsweise kann das Seekabel im Bereich des Hotspots als Kupferkabel ausgestattet sein, wohingegen derjenige Teil des Seekabels, der sich unter dem Meeresspiegel befindet, als Aluminiumkabel ausgebildet sein kann.

Alternativ kann vorgesehen sein, eine Verbindungs- und Übergangsmuffe im Bereich eines Hotspots vorzusehen. Innerhalb der Verbindungs- und Übergangsmuffe kann beispielsweise der Leiterquerschnitt verdoppelt sein, beispielsweise dadurch, dass die Leiter nicht stoßweise miteinander in elektrisch leitendem Kontakt angeordnet sind, sondern dass die Leiter innerhalb der Verbindungs- und Übergangsmuffe aufeinanderliegend angeordnet sind, so dass der Querschnitt wenigstens verdoppelt wird. Solche Verbindungs- und Übergangsmuffen werden im Fachjargon auch als sogenannte „Factory Joints” bezeichnet.

Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung, wenn beispielsweise im Bereich des Hotspots ein Seekabel-Abschnitt vorgesehen ist, der einen höheren Leitwert oder einen größeren Leiterquerschnitt aufweist. Dieser Seekabelabschnitt kann zwischen zwei Verbindungs- und Übergangsmuffen angeordnet sein.

Bei einer Variante der Kabeleinführung gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Manschette vorgesehen ist, die das Seekabel thermisch leitend umschließt und die über einen Wärmeleiter mit dem Fundament der Offshore-Struktur verbunden ist. Die Manschette selbst kann eine vergrößerte Oberfläche aufweisen und somit als Wärmetauscher ausgebildet sein.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Verbindungs- und Übergangsmuffe selbst die Funktion einer wärmeleitenden Manschette übernimmt und dass diese über einen Wärmeleiter mit einer Wärmesenke oder mit dem Fundament der Offshore-Struktur als Wärmesenke verbunden ist.

Nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zum Schutz des Seekabels gegen äußere mechanische Einwirkungen an einen vorzugsweise offenen Meerwasserkühlkreislauf angeschlossen ist.

Die vorstehend beschriebenen Merkmale der Kabeleinführung gemäß der Erfindung können jeweils für sich genommen oder auch in Kombination miteinander vorgesehen sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Verbindungs- und Übergangsmuffe eines Seekabels einer Kabeleinführung gemäß der Erfindung nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

2 eine schematische Darstellung eines Seekabels gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Kabeleinführung nach der Erfindung und

3 eine schematische Darstellung eines Seekabels nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Kabeleinführung.

In den Figuren ist lediglich die Verbindungs- und Übergangsmuffe 1 des Seekabels 2 dargestellt. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Verbindungs- und Übergangsmuffe 1 zwischen zwei Seekabel-Abschnitten 3 des Seekabels 2 vorgesehen. Die Verbindung- und Übergangsmuffe 1 befindet sich im Bereich einer nicht dargestellten Kabeleinführung einer Offshore-Struktur.

Das Seekabel 2 umfasst eine Vielzahl von Leitern 4, die im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß 1 stoßweise aneinandergefügt sind, um so eine elektrische Verbindung zwischen beiden Seekabel-Abschnitten 3 herzustellen. Die Übergangs- und Verbindungsmuffe 1 umfasst von außen nach innen betrachtet einen Mantel 5 aus einem vernetzten Polyethylen, eine erste Manschette 6 aus einem Siliziumkarbid und eine zweite Manschette 7 aus Kupfer. Die Leiter 4 bestehen vorzugsweise aus Aluminium. Mittels der zweiten Manschette 7, die die stoßweise aneinandergefügten Leiter 4 unmittelbar umschließt, wird einerseits die elektrische Leitfähigkeit und andererseits die thermische Leitfähigkeit der von der Übergangs- und Verbindungsmuffe 1 Leiter 4 verbessert.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die Leiter 4 mit an unterschiedlichen Stellen angeordneten Einzelstoßpunkten vorgesehen, sodass die Einzelstoßpunkte nach Art eines Mauerverbundes versetzt zueinander angeordnet sind.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 entspricht demjenigen gemäß 1, mit dem Unterschied, dass die Einzelstoßpunkte der Leiter 4 alle in einer Querschnittsebene angeordnet sind. Im Übrigen sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich von denjenigen gemäß der 1 und 3 dadurch, dass die Leiter 4 mit versetzt zueinander angeordneten Einzelstoßpunkten untereinander verdrillt sind, was die elektrische Leitfähigkeit erhöht. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß 2 denjenigen gemäß den 1 und 3. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bezugszeichenliste

1
Verbindungs- und Übergangsmuffe
2
Seekabel
3
Seekabel-Abschnitte
4
Leiter
5
Mantel
6
erste Manschette,
7
zweite Manschette