Warum verwenden Umspannwerke Steine, Kies, Schotter und Bruchstein?
In Umspannwerken müssen Geräte wie Stark- und Verteilungstransformatoren, Übertragungsleitungen, Spannungswandler, Stromwandler und Abschaltschalter alle geerdet werden. Darüber hinaus werden wir nun im Detail erläutern, warum Kies und Bruchstein in Umspannwerken häufig verwendet werden. Obwohl sie auf den ersten Blick unscheinbar erscheinen, spielen diese Steine eine entscheidende Rolle für Sicherheit und Funktionalität.
Im Erdungsdesign von Umspannwerken – insbesondere wenn mehrere Erdungsmethoden angewendet werden – wird über den Hof Kies oder Bruchstein ausgelegt, und zwar aus mehreren wichtigen Gründen.
Der primäre Zweck der Ausbreitung von Kies auf dem Hof eines Umspannwerks besteht darin, die Erhöhung des Bodenpotentials (Ground Potential Rise, GPR), auch bekannt als Schrittspannung und Berührspannung, zu reduzieren. Diese Begriffe sind wie folgt definiert:
Erhöhung des Bodenpotentials (GPR): Die maximale elektrische Spannung, die das Erdungsnetz eines Umspannwerks im Vergleich zu einem fernen Erdreferenzpunkt erreichen kann, der als wahrer Nullpotentialpunkt angenommen wird. GPR entspricht dem Produkt des maximalen Fehlerstroms, der in das Netz eingeht, und dem Widerstand des Netzes.
Schrittspannung (Eₛ): Die maximale Spannungsdifferenz, die zwischen zwei Füßen (typischerweise 1 Meter voneinander entfernt) bestehen kann, wenn ein Fehlerstrom in das Erdungssystem fließt. Ein Sonderfall ist die übertragene Spannung (Etransfer), bei der die Spannung zwischen einer innerhalb des Umspannwerks geerdeten Struktur und einem fernen Punkt außerhalb – oft über einen Abstand von 1 Meter von Metallstrukturen zu Punkten auf der Erdoberfläche – gemessen wird.
Berührspannung (Eₜ): Die maximale Spannungsdifferenz zwischen einer geerdeten metallischen Struktur (z.B. Gehäuse von Geräten) und einem Punkt auf der Erdoberfläche, wenn jemand diese Struktur während des Flusses eines Fehlerstroms berührt.
Während Kurzschlussevents steigen sowohl die Schrittspannung als auch die Berührspannung signifikant an. Im Vergleich zu gängigen Materialien wie Boden, Gras oder Beton haben Kies und Bruchstein einen relativ hohen Widerstand. Dieser hohe Oberflächenwiderstand begrenzt den Stromfluss durch den menschlichen Körper und reduziert damit das Risiko eines elektrischen Schocks während der Wartung oder Bedienung in der Nähe energisierter Geräte.
Daher werden Kies und Bruchstein in Umspannwerken absichtlich verwendet, um den Widerstand der oberen Schicht zu erhöhen und gefährliche Schrittspannungen und Berührspannungen effektiv zu reduzieren, was die Sicherheit des Personals während von Erdfehlern verbessert.
Die nachfolgende Tabelle zeigt die Widerstände verschiedener Materialien wie Stein, Sand usw.
| Material | Spezifischer Widerstand (Ω·m) |
| Lehm und gesättigter Schlamm | <100 |
| Sandiger Lehm und feuchter Silt | 100–250 |
| Lehmiger Sand und gesättigter Sand | 250–500 |
| Sand | 500–1500 |
| Verwittertes Gestein | 1000–2000 |
| Schotter | 1500–5000 |
| Kies | 1500–10000 |
Gründe für die Verwendung von Stein in Umspannwerken und elektrischen Schaltanlagen
Im Folgenden finden Sie die spezifischen Gründe und Faktoren für die Verwendung von Stein anstelle anderer Materialien:
Gras und andere Unkräuter oder kleine Pflanzen können tatsächlich Probleme verursachen. Bei Regen oder feuchten Bedingungen kann das Wachstum der Pflanzen den Boden rutschig machen und potenzielle Sicherheitsrisiken für Personal und Ausrüstung darstellen. Zudem kann trockenes Gras während Schaltvorgängen Feuer fangen oder Kurzschlüsse verursachen, was die Ausrüstung und die Netzverlässlichkeit negativ beeinflusst. Daher setzen Umspannwerke in der Regel Maßnahmen zur Kontrolle des Vegetationswachstums um, um eine sichere und stabile Betriebsführung zu gewährleisten.
Die Verwendung von Stein rund um Schaltanlagen hilft, Wildtieren wie Schlangen, Echsen, Nagetieren und anderen kleinen Tieren den Zugang zum Umspannwerk zu verwehren.
Eine Kiesoberfläche verhindert Pfützen und Wassersammlungen in der Schaltanlage, was für Hochspannungsausrüstung unerwünscht ist.
Kieselsteine und Schotter sind widerstandsfähiger gegen Beschädigungen als Gras oder Sand und helfen dabei, Vibrationen von Transformern (durch Kernmagnetostriction) abzudämpfen und Bewegungen bei seismischen Ereignissen zu mildern.
Die Verwendung von Stein und Kies erhöht den Widerstand des Oberflächenschichts, wodurch Berührungs- und Schrittspannungsgefahren reduziert werden. Darüber hinaus unterdrückt es das Wachstum kleiner Pflanzen und Unkräuter, die, wenn vorhanden, die Oberflächenwiderstand senken und das Risiko eines elektrischen Schocks während routinemäßiger Wartungs- und Betriebsarbeiten erhöhen könnten.
Insgesamt verbessert das in Schaltanlagen verwendete Steingemisch die Arbeitsbedingungen, unterstützt den stabilen Betrieb und verstärkt die Effektivität des bestehenden Erdungssystems im Schutz vor elektrischem Strom.
