Elektrische Übertragungsnetze – UHV- und EHV-Freileitungen
Elektrische Übertragungsnetze und Freileitungen
In elektrischen Energieversorgungssystemen werden häufig Spannungen von Extra-Hochspannung (EHV, bei denen die Spannung V≥150 kV) und Hochspannung (HV, mit 60 kV ≤ V <150 kV) für die Energieübertragung eingesetzt. Die Verwendung dieser hohen Spannungen dient dazu, den Strom, der durch die Übertragungsleitungen fließt, zu reduzieren. Gemäß dem Jouleschen Gesetz, W=RI2t=UIt, wobei W die als Wärme abgegebene Energie, R den Widerstand des Leiters, I den Strom, t die Zeit und U die Spannung darstellt. Durch die Reduzierung des Stroms ist es möglich, den Querschnitt der Leiter zu verringern und somit die aufgrund des Joule-Effekts verloren gehende Energie zu minimieren.
Übertragungsnetze beginnen in der Regel in Kraftwerken und Umspannwerken. Während Freileitungen in vielen Gebieten das vorherrschende Element sind, werden in städtischen Gebieten aus Platz- und ästhetischen Gründen oft unterirdische Isolierkabel verwendet.
EHV- und HV-Freileitungen bestehen hauptsächlich aus den folgenden wesentlichen Elementen:
Die Ausrüstung für die Energieübertragung wird so konstruiert, dass die Bildung von Koronaverlusten minimiert wird. Korona-Ringe, wie in Abbildung 1 dargestellt, spielen dabei eine entscheidende Rolle. Indem sie das elektrische Feld über eine größere Fläche verteilen, reduzieren sie das Feldgradient unterhalb der Koronaschwelle und unterdrücken effektiv die Koronaverluste. Dies hilft nicht nur, die mit Korona verbundenen Energieverluste zu vermeiden, sondern reduziert auch hörbares Rauschen und elektromagnetische Störungen, was zur Gesamteffizienz und -zuverlässigkeit des Übertragungssystems beiträgt.
Blitzschutz für Freileitungen und die Rolle von OPGW-Kabeln
Eines der bedeutendsten Risiken für Freileitungen ist der Blitz. Diese Leitungen sind entlang ihrer gesamten Länge dem Risiko von Blitzschlägen ausgesetzt, was bedeutet, dass der alleinige Schutz durch Überspannungsschutzgeräte in Umspannwerken unzureichend ist. Zusätzliche Schutzmaßnahmen sind essentiell, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Übertragungssystems zu gewährleisten.
Um dieses Problem zu lösen, werden "Blitzschutzhilfsleiter" entlang der gesamten Route der Freileitungen installiert. Unter diesen sind Optische-Gleichstrom-Erdschlusskabel (OPGW) weit verbreitet aufgrund ihrer dualen Funktionalität. Ein OPGW-Kabel hat eine röhrenförmige Struktur, die ein oder mehrere optische Einzelmodusfasern im Kern enthält. Diese zentrale Faseranordnung ist dann von mehreren Schichten aus Stahl- und Aluminiumdrähten umgeben.
Die leitenden äußeren Schichten des OPGW-Kabels haben eine wichtige Funktion im elektrischen Schutz. Sie verbinden benachbarte Übertragungstürme mit der Erde und schaffen einen niederohmigen Weg für Blitzzustromungen. Dadurch schützen sie die Hauptleiter effektiv vor direkten Blitzschlägen und verringern das Risiko von Schäden an den Hauptübertragungsleitungen.
Gleichzeitig bieten die optischen Fasern innerhalb des OPGW-Kabels erhebliche Kommunikationsvorteile. Diese Fasern können für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung eingesetzt werden und verschiedene Bedürfnisse im Elektrizitätsversorgungsbereich erfüllen. Sie werden für interne Anwendungen wie den Schutz und die Steuerung von Übertragungsleitungen verwendet, ermöglichen Echtzeitüberwachung und schnelles Reagieren auf potenzielle Probleme. Zudem unterstützen sie Sprach- und Datenkommunikationsanforderungen und fördern die nahtlose Koordination zwischen verschiedenen Teilen des Stromnetzes.
Die optischen Fasern selbst haben ausgezeichnete isolierende Eigenschaften, die einen natürlichen Schutz gegen elektrische Induktion durch die Energieübertragungsleitungen und Blitze bieten. Sie sind auch sehr resistent gegen externe Rauschquellen und Kreuzstörungen, was die Integrität der übertragenen Daten gewährleistet. Darüber hinaus haben optische Fasern extrem geringe Übertragungsverluste, was sie ideal für langstreckige, hochgeschwindige Datenübertragung ohne signifikante Signalverluste macht.
Abbildung 2 zeigt ein typisches Beispiel eines OPGW-Kabels, das seine einzigartige Struktur aufzeigt und verdeutlicht, wie es elektrischen Schutz und Kommunikationsfähigkeiten kombiniert, was es zu einem unerlässlichen Bestandteil moderner Freileitungssysteme macht.
In bestimmten Ländern wurde für ältere Freileitungen, die bei einer Spannung von 72,5 kV arbeiten, früher ein spezieller Ansatz für den Blitzschutz angewendet. Historisch wurden nur die ersten vier oder fünf Spannfelder in der Nähe von Umspannwerken mit Schutzmaßnahmen ausgestattet, und Aluminium-Stahlverbundkabel (ACSR) wurden hierfür eingesetzt. Allerdings wurde diese Lösung nun abgeschafft. Das Optische-Gleichstrom-Erdschlusskabel (OPGW) ist die bevorzugte Wahl, da es nicht nur effektiven Blitzschutz bietet, sondern auch Datenkommunikation zwischen Umspannwerken ermöglicht und somit eine umfassendere und vielseitigere Lösung bietet.
Isolierte Kabel verfügen häufig über Kreuzvernetztes Polyethylen (XLPE) als Isolierung. Diese Kabel haben in der Regel Aluminiumleiter und sind für Einphasenanwendungen ausgelegt. Die Verwendung von XLPE-Isolierung bietet ausgezeichnete elektrische Eigenschaften, mechanische Festigkeit und Haltbarkeit, was sie gut geeignet für die Energieübertragung macht.
Extra-Hochspannungs- (EHV) und Hochspannungs- (HV) Übertragungsnetze nutzen oft eine "Ring"-Konfiguration. Wie in Abbildung 3 dargestellt, zeichnet sich diese Aufstellung durch einen hohen Grad an Komplexität aus. Die Ringkonfiguration bietet verbesserte Zuverlässigkeit und Flexibilität in der Energieverteilung, ermöglicht besseres Lastmanagement und erleichtert die Wartung und den Betrieb des Netzes. Sie ermöglicht es, die Energie im Falle eines Ausfalls oder während Wartungsarbeiten umzuleiten, was Störungen in der Energieversorgung minimiert und ein stabileres und effizienteres Übertragungssystem gewährleistet.
