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Erdkabel

Als Erdkabel bezeichnet man Kabel, die im Erdboden verlegt werden. Sie dienen häufig der elektrischen Energieversorgung, teils aber auch anderen Zwecken, beispielsweise zur Übermittlung von Daten und Signalen. Meist enthalten Erdkabel elektrische Leiter, aber es gibt außer Elektrokabeln beispielsweise auch Glasfaserkabel, die komplett nichtleitend sein können.

Besonders im Bereich der elektrischen Energieversorgung konkurrieren Erdkabel mit Freileitungen, d. h. frei in der Luft verlegten Kabeln oder auch nicht isolierten Leitern. Dies gilt sowohl im kleinen Maßstab, beispielsweise bei der Stromversorgung von Gebäuden, als auch im großen Maßstab bei Hochspannungsleitungen.

Nicht zu den Erdkabeln gehören Erdungseinrichtungen; hier verwendet man unisolierte Leiter, um einen guten elektrischen Kontakt mit dem Erdreich herzustellen.

Grundlegende technische Aspekte

Isolation und anderweitiger Schutz

Elektrokabel sind elektrische Leiter, die mit einer elektrischen Isolation versehen sind. Die elektrische Isolation dient einerseits dem Schutz der Umgebung – z. B. von Personen, die mit dem Kabel oder dem umgebenden elektrisch etwas leitenden Boden in Berührung kommen, ebenfalls der Vermeidung von elektrochemisch induzierter Korrosion in nahe gelegenen Metallteilen. Andererseits muss manchmal auch das Kabel selbst vor äußeren Einflüssen geschützt werden, insbesondere bei der Übermittlung von Daten.

Für die Verlegung im Erdboden wird eine besonders robuste und dauerhafte Isolation benötigt, die meist über viele Jahre einwandfrei funktionieren soll. Außer der elektrischen Isolation muss sie das Kabel auch anderweitig schützen, beispielsweise gegen chemische Einflüsse im Erdreich, das Wachstum von Pflanzenwurzeln und die Aktivitäten von Kleintieren im Boden. Oft wird der nötige Schutz durch eine Kombination von unterschiedlichen Elementen gewährleistet, beispielsweise elektrische isolierende Schichten und eine mechanisch stabile Armierung oder ein Kabelschutzrohr. Dazu kann bei der Verlegung die Einrichtung einer Sandschicht kommen, die Verletzungen des Kabels durch scharfkantige Steine vermeidet.

Wichtig für den Schutz gegen Beschädigungen ist außerdem eine Verlegung in ausreichender Tiefe, auch wenn dies die Kosten erhöht. Für die nötige Verlegungstiefe gelten teils auch Normen und andere Regelwerke. In manchen Fällen werden auch Kennzeichnungen vorgenommen, um die Präsenz eines Kabels anzuzeigen und entsprechende Vorsicht beispielsweise bei Bauarbeiten zu erreichen.

Anzahl der Leiter pro Kabel

In vielen Fällen enthält ein Kabel mehrere elektrische Leiter, oder mehrere Kabel werden gemeinsam beispielsweise mit einem zusätzlichen Schutz und einer Isolierung versehen. Dies ist beispielsweise üblich für Hausanschlüsse zur Stromversorgung (siehe unten). Vor allem Telefonkabel, die eine Vielzahl von Telefonaten gleichzeitig übertragen mussten, wiesen früher eine enorm große Zahl von Leitern auf – teils weit mehr als 1000 Doppeladern. Heute verlaufen all diese Signale meist gleichzeitig durch eine einzelne Glasfaser, oder durch ein Kabelbündel mit nur wenigen enthaltenen Glasfasern.

Bei Kabeln für sehr hohe Spannungen (z. B. mehr als 100 kV) ist die interne Isolation der verschiedenen Leiter schwierig zu bewerkstelligen. Deswegen werden hier meist separat isolierte einpolige Kabel verlegt, aber gemeinsam in einem Graben ohne besonderen Abstand.

Kühlung von Stromkabeln

In Stromkabeln, die hohe elektrische Leistungen übertragen müssen, entstehen oft erhebliche Mengen von Abwärme durch den elektrischen Widerstand der Leiter. Damit die Kabel im Betrieb nicht zu heiß werden, muss teils die nötige Kühlung mit zusätzlichen Maßnahmen sichergestellt werden. In manchen Fällen geschieht die Kühlung über Wasserrohre, bei geringeren Verlustleistungen auch mit einer Zwangsbelüftung, d. h. über Luft.

Kurzfristig können Erdkabel deutlich höher belastet werden als auf Dauer. Es dauert nämlich einige Zeit, bis das Erdreich in der Umgebung selbst so erwärmt ist, dass das Kabel entsprechend heiß werden kann.

Reparatur von Erdkabeln

Erdkabel werden wesentlich seltener als Freileitungen beschädigt, weil sie im Erdreich besser geschützt sind. Wenn aber doch eine Beschädigung vorkommt, beispielsweise als Folge von Bauarbeiten mit einem Bagger oder durch Korrosionseinflüsse an einer alten Kabelmuffe, ist die Reparatur meist erheblich aufwendiger. In manchen Fällen ist bereits die Lokalisierung der beschädigten Stelle schwierig. Wenn dies erfolgt ist, muss das Erdkabel freigelegt werden, während eine Freileitung unmittelbar zugänglich wäre. Aus diesen Gründen sind solche Reparaturen meist langwieriger und teurer.

Von Erdkabeln erzeugte Felder

Hauptsächlich Stromkabel, die hohe Leistungen übertragen, erzeugen elektrische und magnetische Felder von nicht vernachlässigbarer Stärke in ihrer unmittelbaren Umgebung. In verschiedener Hinsicht unterscheiden sich diese Phänomene zwischen Erdkabeln und Freileitungen:

• In der Umgebung von Freileitungen treten sehr starke elektrische Felder auf, bei Erdkabeln dagegen kaum. Erhebliche elektrische Felder gibt es zwar zwischen den einzelnen Leitern, jedoch nehmen die Feldstärken mit zunehmendem Abstand sehr rasch ab. Einen dämpfenden Einfluss hat hier auch das elektrisch ein wenig leitende Erdreich.

• Die einzelnen Leiter erzeugen sowohl bei Erdkabeln als auch bei Freileitungen erhebliche Magnetfelder als Folge des Stromflusses. Jedoch befinden sich die einzelnen Leiter, in denen phasenverschobene Ströme fließen, bei Erdkabeln sehr viel näher beieinander, und dies führt zu einer weitgehenden gegenseitigen Auslöschung dieser Magnetfelder. Andererseits können beispielsweise Personen Erdkabeln in der Regel viel näher kommen als den Leitern von Freileitungen. Man wird aber zumindest finden, dass die magnetischen Feldstärken mit zunehmendem Abstand von einem Erdkabel sehr schnell abfallen. Anders ist es allenfalls in Situationen, wo ein wesentlicher Summenstrom auftritt, etwa in Form eines Ausgleichsstroms zwischen verschiedenen Erdungssystemen; hier erfolgt der Abfall der Feldstärke mit zunehmender Entfernung wesentlich langsamer.

Konkrete technische Auswirkungen solcher elektrischer oder magnetischer Felder sind eher selten. Dagegen gibt es Ängste vor gesundheitlichen Schäden durch "Elektrosmog", auch wenn eine klare Evidenz für solche Gefahren selbst nach Jahrzehnten der Forschung nicht vorliegt. Immerhin dürften solche Bedenken bei Erdkabeln in der Regel geringer sein als bei Freileitungen.

Erdkabel für die Energieversorgung

Für die Energieversorgung werden unterschiedliche Arten von Erdkabeln verwendet, von denen einige im Folgenden besprochen werden.

Stromversorgung von Gebäuden

In Mitteleuropa werden die meisten Gebäude über Niederspannungs-Erdkabel mit elektrischer Energie versorgt. (Für Gebäude, die besonders hohe Leistungen benötigen, kommt auch ein Anschluss mit Mittelspannung infrage.) Dies sind meistens Kabel, die vier Leiter enthalten; drei Außenleiter (Phasen) und einen PEN-Leiter, sodass im Gebäude Drehstrom verfügbar ist. Ein separater Schutzleiter wird meist nicht verlegt; Details zu dem üblicherweise verwendeten TN-C-S-System erklärt der Artikel über TN-Systeme.

Der benötigte Leiterquerschnitt richtet sich nach der maximal zu erwartenden Stromstärke (meist mindestens 63 A), die wiederum von der maximal benötigten Leistung abhängt. (Mit 63 A sind bei 230 V ohne Schieflast maximal ca. 43 kW möglich.) Bei einem Einfamilienhaus können die Leiterquerschnitte beispielsweise 16 mm² oder auch 25 mm² sein. Bei Mehrfamilienhäusern mit mindestens drei Wohneinheiten werden größere Leiterquerschnitte benötigt, die aber nicht proportional zur Anzahl Wohneinheiten ansteigen, weil es nur einen begrenzten Gleichzeitigkeitsfaktor gibt: Es wird nicht damit gerechnet, dass alle Wohnparteien gleichzeitig die maximale Leistung beziehen.

In besonders dünn besiedelten Bereichen wurden früher oft auch die kostengünstiger zu verlegenden Freileitungen verwendet. Dies bringt jedoch etliche Nachteile und Einschränkungen mit sich: die optisch störende Wirkung für das Erscheinungsbild vor allem bei Wohngebäuden, die größere Anfälligkeit für Schäden bei Extremwetter sowie der schwierigere Blitzschutz.

Mittelspannungs-Erdkabel

Innerhalb von Ortschaften gibt es viele Mittelspannungs-Erdkabel, die die einzelnen Transformatorenstationen versorgen. Hier liegt das Spannungsniveau entsprechend höher, beispielsweise bei 10 kV oder 20 kV. Teils werden auch einzelne Gebäude direkt mit Mittelspannung versorgt.

Hochspannungs-Erdkabel

Hochspannungsleitungen werden zum größten Teil als Freileitungen ausgeführt, weil die Kosten hier typischerweise fünf bis zehnmal niedriger liegen als bei Erdkabeln. Jedoch werden in manchen Fällen trotzdem Erdkabel gewünscht, vor allem um die störende optische Wirkung von Freileitungen zu vermeiden, und unter Umständen auch aus anderen Gründen. Am ehesten kommt dies in städtischen Gebieten vor, teils aber auch im ländlichen Bereich.

Während die Kosten für Erdkabel praktisch immer weitaus höher liegen, können die im Betrieb auftretenden Energieverluste je nach Situation höher oder geringer ausfallen:

• Bei Betrieb mit Wechselstrom bzw. Drehstrom ist im Falle von Erdkabeln deren erhebliche elektrische Kapazität nachteilig: Es entstehen pro Kilometer erhebliche kapazitive Blindströme, die dann eine entsprechende Blindleistungskompensation nötig machen (u. a. zur Begrenzung des Ferranti-Effekts). Diese führt nicht nur zu zusätzlichen Kosten, sondern oft auch zu erhöhten Energieverlusten. Bei Gleichstromleitungen, etwa für die Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ), gibt es dieses Problem nicht, und bei Niederspannungs-Erdkabeln ist es meist vernachlässigbar gering.
• Andererseits erfordert die begrenzte Möglichkeit der Kühlung von Erdkabeln teils die Wahl deutlich höherer Leiterquerschnitte, und dies reduziert dann die Energieverluste. Andererseits ist natürlich die für die Errichtung anfallende graue Energie entsprechend höher.

Die Eingriffe in die Landschaft sind bei beiden Arten von Leitungen erheblich, nur von unterschiedlicher Art. Bei Erdkabeln muss entlang der gesamten Leitung ein tiefer Graben ausgehoben werden, und die Nutzung des betroffenen Streifens kann auch dauerhaft beschränkt sein. Bei Freileitungen erfolgen Eingriffe in den Boden nur an einzelnen Stellen für die Leitungsmasten, dagegen sind vor allem die Leitungsmasten in einer weiten Umgebung mehr oder weniger störend sichtbar.

Ein Vorteil von Erdkabel ist, dass die Ionisierung der Luft, die zur Bildung von Ozon führt, vermieden wird.

Erdkabel für andere Zwecke

Diverse Arten von Kabeln dienen anderen Zwecken als der Versorgung mit elektrischer Energie. Einige Beispiele:

• Zu einem Hausanschluss gehören außer dem Stromkabel meist auch weitere Kabel für Telefon, Internet und Fernsehen. Für Neuinstallationen werden hierfür teils Glasfaserkabel verwendet, die extrem hohe Übertragungskapazitäten bieten.
• Diverse andere Erdkabel werden zur Übertragung von Signalen verwendet, beispielsweise bei der Bahn und für die Telekommunikation einschließlich Internet.

Siehe auch: Stromnetz, Hochspannungsleitung, Hochspannungs-Gleichstromübertragung