MO-Überspannungsableiter. Auswahl und Einsatz in Mittelspannungs- Energieübertragungsnetzen

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1 R MO-Überspannungsableiter Auswahl und Einsatz in Mittelspannungs- Energieübertragungsnetzen

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. MO-Mittelspannungsableiter 2.1 Aufbau 2.2 Wirkungsweise 2.3 Auswahlparameter 3. Auswahl 3.1 Einfluß temporärer, zeitweiliger Überspannungen auf den MO-Ableiter Bedeutung der Bemessungsspannung U r des Ableiters 3.3. Auswahl der Ableiter und Festlegung der Dauerspannung U c 3.4 Beispiele und Sonderfälle Netze mit Erdschlußkompensation oder hochohmig isoliertem Sternpunkt Netze mit hochohmig isoliertem Sternpunkt und Erdschluss- Abschaltung Netze mit niederohmiger Sternpunkterdung E 1, Netze mit niederohmiger Sternpunkterdung E > 1, Ableiter zwischen den Phasen (Neptunschaltung) Betriebsspannung mit Oberschwingungen 4. Schutzwirkung 4.1 Das Schutzniveau eines Ableiters 4.2 Der Schutzbereich eines Ableiters 5. Besondere Anwendungen 5.1 Überspannungschutz bei Kabelstrecken mit Freileitungsübergang 5.2 Transformator am Ende eines Kabels 5.3 Transformator einseitig und direkt mit einer blitzgefährdeten Freileitung verbunden 5.4 Ableiter an gekapselten MS-Schaltanlagen 5.5 Generator, verbunden mit einer blitzgefährdeten MS-Leitung 5.6 Überspannungsschutz von Motoren 5.7 Kabelmantelschutz von Hochspannungskabeln 5.8 MO-Ableiter für Gleichspannung 6. Consulting beim Einsatz von Ableitern 2

3 1. Einleitung Betriebsmittel und Geräte in elektrischen Energieversorgungsnetzen sind vielfältigen Beanspruchungen, u.a. auch Überspannungen ausgesetzt. Diese Überspannungen gefährden die elektrischen Betriebsmittel, weil deren Spannungsfestigkeit aus wirtschaftlichen Gründen nicht beliebig hoch ausgelegt werden kann. Sie können in der Regel aber auch nicht vermieden werden, weshalb die Verwendung von geeigneten Schutzgeräten gegen diese Überspannungen eine der Grundvoraussetzungen für einen wirtschaftlichen und zuverlässigen Netzbetrieb darstellt. Dies gilt uneingeschränkt sowohl für Hochspannungs- als auch für Mittelund in besonderem Maße auch für Niederspannungsnetze. Die größte Gefährdung der Betriebsmittel durch Überspannungen geht von transienten (impulsförmigen) Überspannungen aus. Sie entstehen durch atmosphärische Entladungen und durch Schalthandlungen. Als wirkungsvollster Schutz vor diesen transienten Überspannungen wird der Einsatz von Überspannungsableitern betrachtet. Der Ableiter wird in unmittelbarer Nähe des zu schützenden Betriebsmittels installiert und dient als eine Art Ausweichpfad für den Überspannungsimpuls. Die Höhe einer Überspannung wird meistens in der Einheit p.u. (per unit) angegeben. Sie ist definiert als 1 p.u. = 2. U m 3 wobei unter U m die höchste zulässige Spannung für Betriebsmittel als Effektivwert zwischen den Phasen im störungsfreien Netzbetrieb verstanden wird. Die tatsächliche Systemspannung liegt in der Regel unter U m. U m (kv) 3,6 7, , p.u. (kv) 2,9 5,9 9,8 14,3 19,6 29,4 34,3 Tabelle 1: Der Wert 1 p.u. für verschiedene U m Neben den transienten Überspannungen treten in elektrischen Netzen auch sogenannte temporäre oder zeitweilige Überspannungen auf. Es sind in der Regel betriebsfrequente Wechselspannungen, die durch Störungen im Netz hervorgerufen werden. Zusammenfassend kann man die auftretenden Überspannungen somit in folgende Kategorien unterteilen: Temporäre, betriebsfrequente Überspannungen treten z.b. bei Lastabwurf oder bei Fehlern mit Erdberührung auf. Ihre Dauer liegt zwischen 0,1 Sekunden und einigen Stunden. Die Amplitude übersteigt im allgemeinen 3 p.u. nicht wesentlich, weshalb sie für die Betriebsmittel in der Regel keine Gefährdung darstellen. Für die richtige Auswahl der Ableiter sind sie jedoch sehr entscheidend. Ferroresonanzen (Kippschwingungen) am Transformator können ebenfalls zu sehr hohen, meist betriebsfrequenten Überspannungen führen. Funkenstreckenlose Ableiter verhindern beim Auftreten einer Ferrorresonanz, daß die Isolation des Transformators beschädigt wird. Jedoch werden die Ableiter selbst in der Regel überlastet und thermisch zerstört. Insbesonders moderne, verlustleistungsarme Transformatoren, die unter Leerlauf einpolig über eine Kabelstrecke zugeschaltet werden, sind häufig Auslöser von Ableiterausfällen durch Ferroresonanz. Schaltüberspannungen entstehen häufig bei Schalthandlungen und weisen in der Regel einen stark gedämpften, schwingenden Verlauf auf. Die Frequenz der Schwingung liegt häufig unter einigen khz, und der Scheitelwert kann Werte bis zu 3 p.u. annehmen. Steilere Impulse mit höheren Scheitelwerten sind bei Schalthandlungen in überwiegend induktiven Stromkreisen anzutreffen. Hier kann die Anstiegszeit der Überspannung im Bereich von 0,1 bis 10 µs liegen und der Scheitelwert bis zu 4 p.u. erreichen. 3

4 Auch beim Zu- und Abschalten von Freileitungen oder Kabeln können steile Überspannungen erzeugt werden. Da deren Scheitelwert im allgemeinen aber unter 2,2 p.u. liegt, werden sie für den Netzbetrieb als ungefährlich betrachtet. Kritische Werte bis zu 7 p.u. können jedoch erreicht werden, wenn die Abschaltung eines Kabels zu langsam erfolgt und Rückzündungen auftreten. Zu den Schaltüberspannungen zählen im weitesten Sinne auch Überspannungen, die durch Erd- oder Kurzschlüsse im Netz verursacht werden. Die Amplituden sind im allgemeinen eher klein. Treten sie jedoch in rascher Folge auf (intermittierende Erdschlüsse) kann es durch die häufige, kurz aufeinander folgende Beanspruchung zu einer thermischen Überlastung funkenstreckenloser Überspannungsableiter kommen. Biltzüberspannungen haben ihre Ursache in atmosphärischen Entladungen. Wird eine Freileitung vom Blitz direkt getroffen, ergeben sich besonders steile Impulse mit Scheitelwerten bis zu einigen Megavolt. Diese erreichen aber in der Regel die Betriebsmittel nicht, da die auf der Freileitung installierten Isolatoren überschlagen und so eine Art natürlichen Überspannungsschutz darstellen. Die nach einem solchen Isolatorüberschlag noch verbleibende Amplitude erreicht im Mittelspannungnetz aber immer noch Werte bis zu 10 p.u. Auch bei einem Blitzeinschlag in der Nähe einer Freileitung werden Überspannungen in den Seilen der Leitungen induziert. Diese induzierten Überspannungen erreichen ihren Scheitelwert nach wenigen µs und klingen anschließend schnell wieder ab. Die Scheitelwerte betragen wieder etwa 10 p.u. in Bezug auf Mittelspannungsnetze. Blitzüberspannungen stellen also die extremste Überspannungsbeanspruchung im Mittelspannungsnetz dar. Die Aufgabe des Überspannungsableiters ist es, diese auf einen für das Betriebsmittel tolerierbaren Wert zu begrenzen. Ferner soll vom Ableiter im Falle seines Versagens, z.b. durch eine Überbeanspruchung, keine Gefährdung ausgehen, die über ein unvermeidliches Maß hinausgeht. 4

5 2. MO-Mittelspannungsableiter Seit etwa 15 Jahren werden in Hochspannungsnetzen bei Neuinstallationen fast ausschließlich MO-Ableiter eingesetzt. In Mittelspannungsnetzen hingegen wurden noch bis vor wenigen Jahren auch die konventionellen Ventilableiter, bestehend aus SiC-Widerständen und Serienfunkenstrecken, in nennenswerten Stückzahlen installiert. Mittlerweile hat sich aber auch hier der Metalloxid-Ableiter (kurz MO-Ableiter) ohne Funkenstrecken durchgesetzt. Die Gründe für diesen Wandel sind wie beim Einsatz im Hochspannungsnetz ein tieferes Schutzniveau insbesondere bei sehr steilen Überspannungen und ein günstigeres Verhalten unter Verschmutzungsbedingungen. Durch den Übergang zu Kunststoffgehäusen, der durch den Verzicht auf die zuvor erforderlichen Funkenstrecken möglich wurde, ergaben sich weitere, wichtige Vorteile, wie z.b. eine höhere Zuverlässigkeit (Dichtigkeit!) und ein deutlich verringertes Gefahrenpotential hinsichtlich des Versagens eines Ableiters (Zerbersten des Gehäuses). 2.1 Aufbau Im Grunde genommen besteht ein MO-Ableiter aus lediglich zwei Elementen: dem sogenannten Aktivteil, der wiederum aus einem oder mehreren übereinander gestapelten, in der Regel zylindrischen MO-Widerstandsblöcken besteht, und dem isolierenden Gehäuse. Die mechanische Festigkeit wird entweder durch das Gehäuse (z.b. beim Porzellangehäuse) oder durch den Aktivteil bei kunststoffisolierten Ableitern gewährleistet. In der Regel wird bei diesen eine Glasfaserstruktur verwendet, die die MO-Blöcke entweder vollständig umschließt oder die Enden des Stapels mit ausreichender Kraft zusammenpreßt. Dank des einfachen, mechanisch stabilen Aufbaus des Aktivteiles und des günstigen Verhaltens im Falle eines Ableiterversagens, können manche kunststoffisolierte Ableiter in gewissen Grenzen auch eine Stützerfunktion übernehmen. 2.2 Wirkungsweise Ein Ableiter begrenzt die an seinen Klemmen anliegende Spannung, indem er zusammen mit der Impedanz der Überspannungsquelle oder der Wellenimpedanz der Zuleitung einen Spannungsteiler bildet. Der Widerstand des Ableiters ist dabei nicht-linear, so daß ab einer gewissen Grenze die Spannung an seinen Klemmen nur noch unterproportional mit dem fließenden Strom zunimmt. Je höher dabei die Nichtlinearität ist, desto enger ist der Bereich, in dem sich die sogenannte Restspannung des Ableiters bewegen kann. 4,5 3,5 Û/U c 8/20µs 2,5 DC 1,5 0,001 0, Strom (A) Bild 1: Typische Strom-Spannungs-Kennlinie eines 10 ka, Klasse 1 MO-Ableiters Aufgrund der fehlenden Funkenstrecken beim MO-Ableiter, dessen Nichtlinearität so hoch ist, daß unter normalen Betriebsbedingungen nur ein sehr kleiner ohmscher Stromanteil fließt, geht der Ableiter entsprechend der U-I-Kennlinie der verwendeten MO-Blöcke kontinuierlich und nahezu verzögerungsfrei in den leitenden Zustand über. D.h. es findet kein Ansprechen des Ableiters statt, wie dies von Ventilableitern mit Funkenstrecken her bekannt ist, bei denen zunächst die Zündspannung der Funkenstrecken überschritten werden muß. Die damit verbundenen Vorteile sind zum einen, daß der MO-Ableiter auch bei steilen Impulsen die Spannung bereits zu Beginn des Überspannungsimpulses zuverlässig auf niedrige Werte begrenzt und zum anderen Schaltstoßimpulse mit ihren kleinen Amplituden den Ableiter nicht unterlaufen können. 5

6 Mit dem Abklingen der Überspannung nimmt der Ableitstrom zeitgleich entsprechend der Kennlinie der MO-Blöcke wieder ab, so daß bei MO-Ableitern kein Netzfolgestrom auftritt. Diese Tatsache ist besonders für den Schutz von Gleichspannungssystemen von entscheidender Bedeutung, da hier kein natürlicher Nulldurchgang des Stromes vorhanden ist, der eine Löschung des Lichtbogens der sonst vorhandenen Funkenstrecke ermöglichen würde. MO-Ableiter können deshalb prinzipiell sowohl in 50/60 Hz, 16 2/3 Hz und Gleichspannungssystemen eingesetzt werden, sofern die Eigenschaften des verwendeten MO-Blockes dies erlauben. 2.3 Auswahlparameter Bei der Auswahl eines Ableiters sind im wesentlichen 2 Parameter zu berücksichtigen: Zum einen die Dauerspannung U c, unter der der Ableiter zuverlässig und stabil über Jahre hinweg arbeiten soll und zum anderen die Stromtragfähigkeit bzw. der Nennableitstrom I n in Verbindung mit der Leitungsentladungsklasse. 3. Auswahl 3.1 Einfluß temporärer, zeitweiliger Überspannungen auf den MO-Ableiter. Aufgrund der fehlenden Funkenstrecken werden die Widerstandsblöcke beim MO-Ableiter dauernd mit der betriebsfrequenten Wechselspannung beansprucht. Es fließt im Normalbetrieb ein überwiegend kapazitiver Strom, dem ein sehr kleiner ohmscher, nicht-sinusförmiger Anteil überlagert ist. Dieser ohmsche Anteil erzeugt beständig Verluste im Ableiter, die zu einer geringen Erwärmung des Ableiters gegenüber der Umgebungstemperatur führen. Steigert man die Spannung, nehmen der ohmsche Anteil und die Verluste rasch zu. Aufgrund der thermischen Masse des Ableiters wird er jedoch nicht sofort zerstört, sondern heizt sich mehr oder weniger schnell auf. Geht die Beanspruchung durch die temporäre Überspannung rechtzeitig wieder auf das normale, erlaubte Niveau zurück, nimmt der Ableiter mit hoher Wahrscheinlichkeit keinen Schaden. Wie lange er bei welcher Spannung betrieben werden kann, ohne daß eine thermische Zerstörung eintritt, kann der Wechselspannung-Zeit- Kennlinie (Bild 2) entnommen werden. Es werden dabei 2 Fälle unterschieden: Die untere Kurve zeigt den Fall, daß der Ableiter neben der reinen Wechselspannungsbeanspruchung mit U TOV zuvor mit energiereichen Impulsen (im Falle von 5 ka und 10 ka, Klasse 1 Ableitern mit einem Hochstromimpuls der Form 4/10 µs und einer Amplitude von 65 ka bzw. 100 ka) beansprucht wird. Die zweite, obere Kurve gilt für den Fall, daß nur eine Wechselspannungsbeanspruchung erfolgt. Die Werte in der Wechselspannungs-Zeit-Kennlinie eines Ableiters werden entweder in absoluten Zahlen oder bezogen auf die Dauerspannung U c des Ableiters angegeben. 1,5 1,4 ohne Vorbelastung 60 C T 1,3 1,2 100 ka, 4/10 µs Vorbelastung 1,1 1,0 0, t (Sekunden) U TOV, max Bild 2 : Wechselspannungs-Zeit-Kennlinie, TOV Diagramm (T = U c ) 6

7 Folgendes Beispiel mag die Verwendung des Diagrammes veranschaulichen: Ein 10 ka, Klasse 1 Ableiter mit einem U c von 6 kv sei beliebig lange mit einer Spannung zwischen seinen Anschlußklemmen von 6 kv betrieben worden. Zum Zeitpunkt t = 0 erfolge ein Ableitvorgang, dessen Energieumsatz im Ableiter in etwa einem Ableitstrom von 100 ka der Form 4/10 µs entspricht. Unmittelbar im Anschluß an den Ableitvorgang trete ein Erdschluß auf, so daß die Spannung der gesunden Phasen auf etwa 7,7 kv ansteigt (T = 7.7/6.0=1,28). Die Schutzeinrichtung des Netzes sei so eingestellt, daß solch ein Fehler innerhalb von weniger als 3 s abgeschaltet wird. Mit Hilfe des Diagrammes findet man, daß der Ableiter dieser Beanspruchung gerade gewachsen ist. Die Abschaltung darf also nicht zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen, weil dann der Punkt oberhalb der unteren Kurve liegt und der Ableiter dann thermisch davonlaufen würde Bedeutung der Bemessungsspannung U r des Ableiters Die Bemessungsspannung U r hat für den Anwender keine große praktische Bedeutung, da sie sehr eng mit den Prüfbedingungen, die in der Arbeitsprüfung nach IEC festgelegt sind, verknüpft ist. Sie dient lediglich als Bezugsgröße für die Festlegung der Betriebseigenschaften Auswahl der Ableiter und Festlegung der Dauerspannung U c Für die Wahl der Dauerspannung U c des Ableiters ist zunächst die Spannung im fehlerfreien Betrieb an den Klemmen des Ableiters maßgebend. Dabei ist zu unterscheiden, ob der Ableiter zwischen Phase und Erde, zwischen den Phasen oder zwischen Sternpunkt und Erde angeschlossen wird. Die Spannung kann im allgemeinen mit Hilfe der maximalen Systemspannung zwischen den Phasen berechnet werden. Ist diese Spannung nicht bekannt oder ändert sie sich im Laufe der Zeit, sollte die höchste Spannung für Betriebsmittel U m für die Berechnung herangezogen werden. In Drehstromsystemen können bei Erdschlüssen netzfrequente, temporäre Überspannungen auftreten, deren Höhe durch die Sternpunktsbehandlung bestimmt wird. Die Dauer der Überspannung ist von der Betriebsführung des Netzes abhängig. Starr geerdete Netze werden meist innerhalb weniger Sekunden abgeschaltet. Isolierte und kompensierte Netze können bis zu einigen Stunden unter diesen Bedingungen weiter betrieben werden. Die Höhe der zu erwartenden temporären Überspannung wird häufig mit Hilfe des sogenannten Erdfehlerfaktors E beschrieben. Die temporäre Überspannung U TOV errechnet sich dann zu: U TOV = U m 3. E wobei Um durch die Systemspannung U s ersetzt werden darf, wenn sie mit hinreichender Sicherheit bekannt ist. Damit ein MO-Ableiter den Anforderungen des Netzbetriebes genügt, sind bei der Wahl der Dauerspannung U c deshalb zwei Bedingungen einzuhalten: U c muß größer oder gleich der dauernd an den Klemmen des Ableiter anliegenden netzfrequenten Spannung sein. Für Ableiter, die gegen Erde geschaltet sind, gilt die Bedingung: U C U m 3 wobei auch hier wieder U m durch die Systemspannung U s ersetzt werden darf. Die Beanspruchung des Ableiters mit temporären Überspannungen muß unterhalb der in der Wechselspannung-Zeit-Kennlinie eingetragenen Kurve oder darauf liegen. Zur Überprüfung ist neben der Höhe der temporären Überspannung auch deren max. Zeitdauer anzugeben. Aus Sicherheitsgründen ist bis auf begründete Ausnahmefälle immer die untere der beiden Kurve zu verwenden. Falls der entsprechende Betriebspunkt oberhalb der Kurve liegt, kann der gewählte Ableiter in diesem Netz nicht eingesetzt werden. Es ist dann ein Ableiter mit einer höheren Dauerspannung zu verwenden. U C U TOV T wobei T durch die Zeit t bis zur Abschaltung des Systems und die Wechselspannungs-Zeit- Kennlinie festgelegt ist. 7

8 3.4 Beispiele und Sonderfälle Netze mit Erdschlußkompensation oder hochohmig isoliertem Sternpunkt Im allgemeinen übersteigt in diesen Netzen die Leiter-Erd-Spannung der nicht vom Erdschluß betroffenen, gesunden Phasen den Wert U m nicht. U C U m für Ableiter zwischen Phase und Erde. 3 errei- Die Spannung am Sternpunkt des Transformators kann höchstens den Wert U m / chen: U C U m 3 für Ableiter zwischen dem Transformator- Sternpunkt und Erde. Es ist jedoch zu beachten, daß der Erdfehlerfaktor E unter bestimmten Bedingungen durch Resonanzerscheinungen bis auf den Wert 1,85 ansteigen kann. In solchen Fällen ist die Dauerspannung U c entsprechend zu erhöhen Netze mit hochohmig isoliertem Sternpunkt und Erdschluss-Abschaltung Die Höhe der temporären Überspannungen ist hier wie bei Netzen mit Erdschlußkompensation. Die rasche Abschaltung ermöglicht es jedoch eventuell einen Ableiter auszuwählen, der eine geringere Dauerspannung U c und damit ein tieferes Schutzniveau besitzt. U C U m T für Ableiter zwischen Phase und Erde. U C U m T. 3 für Ableiter zwischen dem Transformator- Sternpunkt und Erde Netze mit niederohmiger Sternpunkterdung E 1,4 Sofern in einem Netz ausreichend viele Sternpunkte der Transformatoren niederohmig geerdet sind, übersteigt der Erdfehlerfaktor den Wert 1,4 im ganzen Netz nicht. Aufgrund des großen Erd- bzw. Kurzschlußstromes erfolgt in solchen Netzen die Abschaltung sehr rasch, so daß auch hier ein Ableiter mit niedrigerer Dauerspannung U c ausgewählt werden kann, um das Schutzniveau zu senken. U C 1,4. U m T. 3 für Ableiter zwischen Phase und Erde. Die Spannung an den Sternpunkten der nicht geerdeten Transformatoren erreicht höchstens U TOV = 0,4. U m U C 0,4. U m T für Ableiter zwischen dem Transformator- Sternpunkt und Erde Netze mit niederohmiger Sternpunkterdung E > 1,4 Werden die Sternpunkte der Transformatoren über eine Impedanz geerdet, um den Erd- bzw. Kurzschlußstrom auf niedrige Werte zu begrenzen, steigt die Spannung in den gesunden Phasen auf bis zu Um. Bei rein ohmscher Erdung kann die Spannung sogar bis zu 5% über U m ansteigen. U C 1,05. U m T bei ohmscher Erdung. 8

9 3.4.5 Ableiter zwischen den Phasen (Neptunschaltung) In speziellen Anwendungen wie z.b. bei Transformatoren von Lichtbogenofenanlagen treten Schaltüberspannungen auf, welche durch die übliche Schaltung der Ableiter gegen Erde nur ungenügend begrenzt werden. Das Schutzniveau kann in diesen Fällen häufig dadurch verbessert werden, indem zusätzlich Ableiter zwischen den Phasen angeordnet werden. Der Schutz besteht dann aus 6 Ableitern, 3 zwischen den Phasen und 3 zwischen Phase und Erde: U C U m für alle Ableiter. Eine Abwandlung dieser Schaltung stellt die wegen ihrer Darstellung im Ersatzschaltbild so genannte Neptunschaltung dar. Auch diese Schaltung bietet einen Schutz sowohl zwischen den Phasen als auch gegen Erde. Der Unterschied liegt aber in einem um 33% höheren Schutzniveau gegenüber der Variante mit 6 Ableitern. Der Grund für das höhere Schutzniveau ist, daß die Dauerspannung U c der Ableiter hier vergleichsweise hoch gewählt werden muß: U C 0,667. U m für alle Ableiter Betriebsspannung mit Oberschwingungen Für den Betrieb von MO-Ableitern ist aufgrund der nichtlinearen U-I-Kennlinie der Scheitelwert der Betriebsspannung ausschlaggebend. Ist mit hohen Verzerrungen der Spannung, also mit hohen Oberschwingungsanteilen im Netz zu rechnen, kann der Scheitelwert der Spannung je nach Oberschwingungsanteil ganz erheblich vom 2-fachen des Effektivwertes abweichen. Sofern die Abweichungen unter 5% liegen, kann der Wert der Dauerspannung entsprechend angepaßt werden. Bei größeren Abweichungen sollte die Auswahl des Ableiters zusammen mit dem Hersteller des Ableiters erfolgen. Ähnliches gilt für den Einsatz von MO-Ableitern in der Nähe von Thyristorventilen. Spannungssprünge, Kommutierungsspitzen und Gleichanteile erfordern gegebenenfalls die Beachtung weiterer Auswahlkriterien. 9

10 4. Schutzwirkung 4.1 Das Schutzniveau eines Ableiters Als Schutzniveau U res des Ableiters wird die max. Restspannung an den Klemmen des Ableiters bezeichnet, die sich einstellt, wenn der Ableiter mit dem Nennableitstrom der Form 8/20 µs beansprucht wird. Die Mehrzahl der im Mittelspannungsnetz eingebauten Ableiter besitzen einen Nennableitstrom von 5 ka oder 10 ka. Die Form des Nennableitstromes ist mit 8/20 µs festgelegt und soll einen Überspannungsimpuls charakterisieren, wie er durch eine Blitzentladung hervorgerufen wird. Die Restspannung bei Blitzstromimpulsen wird in den Datenblätter in der Regel auch für Vielfache und für Teile des Nennableitstromes angegeben. Schaltüberspannungen haben im Vergleich zu Blitzüberspannungen wesentlich geringere Amplituden. Deshalb sind auch die max. Restspannungen bei Schaltstoßimpulsen der Form 30/60 µs von Interesse. Sie werden in den Datenblättern ebenfalls für verschiedene Amplituden, z.b. 125 A, 500 A angegeben. 4.2 Der Schutzbereich eines Ableiters Überspannungsimpulse auf Freileitungen und Kabeln stellen Wanderwellenvorgänge dar. Das hat zur Folge, daß die momentanen Spannungswerte auf einer Leitung nicht mehr nur von der Zeit, sondern auch vom betrachteten Ort abhängig sind. Insbesondere in der Nähe von Stellen, an denen sich die Impedanz einer Leitung ändert (z.b. an einem Freileitungs-Kabel Übergang oder einer Abzweigung) können solche Unterschiede sehr groß werden. Ursache hierfür sind Reflexionen an diesen sogenannten Stoßstellen. Für die Anwendung von Ableitern bedeutet das, daß die Spannung, mit der ein Betriebsmittel beansprucht wird, nicht immer identisch ist mit der Restspannung, die momentan am Ableiter anliegt. Der Unterschied kann um so größer sein, je weiter der Ableiter vom Betriebsmittel entfernt angeordnet ist. Ab einer gewissen Entfernung zwischen Ableiter und Betriebsmittel kann davon ausgegangen werden, daß der Schutz durch den Ableiter überhaupt nicht mehr gewährleistet ist. Diese kritische Entfernung wird als Schutzbereich des Ableiters bezeichnet. Die Anordnung des Ableiters sollte also unter allen Umständen so erfolgen, daß die elektrische Entfernung zwischen dem Betriebsmittel und dem Ableiter unter allen Umständen kleiner als der Schutzbereich des Ableiters ist. Der Schutzbereich L eines Ableiters kann in Mittelspannungsanlagen nach folgender Formel grob abgeschätzt werden: L = v 2. s. BIL U [ P 1,2 ] wobei v = 300 m/µs (Lichtgeschwindigkeit) BIL = Steh-Blitzstoßspannung des zu schützenden Betriebsmittels U P = Schutzniveau des Ableiters (Restspannung bei Nenn-Ableitstrom) s = Steilheit des Überspannungsimpulses ist. v S a b Bild 3: Prinzipielle Anordnung eines Überspannungsableiters 10

11 Typische Werte von s liegen bei 1550 kv/µs (für Freileitungen mit Holzmasten) und 800 kv/µs (für Freileitung mit geerdeten Traversen). Anhand dieser Werte ergeben sich für Mittelspannungsnetze etwa folgende Schutzbereiche: L = 2,3 m bei Holzmastleitungen. L = 4,5 m bei Leitungen mit geerdeten Traversen. In der vereinfachten Anordnung wie in Bild 3 dargestellt, darf demnach die Summe der Teilstrecken a und b den Schutzbereich L nicht überschreiten: a + b L Dabei wird angenommen, daß der Erdanschluß des Ableiters vernachlässigbar kurz sei. Ist dies nicht der Fall, so ist diese Entfernung in der Teilstrecke b zu berücksichtigen. In der Praxis darf der Einfluß der Transformatorkapazität auf den Schutzbereich allerdings nicht vernachlässigt werden. Sie führt zu einer teils drastischen Verringerung des Schutzbereiches L, die je nach Länge der Teilstrecke b bis zu 80% betragen kann. Bei Holzmastleitungen wirkt sich dieser Effekt besonders gravierend aus. So beträgt die max. Länge der Teilstrecke b bis zu einer Systemspannung von 24 kv nur noch etwa 1 m. Der Schutzbereich L liegt in diesem Fall noch bei etwa 2 m, so daß für die Teilstrecke a ebenfalls nur noch 1 m verbleibt. Bei Systemspannungen über 24 kv verringert sich die max. Länge der Teilstrecke b noch weiter auf 0,6 m. Die Schutzwirkung eines Ableiters wird also ganz entscheidend von seiner Anordnung und den gegebenen Leitungskonfigurationen bestimmt. Um eine optimale Schutzwirkung zu erzielen, ist der Ableiter so nah wie möglich am zu schützenden Betriebsmittel zu installieren und die Freileitung direkt mit dem Ableiter zu verbinden. In diesem Sinne sind die drei in Bild 4 schematisch dargestellten Anschlußvarianten an einen Transformator unterschiedlich zu bewerten. Die dritte Variante stellt die bestmögliche Anordnung dar, sofern der Abstand zwischen Transformator und Ableiter nicht weiter verringert werden kann. Die erste Variante ist die schlechteste, da hier die Schutzwirkung des Ableiters mit einfachen Mitteln ohne großen Aufwand deutlich verbessert werden könnte. schlecht gut ausgezeichnet Bild 4: Verschiedene Anordnungen eines Ableiters zum Schutz eines Transformators In einzelnen Fällen kann es sehr schwierig bzw. unmöglich werden, die im Falle von Holzmastleitungen erforderliche max. Länge der Teilstrecke b von 1 m bzw. 0,6 m nicht zu überschreiten. Hier kann evtl. eine Änderung der Leitungskonfiguration Abhilfe schaffen. In der Regel genügt es, die Traversen der letzten 3 Maste einer Freileitung vor dem Transformator zu erden, um die Steilheit der Überspannungen so weit zu verringern, daß der Schutzbereich ausreichend groß wird. Der Nachteil dieser Lösung besteht jedoch darin, daß die Zahl der Erd- bzw. Kurzschlüsse im System zunimmt und Werte erreicht, wie sie von Systemen mit geerdeten Traversen her bekannt sind. Eine andere, elegantere Lösung besteht darin, anstelle der zusätzlichen Erdung, einen weiteren Satz von Ableitern auf dem letzten Mast vor dem Transformator zu installieren. Auch dadurch wird die Steilheit der Überspannungen reduziert, Erd- bzw. Kurzschlüsse treten jedoch nicht auf. 11

12 5. Besondere Anwendungen 5.1 Überspannungschutz bei Kabelstrecken mit Freileitungsübergang Kabelstrecken müssen in der Regel an beiden Enden durch Ableiter geschützt werden. Bei kurzen Strecken kann ein einseitiger Schutz ausreichend sein. Ein Kabel, welches eine Freileitung mit einer Schaltanlage verbindet, ist im wesentlichen durch Überspannungen, die von der Freileitung her einlaufen, gefährdet. Ableiter sind deshalb am Übergang von der Freileitung zum Kabel anzuordnen. Auf der anderen Seite des Kabels ist für dessen Schutz kein zweiter Ableiter erforderlich, sofern die Länge L K des Kabels die in Tabelle 2 angegebenen Werte nicht überschreitet. Dies gilt allerdings nicht für Betriebsmittel innerhalb der Schaltanlage, die am Ende dieses kurzen Kabels angeschlossen sind. Sie sind evtl. durch Reflexionen am Kabelende gefährdet und erfordern gegebenenfalls dennoch den Einbau eines Ableiter auch an diesem Ende des Kabels. U m L K (m) (kv) Holzmast Geerdete Traverse Z (Ω) ,6 7, , L k Substation Tabelle 2: Max. Länge L K eines Kabels zwischen Schaltanlage und Freileitung bei nur einseitigem Schutz Um die Kabelendverschlüsse der Kabel optimal zu schützen und Wanderwellenvorgänge zu minimieren, sind die Ableiter in unmittelbarer Nähe der Endverschlüsse anzuordnen. Alle Anschlußleitungen des Ableiters (auch die erdseitigen Verbindungen!) sollten so kurz wie möglich sein, um die in die Leiterschleifen induzierten Spannung so gering wie möglich zu halten. Der Mantel bzw. Schirm des Kabels ist mit dem erdseitigen Anschluss des Ableiters zu verbinden. Bei Kabeln, die im Zuge einer Freileitung verlegt sind, kann es ebenfalls ausreichend sein, einen Ableiter nur an einem Übergang zu installieren, obwohl Überspannungen von beiden Seiten her einlaufen können. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß die Schutzwirkung des Ableiters in Bezug auf Überspannungen, die von der ungeschützten Seite her einlaufen sehr stark reduziert ist. Die Länge des Kabels, bis zu der ein einziger Ableiter als ausreichend betrachtet werden kann, ist deshalb sehr gering. Besonders klein ist der Schutzbereich, wenn das Kabel im Zuge einer ungeerdeten Holzmastleitung verlegt ist (s. Tabelle 3), da bei solch einer Anordnung der bereits erwähnte natürliche Überspannungsschutz durch die Isolatoren bei einem direkten Blitzeinschlag nur sehr eingeschränkt gegeben ist. Die in der Tabelle angegebenen Werte für L K gelten für Ableiter mit einem Nenn-Ableitstrom I n = 10 ka, allerdings auch nur unter der Voraussetzung, daß längs der ganzen Kabelstrecke der Wellenwiderstand konstant ist. Kabelverzweigungen und andere Stoßstellen bewirken aufgrund der zu berücksichtigenden Reflexionen eine weitere Verkürzung von L K. U m L K (m) (kv) Holzmast Geerdete Traverse Z (Ω) , , , Tabelle 3: Max. Länge L K eines Kabels im Zuge einer Freileitung bei nur einseitigem Schutz (Anschlußlänge zwischen Ableiter und Kabel sei max. 1m) L k 12

13 5.2 Transformator am Ende eines Kabels Übersteigt die Länge L K eines Kabels die in den obigen Tabellen angegebenen Werte, so stellt sich die Frage, in wieweit der zweite, dann erforderliche Ableiter A 2, den nachfolgenden Transformator zu schützen vermag. Auch hier ist der Abstand zwischen dem Ableiter und dem Transformator ausschlaggebend. Im folgenden Beispiel sei wieder ein Transformator über ein Kabel, dessen Länge L K mehr als 100 m betrage, an eine blitzgefährdete Freileitung angeschlossen. Aufgrund der bisherigen Betrachtungen sei sowohl am Freileitungsübergang als auch am Ende des Kabel je ein Ableiter installiert. Der Ableiter A 1 dient zum leitungsseitigen Schutz, der Ableiter A 2 begrenzt die durch Reflexion am Kabelende hervorgerufenen Überspannungen. Die Ableiter seien ferner unmittelbar an die Endverschlüsse angeschlossen. U m a (m) (kv) Holzmast Geerdete Traverse Z (Ω) , , , L k 100 m A 1 A 2 Tabelle 4: Max. zulässiger Abstand a zwischen Kabelende und Transformator für den Fall, daß der 2-te Ableiter direkt am Kabelende montiert ist. a Sofern der Abstand a die in Tabelle 4 angegebenen Werte nicht übersteigt, ist in solch einer Anordnung der Transformator bereits durch den Ableiter A 2 ausreichend geschützt. Die Kapazität des Transformators wurde bei den Berechnungen mit 2 nf angenommen. Kleinere Kapazitätswerte ergeben größere mögliche Abstände. 5.3 Transformator nur einseitig und direkt mit einer blitzgefährdeten Freileitung verbunden Im allgemeinen sind nur die Transformatoranschlüsse mit Ableitern gegen Überspannungen zu schützen, die mit blitzgefährdeten Freileitungen verbunden sind. Bei einem Hochspannungstransformator, der das Hochspannungsnetz mit dem Mittelspannungsnetz verbindet, und bei dem nur das Hochspannungsnetz als blitzgefährdet betrachtet wird, ist aber unter Umständen dennoch auch auf der Mittelspannungsseite ein Überspannungsschutz notwendig. Blitzüberspannungen sind sehr rasch ablaufende Vorgänge, weshalb rund 40% der ursprünglichen Überspannungsamplitude kapazitiv auch auf die Mittelspannungsseite des Transformators übertragen werden. Den einschlägigen Vorschriften folgend kann zur Begrenzung dieser Überspannnungen ein langes Kabel, ein niederinduktiver Kondensator oder Kombinationen beider Elemente auf der Mittelspannungsseite eingesetzt werden. Jedoch hat die Verwendung von Ableitern zwei wesentliche Vorteile gegenüber diesen Lösungen: Induktiv übertragene Überspannungen können durch Kondensatoren noch verstärkt werden. Sorgfältig ausgewählte und in Reihe geschaltete Dämpfungswiderstände sind deshalb erforderlich, um die Höhe der zusätzlichen Spannungsbeanspruchung in Grenzen zu halten. Mit funkenstreckenlosen Ableitern tritt dieser Effekt jedoch gar nicht erst auf. Im Falle eines Spannungsdurchschlages zwischen einer der Primärwicklungen und den Sekundärwicklungen des Transformators werden die auf der Mittelspannungsseite angeschlossenen Betriebsmittel mit der netzfrequenten Hochspannung beansprucht. Falls Ableiter zum Schutz der Mittelspannungsseite vorhanden sind, werden diese innerhalb sehr kurzer Zeit zerstört, so daß ein Kurzschluß eintritt. Der Ableiter opfert sich sozusagen und schützt dadurch die nachfolgenden Betriebsmittel, wodurch der Schaden im wesentlichen 13

14 auf den Transformator beschränkt bleibt. Da die Zerstörung eines Ableiters, durch welche Vorgänge sie auch hervorgerufen wird, schon bei der Entwicklung des Ableiters berücksichtigt wird, ist sie in der Regel weit weniger gefährlich als dies bei anderen Geräten, wie z.b. Kondensatoren, der Fall ist. Insbesondere bei einem Maschinentransformator, der das Hochspannungsnetz mit einem Generator verbindet, ist die Überlegenheit des Ableiters hinsichtlich des Schutzes markant. Im Mittelspannungsnetz sind ähnliche Verhältnisse anzutreffen. Auch hier werden Blitzüberspannungen vom Mittelspannungsnetz durch den Transformator kapazitiv auf die Unterspannungsseite übertragen. Deshalb ist der Einsatz von Überspannungsableitern auf der Niederspannungseite ebenfalls zu empfehlen, auch wenn lediglich die Mittelspannungsseite als blitzgefährdet betrachtet wird. Ob und in wieweit Niederspannungsableiter einen Transformator zu schützen vermögen, der nur niederspannungsseitig als blitzgefährdet betrachtet wird, ist umstritten. Häufig wird die Auffassung vertreten, daß dieser Schutz völlig ausreichend sei. Immer wieder wird jedoch von Transformatorenausfällen berichtet, die auf niederspannungsseitige Blitzüberspannungen zurückgeführt werden. In diesen Fällen, so vermutet man, werden verhältnismäßig langsame, transiente Überspannungen auf der Niederspannungsseite mit dem Windungsverhältnis des Transformators induktiv auf die Mittelspannungsseite transformiert, wo sie dann Durchschläge in der Wicklung verursachen können. In Regionen mit hoher Blitzdichte ist es daher ratsam, Ableiter auf beiden Seiten einzusetzen, auch wenn nur die Niederspannungsseite als blitzgefährdet eingestuft wird. 5.4 Ableiter an gekapselten MS-Schaltanlagen Für den Einbau in gekapselte MS-Schaltanlagen werden in der Regel spezielle Innenraumableiter verwendet. Der Nennableitstrom dieser Ableiter, die in unmittelbarer Nähe des Kabelendverschlusses angeordnet werden, sollte 10 ka (Klasse 1) betragen, wenn die Schaltzelle mit einer blitzgefährdeten Freileitung verbunden ist, auch wenn am Freileitungs- Kabelübergang bereits ein 10 ka Ableiter installiert ist. Ist die Kabelstrecke lang, kann der Einsatz eines 5 ka Ableiters in der Schaltanlage in Erwägung gezogen werden, da der dann zu erwartende Rest-Ableitstrom mit der Länge des Kabels abnimmt. Den größten Teil des Ableitstromes hat in solch einem Fall der Ableiter am Freileitungs-Kabelübergang zu tragen. Soll der Ableiter, wie z.b. in reinen Kabelnetzen, nur zur Begrenzung von Schaltüberspannungen eingesetzt werden, genügt im allgemeinen der Einsatz eines 5 ka Ableiters, da die zu erwartenden Ableitströme vergleichsweise gering sind. Die vom Hersteller angegebenen Mindestabstände zwischen den Ableitern sowie zwischen Ableiter und geerdeten Teilen sind einzuhalten. Sie sollten nur unterschritten werden, wenn diese Anordnung auf ihre Isolationsfestigkeit hin geprüft wurde. 5.5 Generator, verbunden mit einer blitzgefährdeten MS-Leitung Wird ein unter Last betriebener Generator plötzlich von Netz getrennt, so steigt die Generatorspannung sprunghaft an, bis der Spannungsregler eingreift und die Spannung herunterregelt. Das Verhältnis dieser temporären Überspannung zur normalen Betriebsspannung wird Lastabwurffaktor υ genannt. Es können Werte bis zu 1,5 erreicht werden. Die Regelzeit t beträgt häufig zwischen 3 und 10 s. Die Auswahl der erforderlichen Ableiter Dauerspannung U c erfolgt mit Hilfe dieser beiden Werte wie in Kapitel 3.3 beschrieben. U C υ. U m T für Ableiter zwischen Phase und Erde. 14

15 5.6 Überspannungsschutz von Motoren Hochspannungsmotoren sind bei einer Abschaltung während des Anlaufs durch Überspannungen aufgrund mehrfacher Wiederzündungen im Schalter durch Überspannungen gefährdet. Die Wiederzündungen treten häufig dann auf, wenn der Strom beim Abschalten unter 600 A liegt. Zum Schutz der Motoren sind Überspannungsableiter unmittelbar an den Motorklemmen oder alternativ am Leistungsschalter zu installieren. Die Auswahl der Ableiter erfolgt nach den Empfehlungen in Abschnitt Kabelmantelschutz von Hochspannungskabeln Aus thermischen Gründen und um die Verluste entlang eines Kabels zu reduzieren wird der Kabelmantel oder Schirm von Hochspannungs-Einleiterkabeln meistens nur auf einer Seite geerdet. Allerdings muß dann das ungeerdete Ende mit Ableitern gegen transiente Überspannungen geschützt werden. Für die Auswahl des Ableiters ist die im Kurzschlußfall längs des Kabels induzierte Spannung U i maßgebend. Sie ist von der Geometrie des Kabels und der Verlegung im Kabelkanal abhängig und überschreitet in der Regel 0,3 kv pro ka Kurzschlußstrom und km Kabellänge nicht. Der Betriebspunkt, der sich aus der Höhe der induzierten Spannung U i und der Zeitdauer t bis zur Abschaltung des Kurzschlußstromes ergibt, muß unterhalb der Wechselspannungs-Zeit- Kennlinie liegen, damit der entsprechende Ableiter eingesetzt werden kann. 400 d 300 U i (V/kA km) L1 L2 s L3 s L3 d s L1 L s/d Bild 6: Im Kabelmantel oder Schirm induzierte Spannung U i je ka Kurzschlußstrom und km Kabellänge in Abhängigkeit von der Geometrie U C U i T = u i. I. k L T für Ableiter zwischen Mantel oder Schirm und Erde, wobei I k der max. Kurzschlußstrom und L die Länge der ungeerdeten Kabelstrecke ist. 5.8 MO-Ableiter für Gleichspannung Auch in Gleichspannungsnetzen treten durch Blitzeinwirkung oder Schalthandlungen hervorgerufene Überspannungen auf, die Geräte und Betriebsmittel gefährden können. Eine internationale Norm oder Richtlinie über den Einsatz von Überspannungsableitern in diesen Netzen ist aber bisher nicht veröffentlicht worden. Es können jedoch auch in diesen Netzen Ableiter zum Schutz der Betriebsmittel eingesetzt werden. Insbesondere die funkenstreckenlosen MO-Ableiter sind dafür geeignet, da bei ihnen nach einer transienten Beanspruchung kein durch die Gleichspannung hervorgerufener Folgestrom auftritt, der sonst mit verhältnismäßig hohem Aufwand gelöscht werden müßte. Aufgrund der andersgearteten Beanspruchung der Widerstandsblöcke, können die für Wechselspannungssysteme vorgesehenen Ableiter nicht ohne weiteres in Gleichspannungssystemen eingesetzt werden. Es ist unbedingt darauf zu achten, daß der Einsatz des Ableiters in Gleichspannungssystemen vom Hersteller ausdrücklich spezifiziert ist. Bezüglich der Dimensionierung sollte mit dem Hersteller Kontakt aufgenommen werden. 15

16 6. Consulting beim Einsatz von Ableitern In vielen Gesprächen mit Anwendern von Überspannungsableitern zeigt sich, daß eine intensive Beratung beim Einsatz von Überspannungsableiter begrüßt wird. Sowohl bei einem Technologiewechsel, z.b. von Funkenstreckenableiter mit Porzellangehäusen auf MO Ableiter mit Kunststoffgehäuse, als auch bei der Auswahl von Ableitern bei Nachrüstungen bestehender Anlagen besteht in der Regel ein sehr hoher Informationsbedarf. Neue Anwendungsgebiete, wie z.b. in Gleichspannungsnetzen, oder die Erstellung umfassender Konzepte zum Überspannungsschutz ganzer Anlagen erfordern darüberhinaus eine gründliche Analyse der Anforderungen und Gegebenheiten. Wir bieten daher unseren Kunden ausführliche Beratungen zum Thema Überspannungsschutz an, die über die in dieser Druckschrift gegebenen Empfehlungen hinausgehen.

17 Metalloxid- ÜBERSPAnnungsableiter e 10 ka Metalloxid-Überspannungsableiter für Freiluftanwendung 3 kv 24 kv HDA-MA, 26 kv 41 kv HDA-M e 10 ka Metalloxid-Überspannungsableiter für Luft- und Feststoffisolierte Anlagen 3 kv 36 kv CPA, SPA, SPA-I e 10 ka Metalloxid-Überspannungsableiter für SF 6-Anlagen in Kombination mit dem Anschlusssystem RICS 6 kv 24 kv RDA e Metalloxid-Überspannungsableiter für SF 6-Anlagen in Kombination mit dem Anschlusssystem RSTI-L und für separatem Einsatz 12 kv und 24 kv RSTI-SA e Informationen Hochspannungsableiter

18 10 ka Metalloxid-Überspannungsableiter 3 41 kv HDA-MA/HDA-M Merkmale: Die HDA-Überspannungsableiter wurden entwickelt und geprüft, um selbst unter extremen Bedingungen im Einsatz Stand zu halten. Sie haben die härtesten Testprogramme erfolgreich bestanden und seit ihrer Einführung im Jahre 1991 in der Praxis ihre Zuverlässigkeit bewiesen. HDA-MA/M ist die neueste Generation unserer Zinkoxid-Ableiterfamilie. Ihre Qualifikation erfolgte gemäß IEC in unabhängigen akkreditierten Prüflaboren. HDA-MA/M-Kerne werden unter Verwendung hochwertiger ZnO-Varistoren hergestellt, die dank der garantierten Homogenität des Varistor- Materials ausgezeichnete thermische Eigenschaften und eine hohe Stromtragfähigkeit aufweisen. Diesem exzellenten thermischen Verhalten verdanken wir Produkte mit: Vorzüglichem Verhalten bei temporären Überspannungen Hohes Energieaufnahmevermögen Sicheres und berstfreies Kurzschlussverhalten bei gleichzeitig höheren Strompegeln Prüfungen: Die Prüfanforderungen gemäß IEC , Ausgabe sowie weiterer nationaler Vorschriften wurden in vollem Umfang erfüllt. Anwendungsbereich: Schutz von Mittelspannungsnetzen und -geräten vor Überspannungen durch Blitz- und Schaltstöße in Bereichen mit relativ hohen iso-keraunischen Werten. Geeignet für den Innen- und Außeneinsatz zum Schutz von Transformatoren und Kabelendverschlüssen. Technische Daten HDA-MA HDA-M Dauerspannung Uc: 3 24 kv kv Nenn-Ableitstossstrom (8/20 µs): 10 ka 10 ka Leitungsentladungsklasse gemäß IEC : 1 1 Hochstoßstrom (4/10 µs): 100 ka 100 ka Rechteckstoßstrom (2000 µs): 400A 400A Nenn-Kurzschlussstrom: 40 ka 40 ka Energieaufnahme bei Leitungs entladung (2 Rechteckstoßimpulse): 4,2 kj/kv Uc 4,2 kj/kv Uc Wechselspannungs-Zeit-Kennlinie /TOV-Kurve 1,60 1,55 1,50 1,45 1, ka, 4/10 µs Vorbelastung Uw / Uc 1,35 1, Zeit (s) Temperatur der Prüflinge (vorerhitzt): 60 C nach IEC , Ausg Die TOV-Kurve bezieht sich auf einen Ableiter, der vor der TOV-Verifizierung einer Vorbelastung ausgesetzt wurde. Diese Vorbelastung entspricht einem Hochstoßstromimpuls von 100 ka, 4/10 µs gemäß der Arbeitsprüfung. Uw = TOV-Stehvermögen; Uc = Dauerspannung

19 Aufbau: Kernstück der Ableiter HDA-MA/M sind unsere Zinkoxid-Varistorscheiben mit ihren hervorragenden thermischen und elektrischen Eigenschaften und einer hohen Stabilität. Resultierend aus der Kombination dieser Varistoren mit dem Open- Cage-Design liefert die Produktlinie ausgezeichnete Werte in Bezug auf Energieaufnahmevermögen und Verhalten bei temporären Überspannungen. Die Konstruktion besteht aus folgenden Elementen: 1 ZnO-Varistoren 2 Ableitergehäuse aus widerstandsfähigem Kunststoff EVA 3 Flammhemmende GFK-Struktur 4 Korrosionsbeständige Aluminiumarmaturen Die Quetschkonstruktion der Struktur ermöglicht ein Produkt, das bei geringem Gewicht eine hohe mechanische Festigkeit bietet. Der Herstellungsprozess schließt Hohlräume aus und stellt eine optimale Schnittstellenabdichtung sicher. Erreicht wird dies durch die direkte Anhaftung des EVA- Gehäuses mit den ZnO-Scheiben und Aluminiumarmaturen unter Verwendung einer Verbindungslösung. Die Entwicklung des EVA-Gehäuses basiert auf dem Wissen aus mehr als 30 Jahren Materialerforschung und -erfahrung auf dem Gebiet der molekularvernetzten Kunststoffe für die Anwendung in der Mittel- und Hochspannungs-Energieübertragungstechnik, das in einem perfekten Profil der Schirme und in ein Material mit hervorragender Kriechstromfestigkeit und Erosionsbeständigkeit umgesetzt wurde. Mechanische Festigkeit: HDA-MA HDA-M HDA-MA HDA-M Biegefestigkeit Nm Zugfestigkeit kn 2 2 Torsionsfestigkeit Nm Exzellente wasserabweisende Eigenschaften Sicheres Verhalten bei Kurzschluss Erstklassige Kriechstromfestigkeit und Erosionsbeständigkeit

20 Technische Daten und Auswahltabelle HDA- HDA- Dauerspannung Bemessungs- Restspannung in kv bei Prüfung der folgenden Stoßstromwellen xxma xxm Uc spannung U R Blitzstoßstrom Steilstoßstrom Schaltstoßstrom (30/60 µs) kv kv 10 ka (8/20µs) 10 ka (1/20 µs) 125 A 500 A 3 3 3,75 9,9 10,2 7,4 7, ,0 13,2 13,6 9,8 10, ,25 16,5 18,2 12,3 13, ,5 19,8 20,4 14,8 15, ,0 26,4 27,2 19,7 21, ,25 29,7 30,6 22,1 23, ,5 33,0 34,0 24,6 26, ,0 39,6 40,8 29,5 31, ,5 46,2 47,6 34,4 36, ,75 49,5 51,0 36,9 39, ,0 52,8 54,4 39,4 41, ,25 56,1 57,8 41,8 44, ,5 59,4 61,2 44,3 47, ,75 62,7 64,6 46,7 49, ,0 66,0 68,0 49,2 52, ,25 69,3 71,4 51,7 55, ,5 72,6 74,8 54,1 57, ,0 79,2 81,8 59,0 62, ,5 85,8 88,4 64,0 68, ,75 89,1 91,8 66,4 70, ,25 95,7 98,6 71,3 76, ,5 99,0 102,0 73,8 78, ,25 108,9 112,2 81,2 86, ,0 118,8 122,4 88,6 94, ,75 128,7 132,6 95,9 102, ,0 132,0 136,0 98,4 104, ,25 135,3 139,4 100,9 107,4 HDA- HDA- Anzahl Stoß- Stoßwechsel- Faden- Kriech- Länge xxma xxma Schirme spannung spannung länge weg L 1.2/50µs (nass) (mm) (mm) (mm) (kv) (kv) mm 123 mm L

21 Bestellangaben und Montagezubehör Beispiel: HDA 12MA MEH Nennspannung Um (kv) Mindestabstände (mm) a b Uc Gehäuse: MA = 3 24 kv M = kv b a a Ausführung/Zubehör M = Montagezubehör E = Erdseitiger Anschluss H = Hochspannungsanschluss Ableiter Typ: Dauerspannung U c in kv HDA HDA0 xxma xxm Montagezubehör (M) NEMA A B3 DIN C N T Erdseitiger Anschluss (E) 45 mm 45 mm D3 F H 65 mm L M N V Hochspannungsanschluss (H) F H M N P Q V 45 mm 45 mm 65 mm

22 10 ka Metalloxid-Überspannungsableiter 3 36 kv CPA/SPA/SPA-I Merkmale: Die Zinkoxid-Ableiter der Baureihe CPA, SPA und SPA-I wurden für Anwendungen in luft- und feststoffisolierten Anlagen entwickelt. Sie zeichnen sich durch eine schlanke Bauform aus. SPA-I ist mit einer max. 750 mm langen isolierten Anschlussfahne ausgestattet. Damit können die Abstände zwischen den Ableitern und zu geerdeten Teilen erheblich reduziert werden. min. 100 mm ca. 50 mm max. 58 Nm CPA/SPA SPA-I Metalloxid-Überspannungsableiter sind die ideale Lösung für die Nachrüstung von luft- und feststoffisolierten Lastschaltanlagen. Technische Daten: Zinkoxid-Überspannungsableiter mit Kunststoffgehäuse Nenn-Ableitstoßstrom: 10 ka IEC 99-4, VDE 0675 Teil 4 Leitungsentladungsklasse 1 Hochstoßstrom: 4/10 µs: 100 ka Energieaufnahmevermögen bei: Hochstoßstrom: 5,3 kj/kv Uc Rechteckstoßstrom: 2,6 kj/kv Uc

23 Technische Daten und Auswahltabelle SPA-I Anschlussfahne Länge M: 250 mm N: 500 mm O: 750 mm Kabelschuh : ohne 12: 12 mm 16: 16 mm Typ Dauerspannung Länge Gewicht U C (kv) (mm) (kg) CPA ,1 CPA ,4 SPA ,6 SPA ,7 SPA ,9 SPA ,6 SPA ,8 SPA ,1 SPA ,4 SPA ,0 SPA ,3 SPA ,6 SPA ,9 Typ Dauer- Bemessungs- Schutzniveau Steilstoß- Schaltstoß- CPA** spannung spannung Blitzstoßstrom strom strom SPA/SPA-I U C U R 10 ka, 8/20 µs 10 ka, 1/20 µs 500 A, 30/60 µs kv kv kv kv kv 3 3 3, ,9 7, , ,8 14, ,7 22, ,5 33,3 36,3 24, ,6 29, ,5 37, , ,4 44, ,3 51, ,2 59, ,1 66, , , ,8 ** CPA nur bis 6 kv Einbauanleitung: Systemspannung Um Mindestabstände (mm) (kv) a b c d Anschlussleiter aus AL massiv, rund b 12 mm b 22 mm a d d c Für jeden CPA, SPA und SPA-I Ableiter halten wir ein separates Datenblatt bereit.

24 10 ka Metalloxid-Überspannungsableiter 6 24 kv RDA Merkmale: Der Überspannungsableiter Typ RDA gestattet zusammen mit dem Anschlusssystem RICS, den hermetisch isolierten Anschluss und den Schutz von SF 6 -isolierten Lastschaltanlagen Die Isolierhülle besteht aus einem vernetzten Polymer mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften. Die Kunststoffhülle ist mit den Metalloxidscheiben ohne Luftspalt verbunden, daher ist keine Druckentlastung erforderlich. Der Ableiter entspricht der Klasse 10 ka und ist für alle im Mittelspannungsbereich üblichen Bemessungsspannungen erhältlich. Der Ableiter besitzt einen integrierten Anschluss, welcher bei der Montage in die zusätzliche Öffnung des RICS- Teils eingeführt und danach mit dem M16-Anschlussbolzen desselben verschraubt wird. Eine Trennung bei Kabelprüfungen ist leicht möglich. Diese kompakte wirtschaftliche Lösung macht den Einsatz von Ableitern in Schaltanlagen meist ohne oder nur mit geringfügiger Änderung der vorhandenen Anschlussräume möglich. Der Überspannungsableiter RDA wurde zusammen mit dem Anschlusssystem RICS mit verschiedenen SF 6 -Anlagen typengeprüft. Prüfberichte sind auf Anfrage erhältlich. Endverschlüsse Dreileiter: IXSU-F 12 kv Einleiter: IXSU-F 12 kv und 24 kv Abmessungen in mm M L siehe Tabelle 99 Technische Daten: Zinkoxid-Überspannungsableiter mit Kunststoffgehäuse Nenn-Ableitstoßstrom: 10 ka IEC 99-4, VDE 0675 Teil 4 Leitungsentladungsklasse 1 Hochstoßstrom: 4/10 µs: 100 ka Energieaufnahmevermögen bei: Hochstoßstrom: 5,3 kj/kv Uc Rechteckstoßstrom: 2,6 kj/kv Uc Zur Verwendung mit Kabelsteckteil RICS, für SF 6 -isolierte Anlagen mit DIN-Außenkonus (M16).

25 Technische Daten und Auswahltabelle Typ Dauerspannung Länge Gewicht U C (kv) (mm) (kg) RDA ,0 RDA ,0 RDA ,2 RDA ,8 RDA ,1 RDA ,4 RDA ,6 Typ Dauer- Bemessungs- Schutzniveau Steilstoß- Schaltstoß- RDA spannung spannung Blitzstoßstrom 8/20 µs strom strom 30/60 µs U C U R 10 ka 1/20 µs 10 ka 500 A kv kv kv kv kv 6 6 7, ,8 14, ,7 22, ,6 29, ,5 37, , ,4 44, ,3 51, ,2 59,2 Wechselspannungs-Zeit-Kennlinie/TOV-Kurve Die nebenstehende Kurve zeigt, für welche Zeit (sec) der Ableiter netzfrequenten Überspannungen (U W ) standhält, ohne beschädigt zu werden. bei 60 C ohne Vorbelastung bei 60 C mit 100 ka, 4/10 µs Vorbelastung U W = TOV-Stehspannung U C = Dauerspannung Für jeden RDA-Ableiter halten wir ein detailiertes Datenblatt bereit. U W /U C 1,50 1,45 1,40 1,35 1,30 1,25 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0, Zeit/s

26 Geschirmter, schraubbarer Metalloxid-Überspannungsableiter bis 24 kv RSTI-SA Merkmale: Der geschirmte ZnO-Überspannungsableiter wird als T -förmiges Bauelement in zwei Ausführungen angeboten. Eine Version ist zum direkten Anschluss an Außen-konus- Geräteanschlussteile nach DIN EN 50181, Anschluss Typ C geeignet. Die andere Version ist als Parallelanschluss an einen vorhandenen Schraub- T -Stecker des Typs RSTI-L vorgesehen Die Isolation des Aktivteils sowie die Kopfarmatur des Überspannungsableiters bestehen aus hochmodifiziertem Silikonkautschuk, der sich durch hohe elektrische Festigkeit sowie schwere Entflammbarkeit auszeichnet. Die elektrisch leitfähige Außenhülle ist fest mit der Isolierung verbunden. Sie sorgt für einen zuverlässigen Schutz bei zufälliger Berührung eines im Betrieb befindlichen Anschlusses, so dass keine Personengefährdung entsteht. Als Aktivteil wird ein Metalloxid- Ableiter eingesetzt, der die Qualifikationskriterien gemäß IEC für abtrennbare und berührungssichere Ableiter erfüllt. Die geringe Einbautiefe der Parallelanordnung erlaubt den Einsatz in kompakten Anschlusszellen mit einer max. Bautiefe von 300 mm. Prüfungen: Die Parallelanordnung-Schraub- T - Stecker und geschirmte ZnO-Überspannungsableiter erfüllt die Prüfanforderungen nach CENELEC HD S1 und VDE 0278 Teil sowie weiterer nationaler Vorschriften. Aufbau und Konstruktion: 1 geschirmtes Gehäuse Geschirmtes Gehäuse mit leitender äußerer Abschirmung, die fest mit der Isolierung aus Silikonkautschuk verbunden ist. 2 Innere Leitschicht Leitende innere Leitschicht aus Silikonkautschuk, die als Faradayscher Käfig um den Ableiteranschluss Teilentladungen bei Dauerspannung verhindert. 3 Anschlussfahne für Aktivteil Vorinstallierte und ausgerichtete Anschlussfahne erleichtert den Zusammenbau beim Einzel- sowie Parallelanschluss. 4 Aktivteil Kernstück des Aktivteiles sind die ZnO-Varistorscheiben mit ihren hervorragenden thermischen und elektrischen Eigenschaften, die mittels einer Stabkonstruktion in korrosionsbeständigen Aluminiumarmaturen mechanisch zusammengehalten werden. 5 5 Erdungsauge und Steckteilerde Anschlusspunkt der Schirmleitung zur Erdung der Schirmung. 6 Verbindungs-Gewindebolzen Ein spezieller Gewindebolzen mit Federscheibe und Sechskantmutter sorgt für einen guten elektrischen und mechanischen Kontakt mit dem bereits installierten Kabelanschlussstecker oder der Durchführung. 7 Rückseitiger Verschlussstopfen mit kapazitivem Teiler Abnehmbarer Verschlussstopfen mit kapazitivem Teiler. 8 Prüfpunkt Über den kapazitiven Prüfpunkt lässt sich feststellen, ob der Anschluss unter Spannung steht. 9 leitende Abdeckkappe Elektrische Schirmung und Schutzkappe für den Verschlussstopfen. 10 Erdseitiger Anschluss Anschlusspunkt des Ableiters zum Ableiten des Rest-Ableitstromes

27 Auswahltabelle Bestellangaben Koppelstecker mit DIN-Presskabelschuhen Dauerspannung (kv) Bestellbezeichnung Einzelanschluss Parallelanschluss 12 RSTI-L56SA1205 RSTI-CC-L56SA RSTI-L56SA2405 RSTI-CC-L56SA2405 Abmessungen siehe Seite 102. Geschirmte Überspannungsableiter für andere Dauerspannungen und 10 ka Ableitstoßstrom auf Anfrage. Technische Daten: Nenn-Ableitstoßstrom (8/20 µs): 5 ka Hochstoßstrom (4/10 µs): 65 ka Nenn-Kurzschlussstoßstrom: 16 ka Rechteckstoßstrom (1000 µs): 75 A Dauerspannung U c : 12 kv 24 kv Bemessungsspannung U R : 15 kv 30 kv Restspannung bei Prüfung mit: Blitzstoßstrom 5 ka (8/20 µs): 40 kv 80 kv Steilstoßstrom 5 ka (1/20 µs): 42 kv 84 kv Wechselspannungs-Zeit-Kennlinie/TOV-Kurve U W /U C 1,60 1,55 1,50 1,45 1,40 1,35 65 ka. 4/10 µs Vorbelastung Temperatur der Prüflinge: Vorgeheizt auf 60 C gemäß IEC , Ausgabe Die TOV-Kurve bezieht sich auf einen Ableiter, der vor der TOV-Verifizierung einer Vorbelastung mit einem Hochstromstoß von 65 ka, 4/10 µs gemäß der Arbeitsprüfung ausgesetzt wurde. U W = TOV-Stehspannung U C = Dauerspannung 1,30 1 Zeit (s)

28 RSTI-SA Anwendungen Abmessungen Einzelanschluss Materialbedarf für 3 Phasen: 1 x RSTI-L56SAxxxx (Geschirmter Überspannungsableiter-Garnitur für Einzelanschluss) Parallelanschluss Materialbedarf für 3 Phasen: 1 x RSTI-L 56xx (Basisstecker-Garnitur) 1 x RSTI-CC-L56SAxxxx (Geschirmte Überspannungsableiter-Garnitur für Parallelanschluss) ~78 ~76 ~ kv ~ kv 57 Einzelanschluss mit Koppelstecker Materialbedarf für 3 Phasen: 1 x RSTI-L56SAxxxx (Geschirmte Überspannungsableiter-Garnitur für Einzelanschluss) 1 x RSTI-CC-56xx (Koppelstecker-Garnitur)

29 Hochspannungs-Überspannungsableiter Unsere ZnO-Hochspannungs-Überspannungsableiter werden seit über 60 Jahren weltweit eingesetzt und konnten so ihre Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit unter Beweis stellen. Die Produktpalette erschließt den Einsatz bis zu einer Systemspannung von 550 kv. Entsprechend den Wünschen und Anforderungen unserer Kunden werden Hochspannungs-Überspannungsableiter mit Porzellangehäuse und seit 1983 auch mit Kunststoffgehäuse angeboten. Abgerundet wird das Programm durch Ansprechzähler, die sowohl die Anzahl der auftretenden Ableitvorgänge wie auch die Höhe des Ableitstromes messen. Unsere Überspannungsableiter wurden gemäß IEC geprüft. Ansprechzähler SC12/SC13 zur Ermittlung der Anzahl der Überspannungsvorgänge SC13 ermöglicht zusätzlich die Messung der Leckströme Überspannungsableiter mit Porzellangehäuse Systemspannung bis 400 kv 10/20 ka Leitungsentladungsklasse: 2, 3, 4, 5 Druckentlastungsprüfung: 65 ka Überspannungsableiter mit Kunststoffgehäuse in Parallelschaltung Systemspannung bis 550 kv 10/20 ka Leitungsentladungsklasse: 3, 4, 5 Kurzschlussstrom: 65 ka Überspannungsableiter mit Kunststoffgehäuse Systemspannung bis 150 kv 10 ka Leitungsentladungsklasse: 2 Kurzschlussstrom: 40 ka Überspannungsableiter mit Kunststoffgehäuse für Freileitungsseile Systemspannung bis 300 kv 10 ka Leitungsentladungsklasse: 2 Kurzschlussstrom: 40 ka Aufgrund der Vielfalt an Auswahlkriterien setzen Sie sich bitte im Hinblick auf den für Ihre Anwendung geeigneten Ableiter mit uns in Verbindung.