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Schutzzone für mit Erdseil ausgerüstete elektrische Höchstspannungsfreileitungen
mit Betriebsspannungen ab 380 kV vor deren Einführung in eine Schaltstation Zum
Schutz elektrischer Anlagen gegen atmosphärische Beeinflussungen ist es bekannt,
bei Freileitungen und in Freiluftstationen Erdseile anzuordnen. Die Schutzwirkung
dieser Erdseile richtet sich danach, in welcher Höhe sie über der elektrischen Anlage
angeordnet und in welcher Zahl sie vorhanden sind.
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Zur Bestimmung des durch Erdseile geschützten Raumes sind verschiedene
Theorien aufgestellt worden. Je nachdem, welcher Theorie gefolgt wird, ergibt sich
eine bestimmte Mindesthöhe des oder der Erdseile über dem höchst angeordneten aktiven
elektrischen Teil der Anlage. Die Höhe dieses höchsten aktiven elektrischen Teiles
selbst wird nicht durch die vorgenannten Theorien bestimmt, sondern ergibt sich
aus anderen elektrischen Gesichtspunkten.
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Es sind ferner Maßnahmen zur Beeinflussung des Erdübergangswiderstandes
in elektrischen Anlagen bekanntgeworden, die bewirken, daß bei Blitzeinschlägen
der Blitzstrom im wesentlichen auf die durchlaufenden Blitzauffangseile (Erdseile)
und damit über viele Maste in kleinere Teilströme aufgeteilt zur Erde abgeleitet
wird. Andererseits ist es auch bekanntgeworden, bei rückwärtigen überschlägen den
oder die Phasenleiter festzulegen, zu dem oder denen ein rückwärtiger Überschlag
erfolgen soll.
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Die Lösung nach der Erfindung dient dazu, rückwärtige überschläge
zu vermeiden. Sie bezieht sich auf elektrische Höchstspannungsfreileitungen mit
Betriebsspannungen höher als 380 kV. Diese hohen Spannungen bedingen aus elektrischen
und auch aus wirtschaftlichen Gründen sehr große Masthöhen. Als besonders vorteilhaft
für Spannungen von 380 kV und darüber erweist sich der sogenannte Donaumast in einer
Höhe von etwa 50 m. Dieser Mast besteht aus einem Pfosten, an dessen Mastkopf in
Tannenbaumform zwei Traversen angeordnet sind, die die Aufhängung von zwei Übertragungssystemen
- jeweils ein. System rechts bzw. links vom Mastpfosten -gestattet. Der Donaumast
hat z. B. gegenüber anderen Mastformen den Vorteil, daß er nur einen Mastpfosten
enthält und somit die für die Freileitung benötigte Bodenfläche recht klein ist,
insbesondere auch unter Berücksichtigung der Vorschrift, daß eine bestimmte Zone
rechts und links des Pfostens frei von Bodenerhebungen (Wald, Gebäude) sein muß.
Die Verwendung derartig hoher Masten hat jedoch den Nachteil, daß die Zahl der rückwärtigen
Überschläge vom Erdseil oder vom Mast zu einem Leiterseil auf der Freileitungsstrecke,
hervorgerufen durch einen Blitzeinschlag, gegenüber der bei Freileitungen mit nicht
so hohen Masten bis zu etwa 30 m Masthöhe wesentlich größer ist und die angeschlossenen
Stationen durch die rückwärtigen Überschläge stark gefährdet werden. Es kann jedoch
auch aus betrieblichen Gründen, z. B. weil die Leiterseile in eine waagerechte Ebene
überführt werden müssen oder aus den örtlichen Verhältnissen heraus ein Mastbild
mit mehr als einem Pfosten notwendig sein.
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Liegt eine über eine Höchstspannungsfreileitung gespeiste Station
in einem Gebiet, das - z. B. durch Industrieabgase - starker Verschmutzung ausgesetzt
ist, so ist es unerwünscht, die zum Schutz gegen Überschläge bisher vorgesehenen
überspannungsableiter in der Station anzuordnen, da die für die Überspannungsableiter
vorgesehenen Isolatoren stark verschmutzen und somit eine Isolationsminderung erfahren.
Ordnet man bei Verwendung von 50-m-Masten für die Höchstspannungsfreileitungen den
überspannungsableiter außerhalb der eigentlichen Station in .einem Gebiet an, das
nicht so stark der Verschmutzung ausgesetzt ist, so ist dann der Überspannungsableiter
nicht in der Lage, die in der Station wirksam werdenden Überspannungen auf ein ungefährliches
Maß abzubauen. Dies gilt insbesondere für solche Anlagen, bei denen der Anschluß
der Station an die Freileitung über Kabel hergestellt wird.
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Die neue Schutzzone für mit Erdseil ausgerüstete elektrische Höchstspannungsfreileitungen
mit Betriebsspannungen ab 380 kV vor deren Einführung in eine Schaltstation beseitigt
die vorerwähnten Nachteile. Die Schutzzone ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß für die Freileitungseinführung in die Station auf einer Länge von mindestens
300 m Trag- und Abspannmaste mit einer Höhe kleiner als 30 m vorgesehen sind. Hierdurch
wird erreicht, daß im Bereich der Freileitungseinführung die
elektrische
Laufzeit zwischen Mastkopf und Mastfuß klein ist und ein rückwärtiger Überschlag,
hervorgerufen durch eine Spannungserhöhung am Mastkopf infolge eines Blitzeinschlags,
verhindert ist. Dabei kann die Schutzzone bei Anwendung von Masten mit verschiedenartigsten
Mastbildern verwendet werden.
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Zur näheren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen, es zeigt
F i g. 1 ein Diagramm des Verlaufs der Spannung an der Isolatorenkette der Tragmaste
bei verschiedenen Masthöhen und dem Erdübergangswiderstand als Parameter, F i g.
2 schematisch die Anordnung der Maste im Bereich der Schutzzone einer Freileitungseinführung.
In der F i g. 1 ist auf der Waagerechten die Zeit t und auf der Senkrechten die
Spannung U an der Isolatorenkette bei Blitzeinschlag in dem Mast von verschiedenen
insbesondere verschieden hohen Tragmasten aufgetragen, und zwar zeigt die Kurve
A 1 den Verlauf der Spannung U an einem 50-m-Donaumast in einer Ausführung als Abspannmast,
bei einem Erdübergangswiderstand von 5 S2, die Kurve A2 den Verlauf der Spannung
U bei dem gleichen Mast, jedoch bei einem Erdübergangswiderstand von 2
9.
Die Kurven Bi und B2 zeigen der Verlauf der Spannung U bei einem 50-m-Donaumast
in einer Ausführung als Tragmast ebenfalls bei Erdübergangswiderständen von 5 bzw.
2 S2, die Kurven C und D den Verlauf der Spannung U an der Isolatorenkette bei Verwendung
eines 30-m-Portahnastes und bei einem Erdübergangswiderstand von 2 9, wobei
die Kurve C einem Abspannportal und die Kurve D einem Tragportal zugeordnet ist.
Wie aus den dargestellten Kurven zu ersehen ist, hängt der Verlauf der Spannung
U bei den üblichen Erdübergangswiderständen nur unwesentlich von deren Größe ab.
Dagegen erweist sich als wesentliches Kriterium für die Größe der Spannung U die
Höhe des Mastes. So ist die höchste Spannung beim Abspannmast in seiner Ausführung
als Donaumast (50 m) und einem Erdübergangswiderstand von 2 52 gegenüber der höchsten
Spannung beim Abspannportal mit etwa 30 m Höhe und einem Erdübergangswiderstand
von 2 Q etwa dreimal so groß. Das Diagramm läßt auch erkennen, daß die höchsten
Spannungen bei Abspannmasten im allgemeinen höher liegen als bei Tragmasten.
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In F i g. 2 ist die Schutzzone dargestellt. Der letzte Mast des Normalfeldes,
ein Donaumast mit einer Höhe von etwa 50 m, ist mit 1 bezeichnet. Die Maste 2 und
3 sind Tragportalmaste mit einer Höhe von etwa 28,5 m und für den Mast
4 ist ein Abspannportalmast mit einer Höhe von etwa 21,2 m vorgesehen. Über
die Mastköpfe ist das Erdseil 5 geführt. Das Erdseil ist bei 6 über eine Portalkonstruktion,
die ihrerseits zur Halterung von Kabeleinführungen dient, an Erdpotential gelegt.
Das Freileitungsseil 7, das an dem Donaumast über eine Tragkette 8 befestigt ist,
wird an den Tragportalmasten und am Abspannportalinast durch Abspannketten 9 gehalten.
Vom Abspannportalmast 4 besteht vom Freileitungsseil7 zum Kabel 10 eine elektrische
Verbindung. Das Kabel 10 führt zum Blocktransformator 11 der nicht näher dargestellten
Schaltstation. Die Entfernung zwischen dem Donaumast 1 und dem Tragportalmast 2
und dem Tragportalmast 3 ist jeweils mit 250 m gewählt. Aus mechanischen Gründen
wurde die Entfernung zwischen dem Tragportalmast 3 und dem Abspannportalmast 4 verringert
und auf 200 m festgelegt. Der elektrische Erdübergang für die Tragportahnaste wurde
so ausgeführt, daß ein Erdübergangswiderstand von etwa 2 S2 vorliegt. Demgegenüber
wurde der Erdübergang bei den Normalmasten (Donaumasten) auf etwa 5 Q ausgelegt.
Wenn im beschriebenen Ausführungsbeispiel die Schutzzone sich auf 700 m erstreckt,
so dient dies der erhöhten Sicherheit. Genügen würde, wie die Untersuchungen ergeben
haben, eine Schutzzone von 300 m.
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Die Wirkungsweise der Schutzzone ist folgende: Trifft im Bereich der
Schutzzone ein Blitz das Erdseil oder die Maste, so ist durch Verwendung von Masten
geringerer Höhe als 30 m die Laufzeit der elektrischen Welle vom Mastkopf bis Mastfuß
so klein, daß an den Isolatorenketten keine zu hohen Spannungen auftreten und daher
keine rückwärtigen Überschläge eintreten können. Demgegenüber würden bei der Verwendung
von Masten mit Masthöhen von größer als 30 m, insbesondere bei Verwendung von Donaumasten
mit einer Höhe von etwa 50 m, die elektrischen Laufzeiten wesentlich größer und
dadurch, wie bereits im Diagramm nach F i g. 1 nachgewiesen, erheblich höhere Spannungen
auftreten.
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Der Unterschied zwischen den beiden an den Tragketten bzw. an den
Abspannketten auftretenden Spannungen bei einem Blitzeinschlag läßt sich dadurch
erklären, daß man jedem Mast eine von seiner Länge in ihrer Größe abhängige Induktivität
zuordnen kann. Die an den Isolatorenketten auftretende Spannung ist somit, abgesehen
von der Konstanten, im wesentlichen abhängig von der Größe der Induktivität. Als
besonders vorteilhaft bei der Ausführung einer Schutzzone erweist sich die Verwendung
von Masten mit mindestens zwei Pfosten, da neben der durch die Länge des Mastpfostens
gegebenen Laufzeit für die Größe der Spannung auch der Wellenwiderstand des Mastes
von Bedeutung ist. Dieser Wellenwiderstand wird durch die Aufteilung in mehrere
Pfosten geringer, was zur Folge hat, daß auch die an der Isolatorenkette auftretende
Spannung bei Blitzeinschlag ebenfalls geringer ist.