Sicherheitsherausforderungen und Gegenmaßnahmen für Strommasten und Isolatoren in Regen und Schnee

01 Sicherheitsmechanismen von Hochspannungsmasten​

​**▍ Elektroschockrisiko und Isoliermaßnahmen**​

Hochspannungsmasten stehen durch Wind und Wetter, tragen die wichtige Aufgabe der Energieübertragung aus und tragen die Warnung "Hochspannung - Gefahr". Dies wirft natürlich die Frage auf: Bekommt man tatsächlich einen Elektroschock, wenn man diese Masten berührt? Besonders bei schlechten Wetterbedingungen wie Regen oder Schnee, was passiert dann?

In der Realität können wir mit dem Phänomen der "Hochspannungsmasten" beginnen, um in die dahinterliegenden Sicherheitsmechanismen einzutauchen. Hochspannungsleitungen verwenden freiliegende Leiter, und die Kombination aus Tragstrukturen (Masten/Pfählen) und Isolatorenketten isoliert das Risiko eines Elektroschocks und stellt die Sicherheit sicher. Wie bereits besprochen, übertragen Hochspannungsleitungen in der Regel Energie mit freiliegenden Leitern. Als lebendige Leiter stellen sie in der Tat ein Elektroschockrisiko dar. Um die Sicherheit zu gewährleisten, wird ein kombiniertes Verfahren mit Tragstrukturen und Isolatorenketten eingesetzt. Die Masten heben die Leiter hoch über den Boden, während die Isolatorenketten eine effektive elektrische Isolation zwischen den Leitern und den Metallmasten bieten, wodurch dieses potenzielle Schockrisiko isoliert wird.

​**▍ Auswirkungen von Regen und Schnee**​

Allerdings ändert sich die Situation, wenn es regnet oder schneit. In diesem Fall müssen wir berücksichtigen, dass Niederschläge die Isolierleistung der Isolatorenketten beeinträchtigen können, indem sie leitfähige Pfade bilden und das Risiko erhöhen. Während des langfristigen Einsatzes im Freien sammeln sich an den Isolatorenketten unvermeidlich verschiedene Verunreinigungen an. Unter dem Feuchtigkeitseffekt des Regens können diese Verunreinigungen allmählich leitfähige Pfade bilden. Sobald der Isolationspfad zusammenbricht (Blitzdurchschlag), kann der Mast unter Spannung geraten und ein Sicherheitsrisiko darstellen. Um dieses Risiko zu verringern, konfigurieren Designer die Isolatorenketten auf den Masten sorgfältig, um die Bildung solcher leitfähigen Regen- und Verunreinigungspfade zu minimieren.

​02 Isolatordesign und Herausforderungen​

​**▍ Isolierungsentwurf und Risiken**​

Selbst mit einem präzisen Isolatorstringdesign, wie in der Abbildung oben durch die rote Linie dargestellt, ist es nicht einfach, einen kontinuierlichen leitfähigen Pfad zu bilden – es erfordert eine komplexe Geometrie und eine genaue Positionierung. Allerdings reicht dies nicht aus. Selbst mit geschicktem Manövrieren ist es letztendlich unter schweren Wetterbedingungen möglich, dass Eis- oder Schneeverbindungen die Isolatoren kurzschließen und die Isolierleistung erheblich beeinträchtigen. Dies gilt insbesondere während Tauzeiten oder bei gefrierendem Regen. Denn bei der Bildung eines kontinuierlichen leitfähigen Pfades kann das Fehlen oder die Störung jeglicher Teile dazu führen, dass der gesamte Pfad versagt. Stellen Sie sich einen kalten Winter vor, bei dem eine dicke Schicht aus Eis und Schnee die Isolatorstrings bedeckt. Sorgen Sie sich, dass das Eis/Schnee selbst elektrisch leitfähig sein könnte? Diese Möglichkeit besteht. Bei schwerer Vereisung (starker Eisbildung) kann die Eisverbindung über die Oberfläche der Isolatorstrings Kurzschlüsse verursachen, die die elektrische Festigkeit drastisch reduzieren. Besonders während der Tauzeit oder bei gefrierendem Regen kann die Bildung einer Wasserfilm auf der Isolatoroberfläche zu Blitzdurchschlägen führen, was die Integrität des leitfähigen Pfades weiter bedroht (und zum Versagen führt).

​**▍ Präventionsstrategien**​

Um eisinduzierte Blitzdurchschläge zu verhindern, werden in der Regel zwei Hauptstrategien beim Isolatorstringdesign angewendet, die darauf abzielen, die Bildung kontinuierlichen Eises zu stören:

1. ​​"V"-Form-Konfiguration:​​ Das Anordnen von Isolatorstrings in einer "V"-Form reduziert die vertikale Neigung erheblich. Diese geneigte Konstruktion macht es nicht nur schwieriger, dass sich kontinuierliche Eishüllen bilden, was effektiv die Eisverbindung verhindert, sondern verbessert auch die Selbstreinigungsfähigkeit der Strings. Wind und Schwerkraft sind wahrscheinlicher, leichte Verunreinigungen oder kleine Ansammlungen abzutragen.

​Verwendung der "V"-Konfiguration und Wechselnder Scheibengrößen ("Intercalation Strategy") zur Verbesserung der Eishärte, obwohl bei Extremfällen ein Versagen auftreten kann​

1. ​Wechselnde Scheibengrößen ("Intercalation Strategy"):​​ Große Isolatorscheiben oder große Abschirme werden in bestimmten Abständen innerhalb des Strings integriert. Diese größeren Flächen leiten während der Tauzeit das Schmelzwasser effektiv ab, wodurch Unterbrechungen im Eisprofil entstehen und die Bildung eines kontinuierlichen Eisbrückens oder leitfähigen Wasserpflasterwegs entlang des gesamten Strings verhindert wird. Diese Strategie steigert die Eishärte des Isolatorstrings erheblich und verhindert proaktiv Blitzdurchschläge, bevor sie auftreten.

Bei extrem starken Vereisungen, bei denen der Isolatorstring vollständig umhüllt wird, kann allein die Strategie des Wechsels der Scheibengrößen möglicherweise nicht ausreichen, um das Problem vollständig zu lösen. Zusätzliche Maßnahmen wie Enteisung könnten notwendig sein.