Freileitungen & Turm: Arten, Design & Sicherheit
Neben ultra-hochspannungsfähigen AC-Umspannwerken begegnen wir häufiger den Stromübertragungs- und -verteilungsleitungen. Hohe Türme tragen Leiter, die über Berge und Meere springen und sich in die Ferne erstrecken, bevor sie Städte und Dörfer erreichen. Dies ist auch ein interessantes Thema – heute erkunden wir also die Übertragungsleitungen und ihre Tragwerke.
Stromübertragung und -verteilung
Zunächst einmal verstehen wir, wie Elektrizität geliefert wird. Die Elektrizitätsindustrie besteht hauptsächlich aus vier Stufen: Energieerzeugung, Übertragung, (Umspannwerk) Verteilung und Verbrauch.
Erzeugung umfasst verschiedene Arten von Generatoren – traditionelle wie Kohlekraftwerke und Wasserkraftwerke sowie moderne Quellen wie Wind- und Solarenergie. All diese fallen unter die Kategorie Erzeugung.
Übertragung erfolgt über Übertragungsleitungen und Türme.
Umspannwerk (oder Transformation) verwendet hauptsächlich Transformatoren. Spannungserhöhende Transformatoren in Kraftwerken erhöhen die Spannung für eine effiziente Langstreckenübertragung, während spannungsreduzierende Transformatoren auf der Verteilungsseite die Spannung auf ein Niveau senken, das für regionale Verteilungsnetze und Endverbraucher geeignet ist.
Verteilung auf der Verbraucherseite umfasst verschiedene spannungsreduzierende Transformatoren sowie Mittel- und Niederspannungsgeräte, Schaltanlagen und Leitungen.
Verbrauch bezieht sich auf elektrische Geräte in Haushalten sowie den Stromverbrauch in kommunaler Infrastruktur, Gebäuden, Industrieanlagen und anderen Anwendungen.
In Bezug auf die Struktur werden Übertragungsleitungen in zwei Haupttypen unterteilt: Freileitungen und Kabelleitungen. Hier ist ein schematischer Plan eines Stromübertragungssystems:
Welche Spannungsebenen sind für die langstreckige Stromübertragung geeignet? Um die Übertragungsverluste zu reduzieren und die Effizienz zu steigern, werden für die Stromübertragung in der Regel Wechselspannungen von 500 kV und höher verwendet. Spannungen im Bereich von 500 kV bis 750 kV werden als extra hohe Spannung (EHV) klassifiziert, während 1000 kV Wechselstromsysteme als ultra hohe Spannung (UHV) bekannt sind. Im Gegensatz dazu werden Leitungen, die mit mittleren Spannungen bis 110 kV–330 kV arbeiten, normalerweise als Verteilungsleitungen eingestuft. Beachten Sie, dass diese Klassifikationen mit zunehmendem Energiebedarf, Systemkapazität und regionalen Energieverteilungsmustern variieren können.
Spannungsebenen beziehen sich auf die Spannung zwischen den Leitern – das heißt, die Spannung zwischen zwei beliebigen der drei Phasen (A, B und C). Die 220 Volt, die in Haushalten verwendet werden, sind die Phasenspannung, also die Spannung zwischen einer Phase und dem Erdpotential. In der Realität stammt der Stromversorgung in Wohngebäuden von einem 380-Volt-Linienvoltagesystem. Erst am Gebäudeeingang werden die drei Phasen (A, B und C) getrennt – jede Phase kann einen anderen Teil eines Wohnhauses versorgen. Was Sie in Städten oder Wohnsiedlungen häufig sehen, ist eine quadratische, kastenförmige Struktur – dies ist ein Bodenumschalter (oder Umschalterkasten) (siehe Abbildung unten).
Der Umschalterkasten integriert Mittelspannungsgeräte, Transformatoren und Niederspannungsverteiler. Er transformiert das städtische Mittelspannungsverteilungsnetz (in der Regel 10 kV oder 20 kV) in 380 V Strom, der für den Wohn- oder kommunalen Gebrauch geeignet ist. Sie sehen möglicherweise keine Leitungen, da die städtischen Verteilungsnetze in China heute hauptsächlich unterirdische Kabel verwenden. In einigen älteren Wohngebieten oder ländlichen Regionen können Sie jedoch noch Freileitungen sehen, die Transformatoren verbinden und dann zu Gebäuden oder einzelnen Verbrauchern führen.
In offenen Gebieten bestehen die üblichen Freileitungen aus Türmen und Leitern. Es gibt verschiedene Türmtypen, und die Übertragungsleitungen werden entweder als Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) klassifiziert.
Die Stromerzeugung und -nutzung in China weisen erhebliche geografische Ungleichgewichte auf. Reiche Energieressourcen wie Kohle, Wind, Sonne und Wasserkraft sind in den weiten westlichen Regionen konzentriert, während die Hauptlastzentren tausende Kilometer entfernt in den zentralen und östlichen Regionen liegen. Diese geografische Diskrepanz macht die langstreckige Stromübertragung zu einer wesentlichen Lösung.
In den letzten Jahren hat sich mit der raschen Entwicklung großer Wind- und Solarenergiebasen der Bedarf an langstreckiger Stromübertragung weiter erhöht. Als Rückgrat der Stromversorgung wurde der Bau von UHV-Netzen beschleunigt, was Chinas Energieübergang und nachhaltige Entwicklung stark unterstützt. All diese langstreckigen Übertragungssysteme verlassen sich auf Tragwerke und Freileitungen, um das Netz zu vernetzen.
Freileitungen
Eine Freileitung besteht aus Leitern, die mit Isolatoren und Zubehör an Türmen aufgehängt sind, wodurch eine sichere Abstandshalterung zwischen den Leitern und dem Boden oder Gebäuden gewährleistet wird. Die Hauptfunktion einer Übertragungsleitung besteht darin, elektrische Energie zu transportieren, Kraftwerke und Umspannwerke zu verbinden, parallelen Betrieb zu ermöglichen und das Stromnetz in ein einheitliches Netzwerk zu integrieren.
Freileitungen bieten Vorteile wie niedrigere Investitionskosten, schnellere Bauzeiten, einfache und bequeme Installation, einfache Identifizierung von Fehlern und potenziellen Gefahren sowie einfache Wartung und Reparatur. Für die langstreckige Übertragung werden Freileitungen aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit vor allem eingesetzt. Je länger die Übertragungsstrecke, desto höher muss die erforderliche Spannung sein.
Da Freileitungen weit verbreitet sind und kontinuierlich in Außenbereichen betrieben werden, werden sie häufig von Umgebungsbedingungen und natürlichen Faktoren beeinflusst. Dies führt zu verschiedenen Betriebsfehlern, einschließlich Blitzschlägen, Windbeschädigungen, Eisansatz, Verschmutzungsblitzüberschlag, externen Störungen, Leitergalopp und Vogelschäden.
Darüber hinaus arbeiten Ingenieure bei Hochspannungsschaltanlagen häufig mit Hochspannung (HV), extra hoher Spannung (EHV) und ultra hoher Spannung (UHV)-Systemen, die meist über Freileitungen miteinander verbunden sind. Daher hängen die technischen Anforderungen an Hochspannungsgeräte eng mit den Leitungszuständen zusammen – wie z. B. Betriebsumgebung und Einsatzbedingungen. Das Verständnis der Eigenschaften und Fehlerverhaltensweisen von Freileitungen ist daher essentiell, um die technischen Spezifikationen von Hochspannungsgeräten zu verstehen.
Komponenten von Freileitungen
Die Hauptkomponenten einer Freileitung umfassen Fundamente, Türme, Leiter, Isolatoren, Zubehör (Fittings), Blitzschutzvorrichtungen (wie Erdleiter und Überspannungsschutzgeräte) und Erdungssysteme. Moderne Leitungen können auch Hilfskomponenten wie optische Erdleiter (OPGW) und Leitungsträgerkommunikationssysteme enthalten.
(1) Leiter
Leiter leiten den Strom und liefern elektrische Energie. Für Standardleitungen ist ein Leiter pro Phase typisch. Für EHV- und hochkapazitive Übertragungsleitungen werden jedoch oft gebündelte Leiter – mit zwei, drei, vier oder mehr Sub-Leitern (häufig in kreisförmiger Anordnung) – verwendet. Dies reduziert die Koronaverluste, minimiert den Energieverlust und verringert Störungen von Radios, Fernsehern und anderen Kommunikationsignalen.
(2) Erdleiter und Erdungssysteme
Erdleiter sind an den oberen Enden der Übertragungstürme angebracht und an jedem Turm über Absenkblech mit dem Erdungssystem verbunden. Bei einem Blitzschlag fängt der Erdleiter, der über den Phasenleitern angeordnet ist, den Blitz ab und leitet den Strom sicher durch das Erdungssystem in den Boden. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit direkter Blitzeinschläge auf die Leiter, schützt die Leitungsisolation vor Überspannungsschäden und gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb. Erdleiter werden normalerweise entlang der gesamten Länge von Leitungen mit 110 kV und höher installiert und bestehen meist aus verzinkten Stahldrähten.
(3) Türme (Pylone)
Türme tragen die Leiter und Erdleiter sowie das dazugehörige Zubehör und halten sichere elektrische Abstände zwischen den Leitern, Türmen, dem Boden und jeglichen Querverbindungen oder Gebäuden.
(4) Isolatoren und Isolatorketten
Isolatoren sind die wichtigsten Isolationskomponenten einer Übertragungsleitung. Sie stützen oder hängen die Leiter und isolieren sie elektrisch von den Türmen, um eine zuverlässige dielektrische Festigkeit zu gewährleisten. Da sie mechanischer Spannung, elektrischer Spannung und korrosiven atmosphärischen Gasen ausgesetzt sind, müssen Isolatoren ausreichende mechanische Festigkeit, Isolierleistung und Beständigkeit gegen Degradation aufweisen.
(5) Zubehör (Fittings)
Das Zubehör von Übertragungsleitungen spielt eine wichtige Rolle bei der Unterstützung, Sicherung, Verbindung und Schutz der Leiter und Erdleiter, um robuste und zuverlässige Verbindungen zu gewährleisten. Zubehör wird in fünf Haupttypen nach Funktion unterteilt: Leiterklammern, Verbindungsfittings, Verbindungsstücke, Schutzfittings und Stützfittings.
(6) Fundamente
Das Fundament verankert den Turm im Boden und verhindert Neigung, Zusammenbruch oder Setzen.
Wir werden diese Komponenten in nachfolgenden Diskussionen im Detail untersuchen.
(7) Türme (Pylone)
Es gibt zahlreiche Arten von Übertragungsleitungen und Türmen, deren Spannungsniveaus bis zu 1000 kV reichen. Turmmaterialien umfassen Holz, Beton, Stahlraster und Stahlrohrstrukturen, und ihre Formen und Designs variieren stark. Der Zweck einer Übertragungsleitung besteht darin, elektrische Energie von einem Ende zum anderen mit minimalen Verlusten zu übertragen. Daher werden innerhalb der gleichen Spannungsklasse Leitungen so gestaltet, dass der Impedanzwert minimiert und die Querschnittsfläche der Leiter maximiert wird. Türme dienen dazu, die Leitungen zu stützen und Kontakt mit anderen leitenden Objekten zu vermeiden, die zu Erdungsfehlern führen könnten. Deshalb werden sie hoch und strukturell stabil gebaut. Die folgende Abbildung zeigt gängige Turmtypen.
Basierend auf ihren tatsächlichen Funktionen in ingenieurstechnischen Anwendungen werden Türme weiter in mehrere Typen unterteilt: gerade Linientürme, Ecktürme (für Richtungsänderungen), Endtürme (zur Verbindung mit und von Umspannwerken), Transpositionstürme (für Phasenrotation) und Großspannentürme (für den Übertritt über große Flüsse, Seen oder Meerenge). Am Fuß jedes Turms befindet sich das Fundament. Die Leiter sind über Querbalken an Isolatorketten aufgehängt.
Wenn man genauer auf einen Stahlrasterturm blickt, bemerkt man zwei kleine "Hörner", die nach oben ausstehen – jeweils auf jeder Seite – und dünne Drähte tragen. Diese dienen nicht zur Stromübertragung; es handelt sich um Erdleiter (Schirmleiter), auch bekannt als Erdungsdrähte, die zum Blitzschutz verwendet werden.
Übertragungstürme kommen in verschiedenen Formen vor. Für Einzelkreisleitungen sind gängige Konfigurationen der "Weinglas"-Typ mit horizontal angeordneten Leitern und der "Katzenkopf"-Typ mit dreieckiger Leiteranordnung. In Gebieten mit begrenztem Wegrecht oder in wirtschaftlich entwickelten Regionen, wo Land knapp ist, werden oft kompakte Türme verwendet, die zwei oder sogar vier Kreise auf der gleichen Struktur tragen. Für UHV-Gleichstromübertragungsleitungen gibt es auch T-Türme, die zwei Kreise tragen, die unterhalb hängen – auf einer Seite der positive Pol, auf der anderen Seite der negative Pol.
Ein Übertragungsleitungskorridor bezieht sich auf den bandförmigen Bereich, der seitlich von den äußersten Leitern einer Hochspannungsfreileitung ausgeht. Seine Breite wird durch die Spannungsebene bestimmt und unter den „Regeln zum Schutz von Elektrizitätsanlagen“ geregelt. Zum Beispiel beträgt die geschützte Zone für eine 500-kV-Leitung 20 Meter. Während begrenzte landwirtschaftliche Aktivitäten in dieser Zone erlaubt sind, ist das Stapeln brennbarer Materialien oder der Bau von Gebäuden streng verboten.
Sie haben möglicherweise auch zahlreiche spitzförmige Vorrichtungen und kleine "Windräder" auf Übertragungstürmen bemerkt. Wofür sind diese? Sie sind alle Vogelschutzvorrichtungen! Die Vogelschutzspitzen verhindern, dass Vögel Nester bauen, während die kleinen rotierenden "Windräder" Vögel vertreiben – beides wird häufig auf Türmen montiert.
Die Struktur von Übertragungstürmen bietet einen idealen Ort für Vögel, um Nester zu bauen. Allerdings sind Vogeldung leitfähig. Wenn sie auf Isolatorketten abgelagert werden, können sie einen leitfähigen Pfad zwischen dem Leiter und dem Erdpotential schaffen, was potenziell zu Blitzüberschlägen, Erdungsfehlern oder sogar Phasenkurzschlüssen führen kann. Daher sind Stromleitungen sehr anfällig für sogenannte "wütende Vögel". Darüber hinaus können hohe Bäume in der Nähe von Übertragungsleitungen (oder Korridoren) auch die sichere Betriebsführung gefährden, indem sie beispielsweise zu Bodenabständeverletzungen oder Kurzschlüssen führen, und müssen daher regelmäßig gestutzt werden.
