Fachhochschule Aachen. Thema Sammlung von Freileitungsmastbildern unterschiedlicher Regionen und Simulation in digitaler Netzberechnung

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1 Fachhochschule Aachen Campus Jülich Fachbereich 10 Energietechnik Studiengang Elektrotechnik mit Praxissemester Bachelorarbeit Thema Sammlung von Freileitungsmastbildern unterschiedlicher Regionen und Simulation in digitaler Netzberechnung von Martin Zgrzendek Matr.-Nr.: Referent: Korreferent: Externer Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Alexander Kern Prof. Dr.-Ing. Christoph Helsper Dipl.-Ing. Daniel Hubbauer Dipl.-Ing. (FH), Dipl. Wirt.-Ing. (FH) Jürgen Blättchen Jülich, im Februar 2012 In Zusammenarbeit mit ILF Consulting Engineers GmbH Werner-Eckert-Straße München Deutschland

2 Eidesstattliche Erklärung Diese Arbeit ist von mir selbständig angefertigt und verfasst. Es sind keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt worden. Jülich, den Martin Zgrzendek

3 DANKSAGUNG Als erstes möchte ich mich bei all jenen bedanken, die mir die Zusammenarbeit mit der Consulting Engineers GmbH für diese Bachelorarbeit ermöglicht haben. Besonders danke ich Herrn Dipl.-Ing. Daniel Hubbauer und Herrn Dipl.-Ing. (FH), Dipl. Wirt.-Ing. (FH) Jürgen Blättchen, welche mich stets engagiert bei Fragen mit ihrem fachlichen Rat unterstützten und einen großen Beitrag zur Qualität dieser Bachelorarbeit beigetragen haben. Mein Dank gebührt zudem Herrn Prof. Dr.-Ing. Alexander Kern, welcher mich trotz räumlicher Distanz zu meiner vollsten Zufriedenheit betreut hat und stets hilfreiche Ratschläge für die Umsetzung dieser Arbeit gab. Des Weiteren danke ich allen Mitarbeitern des Geschäftsbereiches GB-E für die hervorragende Zusammenarbeit und für das vorbildliche Arbeitsklima und besonders Sabine Beck, welche jegliche organisatorischen Angelegenheiten, die im Bezug zu meiner Bachelorarbeit standen, umgehend löste. Außerdem möchte ich mich bei meinen Freunden bedanken, die mich während meiner Studienzeit sowie während meiner Bachelorarbeit seelisch unterstützt haben und mit denen sich auch mal die Möglichkeit ergab vom Lernstress abschalten zu können. Speziell richtet ist mein Dank an meinen Freund und Kommilitonen Herrn Tobias Frinken für die tolle Zeit und Unterstützung in den dreieinhalb Jahren des Studiums. Ich darf auch all jenen mein Dank aussprechen, die meine Arbeit wiederholt Korrektur gelesen haben. Nicht zuletzt möchte ich mich bei meinen Eltern für die Unterstützung und Motivation während meiner ganzen Studienzeit herzlichst bedanken.

4 KURZFASSUNG Geht es darum elektrische Energie in einem Verbundnetz zu übertragen und an Verbraucher zu verteilen, so werden mit Freileitungen die erforderlichen Netzstrukturen aufgebaut. Die Freileitungen werden mit Hochspannung unterschiedlichster Spannungsebenen betrieben, sodass die Übertragung bzw. Verteilung der elektrischen Leistung relativ verlustarm zu realisieren ist. Diese Arbeit zielt zunächst darauf Freileitungen mit den allgemeinen Größen, Widerstand, Induktivität, Kapazität, darzustellen. Anschließend lassen sich jene Größen im π-ersatzschaltbild als Leitungsparameter verdeutlichen, die Informationen über das Betriebsverhalten und elektrische Eigenschaften einer Freileitung liefern. Dabei sind unterschiedliche Mastbilder einer Freileitung für die Veränderungen der Leitungsparameter ausschlaggebend. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit unterschiedliche Mastbilder gemeinsam mit verschiedenen Masttypen, Mastausführungen und Freileitungskomponenten untersucht und erfasst. Ihre Eigenschaften und Funktionen geben dabei Aufschluss über die akkurate Auswahl und detaillierte Dimensionierung eines Mastbildes in Abhängigkeit bestimmter Faktoren. Zuletzt wird ein Leitfaden zur Integration von Mastbildern für Netzsimulationen im digitalen Netzberechnungsprogramm Neplan aufgezeigt. Anhand der dokumentierten Vorgehensweise werden zwei verschiedene Mastbilder, die an die geforderten Bedingungen angepasst sind, exemplarisch in eine Netzsimulation eingebunden und hinsichtlich Leitungsparameter, die vom Mastbild und vom Leiterseil abhängig sind, analysiert und bewertet. Zudem werden gängige Leiterseile in einer Leitungsbibliothek abgelegt, die für zukünftige Berechnungen in Neplan standardmäßig zur Verfügung stehen.

5 Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS... iii 1 EINLEITUNG EINFÜHRUNG Geschichtlicher Überblick der Drehstromfreileitungsübertragung Drehstromfreileitungsübertragung heute Netznennspannungen Gegenwärtige Veränderungen der Drehstromfreileitungsübertragung ELEKTRISCHE EIGENSCHAFTEN UND PARAMETER VON FREILEITUNGEN Einleitung Ohmscher Widerstand Impedanzen im Mitsystem Kapazitäten und kapazitive Reaktanzen Berechnung von Kapazitätsbelägen bei Freileitungen mit einem Stromkreis Berechnung von Kapazitäten bei Leitung mit zwei Stromkreisen Admittanzbelag Betriebsverhalten einer Freileitung nach dem π-ersatzschaltbild Verdrillung Einführung Verdrillungsschemata Übertragungsverluste Einführung Stromabhängige Verluste Spannungsabhängige Verluste MASTKONFIGURATION Einleitung Mastarten und ihre Funktion Mastbilder Mastbilder unterschiedlicher Regionen und Spannungsebenen Innovation der Mastbilder i

6 Inhaltsverzeichnis 4.6 Mastausführungen Beseilung Leiterseil Eigenschaften des Erdseils Isolatoren Mastgeometrie Berechnungsmethode zur Ermittlung eines Freileitungsdurchhangs Ermittlung von elektrischen Abständen am Mast SIMULATION VON FREILEITUNGEN IN NEPLAN Einleitung Benutzeroberfläche Das Erstellen eines Projekts für eine Netzberechnung mit Freileitungen Netzaufbau Integration von Freileitungen in eine Netzberechnung Einführung Eingabe und Konfiguration der Masten und der Leiterseile in Neplan Dimensionierung der Freileitung Auswertung der Berechnungsergebnisse FAZIT VERZEICHNISSE... I 7.1 Quellen... I 7.2 Abbildungen... IV 7.3 Tabellen... VI 8 ANHANG... VII ii

7 Abkürzungsverzeichnis ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS UCTE AlMgSi TAL AlZr AlSt Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity Aluminium-Magnesium-Silizium Thermisches belastbares Aluminiumleiterseil Aluminium-Zirkon Aluminium-Stahl iii

8 Einleitung 1 EINLEITUNG Freileitungen sind grundsätzlich einfach aufgebaut. Leiterseile, die mit Isolatoren am Mast montiert sind, verteilen oberirdisch die von Kraftwerken erzeugte elektrische Energie mittels Hochspannung regional, landes- und länderweit übergreifend. Je nach geographischer Region sind unterschiedliche Formgebungen der Freileitungsmasten üblich. Dabei mögen Freileitungsmasten oberflächlich betrachtet einfach aufgebaut sein, jedoch wird erst bei näherer Betrachtung deren Komplexität im Detail deutlich. Die ILF Consulting Engineers GmbH ist ein Ingenieurbüro, das im Geschäftsfeld Öl & Gas und Energie & Umwelt elektrische Industrie- und Erzeugungsanlagen plant und international realisiert. Dabei stellt sich oftmals die Frage, wie Freileitungen für die mögliche Anbindung dieser Anlagen an das jeweilige elektrische Verbundnetz der Elektrizitätsversorgungsunternehmen dimensioniert werden müssen. Ausschlaggebend sind hierfür die zu übertragende Leistung und die Eigenschaften einer Freileitung und die Wahl eines Mastbildes, dessen Form durch die elektrische Spannung, Anzahl und Anordnung der Stromkreise und die Beseilung definiert ist [6]. Derzeit werden Freileitungen in elektrischen Berechnungen fallweise manuell modelliert. Zur Effizienzsteigerung, aber auch als Ausgangsbasis für internationale Planungen, sollen Softwarebibliotheken die Grundlage zukünftiger Berechnungen bilden. Somit ist im Rahmen dieser Bachelorarbeit ein Leitfaden zu entwickeln, der die Möglichkeit bietet, aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Freileitungsmastbildern das für die Freileitungsplanung notwendige und den Anforderungen entsprechende Mastbild mit den zugehörigen Eigenschaften und Komponenten auswählen zu können. Es soll überprüft werden, ob unterschiedliche Faktoren, wie materielle, klimatische und elektrische Einflüsse, das Erscheinungsbild eines Mastbildes im Detail beeinflussen. Außerdem ist zu untersuchen, wie und mit welchen elektrotechnischen Mitteln eine Freileitung und ihr elektrisches Betriebsverhalten in der Elektrotechnik zu beschreiben ist. Darauf aufbauend gilt es im digitalen Netzberechnungsprogramm Neplan zu veranschaulichen wie sich ein Mastbild in die Simulation von Netzstrukturen verknüpfen lässt und wie eine Leiterbibliothek zu erstellen ist. Zu Beginn werden vordergründig allgemeine Kenntnisse im Bereich der geschichtlichen Entwicklung von Freileitungen und der Hochspannung sowie die Organisation eines elektrischen Versorgungsnetzes dargestellt. Anschließend wird der elektrotechnische Zusammenhang einer Freileitung untersucht und erläutert. Dabei wird das elektrische Betriebsverhalten gemäß eines Modells erklärt. Ergänzend werden verschiedene elektrische Eigenschaften der Freileitungen überprüft. Im Kapitel Mastkonfiguration gilt es unterschiedliche Funktionen, Eigenschaften und Formen der Freileitungsmasten zu erfassen und zu erklären. Zudem werden ausgewählte Mastbilder analysiert und hinsichtlich der exakten Gestaltung mit einem Lösungsvorschlag bestimmt. Im Anschluss wird das digitale Netzberechnungsprogramm Neplan vorgestellt sowie die Einbindung eines Mastbildes in die Netzsimulation exemplarisch an zwei 1

9 Einleitung verschiedenen Mastbildern dargestellt, die dann bezüglich ihrer Eigenschaften analysiert werden. 2

10 Einführung 2 EINFÜHRUNG 2.1 Geschichtlicher Überblick der Drehstromfreileitungsübertragung Die Geschichte der elektrischen Energieübertragung begann im späten 19. Jahrhundert mit dem Stromkrieg. Damals entstand ein Streit zwischen Thomas Alva Edison, Befürworter der Gleichspannung, und George Westinghouse, Befürworter der Wechselspannung, die mit den beiden unterschiedlichen Spannungstechniken beabsichtigten, die Vereinigten Staaten von Amerika mit elektrischer Energie zu versorgen. Neben der persönlichen Meinungsverschiedenheit, entstand vordergründig die Rivalität der beiden Elektrofirmen Edison General Electric von Thomas Edison und Westinghouse Electric von George Westinghouse. Dabei ging es im Grundsatz um die Marktanteile der beiden Elektrofirmen. Es zeichnete sich bereits früh ab, dass die Wechselspannung als Sieger aus diesem Streit hervorgehen werden würde, denn die damalige Gleichspannungsübertragung war mit einigen Problemen behaftet. Probleme wie hohe Leitungsverluste und geringe Übertragungsstrecken waren charakteristisch für die Gleichspannungsübertragung. Hinzu kam, dass die Realisierung höherer Übertragungsstrecken mit einem hohen Spannungsabfall auf der Leitung behaftet war. Somit mussten kleinere Kraftwerke nach gewissen Streckenabständen für die Gewährleistung der Spannungsstabilität zugeschaltet werden. Außerdem war die Betriebsspannung von 110 V nur für den Betrieb von Glühlampen optimiert, sodass der Betrieb von elektrischen Motoren unter diesen Bedingungen nur erschwert möglich war. [1] Gegenüber der Gleichspannung bot die Wechselspannung viel mehr Vorteile und löste die meisten Probleme. Mit der Erfindung des Transformators ergab sich die Möglichkeit größere elektrische Energiemengen über lange Strecken zu übertragen. Dabei wurde, mit dem von Michael Faraday entdeckten Prinzip, der elektromagnetischen Induktion, die vom Generator erzeugte Spannung auf ein höheres Spannungsniveau transformiert. In Folge der Erhöhung der Spannung sank der Übertragungsstrom auf den Leitern bei gleicher Übertragungsleistung, sodass die Leitungsverluste minimiert werden konnten. Die Erhöhung der Sekundärspannung U 2 eines Transformators ergibt sich aus dem Verhältnis der sekundären Wicklung N 2 zu der primären Wicklung N 1 multipliziert mit der Primärspannung U 1. [2] (Gl. 1.1) Beim Transformator gilt: Die zugeführte Energie an der primären Wicklung ist gleich der entnommenen Energie an der sekundären Wicklung, bei Vernachlässigung aller Verluste. (Gl. 1.2) Eingesetzt und umgeformt in Gl. 1.1 ergibt der sekundäre Strom I 2 bei einer angeschlossenen Last: (Gl. 1.3) 3

11 Einführung Somit ermöglicht dieses Prinzip, die elektrische Energie mit Hilfe der Wechselspannung effektiver und wirkungsvoller zu übertragen als mit der Gleichspannung. Im Jahre 1891 gelang Oskar von Miller, einem deutschen Bauingenieur, auf der internationalen elektrotechnischen Ausstellung in Frankfurt am Main ein Meilenstein der Energieübertragung. Mit der von Westinghouse befürworteten Wechselspannung wurde zum ersten Mal in der Geschichte eine Fernübertragung, auf einer Länge von 175 km von Laufen am Necker nach Frankfurt am Main, errichtet. [3] Mit einer Spannung von 15 kv wurde eine Leistung von 200 kw über eine 12,5 mm² Kupferleitung mit einem Wirkungsgrad von 75 % übertragen. Dabei wurde die Freileitung auf 3285 Holzmasten mit Kappenisolatoren befestigt. Diese erfolgreiche Darstellung hat den Grundstein für unsere heutige Energieversorgung gelegt, die sich seitdem weltweit etabliert hat. [3] Mit der Erfindung von Hängeisolatoren im Jahre 1907 in den Vereinigten Staaten von Amerika war der Weg für noch viel höhere Übertragungsspannungen frei geworden. Die erste 110 kv Leitung wurde auf einer Länge von 56 km in Sachsen (Lauchhammer - Riesa) 1912 in Betrieb genommen. In den folgenden Jahren, wurde eine erste 220 kv Freileitung im Jahre 1929 von Brauweiler nach Hoheneck, eine Nord Süd Verbindung, errichtet. Erst 29 Jahre später im Jahre 1958, ist die für uns in Europa typisch verwendete Spannungsebene von 380 kv in Schweden erstmalig eingesetzt worden. Seit jeher haben sich diese drei Hochspannungsebenen, 110 kv, 220 kv, 380 kv, in Europa etabliert. Höhere Spannungen als 400 kv sind für die Übertragungsaufgaben im europäischen Verbundnetz (UCTE) auch perspektivisch nicht erforderlich. Jedoch sind Länder wie zum Beispiel Kanada, USA und Russland auf höhere Höchstspannungsebenen angewiesen, um die größeren Übertragungsstrecken vom Erzeuger zu ballungsstärkeren Regionen zu überwinden. Die Ambition für die grundlegende Spannungssteigerung besteht darin höhere Energiemengen mit steigenden Entfernungstrecken verlustfreier, als mit vergleichbaren niedrigeren Spannungsebenen, zu übertragen. Infolgedessen wurde im Jahr 1965 von Montreal nach Manicouagan die damals erste 735 kv Leitung in Betrieb genommen. Gegenwärtig existiert die höchste Dreiphasenwechselspannungsleitung in Kasachstan. Von Ekibastus nach Kökschetau, auf einer derzeitigen Länge von 1421 km, wird eine Leistung von 5500 MVA mit einer Nennspannung von 1150 kv übertragen. [4], [5] Abbildung 2.1: Entwicklung der Übertragungsspannung von Drehstromleitungen [6] 4

12 Einführung 2.2 Drehstromfreileitungsübertragung heute Netznennspannungen Im Laufe der Zeit entstanden für bestimmte Spannungsebenen unterschiedliche Klassifizierungen. Normativ wird zwischen zwei Spannungsebenen unterschieden. Spannungen unterhalb von 1000 V werden als Niederspannung deklariert, wohingegen Spannungen oberhalb 1000 V als Hochspannung bezeichnet werden. Doch im Sprachgebrauch wird die Hochspannungsebene in drei weitere Klassen unterteilt - in Mittelspannung, Hochspannung und Höchstspannung. Die erwähnten Spannungsebenen sind in der folgenden Tabelle 2.1 dargestellt. Dabei wird die Spannungsstufung der Netze so gewählt, dass der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungsebenen nicht kleiner als Faktor zwei ist. Grund für diese Unterteilungen ist das Bestreben nach einer minimalen Anzahl von Transformatoren. [4] Tabelle 2.1: Übliche Netznennspannungen bei 50 Hz [5] Niederspannung Mittelspannung Hochspannung Höchstspannung 230/400 V 3 kv 66 kv 220 kv 400/690 V 6 kv 70 kv 225 kv 1000 V 10 kv 90 kv 275 kv 20 kv 110 kv 380 kv 35 kv 132 kv 400 kv 150 kv 480 kv 700 kv Die Niederspannungsebene ist international mit der IEC genormt. Die Spannungsebenen oberhalb der 1000 V Niederspannung werden hingegen von Land zu Land unterschiedlich ausgewählt. Eine einheitliche Norm existiert hierbei nicht, doch vergleicht man einige Länder in Europa, wird deutlich, dass sie nahezu ähnliche Hochund Höchstspannungsebenen verwenden. Das Höchstspannungsnetz der Bundesrepublik Deutschland wird überwiegend mit der 380 kv- und vereinzelnd mit der 220 kv Spannungsebene betrieben, doch wegen des Alters und der daraus resultierenden Unwirtschaftlichkeit, wird die 220 kv Spannungsebene durch die 380 kv Ebene stetig ersetzt. Bei Neubauprojekten werden somit nur noch die 110 kv- oder 380 kv Spannungsebenen bevorzugt. [6] Großkraftwerke stellen die Höchstspannungsebene zur Verfügung und transportieren ihre Energie in abnahmeschwere Regionen oder Länder übergreifend in Europa. Vordergründig fungiert hierbei die Höchstspannungsebene als Transportmedium für die Übertragung von höherer elektrischer Energie über lange Distanzen. Dagegen ist das Hochspannungsnetz für die regionale Energieversorgung zuständig, die ihre elektrische Energie von mittlernen Kraftwerken, wie beispielsweise von Flusskraftwerken oder größeren Windenergieparks, bezieht. Die hierfür verwendete Spannung beträgt 110 kv. Über Transformatoren wird diese Spannung für Städte, Großindustrien und größere Versorgungsgebiete bereitgestellt. Im Mittelspannungsnetz wird die Hochspannung von 5

13 Einführung 110 kv üblich auf 10 kv bis 20 kv über Transformatoren umgewandelt und versorgt Industriebetriebe, Großgewerbe oder öffentliche Einrichtungen. Die Versorgung von Wohngebieten und Gewerbegebieten bis zu einer Gesamtleistung von 1000 kw übernimmt das Niederspannungsnetz. Dabei wird über das Mittelspannungsnetz mittels Ortsnetztransformatoren das Niederspannungsnetz versorgt. Schematisch ist dieser Aufbau eines Verbundnetzes in der Abbildung 2.2 dargestellt. [5] Freileitungen, die mit noch höheren Übertragungsspannungen arbeiten, werden im Sprachgebrauch oft gerne als Ultra-Hochspannungsfreileitungen deklariert. Spannungen in dieser Kategorie kommen in Mitteleuropa nicht zum Einsatz. Länder wie die USA, Kanada, Russland oder China haben aufgrund ihrer Ländergröße viel größere Übertragungsprobleme zu bewältigen und ein funktionierendes Verbundnetz zu organisieren. In diesen Ländern können Großkraftwerke in ballungsschwachen Regionen eines Landes liegen, sodass die erzeugte elektrische Energie über lange Strecken mit Hilfe von 500 kv oder 735 kv Höchstspannungsfreileitungen zu siedlungsstärkeren Regionen eines Landes übertragen wird. Als Beispiel können die Wasserkraftwerke im Norden Kanadas genannt werden. Der dort herrschende Energieüberschuss wird über lange Distanzen in den ballungsstärkeren Süden übertragen. Die Abbildung 2.3 zeigt die Wahl der zu verwendeten Spannungsebene in Abhängigkeit der Übertragungslänge und der zu übertragenden Leistung je Stromkreis. [6] Abbildung 2.2: Aufbau eines Verbundnetzes [5] Abbildung 2.3: Netzspannungswahl für die Energieübertragung [6] 6

14 Einführung Gegenwärtige Veränderungen der Drehstromfreileitungsübertragung Bei der Berücksichtigung von Freileitungsdimensionierung sind bestimmte Parameter zu beachten. Die Übertragungskapazität von Freileitungen wird durch die maximal zulässige Leitertemperatur und dem daraus folgenden Durchhang begrenzt. Die Kombination von Umgebungstemperatur und thermische Erwärmung der Freileitungsseile bestimmen den Durchhang und sind aus Sicherheitsgründen normativ festgelegt. Aktuell wird die Übertragungskapazität in Abhängigkeit des verwendeten Freileitungsseils länderspezifisch auf das entsprechende Klima angepasst. Länder mit klimatisch niedrigeren Umgebungstemperaturen können ihre Freileitungen mit einem höheren Strom betreiben als Länder mit höheren Umgebungstemperaturen, da hier der Durchhang sekundär von der Umgebung höher beeinflusst wird. Dabei ist nicht nur die Umgebungstemperatur das einzige Kriterium für die Übertragungskapazität, sondern dazugehörig auch die Windgeschwindigkeit und der Windanströmwinkel. Jedoch werden die konservativen Wetterbedingungen nicht im ganzen Jahr erreicht, sodass temporär Übertragungsreserven entstehen. Diese können sinnvoll mit Erhöhen des Stroms auf den Freileitungen ausgeschöpft und eine optimale Auslastung erzielt werden. [7] Aufgrund des immer größeren Energiekonsums ist es erforderlich, die vorhanden Freileitungstrassen intelligent und optimal auszunutzen, bevor als letzter Schritt eine Erweiterung des Verbundnetzes mit neuen Freileitungstrassen erfolgt. Geplant sind Freileitungen-Monitoring Systeme einzusetzen, wobei hier bestimmte Bedingungen erfüllt werden müssen. - Das System ermittelt online die wetterabhängige dynamische Strombelastbarkeit eines Stromkreises aus Messdaten und übermittelt diese an die Netzleittechnik. [7] - Der gesamte Stromkreis und sämtliche seiner Komponenten im Bereich der Primär- und Sekundärtechnik sind im Hinblick auf die erhöhte Strombelastbarkeit angepasst. [7] Mit Hilfe einer ausreichend aufgebauten Infrastruktur zur Messung, Verarbeitung und Steuerung der Strombelastbarkeit kann eine optimale Auslastung gewährleistet werden. [7] Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind neuartige Hochtemperaturleiter für Freileitungen in der Erprobung. Sie bestehen im Kern aus Karbon oder Keramikfasern und werden vom temperaturbeständigen Aluminium umhüllt. Die Übertragungskapazitäten können dabei bis zu einer Leitertemperatur von 200 C gesteigert werden. Durch die Verwendung dieser Materialien dehnen sich die Leiterseile deutlich geringer aus und erfüllen den notwendigen Sicherheitsabstand. Die herkömmlichen Aluminium-Stahl Freileitungsseile werden sie dennoch nicht ersetzen können, da die Herstellungskosten etwa um den Faktor zehn höher liegen als vergleichbare genannte. Außerdem steigen mit einem höheren Strom die Leitungsverluste quadratisch an, welches den Wirkungsgrad der Freileitung senkt. [7], [8] ² 1 (Gl. 1.4) 7

15 Einführung Mit I, dem elektrischen Strom in A, l, die Länge der Leitung in m, κ 20, dem elektrischen Leitwert in Sm/mm², α 20, dem Beiwert der Widerstandsänderung und Δν, dem Temperaturunterschied. Sie werden viel mehr dort ihren Einsatz finden, wo Laststeigerungen auf bestimmten Trassen Teilstrecken, angesichts der Gewährleistung der Versorgungssicherheit, unweigerlich stattfinden. [8] Vereinzelt werden Drehstromübertragungssysteme als Kabel und nicht als Freileitung ausgelegt. Dieser Fall tritt demnach oft ein, wenn es wegen Widerständen in den Genehmigungsverfahren unmöglich ist eine Freileitung zu errichten. Allerdings besitzen Kabelsysteme gegenüber Freileitungssystemen deutlich mehr Nachteile als Vorteile, sodass diese nur selten für längere Übertragungsstrecken verwendet werden. Da Kabelleitungen grundsätzlich im Erdreich verlegt werden, entstehen hierdurch aufwendige Erdarbeiten und Verlegearbeiten, was zur Folge hat, dass die Kosten insbesondere durch die Materialinvestition moderner Erdkabel für eine Kabelübertragungsstrecke im Vergleich zu Freileitungen um ein Vielfaches teurer sind. Außerdem besteht ein genereller Nachteil darin, dass die thermischen Verluste, die bei der Erwärmung des Kabels entstehen, kaum an die Luft abgegeben werden können. Freileitungen dagegen besitzen diese Eigenschaft und können deshalb besser ausgelastet werden. Folglich können Kabel, trotz vergleichbarem Leiterquerschnitt, nur gering belastet werden. Damit eine vergleichbare Auslastung dennoch erzielt werden kann, müssen Kabelleitungen separat im Erdreich gekühlt werden. [9] Des Weiteren entstehen bei Kabeln, wegen des sehr geringen Isolierabstands und der recht hohen Dielektrizitätszahl (ε rvpe =2,3), relativ große Kapazitätsbeläge. Gegenüber von Freileitungen sind diese ca. 15-mal höher. Die Kapazitäten belasten das Kabel so stark, dass bereits nach kürzesten Längen keine nutzbare Leistung mehr übertragen werden kann. Somit müssen neben der Kühlung des Kabels auch noch Kompensationsmaßnahmen erfolgen, damit eine wirtschaftliche Nutzung gewährleistet ist. Diese Maßnahmen bedeuten jedoch einen erheblichen Kostenaufwand bei der Errichtung und im Betrieb. [10] Mit dem Ausbau der regenerativen Energien ist die Übertragung der daraus resultierenden elektrischen Energie mit den herkömmlichen Verteilungsnetzen nicht zu bewältigen. Die Erzeugung findet üblicherweise in Regionen statt, wo keinerlei verbraucherstarke Abnehmer in nächster Nähe zur Verfügung stehen. Somit muss die überschüssige elektrische Energie über weite Entfernungen in ballungsstärkere Gebiete übertragen werden. Damit müssen die bestehenden Freileitungen wegen der steigenden und zu übertragenden Leistung angepasst oder neu errichtet werden. Nicht nur die Leitungen im Inland sind zu verstärken, sondern gleichzeitig auch die Anbindungen ans Ausland. Wegen des steigenden Einflusses an erneuerbarer Energie im Netz, entsteht gegensätzlich ein Mangel an Kurzschlussleistung, die bei einem unzureichenden Wert aus dem Ausland bezogen werden muss. [10] 8

16 Elektrische Eigenschaften und Parameter von Freileitungen 3 ELEKTRISCHE EIGENSCHAFTEN UND PARAMETER VON FREILEITUNGEN 3.1 Einleitung Eine elektrische Drehstromfreileitung lässt sich allgemein durch ihren ohmschen Widerstand, Induktivität und Kapazität beschreiben. Aus diesen Parametern resultieren die Verluste, die Spannungen am Anfang und am Ende der Leitung, die Stromaufteilung, das Verhalten von magnetischen und elektrischen Feldern sowie die Oberflächenrandfeldstärken. Außerdem lassen sich mit Hilfe der Leitungsparameter elektrische Netzberechnungen in Bezug auf Lastflussverhalten und Kurzschlussverhalten durchführen. [6] 3.2 Ohmscher Widerstand Einer der bedeutendsten Parameter zur Optimierung einer Freileitung ist der elektrische Widerstand. Seine exakte Bestimmung ist entscheidend für die Leistungs- und Energieverluste und daraus folgend auch entscheidend für die Wirtschaftlichkeit einer Freileitung. Der ohmsche Widerstand eines Stromkreises ist grundsätzlich für die thermische Erwärmung eines Leiters und dessen Spannungsverluste verantwortlich. Er lässt sich je Meter Leitungslänge wie folgt beschreiben: [6] (Gl. 3.1) Dabei ist ρ der spezifische Widerstand des Leitermaterials in Ωmm²/m, A der Leiterquerschnitt in mm² und d der Leiterdurchmesser in mm. Da der ohmsche Widerstand einer Leitung abhängig von der Leitertemperatur ist, wird dieser folgendermaßen ermittelt (Gl. 3.2) wobei T hier die Leitertemperatur in C und α der Beiwert der Widerstandsänderung in 1/K ist. Für Bündelleiter mit n 2 Teilleiter gilt für den Gesamtwiderstand: (Gl. 3.3) 3.3 Impedanzen im Mitsystem Die Impedanz im Mitsystem ist ein wichtiger Parameter für den Normalbetrieb und für die Untersuchung von Drehstromnetzen. Hierdurch werden Verhältnisinformationen 9

17 Elektrische Eigenschaften und Parameter von Freileitungen zwischen Spannung und Strom, der Leitungs- und Energieverluste oder des Lastflusses deutlich. Die Berechnung der Reaktanz im Mitsystem benötigt eine sorgfältige Analyse der Freileitung. Parameter, wie beispielsweise Einfach- oder Bündelleiter eines Stromkreises und die Anzahl der vorhandenen Stromkreise auf der Drehstromfreileitung, beeinflussen den Wert der Reaktanz. Bei einer Freileitung mit einem Stromkreis ergibt sich der Reaktanzbelag im Mitsystem zu: [6] 2 ln 1 4 (Gl. 3.4) Dabei ist ω die Kreisfrequenz aus 2, L 1 die Induktivität in H, μ 0 die magnetische Induktion aus 4 10 H/m, D M der mittlere geometrische Außenleiterabstand in m, wobei D AB, D AC, und D BC die Abstände zwischen den Außenleiter darstellen, r B der Bündelleiterersatzradius in m und n 2 die Teilleiteranzahl. Abbildung 3.1 zeigt eine beispielhafte, schematische Leiteranordnung. (Gl. 3.5) Notwendig ist außerdem die Berechnung der Radien vom Bündelleiterersatzradius r B in m und des Bündelleiterumkreises r 0 in m. (Gl. 3.6) 2 sin (Gl. 3.7) mit r T, dem Teilleiterradius im Bündel, r 0, dem Radius des Bündelleiterumkreises, und s, dem Teilleiterabstand im Bündel. Abbildung 3.1: Außenleiteranordnung eines Einstromkreissystems [6] Abbildung 3.2: Bestimmung der Radien des Bündelleiter r B und Bündelleiterumkreises r 0 [6] Bei Freileitungen mit zwei Stromkreisen gemäß Abbildung 3.3 errechnet sich der Reaktanzbelag für symmetrische Anordnung der Außenleiter bezüglich der Mastachse wie folgt: 10

18 Elektrische Eigenschaften und Parameter von Freileitungen 2 ln 1 4 (Gl. 3.8) (Gl. 3.9) (Gl. 3.10) Bei asymmetrischer Anordnung der Außenleiter: (Gl. 3.11) Abbildung 3.3 Außenleiteranordnung bei symmetrischen Doppelleitungen [6] Aus Resistanzbelag und Reaktanzbelag folgt damit der Impedanzbelag im Mitsystem der Freileitung. (Gl. 3.12) 3.4 Kapazitäten und kapazitive Reaktanzen Zwei Leiter, die unter elektrischer Spannung stehen, bilden untereinander ein elektrisches Feld aus. Dabei hängen die Intensivität und das Speichervermögen des Feldes von der anliegenden Spannung und der Leiteranordnung ab. Die einzelnen Leiter einer Drehstromfreileitung nehmen untereinander und zur Erde Potenzial auf, wobei das Erdpotenzial als Bezugspotenzial angenommen wird und den Wert Null besitzt. Kapazitäten sind außerdem für die Blindleistungsbilanz im Netz ausschlaggebend. Im Idealfall sind die Kapazitäten durch Verdrillung gleich groß, sodass man C AB = C CA = C BC = C annehmen kann. Gleichzeitig gilt für die Erdkapazitäten C A0 = C B0 = C C0 = C 0. Nach Abbildung 3.4 a) ist die eigentliche schematische Kapazitätsanordnung einer Freileitung in einer Dreieckschaltung dargestellt. Daher bildet sich jeweils zwischen zwei Leitern und zwischen jedem Leiter und der Erde ein elektrisches Feld aus. Diese Darstellung lässt sich in einem weiteren 11

19 Elektrische Eigenschaften und Parameter von Freileitungen Schritt zu einer Sternschaltung, wie in Abbildung 3.4 b) dargestellt, umformen. Zusammengefasst ergibt sich Abbildung 3.4 c). Daraus folgt C 1 = C 0 + 3C mit C 1, der Kapazität im Mitsystem und C 0 im Nullsystem. Die Kapazitäten im Mit- sowie im Nullsystem lassen sich mit den nachfolgenden Formeln errechnen. [6], [5] a) b) c) Abbildung 3.4: Kapazitäten Leiter-Leiter, Leiter-Erde im Mit- und Nullsystem. a) Dreiecksdarstellung; b) Umformung in Sterndarstellung; c) schematische Ersatzschaltung [6] Berechnung von Kapazitätsbelägen bei Freileitungen mit einem Stromkreis Kapazitätsbelag im Nullsystem ohne Erdseile: 2 3 ln 2 ² (Gl. 3.13) mit der geometrischen Leiterhöhe h M in m (Gl. 3.14) Dabei ist 8, F/m die Permittivität, h m die mittlere Leiterhöhe über dem Boden in m. Kapazitätsbelag im Mitsystem ohne Erdseil: 2 ln Kapazitätsbelag im Nullsystem mit einem oder zwei Erdseilen: ln 2 ² 2 3 ln ² ln 2 (Gl. 3.15) (Gl. 3.16) 12

20 Elektrische Eigenschaften und Parameter von Freileitungen Wobei r E der Erdseilradius in m ist. Bei zwei gleich hoch und symmetrisch angeordneten Erdseilen ist in Gl r E durch zu ersetzen, wobei D E1E2 für den Abstand zwischen beiden Erdseilen steht. Außerdem ergibt sich bei unterschiedlichen Erdseilhöhen die mit h E bezeichnete Erdseilhöhe in m zu. Ferner gilt für den mittleren Abstand in m zwischen einem der symmetrischen angeordneten Erdseilen und einem Außenleiter. [6] Berechnung von Kapazitäten bei Leitung mit zwei Stromkreisen Kapazitätsbelag im Nullsystem ohne Erdseil: 2 3 ln 4 ² 1 ² 2 ² (Gl. 3.17) Kapazitätsbelag im Mitsystem ohne Erdseil: 2 3 ln (Gl. 3.18) Kapazitätsbelag im Nullsystem mit einem oder zwei Erdseilen: 2 3 ln 4 ² 1 ² 2 ² ² 2 ln ln 2 (Gl. 3.19) Der kapazitive Reaktanzbelag ergibt sich aus folgender Formel, wobei f die Betriebsfrequenz in Hz ist. 1 2 (Gl. 3.20) 13

21 Elektrische Eigenschaften und Parameter von Freileitungen 3.5 Admittanzbelag Für die Darstellung einer Freileitung in einer Leitungsgleichung ist die Ermittlung des Admittanzbelags notwendig. Die Admittanz ist der Kehrwert der Impedanz mit der Einheit S/km und setzt sich in der vektoriellen Darstellung wie folgt zusammen. [6] (Gl. 3.21) Hier ist G 1 der Realteil der Admittanz, der als Wirkleitwertbelag bezeichnet wird. Bei Freileitungen ist dieser Parameter zu vernachlässigen, weil sein Wert sehr klein ist. Für B 1 gilt. [6] 2 (Gl. 3.22) Dabei ist B 1 der Blindleitwert in S/km und ist somit der Imaginärteil der Admittanz. 3.6 Betriebsverhalten einer Freileitung nach dem π-ersatzschaltbild Homogene Leitungen mit einer Länge l können allgemein durch eine Leitungsgleichung beschrieben werden. Mit dem π-ersatzschaltbild einer Freileitung können Spannung, Strom und Leistungsfaktor an einer beliebigen Stelle berechnet werden. Die Belastung einer Freileitung wird durch die Spannung, die Leistung und den Leistungsfaktor gekennzeichnet. Daraus ergibt sich der belastende Leitungsstrom. Üblicherweise wird die Ausgangsspannung als gegeben angesehen, sodass unter Berücksichtigung aller Spannungsabfälle die zugehörige Eingangsspannung zu berechnen ist. Der Zusammenhang der Spannungen und der Ströme am Anfang und am Ende der Freileitung ergeben sich im Mitsystem folgendermaßen: [6], [11] 1 (Gl. 3.23a) cosh sinh cosh sinh (Gl. 3.23b) (Gl. 3.23c) Dabei ist (Gl. 3.24) der Wellenwiderstand und (Gl. 3.25) der Ausbreitungskoeffizient im Mitsystem. 14

22 Elektrische Eigenschaften und Parameter von Freileitungen Die Kenngrößen des π-ersatzschaltbildes ergeben sich wie es in Abbildung 3.5 dargestellt ist. I 1A I1E R Y Y U 1A U 1E 2 2 XL Abbildung 3.5: π-ersatzschaltbild einer Freileitung [eigene Abbildung] Ist der Wert des Wellenwiderstands bekannt, so kann eine Aussage über die von der Leitung aufgenommene Wirkleistung getroffen werden. Diese Wirkleistung wird als natürliche Leistung bezeichnet und gilt als Qualitätsmerkmal für die Übertagungsfähigkeit einer Freileitung. So lässt sich mit dem Betrag des komplexen Wellenwiderstands die natürliche Leistung P nat in MW berechnen. [6], [11] (Gl. 3.26) wobei U für die Spannung zwischen zwei Außenleitern steht. 3.7 Verdrillung Einführung Die Verdrillung der drei Freileitungsleiter dient der Entkopplung von unsymmetrischen Induktivitäts- und Kapazitätsbelägen gegenüber der Erde, gegenüber einzelner Leiter und benachbarten Leitungen. Freileitungseile müssen hierfür auf der gesamten Länge der Freileitungsstrecke nach einem bestimmten Verdrillungsschema alle Positionen auf dem Mast einmal belegt haben. Notwendig wird dieses Verfahren ab einer Leitungslänge von 20 km und 110 kv. Je nach Verdrillungsschema können die einzelnen Phasen nach einem Durchlauf ihre alte oder eine völlig neue Anordnung erhalten. Die Verdrillung findet auf dem Abspannmast oder im Umspannwerk statt. Im Fall Abspannmast wird der Mast als Verdrillungsmast bezeichnet. Gewöhnlich wird bis Leitungslängen von 200 km eine vollkommene Verdrillung der Freileitung erreicht. [4] 15

23 Elektrische Eigenschaften und Parameter von Freileitungen Abbildung 3.6: Verdrillungsmast [eigene Abbildung] Verdrillungsschemata Die Verdrillung α 1 ist für einsystemige Drehstromleitungen ausgelegt. Die Positionen der Leiterphasen werden bei 1/3 und 2/3 der Leiterlänge gewechselt, wobei die Phasenanordnung am Ende nicht der Anordnung des Anfangs entspricht. Dies ist bei der Verdrillung α 2 anders. Durch die Aufteilung der 1/3 Verdrillung in zwei 1/6 der Leitungslänge sind die Phasen am Ende der Leitung gleich der am Anfang. Bei zwei Stromkreisen mit asynchronem Betrieb wird das β-schema verwendet. Die Verdrillungsstellen auf dem Stromkreis sind bei 1/3 und 2/3 und beim zweiten Stromkreis bei 1/9, 2/9, 4/9, 5/9, und bei 7/9 der Leitungslänge zu finden. Für synchronen Betrieb mit zwei Stromkreisen werden die γ-verdrillungen genutzt. Mit der γ 1 - Verdrillung erfolgen bei beiden Stromkreisen das Tauschen der Phasen bei 1/3 und 2/3 der Leitungslänge im Umlaufsinn. Die Anordnungen der Phasen bezüglich Anfang und Ende der Leitung sind dabei unterschiedlich. Damit die Phasenanordnungen bei zweisystemigen, synchronen Stromkreisen am Ende gleich denen am Anfang sind, wird die γ 2 -Verdrillung verwendet. Die Phasen der beiden Stromkreise werden bei 1/6, 1/2 und bei 5/6 der Leiterlänge getauscht. [12] 16

24 Elektrische Eigenschaften und Parameter von Freileitungen Abbildung 3.7: Verdrillungsschemata von Freileitungen [12] 3.8 Übertragungsverluste Einführung Beim Betrieb von Drehstromfreileitungen entstehen Verluste, die den Wirkungsgrad der Übertragung und somit die Wirtschaftlichkeit beschreiben. Generell ist zwischen zwei Arten von Verlusten zu unterscheiden. [13] - Stromabhängige Verluste - Spannungsabhängige Verluste Stromabhängige Verluste Stromabhängige Verluste entstehen nur bei angeschlossener Last und überwiegen anteilmäßig unter allen Verlusten. Grundsätzlich sind dies die ohmschen Belastungen der Leitung. Bei konstanter Netzspannung sind die Verluste außerdem vom Quadrat des Stroms abhängig, sodass sich die Verluste wie folgt zusammensetzen: 1 (Gl. 2.25) Bei parallelen Drehstromsystemen wird für n S die Anzahl der Systeme, für S die zu übertragende Scheinleistung in VA, l die Länge der Freileitung in km, für R der Bündelleiterwiderstandsbelag in Ω/km und U n die Betriebsspannung in V eingesetzt. Näherungsweise kann die Widerstandserhöhung mit 4 % bei einer Temperaturerhöhung von 10 K gegenüber 20 C angenom men werden. [13] 17

25 Elektrische Eigenschaften und Parameter von Freileitungen Spannungsabhängige Verluste Spannungsabhängige Verluste treten auf, sobald an der Leitung eine Spannung anliegt. Verglichen mit stromabhängigen Verlusten sind sie um ein vielfaches geringer, jedoch nicht zu vernachlässigen. Sie entstehen durch Leckströme und anderen Erscheinungen der Isolation (Koronaeffekt). Der Leitwert G des Freileitungsersatzschaltbildes aus Abbildung 3.5 ist hierbei ein ausschlaggebender Faktor. [13] ² (Gl. 2.26) Für n S gilt auch hier die Anzahl der parallelen Drehstromsysteme auf der Freileitung, Koronaeffekt Wie schon bei den spannungsabhängigen Verlusten erläutert wurde, entstehen durch Erscheinungen an der Isolation Verluste. Diese werden Koronaverluste genannt. Die Koronaverluste resultieren aus der Bildung von Koronaentladungen auf der Freileitung, die beim Betrieb mit hohen Spannungen entstehen. Sobald an der Oberfläche der Leiterseile eine kritische Randfeldstärke überschritten wird, entstehen in der Luft, je nach Wetterbedingung, elektrische Teildurchbrüche. Der Effektivwert dieser kritischen Koronaersatzfeldstärke liegt für glatte Kreiszylinder mit 10 mm Radius bei ca. 27 kv/cm und nimmt für Leiterseile bis ca. 21 kv/cm ab. Neben den eigentlichen Verlusten entstehen bei diesem Effekt Geräuschemissionen, Funkstörungen im unterem Frequenzbereich, Ozon und Stickstoffoxide. Um eine Minderung dieser Auswirkungen zu erzielen werden Bündelleiterausführungen angewendet. [11] Bündelleiter sind mehrere, parallele angeordnete Leiterseile mit gleichbleibendem geometrischen Abstand zueinander, die gemeinsam einen Außenleiter einer Phase bilden. Sie werden ab Übertragungsspannungen von 220 kv bevorzugt eingesetzt, um eine Minimierung der Oberflächenrandfeldstärke zu erreichen, ohne dass dafür Leiter mit größerem Leiterquerschnitt verwendet werden. Zusätzlich ermöglichen Bündelleiter, besonders bei Übertragungsspannungen von 110 kv, die Erhöhung der Strombelastung auf den Leitern. Je nach installierter Spannungsebene werden die zugehörigen Bündelleiteranordnungen gewählt. 220 kv Leitungen werden weitestgehend mit Zweierbündel ausgelegt, dagegen sind Zweier-, Dreier- und Viererbündel bei Spannungen von 400 kv anzutreffen. Bei höheren Spannungen von 800 kv und 1000 kv werden sogar Sechserbündel oder Achterbündel installiert. Um ein Zusammenschlagen der einzelnen Teilleiter unter Windeinwirkung zu verhindern, ist die Montage von Abstandshaltern in einem maximalen Einbauabstand von 50 m unumgänglich. [6], [14] In Abbildung 3.8 werden unterschiedliche Bündelleiteranordnungen dargestellt, die die konzentrierten Randfeldstärken am Leiter verdeutlichen. Mit steigender Bündelleiteranzahl entsteht im Innern des Bündels ein nahezu feldfreier Raum, der somit elektrische Teilentladungen verhindert. 18

26 Elektrische Eigenschaften und Parameter von Freileitungen a) b) c) d) Abbildung 3.8: Feldbilder eines a) Einzelseil-, b) Zweierbündel-, c) Dreierbündel-, d) Viererbündelleiters [11] Außerdem werden durch die Vergrößerung des Bündelleiter-Ersatzradius die Induktivitäten der Freileitung geringer und die Kapazitäten größer. Gleichzeitig wird der Wellenwiderstand geringer und bei gleicher Spannung verkleinert sich der Blindleistungsanteil. Des Weiteren verringert die kleinere Induktivität bei gleichem Strom den Spannungsabfall. [5] Bündelleiter sind nicht nur technisch sinnvoll um Koronaverluste zu minimieren, sondern auch in wirtschaftlicher Hinsicht. So ergibt sich die Möglichkeit der Kosteneinsparung bei einer Freileitungsdimensionierung, wenn unterschiedliche Spannungsebenen am Mast nur einen Leiterseiltyp anwenden. Falls eine Freileitung über mehrere Spannungsebenen verfügt, können somit beispielsweise 220 kv und 380 kv Leitungen mit dem gleichen Leitungsseil ausgelegt werden, welches auch bei einer 110 kv Leitung verwendet wird, sofern die 220 kv Leitung als Zweierbündel und die 380 kv Leitung als Viererbündel ausgelegt sind. [6] Ein weiterer Faktor, welcher die Intensivität der Koronaverluste steuert, ist das Umgebungsklima. Bei sehr feuchtem Klima nehmen die Verluste zu und bei einem sehr trockenen Klima nehmen die Verluste bis auf einen vernachlässigbaren, minimalen Wert ab. In der vorliegenden Tabelle sind die Jahresmittelwertverluste je Kilometer in Abhängigkeit der klimatischen Bedingung aufgelistet. Tabelle 3.1: Koronaverluste in kw je km (3 Phasen) bei unterschiedlichen Witterungsverhältnissen [15] Leitungsnetz Trockenwetter Nebel Regen Raureif 110kV 0, ,0 220kV 0,3 2,9 8,0 30,0 380kV 0,6 4,3 12,0 50,0 19

27 Mastkonfiguration 4 MASTKONFIGURATION 4.1 Einleitung Ein Freileitungsmast ist eine Konstruktion, die bestehend aus Mastschaft, Querträger und Erdseilstützen das Leitersystem (L1, L2, L3) in bestimmten Aufhängepunkten hält bzw. stütz. Ihre Bauform wird besonders von der Anzahl der Stromkreise und Erdseile, der Übertragungsspannung und des Mastmaterials bestimmt. Je nach Anforderung werden Masten aus Stahlvollwand, Stahlgitter, Stahlbeton und Holzkonstruktionen angefertigt. Neben den Kräften, die von den Leitern auf dem Mast ausgeübt werden, dürfen auch äußere Lasten die Sicherheit und Stabilität nicht gefährden. Abspannseile erfüllen die Standsicherheit bei abgespannten Konstruktionen. Beton-, Stahlvollwand-, Holz- und Stahlgittermasten sowie Portalbauweisen zählen zu den selbstragenden Konstruktionen und werden von keinerlei Abspannseilen gestützt. [6] Die Leiter werden am Tragmast an den Aufhängepunkten über Tragketten und in der Niederspannungs- und Mittelspannungsebene vereinzelt an Stützisolatoren montiert. Der Mast gleicht dabei keine Leiterzugkräfte aus, sondern dient dem reinen Halten bzw. Stützen der Leitungsseile. Dagegen sind die Abspannketten des Abspannmasts nicht wie beim Tragmast lotrecht zum Erdboden befestigt, sondern eher mit dem Winkel der Seilkurve des Leiterseiles horizontal zum Erdboden montiert. Dabei werden die Leiterzugkräfte im Aufhängepunkt am Mast ausgeglichen. Neben den beiden hier schon genannten Mastarten, können weitere genannt werden. [6] - Winkeltragmast - Endmast - Sondermast - Winkelabspannmast 4.2 Mastarten und ihre Funktion Tragmasten Tragmasten sind die am häufigsten verwendeten Masttypen. Sie tragen die Leiter auf einer langen, geraden Strecke und gleichen keine auftretenden Zugkräften aus. Ihre Bauart erlaubt eine schnelle und kostengünstigste Errichtung gegenüber allen anderen Mastformen. [6] 20

28 Mastkonfiguration Winkeltragmast Winkeltragmasten werden bei Spannungsebenen bis 110 kv eingesetzt und erfüllen die Funktion des eigentlichen Tragmasten im Winkelpunkt. Mit dem Winkeltragmast können Leitungswinkel zwischen 160 bis 180 erzielt werde n, wobei die Isolatoren stets schräg am Mast hängen. Dabei wird die Richtung der Freileitungstrasse verändert. Für höhere Spannungen werden sie durch Winkelabspannmasten ersetzt. Des Weiteren ist zu beachten, dass in manchen Ländern diese Mastart generell nicht zulässig ist, sodass auch hier der Winkelabspannmast ausgewählt wird [6]. Viele internationale Standards begrenzen bereits den Tragmast auf einen maximal zulässigen Leitungswinkel von zwei Grad. Abspann- und Winkelabspannmasten Abspann- und Winkelabspannmasten nehmen die resultierenden Leiterzugkräfte in den Winkelpunkten und zudem die Leiterzugkräfte in unterschiedlichen Leitungsrichtungen auf. Dadurch bilden sie auf einer Freileitung Festpunkte. Überall dort wo ein Richtungswechsel der Leitungstrasse anzutreffen ist, werden Winkelabspannmasten installiert. Deutlich sind Abspannmasten durch die Anordnung der Abspannisolatoren zu erkennen. Sie hängen nicht wie üblich lotrecht zum Erdboden hinunter, sondern im Winkel der Seilkurve des Leiterseils. Dies ist gut in Abbildung 4.1 c) zu erkennen. In regelmäßigen Abständen von ca. 5 km einer Freileitungstrasse müssen Abspannmasten verbaut sein, um Schädigungen von überdurchschnittlich hohen Leiterzugkräften zu vermeiden und um bei einem Ausfall eines Tragmastes die Anzahl weiterer gefährdeter Tragmaste innerhalb eines Abspannfeldes zu minimieren. Bei einem geraden Trassenverlauf nennt man diese Maste Fluchtabspannmaste. [6] Endmast Endmasten sind speziell abgewandelte Abspannmasten. Sie nehmen alle aus einer Richtung kommenden Leitungszugkräfte auf. Üblicherweise dienen Endmasten als Verbindungsstück zwischen Freileitung und Umspannwerk oder Schaltanlagen. Verbindungen zu Erdkabeln (Kabelendmast) sind gleichermaßen üblich, dabei wird die Freileitung mit einem Erdkabel auf dem Endmast verbunden und anschließend als Kabel in den Erdboden eingeleitet. Charakteristisch für diesen Mast ist, dass sich oft die Leiterphasen auf einer Ebene befinden. [6] Sondermast Sondermasten sind grundsätzlich keine speziellen Mastformen, sie sind eher eine Zusammensetzung oder Erweiterung aus verschieden Mastarten. Beispielsweise kann ein solcher Mast eine Verbindung aus einem Abspannmast mit einer Abzweigung sein. Dabei wird aus der Freileitungstrasse am Abspannmast ein Stromkreis abgegriffen, welcher für die Versorgung eines Umspannwerks dient. 21

29 Mastkonfiguration Ein Verdrillungsmast kann außerdem auch als Sondermast deklariert werden, da dieser ein Abspannmast mit erweiterter Funktion ist. An ihm werden die Positionen des ankommenden Stromkreises gewechselt. [6] a) b) c) d) Abbildung 4.1: Mastarten a) Tragmast [16]; b) Winkeltragmast [17]; c) Winkelabspannmast [18]; d) Kabelendmast [19] 4.3 Mastbilder Das Mastbild eines Freileitungsmastes wird von vielen technischen und ästhetischen Eigenschaften bestimmt. Außerdem beeinflussen die Elektrizitätsversorgungsunternehmen die Wahl des Mastbildes durch die von ihnen Jahrzehnte lang favorisierten Masttypen. Die jeweils gewählte Spannungsebene und die Anzahl der auf dem Mast existierenden Stromkreise geben Aufschluss über das Aussehen eines Mastbildes. Die Anzahl der zu verwendenden Erdseile oberhalb der Phasenleitung erschließt sich aus der Anordnung der Leiterseile und der jeweiligen 22

30 Mastkonfiguration Vorschrift, hierbei können einfach, doppel und mehrfach Systeme am Mast angebracht sein, je nachdem ob die Erdseile einen ausreichend großen Schutzbereich gegen Blitzeinschläge gewährleisten. [6] Besonders in der Mittelspannungsebene müssen die Aufhängepunkte der einzelnen Phasenleitungen optimal ausgelegt sein um Spannungsüberschläge, die durch Großvögel verursacht werden können, zwischen Leitern und geerdeten Bauteilen ausschließen zu können. In der Hoch- und Höchstspannungsebene ist dieser genannte Gesichtspunkt unbedenklich, da dort aufgrund der höheren elektrischen Abständen, sowohl zwischen Leitern, Leitern und geerdeten Bauteilen als auch bei Isolatoren keinerlei Gefahren von Spannungsüberschlägen oder Kurzschlüssen zu befürchten sind. Um eventuelle Instandhaltungsarbeiten an der Freileitung zu gewährleisten, ohne dass eine Gefährdung des Arbeitspersonals zu jeder Zeit des Betriebs besteht, sind auch hier die jeweiligen Abstände der Leitungen und somit Aufhänge- oder Stützpositionen für die Wahl des Mastbildes auschlaggebend. Die Mindestabstände der Leiter zueinander und zu geerdeten Bauteilen sowie die Leiterdurchhänge sind in der europäischen Norm EN festgelegt und werden im Unterkapitel behandelt. [32] Charakteristisch für Mittelspannungsmasten im Bereich von 10 kv bis 20 kv ist die Anzahl der installierten Stromkreise. Üblicherweise wird dabei nur ein Stromkreissystem installiert. Anders dagegen werden Hoch- und Höchstspannungsfreileitungen aufgrund der Versorgungssicherheit nach dem n-1 Prinzip mit zwei parallelen Stromkreisen ausgelegt. Das n-1 Kriterium beschreibt, dass genau eins der gesamten n Betriebsmittel aufgrund von Störungen oder Schäden ausfallen darf, ohne dass eine unzulässige Belastung der weiteren Betriebsmittel entsteht. [9] In Mitteleuropa ist dieses Prinzip weit verbreitet, um bei einem Ausfall eines Stromkreises keinerlei Beeinträchtigungen in der Versorgungssicherheit zu erleiden und über genügend Redundanz zu verfügen. Bei der Wahl der Mastbilder der Hoch- und Höchstspannungsebenen werden jene Mastbilder ausgewählt, die eine geringe Trassenbreite, welche in Hinblick auf Entschädigungszahlungen vorteilhaft ist, und Höhe aufweisen. Darum werden generell zwei Stromkreisanordnungen am Mast verwendet. Dabei können die Phasenleitungen eines Stromkreises in der Einebenen- oder in einer Dreiecksanordnung installiert werden. Einebenanordnungen, wie sie beim Einebenenmast oder dem Y-Mast charakteristisch sind, eignen sich besonders in Regionen, wo die Trassenbreite eine untergeordnete Rolle spielt. Dementsprechend wird eine geringe Höhe der Masten, geringe Errichtungskosten und eine bessere Eingliederung der Masten in das Landschaftsbild erzielt. Jedoch ist das am häufigsten gewählte Mastbild die Donauanordnung. Der Donaumast bringt einen guten Kompromiss hinsichtlich Trassenbreite, Masthöhe und Baukosten und ist darüber hinaus mit nur einem Erdseil gegen Blitzeinschläge gesichert. Gilt es ein Mastbild zu wählen, das eine geringe Trassenbreite benötigt, so wird der Tonnenmast ausgewählt. Wegen der geringen Mastbreite gewinnt allerdings die vertikale Ausdehnung an Höhe. Infolgedessen ist der Mast höheren Windlasten ausgesetzt, wodurch das Fundament den Anforderungen angepasst sein muss, was resultierend höhere Errichtungskosten mit sich bringt. 23