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NWENDUNGSRICHTLINIEN<br />
N W E N D U N G S R I C H T L I N I E N<br />
Ü B E R S P A N N U N G S S C H U T Z<br />
Bemessung,<br />
Prüfung und Einsatz<br />
von Metalloxid-Ableitern<br />
in Mittelspannungsnetzen
Vorwort<br />
Die positive Aufnahme der Richtlinien zur Bemessung,<br />
Prüfung und Einsatz von Metalloxid-Ableitern in<br />
Mittelspannungsnetzen, in erster Auflage 1994<br />
erschienen, hat uns sehr gefreut und bestätigt, dass<br />
kompetente Beratung zum Einsatz unserer Produkte<br />
genauso wichtig ist, wie die Qualität der Produkte<br />
selbst.<br />
Der technologische Fortschritt machte es nunmehr nötig die vorliegende Broschüre für die 3. Auflage neu zu<br />
bearbeiten.<br />
Die Dimensionierung und die theoretischen Ableitungen zum optimalen Einsatz der Ableiter wurden<br />
unverändert übernommen. Herrn René Rudolph, seinerzeit zuständig für Anwendungsberatung im<br />
Teilbereich Überspannungsableiter, sei an dieser Stelle gedankt für die Überarbeitung der Tabellen, nötig<br />
geworden durch die verbesserten technischen Daten der Ableiter und der Erweiterung des<br />
Produkteprogrammes.<br />
Herr Bernhard Richter, nunmehr im Teilbereich Überspannungsableiter zuständig für Engineering und<br />
Anwendung von Überspannungsschutzgeräten, hat die Gesamtüberarbeitung gerne übernommen. Herr<br />
Richter ist Mitglied in verschiedenen Arbeitsgruppen von IEC SC 37 A und IEC TC 81, und beschäftigt sich<br />
neben der Entwicklung und Prüfung hauptsächlich mit der Anwendung von Ableitern.<br />
Die bei ABB in der Mittelspannung verwendete Silikontechnologie und die Weiterentwicklung des<br />
MO-Materials eröffnen neue Anwendungsgebiete. Dem wird in der vorliegenden Auflage Rechnung<br />
getragen.<br />
Wir hoffen, dass Sie als Leser auch aus der vorliegenden Neuauflage im neuen Erscheinungsbild viel Nutzen<br />
ziehen können. Für Ergänzungen oder Anregungen sind wir darüberhinaus sehr dankbar, um möglichst alle<br />
Kundenbedürfnisse erfassen zu können.<br />
Erste Auflage: November 1994<br />
2. überarbeitete Auflage September 1995<br />
3. überarbeitete Auflage Mai 1999<br />
Alle Rechte vorbehalten. Weder das Buch noch<br />
Teile davon dürfen ohne vorherige Genehmigung der ABB<br />
Hochspannungstechnik kopiert, reproduziert oder in andere<br />
Formen übertragen werden, noch in andere Sprachen übersetzt<br />
werden.<br />
ABB Hochspannungstechnik AG<br />
Wettingen, im Mai 1999<br />
© ABB Hochspannungstechnik AG<br />
Bereich Überspannungsableiter, Wettingen / Schweiz<br />
1
Inhaltsverzeichnis<br />
1<br />
Einleitung<br />
8.3<br />
Netze mit niederohmiger Sternpunkterdung (Ce<<br />
1,4)<br />
2<br />
2.1<br />
3<br />
4<br />
4.1<br />
4.2<br />
4.3<br />
4.4<br />
Ableitertechnik<br />
MO-Ableiter und Ableiter mit Funkenstrecken<br />
Metalloxid-Widerstände als Ableiterelemente<br />
Mittelspannungsableiter der ABB<br />
Ableiteraufbau<br />
Isolation aus Silikonkautschuk<br />
Energieaufnahmevermögen und Abkühlzeit<br />
Nennableitstrom und Energieaufnahmevermögen<br />
8.4<br />
8.5<br />
8.6<br />
8.7<br />
9<br />
9.1<br />
9.2<br />
Netze mit niederohmig geerdeten Sternpunkten,<br />
aber nicht überall Ce<<br />
1,4<br />
Netze mit niederohmiger Sternpunkterdung und Ce > 1,4<br />
Ableiter zwischen den Phasen (Neptunschaltung)<br />
Betriebsspannung mit Oberschwingungen<br />
Die Schutzdistanz von Ableitern<br />
Theoretischer Ansatz für die Schutzdistanz L<br />
Zu erwartende Steilheit S von Blitzüberspannungen in<br />
MS-Schaltanlagen<br />
5<br />
5.1<br />
5.2<br />
Besondere Betriebsbedingungen<br />
Kurzschlussleistung des Netzes<br />
Erhöhte Umgebungstemperatur<br />
9.3<br />
9.4<br />
Beeinflussung der Schutzdistanz durch die Betriebsmittel,<br />
den Ableitertyp und die Anordnung der Ableiter<br />
Ausfallrisiko des Betriebsmittels und seine Entfernung<br />
vom Ableiter<br />
5.3<br />
Mechanische Festigkeit<br />
10<br />
Einige Sonderfälle<br />
5.4<br />
Luftverschmutzung<br />
10.1<br />
Überspannungsschutz bei Kabelstrecken<br />
5.5<br />
Höhenanpassung der Ableitergehäuse<br />
10.2<br />
Kabelmantelschutz<br />
6<br />
Schutzcharakteristik der Ableiter, Stabilität<br />
10.3<br />
Transformator am Ende eines Kabels<br />
6.1<br />
6.2<br />
6.3<br />
7<br />
Schutzniveau der Ableiter<br />
Stabilitätsfragen bei MO-Ableitern<br />
Temporäre, zeitweilige Überspannungen<br />
Prüfungen<br />
10.4<br />
10.5<br />
10.6<br />
Transformator nur einseitig mit einer<br />
blitzgefährdeten Leitung verbunden<br />
Ableiter in gekapselten MS-Schaltanlagen<br />
Generator, verbunden mit einer<br />
blitzgefährdeten MS-Leitung<br />
7.1<br />
Typprüfungen<br />
10.7<br />
Ableiterschutz bei Motoren<br />
7.2<br />
Stückprüfungen<br />
10.8<br />
Überspannungsschutz auf Lokomotiven<br />
7.3<br />
Abnahmeprüfungen<br />
10.9<br />
Ableiter parallel zu einer Kondensator-Batterie<br />
7.4<br />
Sonderprüfungen<br />
10.10<br />
Hochfrequenzsperren (Parallelschutz)<br />
8<br />
Auswahl der Ableiter und Bestimmung von U c<br />
11<br />
Ableiter für Gleichspannung<br />
8.1<br />
8.2<br />
Netze mit Erdschlusskompensation oder mit<br />
hochohmig isoliertem Sternpunkt<br />
Netze mit hochohmig isoliertem Sternpunkt<br />
und Erdschluss-Abschaltung<br />
12<br />
13<br />
Consulting bei Ableiterfragen<br />
Schlussbemerkungen<br />
Verzeichnis der verwendeten Symbole<br />
Literaturverzeichnis<br />
2
1 Einleitung<br />
Überspannungen in elektrischen Versorgungsnetzen entstehen<br />
durch Blitzeinwirkungen und Schalthandlungen und sind nicht zu<br />
vermeiden. Sie gefährden die Betriebsmittel, weil deren<br />
Spannungsfestigkeit aus wirtschaftlichen Gründen nicht beliebig<br />
hoch ausgelegt werden kann. Ein wirtschaftlicher und<br />
zuverlässiger Netzbetrieb erfordert also einen ausreichenden<br />
Schutz der Betriebsmittel vor unzulässiger Überspannungsbeanspruchung.<br />
Dies gilt sowohl für Hochspannungs- als auch für<br />
Mittel- und Niederspannungsnetze.<br />
Der Überspannungsschutz kann grundsätzlich auf zwei Arten<br />
erfolgen:<br />
• Vermeiden der Blitzüberspannungen am Entstehungsort, z.B.<br />
mittels Erdseilen vor einer Schaltanlage, welche Blitze<br />
abfangen.<br />
• Begrenzung der Überspannung beim Betriebsmittel, z.B. mittels<br />
Ableitern in der Nähe der Betriebsmittel.<br />
In Hochspannungsnetzen sind beide Schutzarten üblich. In<br />
Mittelspannungsnetzen ist der Erdseilschutz im allgemeinen nicht<br />
sehr wirkungsvoll. Infolge der geringen Abstände zwischen dem<br />
Erdseil und den Leiterseilen wird der direkte Blitzschlag meistens<br />
auch die Leiterseile treffen. Dazu kommt, dass das Erdseil<br />
induzierte Überspannungen (indirekte Blitzeinwirkung) in den<br />
Leiterseilen nicht verhindern kann.<br />
Der wirkungsvollste Überspannungsschutz im Mittelspannungsnetz<br />
ist demnach der Einsatz von Überspannungsableitern<br />
in der Nähe der Betriebsmittel.<br />
Die Höhe der Überspannungen wird meistens in der Einheit p.u.<br />
(per unit) angegeben. Sie ist definiert als<br />
1 p.u. = √2 * U / √3,<br />
m<br />
wobei unter Um<br />
die maximale Spannung als Effektivwert zwischen<br />
den Phasen beim ungestörten Netzbetrieb verstanden wird [1].<br />
Im wesentlichen unterscheidet man drei Arten von Überspannungen<br />
[2] :<br />
• Zeitweilige (temporäre) Überspannungen treten z.B. bei<br />
Lastabwurf oder bei Fehlern mit Erdberührung auf. Die Dauer<br />
dieser betriebsfrequenten Überspannungen liegt zwischen<br />
0,1 Sekunden und einigen Stunden. Sie liegen im allgemeinen<br />
nicht wesentlich oberhalb √3 p.u. und sind für den Netzbetrieb<br />
meist ungefährlich, für die Dimensionierung der Ableiter jedoch<br />
massgebend.<br />
• Schaltüberspannungen entstehen bei Schalthandlungen und<br />
bestehen meist aus stark gedämpften Schwingungen mit<br />
Frequenzen bis zu einigen kHz und einer Höhe bis zu 3 p.u.<br />
Ein Spezialfall sind Schaltungen in induktiven Stromkreisen. Hier<br />
kann die Anstiegszeit der Überspannung im Bereich von 0,1 bis 10<br />
µs liegen und der Scheitelwert kann 4 p.u. erreichen. Steile<br />
Überspannungen sind auch beim Einschalten von Leitungen oder<br />
Kabeln möglich. Der Scheitelwert liegt aber unterhalb 2,2 p.u. und<br />
ist daher für den Netzbetrieb ungefährlich.<br />
• Blitzüberspannungen haben ihre Ursache in atmosphärischen<br />
Entladungen. Sie erreichen ihren Scheitelwert nach wenigen µs<br />
und klingen anschliessend schnell wieder ab. Die Höhe dieser<br />
unipolaren Überspannungen kann im Mittelspannungsnetz weit<br />
über 10 p.u. erreichen.<br />
Blitzüberspannungen stellen also die extremste Bedrohung im<br />
Mittelspannungsnetz dar. Der Überspannungsschutz muss darauf<br />
ausgerichtet sein diese Überspannungen auf einen ungefährlichen<br />
Wert zu begrenzen.<br />
2 Ableitertechnik<br />
Bis Mitte der 80iger Jahre wurden im Mittelspannungsnetz fast<br />
ausschliesslich sogenannte "konventionelle" Ableiter eingesetzt.<br />
Sie bestanden aus einer Serieschaltung von SiC Widerständen und<br />
Plattenfunkenstrecken. Während des Ansteigens der<br />
Überspannung erfolgt beim Ansprechen der Funkenstrecken ein<br />
Erdschluss . Der in Serie geschaltete SiC Widerstand begrenzt den<br />
von der Netzspannung getriebenen Folgestrom und ermöglicht so<br />
das Löschen des Lichtbogens durch die Funkenstrecken beim<br />
nächsten Nulldurchgang des Stromes.<br />
In den letzten Jahren gab es zwei wesentliche Verbesserungen bei<br />
Ableitern für den Einsatz im Mittelspannungsnetz. Zum einen<br />
wurde die Serieschaltung von Funkenstrecken und SiC<br />
Widerständen abgelöst durch Metalloxid-Widerstände (MO-<br />
Widerstände) ohne Funkenstrecken in Serie, zum anderen wurden<br />
die bis dahin verwendeten Ableitergehäuse aus Porzellan abgelöst<br />
durch Ableitergehäuse aus Polymermaterial (Kunststoff).<br />
2.1 MO-Ableiter und Ableiter mit Funkenstrecken<br />
Ableiter schützen ein Betriebsmittel unabhängig von dem<br />
Vorhandensein anderer Ableiter. Deshalb können in der selben<br />
Anlage sowohl konventionelle Funkenstreckenableiter als auch<br />
moderne MO-Ableiter nebeneinander arbeiten. Es ist nicht einmal<br />
erforderlich, dass ein Betriebsmittel in allen drei Phasen vom<br />
gleichen Ableitertyp geschützt wird. Der Netzbetreiber kann also,<br />
sobald ein Funkenstreckenableiter ausfällt, diesen durch einen<br />
MO-Ableiter ersetzen. Das gibt ihm die Möglichkeit, mit der Zeit<br />
die grössere Betriebssicherheit der MO-Ableiter kostensparend<br />
einzuführen.<br />
Ein wesentlicher Vorteil der MO-Ableiter besteht darin, dass sie<br />
aufgrund der extrem nichtlinearen Kennlinie der MO-Widerstände<br />
keine Funkenstrecken benötigen. Der Strom durch die Ableiter<br />
beginnt deshalb bereits zu fliessen, bevor die Überspannung den<br />
Wert Up<br />
erreicht hat. Sie reduzieren also die Überspannung früher<br />
als die Funkenstreckenableiter. Diese werden erst leitend,<br />
nachdem die Überspannung auf Up<br />
angestiegen ist. Ihre<br />
Schutzdistanz ist daher in vielen Fällen kleiner (siehe Kapitel 9).<br />
Dies ist gleichbedeutend mit einer höheren Überspannung am<br />
Betriebsmittel, wenn es bei gleicher Entfernung vom Ableiter mit<br />
einem Funkenstreckenableiter an Stelle eines MO-Ableiters<br />
geschützt ist.<br />
Bei Frontzeiten unterhalb 1 µs nimmt die Ansprechspannung der<br />
Funkenstrecken bei abnehmender Frontzeit stark zu. Dies bewirkt<br />
eine Verschlechterung des Schutzverhaltens von Funkenstreckenableitern<br />
bei Überspannungswellen mit steiler Front.<br />
Ist die äussere Isolation der Ableiter stark verschmutzt, dann ist die<br />
Spannungsverteilung entlang der feuchten Aussenoberfläche sehr<br />
ungleichmässig. Es können zwischen den Schirmen Teillichtbögen<br />
auftreten, welche im Aktivteil Überspannungen induzieren. Diese<br />
sind bei Funkenstreckenableitern besonders kritisch, denn sie<br />
können ihn periodisch zum Ansprechen bringen, wodurch er<br />
zerstört wird. Dies ist der Grund, weshalb MO-Ableiter ohne<br />
Funkenstrecken prinzipiell eine wesentlich höhere Verschmutzungsfestigkeit<br />
besitzen.<br />
3
Sind mehrere Funkenstreckenableiter parallel geschaltet, so<br />
zündet in der Regel im Verlauf einer Überspannung nur einer der<br />
Ableiter. Dieser begrenzt dann die Überspannung auf einen Wert,<br />
der unterhalb der Zündspannungen der restlichen parallelen<br />
Ableiter liegt. Es ist deshalb nicht möglich, die Energie der<br />
Überspannung auf mehrere parallele Funkenstreckenableiter zu<br />
verteilen. Ist die Energie zu gross, dann wird der Ableiter, der<br />
gezündet hat, überlastet. Dies gilt insbesondere für<br />
Funkenstreckenableiter, die parallel zu Kondensator-Batterien<br />
grosser Blindleistung geschaltet sind.<br />
Bei MO-Ableitern ohne Funkenstrecken führen alle parallelen MO-<br />
Säulen gleichzeitig Strom. Die Energie der Überspannung wird<br />
daher auf alle parallelen Ableiter verteilt, so dass das<br />
Energieaufnahmevermögen als begrenzende Grösse wegfällt.<br />
Weil MO-Ableiter keinen Folgestrom führen, sind sie sowohl bei 50<br />
Hz als auch bei 16 2/3 Hz einsetzbar. Bei Funkenstreckenableitern<br />
hingegen fliesst der Folgestrom bei 16 2/3 Hz dreimal so lange wie<br />
bei 50 Hz. Dadurch würden die Funkenstrecken und SiC<br />
Widerstände mit einer entsprechend höheren Energie belastet. Um<br />
das zu verhindern muss der Scheitelwert des Folgestromes<br />
verkleinert werden. Dies erfordert Funkenstreckenableiter mit<br />
vergrösserter Nennspannung, was jedoch eine beträchtliche<br />
Erhöhung des Schutzniveaus zur Folge hat. Zur Erhellung dieser<br />
Sachverhalte sei noch erwähnt, dass MO-Ableiter auch bei<br />
Gleichspannung einsetzbar sind, dass hingegen Ableiter mit<br />
Plattenfunkenstrecken dieser Form der Belastung nicht<br />
gewachsen sind.<br />
3 Metalloxid-Widerstände<br />
als Ableiterelemente<br />
Metalloxid-Widerstände besitzen eine extrem nichtlineare Strom-<br />
Spannungs-Charakteristik. In Bild 1 ist die Kennlinie eines solchen<br />
Widerstandes dargestellt. In<br />
ist der Nennableitstrom (in Bild 1 z.B.<br />
I n=10 kA). Upist das Schutzniveau. Es ist definiert als die maximale<br />
Spannung über dem Widerstand beim Fliessen von I n. Die maximal<br />
zulässige netzfrequente Dauerbetriebsspannung des Widerstandes<br />
wird mit Uc<br />
bezeichnet und als Effektivwert angegeben; im<br />
englischen Sprachgebiet auch MCOV (Maximum Continuous<br />
Operating Voltage) genannt.<br />
20<br />
[kV]<br />
13<br />
10<br />
5.66<br />
0<br />
Figur 1<br />
MO<br />
SiC<br />
10 -4 10 -2 1 10 2 10 4 [A]<br />
200A<br />
Gleichspannungsmessung Stromwelle 8 / 20 s<br />
I = 10 kA n<br />
U = 4 p.u p<br />
√2 xU c<br />
Vergleichsweise ist im Diagramm auch die Kennlinie eines SiC-<br />
Widerstandes eingezeichnet, für den ebenfalls U p=13 kV gelte. Da<br />
SiC eine wesentlich kleinere Nichtlinearität aufweist, würde der<br />
Dauerstrom eines funkenstreckenlosen SiC-Ableiters bei<br />
Nennbelastung rund 200 A betragen. Ein solcher Ableiter wäre<br />
natürlich aus thermischen Gründen nicht machbar. Ausserdem<br />
würde er das elektrische Netz stark belasten. Die konventionellen<br />
Ableiter benötigen deshalb Seriefunkenstrecken, an denen bei<br />
Dauerbetrieb die Spannung anliegt.<br />
Die MO-Widerstände bilden das Aktivteil der MO-Ableiter. MO-<br />
Widerstände werden aus verschiedenen pulverförmigen<br />
Metalloxiden zu runden Blöcken gepresst und gesintert. Die<br />
Durchmesser der MO-Widerstände der ABB Hochspannungstechnik<br />
AG, hergestellt für Mittelspannungsanwendung, liegen<br />
zwischen 38 mm und 75 mm. Die Höhe der Blöcke liegt typisch<br />
zwischen 23 mm und 46 mm. Die Durchmesser der MO-<br />
Widerstände bestimmen die Stromtragfähigkeit, die Höhe der MO-<br />
Widerstände (oder Widerstandsstapel) die Dauerbetriebsspannung<br />
und das Volumen die Energieaufnahmefähigkeit. Die<br />
Durchmesser der MO-Widerstände korrelieren mit den<br />
Leitungsentladungsklassen entsprechend IEC 60099-4, wie in<br />
Tabelle 1 gezeigt .<br />
Leitungsentladungsklasse<br />
entsprechend IEC 60099-4<br />
Durchmesser des Widerstandes in mm<br />
Rechteckwelle, 2000 µ s in A<br />
Energieaufnahmefähigkeit in (kJ / kV )<br />
Uc<br />
Tabelle 1<br />
Zuordnung typischer MO -Widerstände zu den Leitungsentladungsklassen<br />
nach IEC. Leitungsentladungsklasse 5, hier<br />
nicht aufgeführt, hat nur in Hochspannungsgrenzen oberhalb<br />
420 kV Bedeutung.<br />
Die Stirnseiten der MO-Widerstände sind mit Weichaluminium bis<br />
zum Rand des Blockes metallisiert, die Mantelfläche ist mit Glas<br />
passiviert. Somit ist bei den MO-Widerständen der ABB<br />
Hochspannungstechnik AG das MO-Material vollständig bedeckt.<br />
Bild 2 zeigt eine Auswahl von MO-Widerständen .<br />
Die Energieaufnahmefähigkeit der MO-Widerstände hängt neben<br />
dem Volumen auch von der Konstruktion der Ableiter<br />
(Wärmeabfuhr) ab. Darauf wird in Kapitel 4 eingegangen.<br />
1<br />
38<br />
250<br />
3.6<br />
2<br />
47<br />
550<br />
5.5<br />
3<br />
62<br />
1000<br />
9.0<br />
4<br />
75<br />
1350<br />
13.3<br />
Bild 1<br />
Einfach logarithmische Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik<br />
von Wiederständenaus MO- und SiC-Material für U c =4kV<br />
Die Kennlinie in Bild 1 entspricht einem Widerstand mit U c=4 kV.<br />
Bei Gleichspannungsbelastung mit √2 x U c=5,66 kV fliesst ein<br />
Gleichstrom in der Grössenordnung von 0,1 mA. Die kapazitive<br />
Komponente bei 50 Hz und Uc<br />
liegt bei 0,5 mA für den<br />
dargestellten Widerstandstyp. Das Schutzniveau Up<br />
bei I n=10 kA<br />
beträgt 13 kV.<br />
Bild 2<br />
MO-Widerstände (Auswahl) hergestellt bei ABB<br />
4
4 Mittelspannungsableiter der ABB<br />
Der Wunsch, die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Ableiter und<br />
damit der Energieversorgung, zu erhöhen führte Mitte der 80iger<br />
Jahre zur Entwicklung von MO-Ableitern mit Silikongehäuse.<br />
Silikon ist seit ca. 30 Jahren als hervorragendes Isoliermaterial in<br />
der Hochspannungstechnik, zum Beispiel bei Langstabisolatoren<br />
und Durchführungen, bekannt und erprobt. Die ersten MO-Ableiter<br />
mit Silikongehäuse in der typischen ABB Ausführung<br />
(Direktverguss) kamen 1986 ins Netz. Heute, 1999, sind weltweit<br />
mehr als 600 000 Ableiter unter verschiedensten Umweltbedingungen<br />
im Netz.<br />
Ableitertyp<br />
POLIM-DN<br />
POLIM-D<br />
POLIM-DA<br />
MWK / MWD<br />
POLIM-I<br />
POLIM-S<br />
I<br />
kA n U p / Uc<br />
Hochstrom E/U<br />
kJ/kV c Rechteckwelle<br />
kA<br />
Uc I mA t ms<br />
5<br />
10<br />
10<br />
10<br />
10<br />
10<br />
3.33<br />
3.5<br />
3.33<br />
3.07<br />
3.07<br />
3.00<br />
65<br />
100<br />
100<br />
100<br />
100<br />
100<br />
3.6<br />
5.5<br />
5.5<br />
5.5<br />
9.0<br />
250<br />
350<br />
550<br />
550<br />
1000<br />
2000<br />
2000<br />
2000<br />
2000<br />
2000<br />
2000<br />
4.1 Ableiteraufbau<br />
Im Prinzip bestehen Ableiter aus zwei Teilen: Dem Aktivteil,<br />
bestehend aus einem oder mehreren übereinander gestapelten<br />
MO-Widerständen, und einem isolierenden Gehäuse, das neben<br />
der Isolation auch die mechanische Festigkeit gewährleistet.<br />
Die MO-Widerstände wurden im vorigen Kapitel kurz beschrieben.<br />
Es gibt im wesentlichen drei unterschiedliche Konstruktionsmöglichkeiten:<br />
• Ein glasfaserverstärktes Kunststoffrohr wird mit Isoliermaterial<br />
beschirmt. Diese sog. hohlen Verbundisolatoren haben die selben<br />
Probleme wie Porzellanisolatoren, sie brauchen ein Dichtungsund<br />
Druckentlastungssystem, und es können innere Teilentladungen<br />
auftreten.<br />
• Das Aktivteil wird mit Glasfasermatten umwickelt und mit<br />
Epoxydharz getränkt, was einen harten Körper ergibt. Über diesen<br />
wird dann das isolierende Kunststoffgehäuse geschoben oder<br />
aufgeschrumpft. Diese Konstruktion hat den Nachteil, dass bei<br />
Überlastung der Giessharzblock gewaltsam auseinanderbricht.<br />
Weiterhin sind auf Grund der verschiedenen Isolierstoffe und<br />
damit mehreren Grenzschichten besondere Massnahmen zur<br />
Dichtung nötig.<br />
• Das Aktivteil wird mit glasfaserverstärkten Schlaufen oder<br />
Bändern mechanisch zusammengehalten. Das Silikon wird direkt<br />
auf die MO-Widerstände aufgebracht. Dieser Direktverguss hat<br />
den Vorteil, dass kein Gasvolumen im Ableiter verbleibt.<br />
Dichtigkeitsprobleme und innere Teilentladungen sind damit<br />
ausgeschlossen. Es gibt keine Schnittstellen zwischen mehreren<br />
Kunststoffen in die Feuchtigkeit eindringen kann. Weiterhin ist eine<br />
Explosion oder ein Zerfallen des Gehäuses nicht möglich.<br />
POLIM-H<br />
20<br />
3.19<br />
100<br />
13.3<br />
1350<br />
Tabelle 2<br />
Elektrische Hauptdaten der wichtigsten MS-Ableiter von ABB<br />
2000<br />
Die Freiluftableiter besitzen beschirmte Gehäuse aus Silikon. Der<br />
Typ MWD für Innenraumanwendung ist mit glattem Silikongehäuse<br />
ausgeführt. (siehe dazu Bild 3 und Bild 3a)<br />
Bild 3<br />
MO-Ableiter mit Silikongehäuse (POLIM-Familie)<br />
Alle Mittelspannungsableiter der ABB sind entsprechend dem<br />
drittgenannten Prinzip (Direktverguss) aufgebaut.<br />
Die Anforderungen an die Ableiter sind abhängig von den<br />
Betriebsbedingungen und von der Art des zu schützenden<br />
Betriebsmittels. Deshalb bietet ABB für das Mittelspannungsnetz<br />
und für spezielle Anwendungen eine ganze Reihe von<br />
unterschiedlichen Ableitertypen zur Auswahl an. Der konstruktive<br />
Aufbau, die Funktionsweise und die Eigenschaften der Ableiter<br />
sind zum Beispiel in [5] beschrieben. In Tabelle 2 sind die<br />
elektrischen Hauptdaten der Mittelspannungsableiter zusammengestellt.<br />
Bild 3a<br />
MO-Ableiter mit Silikongehäuse<br />
Links: MWK für Freiluftanwendung<br />
Rechts: MWD für Innenraumanwendung<br />
5
Der Durchmesser der MO-Widerstände richtet sich nach dem<br />
Energieaufnahmevermögen E und nach dem Nennableitstrom I n.<br />
Die Spezialableiter der Reihen POLIM-S und POLIM-H besitzen<br />
Widerstände, wie sie in Hochspannungsableitern Verwendung<br />
finden. Diese Ableitertypen setzen im Mittelspannungsnetz neue<br />
Massstäbe, indem sie den schwersten Beanspruchungen<br />
standhalten und gleichzeitig ein tiefes Schutzniveau garantieren.<br />
Die Dauerbetriebsspannungen Uc<br />
der MS-Ableiter (siehe<br />
Tabelle 2) reichen von 4 kV bis 36 kV.<br />
Nebst den bisher genannten Typen fertigt ABB noch den<br />
Spezialableiter POLIM-C. Auch dieser Ableiter ist nach dem oben<br />
genannten Prinzip des Direktvergusses aufgebaut und mit Silikon<br />
vergossen. Der Nennableitstrom beträgt I n =10 kA und die<br />
Dauerbetriebsspannung Uc<br />
reicht von 1 kV bis 7,2 kV. Im<br />
Mittelspannungsnetz wird dieser Typ u.a. zum Schutz eines nicht<br />
geerdeten Kabelmantels eingesetzt.<br />
Die Funktionsweise eines Ableiters, der nur aus der Serieschaltung<br />
von MO-Widerständen (ohne Funkenstrecken) besteht, ist extrem<br />
einfach. Bei einer Überspannung an den Ableiterklemmen steigt<br />
der Strom durch den Ableiter entsprechend der dargestellten<br />
Kennlinie, Bild 3b, kontinuierlich und verzögerungsfrei an, d.h. es<br />
findet kein eigentliches Ansprechen statt, sondern der Ableiter<br />
geht kontinuierlich in den leitenden Zustand über. Nach dem<br />
Abklingen der Überspannung wird der Strom entsprechend der<br />
Kennlinie wieder kleiner. Im Gegensatz zu den Funkenstreckenableitern<br />
fliesst also kein Folgestrom.<br />
U<br />
[p.u.]<br />
1.0<br />
4/10s<br />
1/5s<br />
8/20s<br />
30/60s<br />
2000s<br />
Dank des einfachen, funkenstreckenlosen, und damit mechanisch<br />
sehr stabilen Aufbaus des Aktivteiles und der gesamten<br />
Konstruktion können solche Ableiter auch Stützerfunktion<br />
übernehmen und bergen zudem bei einer Überlastung keine<br />
Explosionsgefahr. Silikon ist das beste Isoliermaterial bei<br />
Verschmutzung, weshalb mit Silikon isolierte Ableiter sich bei<br />
starker Verschmutzung besonders günstig verhalten.<br />
4.2 Isolation aus Silikonkautschuk<br />
Silikonkautschuk, auch Silikongummi, Silikonelast oder kurz<br />
Silikon genannt, ist ein hervorragendes Isoliermaterial für<br />
Hochspannungsisolationen. Vergleiche mit traditionellen<br />
Isolatoren, wie Porzellan, Glas und anderen Kunststoffen wie<br />
EPDM ( Ethylen-Propylen-Dien-Monomer), verdeutlichen die<br />
Überlegenheit des Silikons. Wie bereits erwähnt, wird bei der<br />
Herstellung der Überspannungsableiter die Isolationshülle aus<br />
Silikon durch Vergiessen oder Druckinjektion in Formen bei hoher<br />
Temperatur haftend aufvulkanisiert. Durch verschiedene Formen<br />
kann der Isolator der Struktur des Apparates optimal angepasst<br />
werden. Der entstehende luftspaltfreie Isolator der Ableiter hat<br />
folgende vorteilhaften Eigenschaften:<br />
• kein Kohlenwasserstoff in der chemischen Hauptbindung,<br />
Bild 3c; dies verhilft der Isolation zu der ausgezeichneten<br />
Beständigkeit bei starker Oberflächenverschmutzung und<br />
verhindert weitgehend die Bildung karbonisierter Kriechspuren;<br />
• Hydrophobie; das Material ist wasserabweisend. Auch bei<br />
starkem Kontakt mit Wasser bleiben lediglich einzelne Tropfen<br />
ohne durchgehende Benetzung auf der Oberfläche. Schwerkraft<br />
oder Wind können zudem die Wassertropfen leicht von der<br />
Oberfläche entfernen.<br />
0.5<br />
0<br />
10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4<br />
I [A]<br />
Bild 3b<br />
Normierte Strom-Spannungskennlinie eines MO-Ableiters mit<br />
I n = 10 kA<br />
Der Aktivteil der MO-Ableiter besteht aus einer Säule von<br />
übereinandergestapelten zylindrischen Widerständen. Die Anzahl<br />
der Widerstände im Stapel ist abhängig vom Uc<br />
des Ableiters. Die<br />
Säule wird wie beschrieben in Kunststoff vergossen.<br />
Die Widerstandssäule verhält sich bei Uc<br />
kapazitiv. Die<br />
Streukapazitäten der einzelnen Widerstände gegen Erde bewirken<br />
daher, dass die Spannungsverteilung längs der Ableiterachse bei<br />
Uc<br />
nicht linear ist. Diese Nichtlinearität nimmt mit der Länge der<br />
Widerstandssäule zu [3]. Deshalb benötigen Hochspannungsableiter<br />
Steuerringe, welche den ungünstigen Einfluss der<br />
Streukapazitäten weitgehend kompensieren. Die Säule bei MS-<br />
Ableitern ist hingegen so kurz, dass hier die Versteuerung der<br />
Spannung zu vernachlässigen ist. Diese Ableiter benötigen daher<br />
keine Steuerringe.<br />
Seit rund 15 Jahren werden in Hochspannungsnetzen bei<br />
Neuinstallationen fast ausschliesslich moderne MO-Ableiter<br />
eingesetzt [4]. Bis vor wenigen Jahren wurden dagegen im MS-<br />
Netz auch noch die konventionellen Ableiter, bestehend aus SiC-<br />
Widerständen und Serie-Funkenstrecken verwendet. Mittlerweile<br />
werden auch hier Metalloxid-Ableiter ohne Funkenstrecken,<br />
bevorzugt mit Polymergehäuse, eingesetzt. Die Gründe für diesen<br />
Technologiewandel sind auch hier erhöhte Betriebstüchtigkeit,<br />
tieferes Schutzniveau bei sehr steilen Überspannungen und hohe<br />
Verschmutzungsfestigkeit [5].<br />
6<br />
Si<br />
O<br />
O<br />
Si<br />
O<br />
Si<br />
O<br />
Si<br />
O<br />
Si<br />
O<br />
O<br />
Si<br />
O<br />
Si<br />
Schmutzablagerungen an der Oberfläche wird der Effekt der<br />
Hydrophobie teilweise mitgeteilt, so dass die Oberfläche nicht so<br />
schnell wie bei anderen Isoliermaterialien mit halbleitenden<br />
Fremdschichten bedeckt wird. Silikonisolation hat deshalb extrem<br />
kleine Oberflächen-Leckströme. Der Transfer der Hydrophobie<br />
von Silikon zu Schmutz-Fremdschichten wird in der Literatur mit<br />
dem Ausdampfen von niedermolekularem Silikon erklärt.<br />
In einem geringeren Ausmass als bei anderen Stoffen wird die<br />
Hydrophobie bei Silikon temporär durch starke elektrische<br />
Teilentladungen oder extreme Wassereinwirkung reduziert. Dies<br />
verdeutlicht der künstliche Alterungstest von EPDM und Silikon<br />
nach IEC 1109, Bild 3d. Während nach 5000 Stunden zyklischer<br />
Alterung mit Regen, Salzwasser-Sprühnebel und UV-Bestrahlung<br />
das Silikon noch zu 50% hydrophob war, hatte EPDM diese<br />
Eigenschaft verloren. Es wurde ausserdem bei Versuchen<br />
beobachtet, dass sich Silikon nach einigen Stunden Trockenheit<br />
bis zur ursprünglichen Hydrophobie regenerieren kann.<br />
O<br />
Si<br />
Si<br />
O<br />
O<br />
Si<br />
O<br />
Si<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
Bild 3c<br />
Silikonmolekül - die Hauptbindung ist kohlenwasserstofffrei
0%= ^ 7<br />
HC Hydrophobie<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
100%= ^ 1<br />
0<br />
0<br />
1000 2000 3000 4000 h 5000<br />
Versuchsdauer<br />
t v<br />
Bild 3d<br />
Veränderung der Hydrophobie von EPDM (schwarz) und Silikon<br />
(weiss) bei künstlicher Alterung nach IEC 1109<br />
Der Versuch mit Salzwassernebel nach IEC 507 zeigte zudem, dass<br />
die Silikonisolation im Vergleich zu Porzellanisolatoren bei<br />
gleichem Salzgehalt im Mittel 30% kürzere Kriechwege erfordert,<br />
Bild 3e. Der Kriechweg von Silikonisolatoren könnte demnach um<br />
diesen Betrag verringert werden.<br />
Solche Kurzzeitprüfungen nach IEC 507 bilden die Basis der<br />
Dimensionierung. Das Verhalten der Isolatoren kann unter realen<br />
Bedingungen im Betrieb durch andere Parameter, z.B. bedingt<br />
durch die Schirmformen, in bestimmten Fällen abweichen.<br />
Allgemein gilt jedoch für Silikon wie für Porzellanisolatoren, dass<br />
bei stärkerer Verschmutzung ein verlängerter Kriechweg<br />
erforderlich ist.<br />
Die erwähnte zeitlich begrenzte Abnahme der Hydrophobie wurde<br />
bei den POLIM-Ableitern berücksichtigt und der spezifische<br />
Kriechweg nicht verringert. Alle vorgestellten Überspannungsableiter<br />
mit Silikonisolation hat man deshalb mit einem<br />
spezifischen Kriechweg von wenigstens 25 mm pro kV<br />
Dauerbetriebsspannung ausgeführt, so dass die Sicherheitsmargen<br />
mehr als ausreichend sind. So weit wie möglich wurden<br />
alle Verschmutzungs- und Lebensdauerversuche an kompletten<br />
MO-Ableitern durchgeführt. Die Versuche unter Berücksichtigung<br />
der verschiedenen Standards, z.B. der 1000-h-Feuchtraumtest<br />
nach IEC 1109, der 5000-h-Langzeit-Zyklus-Alterungstest oder<br />
der Salzwasser-Nebeltest nach IEC 507, ergaben, dass sich die<br />
Silikonisolation auch nach zehn Betriebsjahren günstiger als<br />
andere Isolationen verhält.<br />
8<br />
5<br />
4<br />
3<br />
Typenprüfung und Betriebserfahrungen<br />
Die Typenprüfungen der vorgestellten Ableiter erfolgten, wie<br />
bereits erwähnt, generell in Überstimmung mit IEC 99-4 (1991)<br />
und nach ANSI C 62.<br />
Diese derzeit gültigen Vorschriften gelten jedoch im wesentlichen<br />
für Ableiter mit Porzellanisolatoren. Für Überspannungsableiter<br />
mit Kunststoffisolatoren werden z.Zt. noch Standards erarbeitet.<br />
Prüfungen an solchen Ableitern wurden aber bereits weitgehend<br />
unter Berücksichtigung dieser Normenentwürfe (z.B. für<br />
Polymerableiter nach IEC TC 37 WG 04) durchgeführt.<br />
Ausser den bereits erwähnten Untersuchungen zum Alterungsund<br />
Verschmutzungsverhalten hat man das Überlastverhalten<br />
ausführlich getestet. Dabei wurden sowohl Überlastungsversuche<br />
mit konstanter Spannung und mit konstantem Strom als auch<br />
Versuche mit elektrisch vorgeschädigtem Aktivteil durchgeführt.<br />
Diese Prüfverfahren haben einen direkten Praxisbezug und sind in<br />
den meisten Prüflabors durchführbar.<br />
Die Überlastung mit konstanter Spannung bildet z.B. den Fall eines<br />
Spannungsübertritts von einem Netz höherer Spannung auf ein<br />
Netz mit niedrigerer Spannung nach. Die plötzlich aufgeschaltete<br />
Spannung vom 1,5- bis zum 2fachen der Ableiter-Dauerspannung<br />
Uc<br />
bewirkt, dass der MO-Aktivteil in einem Zeitraum, der bis zu<br />
einigen zehn Sekunden dauern kann, versagt.<br />
Die Überlastung mit konstantem Strom gemäss Kennlinie im<br />
Bereich bis zu einigen 100 mA bewirkt ein langsames Aufheizen<br />
des Ableiters bis zur thermischen Instabilität. Der gesamte<br />
Versuch dauert je nach eingestelltem Strom von einigen Minuten<br />
bis gegen eine Stunde. Die gewollte Druckentlastung kann mit<br />
einer zweiten Hochleistungs-Spannungsquelle am Ende des<br />
Versuchs erfolgen.<br />
Der Einbau vorgeschädigter Aktivteile mit niederohmigem<br />
Kurzschluss bildet den Fall des Einschaltens auf einen bereits<br />
durch Überlastung defekten Ableiter nach.<br />
Überlast- bzw. Druckentlastungsprüfungen an Ableitern mit<br />
durchbohrten MO-Scheiben und/oder künstlich kurzgeschlossenem<br />
Aktivteil sollen dagegen einen theoretisch denkbaren<br />
schlimmsten Fall nachbilden. In diesem Fall müssen die Ableiter<br />
vor den Versuchen durch manuelle Eingriffe speziell für die<br />
Fehlersimulation präpariert werden. Die Ergebnisse der Versuche<br />
sind deshalb weniger realistisch als bei natürlicher Überlastung<br />
bzw. Druckentlastung eines vorher einwandfreien Ableiters.<br />
Das Ergebnis eines wirklichkeitsnahen Versuchs mit konstanter<br />
Spannung bei einem Strom von 25 kA rms, 0,2 s zeigt Bild 4-das<br />
explosionsfreie Versagen des Ableiter ist gut zu erkennen. Bei<br />
vielen anderen Versuchen mit Strömen von 5 A bis 63 kArms<br />
wurde<br />
bewiesen, dass die Ableiter bei der Druckentlastungsprüfung<br />
mechanisch intakt bleiben und keine die Umgebung gefährdenden<br />
Teile weggeschleudert werden. Für diese Prüfungen liegen<br />
ebenfalls, wie für alle Prüfungen, Protokolle vor. Die<br />
Typenprüfungen wurden grösstenteils in neutralen Prüfinstituten<br />
verifiziert, und die Protokolle stehen den Kunden zur Verfügung.<br />
cm/kV rms<br />
kg/m 3<br />
Kriechweg<br />
2<br />
1<br />
0<br />
0<br />
2.5<br />
3 4 5 7 10 15 20 30 40 80<br />
Salzgehalt des Wassers<br />
Bild 3e<br />
Vergleich der spezifischen Kriechwege von Porzellan- (schwarz)<br />
und Silikonisolatoren (weiss) in Abhängigkeit vom Salzgehalt<br />
beim Sprühnebel-Versuch nach IEC 507<br />
Bild 4<br />
POLIM-H-Ableiter für 24 kV Ableiter-Dauerspannung U<br />
einem Überlastversuch mit 25 kA , 0,2 s<br />
rms<br />
c<br />
nach<br />
7
4.3 Energieaufnahmevermögen und Abkühlzeit<br />
Damit die Ableiter im Netz zuverlässig arbeiten können, muss ihr<br />
Energieaufnahmevermögen grösser sein als die zu erwartende<br />
Energiebelastung beim Ansprechen. Einige Beispiele für die<br />
Ableiterbelastung im Netz sind in Tabelle 3 zusammengestellt. Bei<br />
Ableitern der Leitungsentladungsklasse 1 ist die auftretende<br />
Energiebelastung am höchsten beim Hochstrom (65 kA bzw. 100<br />
kA). Die Beherrschung dieser Belastung ist deshalb an Hand einer<br />
speziellen Typprüfung nachzuweisen.<br />
Arrestertyp<br />
POLIM-DN<br />
POLIM-D<br />
POLIM-DA<br />
MWK, MWD<br />
POLIM-I<br />
POLIM-S<br />
POLIM-H<br />
3.5 p.u. Ladespannung Wellenform des Stromes<br />
200 km Leitung 10 km Kabel In Hochstrom<br />
8/20 s 4/10 s<br />
kJ/kV U c kJ/kV U c kA kJ/kV U c kA kJ/kV U c<br />
0.4<br />
0.4<br />
0.4<br />
0.4<br />
0.4<br />
0.4<br />
0.33<br />
0.33<br />
0.33<br />
0.33<br />
0.33<br />
0.33<br />
Tabelle 3<br />
Energiebelastung von Ableitern in MS-Netzen<br />
Bei den Typen mit Leitungsentladungsklasse 2 und höher erfolgt<br />
der Nachweis des garantierten Energieaufnahmevermögens<br />
mittels rechteckförmiger Strombelastung, analog der Prüfung bei<br />
Hochspannungsableitern.<br />
Die Garantiedaten enthalten eine gewisse Energiereserve und<br />
bedeuten demnach keineswegs die Grenze für die thermische<br />
Stabilität der Ableiter (siehe Kapitel 6).<br />
Auf jeden Fall werden die Ableiter beim Ableiten von sehr hohen<br />
Blitzströmen kräftig aufgeheizt. Sie benötigen deshalb zwischen<br />
zwei solchen Belastungen eine angemessene Abkühlzeit. Diese<br />
Einschränkung ist jedoch nicht von Bedeutung, weil es höchst<br />
unwahrscheinlich ist, dass der gleiche Ableiter innerhalb seiner<br />
Kühlperiode ein zweites Mal einen sehr hohen Blitzstrom ableiten<br />
muss. Dies ist auch der Grund, weshalb der Prüfling bei der<br />
Typprüfung mit Hochstrom [6] zwischen den beiden<br />
Stromstössen auf 60 ° C abgekühlt werden darf .<br />
Die benötigte Abkühlzeit der Ableiter ist u.a. abhängig von der<br />
Umgebungstemperatur und von der Höhe der Betriebsspannung.<br />
Sie nimmt mit der Umgebungstemperatur und der Betriebsspannung<br />
zu. Im ungünstigsten Fall, bei 45 ° C Lufttemperatur und<br />
Uc<br />
gelten folgende Werte:<br />
Abkühlzeit zwischen zwei hohen Blitzstrombelastungen<br />
(65 kA bzw. 100 kA):<br />
Typ POLIM-S und POLIM-H<br />
Restliche Ableitertypen<br />
Abkühlzeit zwischen zwei Energiebelastungen nach Tabelle 2:<br />
Typ POLIM-S und POLIM-H<br />
60 Minuten<br />
Restliche Ableiter<br />
60 Minuten<br />
4.4 Nennableitstrom und Energieaufnahmevermögen<br />
Im MS-Netz haben sich Ableiter mit einem Nennableitstrom von<br />
5 kA als hinreichend zuverlässig erwiesen. Im allgemeinen wird<br />
daher der Typ POLIM-D bzw. der Typ POLIM-DN eingesetzt. Wie<br />
aus den Tabellen 2 und 3 zu entnehmen ist, liegt das<br />
Energieaufnahmevermögen dieser Typen weit oberhalb der zu<br />
erwartenden Belastungen im Netz, wenn von sehr hohen<br />
Blitzströmen abgesehen wird. Diese werden von den Ableitern<br />
auch beherrscht, sind jedoch äusserst unwahrscheinlich, da sie<br />
praktisch nur bei einem direkten Blitzeinschlag in den Ableiter<br />
auftreten können.<br />
5<br />
10<br />
10<br />
10<br />
10<br />
20<br />
0.48<br />
0.47<br />
1.0<br />
65<br />
0.55 100 3.6<br />
100<br />
100<br />
100<br />
100<br />
5.0<br />
3.4<br />
3.6<br />
3.5<br />
keine Pause notwendig<br />
75 Minuten<br />
8<br />
Bei Freileitungen mit Holzmasten können aber auch weit entfernte<br />
Blitzeinschläge relativ hohe Ströme durch die Ableiter<br />
verursachen. Ist U = 3000 kV die Überschlagsspannung der<br />
Leitung gegen Erde und Z = 450 Ω der Wellenwiderstand der<br />
Leitung, so folgt aus Gleichung (3), Seite 16, dass Blitzströme bis<br />
zu 13 kA durch die Ableiter zu erwarten sind. Dieser Strom erzeugt<br />
bei Ableitern mit I n= 5 kA eine Restspannung, welche 15%<br />
oberhalb UP<br />
liegt. Damit wird deren Schutzwirkung auf das<br />
Betriebsmittel verschlechtert. Befindet es sich beispielsweise am<br />
Ende einer 10 km langen Freileitung, so wird es dieser erhöhten<br />
Spannungs-beanspruchung alle 3 Jahre einmal ausgesetzt sein.<br />
Deshalb führt ABB im Sortiment der MS-Ableiter auch die Typen<br />
MWK, MWD, POLIM-I, POLIM-S und POLIM-H. Sie besitzen<br />
Nennableitströme von 10 kA bzw. 20 kA. Ihr Einsatz wird dort<br />
empfohlen, wo bezüglich der Belastung, der Betriebssicherheit<br />
und des Schutzniveaus höhere und höchste Anforderungen<br />
gestellt werden.<br />
Dies ist der Fall<br />
• in Regionen mit hoher Blitztätigkeit<br />
• bei Freileitungen mit Beton- oder Holzmasten und nicht geerdeten<br />
Traversen<br />
• bei Ableitern an Standorten, in deren Nähe sich oft Personen<br />
aufhalten<br />
• Im Zuge von Leitungen, welche hinsichtlich der Betriebssicherheit<br />
aussergewöhnlich hohe Anforderungen stellen<br />
• zum Schutz von Motoren, Generatoren und Kabeln<br />
• in Gegenden mit hoher Industrieverschmutzung, oder wenn die<br />
Ableiter nicht weiter als 1000 m vom Meer entfernt sind<br />
In Fällen, wo 10 kA-Ableiter ratsam sind, ist auch ein höheres<br />
Energieaufnahmevermögen von Vorteil und es sollte ein<br />
Ableitertyp mit Leitungsentladungsklasse 2 oder höher gewählt<br />
werden. Deshalb haben diese Ableiter eine Belastungsfähigkeit<br />
von mindestens 5,5 kJ/kV Uc (MWK, POLIM-I) bzw. 9,0 kJ/kVUc<br />
(POLIM-S).<br />
Die Besonderheit mancher Betriebsmittel, wie etwa bei<br />
• Lichtbogenöfen<br />
• grossen Kondensatorbatterien<br />
• sehr langen Kabelstrecken<br />
• teuren rotierenden Maschinen<br />
Kann ein noch grösseres Energieaufnahmevermögen erforderlich<br />
machen. In solchen Fällen ist der Spezialtyp POLIM-H mit I n = 20<br />
kA und mit 13,3 kJ / kV vorzuziehen.<br />
Uc<br />
5 Besondere Betriebsbedingungen<br />
5.1 Kurzschlussleistung des Netzes<br />
Jeder Ableiter kann überlastet werden. Die Ursache dafür sind<br />
extrem hohe Blitzströme, eine grosse Anzahl von Folgeblitzen [16,<br />
17] oder der sogenannte Spannungsübertritt. Darunter versteht<br />
man einen Kurzschluss zwischen zwei verschieden hohen<br />
Spannungsebenen. Die Spannung an den Ableitern der unteren<br />
Spannungsebene übersteigt dabei den zulässigen Grenzwert. Bei<br />
einer Überlastung der einen oder anderen Art schlagen die<br />
Widerstände durch oder über. Im Ableiter entsteht ein Lichtbogen,<br />
dessen Strom durch die Kurzschlussleistung des Netzes gegeben<br />
ist. Bei Ableitern mit einem Porzellangehäuse lässt der Lichtbogen<br />
den Gasdruck im Gehäuse rasch ansteigen. Ist der Kurzschluss-<br />
Strom des Netzes nicht zu hoch, dann öffnen die<br />
Druckentlastungsventile der Ableiter bevor der Berstdruck des<br />
Gehäuses erreicht ist. Bei sehr grossen Strömen hingegen ist ein<br />
Bersten des Gehäuses nicht auszuschliessen. Bei Silikonableitern<br />
von ABB besteht bei Überlastung keine Berstgefahr. Zwischen dem<br />
Aktivteil und der Silikonisolation befindet sich kein Luftraum, in<br />
welchem sich ein Überdruck aufbauen könnte. Es entstehen bei<br />
einem solchen Vorgang vielmehr Löcher in der Hülle, durch die<br />
dann sofort die Zündung des Aussenüberschlages erfolgt.
Die MS-Ableiter der Typen POLIM-D, MWK und MWD sind mit<br />
Kurzschluss-Strömen bis 20 kA geprüft. Die Typen POLIM-I,<br />
POLIM-S und POLIM-H sind mit Kurzschluss-Strömen bis 65 kA<br />
geprüft. Aufgrund der speziellen Konstruktion sind die Ableiter<br />
auch bis zu den höchsten Kurzschluss-Strömen explosions- und<br />
zerfallsicher.<br />
5.2 Erhöhte Umgebungstemperatur<br />
Die garantierten Werte für U c gelten für Umgebungstemperaturen<br />
bis 45 °C. Bei den Freiluftableitern ist zusätzlich noch die extremste<br />
2<br />
Sonnenbestrahlung ( 1,1 kW/m ) berücksichtigt. Befinden sich in<br />
der Nähe der Ableiter andere Wärmequellen, so muss<br />
gegebenenfalls der grösseren Erwärmung mit Erhöhung von U c<br />
Rechnung getragen werden. Bei Umgebungstemperaturen<br />
oberhalb 45 °C muss pro 5 °C Temperaturerhöhung U um 2% c<br />
vergrössert werden.<br />
5.3 Mechanische Festigkeit<br />
Die MS-Ableiter von ABB sind auch in Gegenden mit starker<br />
Erdbebentätigkeit betriebssicher. Die Silikonableiter von ABB<br />
können auch Stützerfunktion übernehmen. Dabei ist nach DIN<br />
48113 bei der Kopfzugbelastung zu unterscheiden zwischen<br />
Kurzzeit- und Betriebslast. Die zulässigen Belastungen ergeben<br />
sich aus den jeweiligen Produkten von Ableiterhöhe und den<br />
maximal zulässigen Biegemoment-Belastungen. In Tabelle 4 sind<br />
die mechanischen Daten der verschiedenen Ableitertypen<br />
angegeben.<br />
Ableitertyp<br />
POLIM-DN<br />
POLIM-D<br />
POLIM-DA<br />
MWK, MWD<br />
POLIM-I<br />
POLIM-S<br />
POLIM-H<br />
Umbruchmoment<br />
Nm<br />
250<br />
250<br />
350<br />
350<br />
2500<br />
4000<br />
6000<br />
Tabelle 4<br />
Mechanische Daten der MS-Ableiter der ABB<br />
Torsion<br />
Nm<br />
5.4 Verschmutzung<br />
Silikon ist das beste Isoliermaterial bei Verschmutzung. Dies<br />
insbesondere deshalb, weil das Material wasserabweisend ist. Der<br />
Silikonableiter verhält sich deshalb bei starker Luftverschmutzung<br />
günstiger als Ableiter mit Porzellan oder anderen polymeren<br />
Isolierstoffen. Zusätzlich sind die materialbedingten Selbstreinigungseigenschaften<br />
beim Silikonableiter hervorragend, da<br />
der Schmutz an den flexiblen Schirmen kaum haftet und durch das<br />
Regenwasser abgewaschen wird. Beim Einsatz in Regionen mit<br />
extrem starker Luftverschmutzung ist es ratsam, generell<br />
Ableitergehäuse mit verlängertem Kriechweg zu verwenden.<br />
Bild 5<br />
Abperlendes Wasser auf Silikonoberfläche (Hydrophobie-Effekt)<br />
50<br />
50<br />
50<br />
68<br />
100<br />
100<br />
100<br />
Zug<br />
Vertikal<br />
N<br />
625<br />
625<br />
1000<br />
1200<br />
2000<br />
3000<br />
4000<br />
9<br />
5.5 Höhenanpassung der Ableitergehäuse<br />
Bis zur Einsatzhöhe von 1800 m über Meer können normale MS-<br />
Ableiter von ABB verwendet werden. In höheren Lagen ist die<br />
Dichte der Luft so stark abgesunken, dass die Haltespannung der<br />
Ableitergehäuse gegen äusseren Überschlag nicht mehr<br />
ausreichend sein könnte. Für diesen Fall muss das unveränderte<br />
Aktivteil der Ableiter (gleiches Schutzniveau) in einem<br />
verlängerten Gehäuse mit grösserer Fadenlänge bzw. Schlagweite<br />
untergebracht werden.<br />
Als Richtwert kann man annehmen, dass bei einer Einsatzhöhe des<br />
Ableiters von je 1000 m oberhalb 1800 m über Meer die<br />
Fadenlänge des Gehäuses um je 12% vergrössert werden muss.<br />
Auf einer Höhe von beispielsweise 3300 m über Meer muss die<br />
Fadenlänge der Gehäuse 18% grösser sein als beim normalen<br />
Ableiter.<br />
6 Schutzcharakteristik<br />
und Stabilitätsfragen bei MO-Ableitern<br />
6.1 Schutzniveau der Ableiter<br />
Das Schutzniveau U ist die maximale Spannung an den Klemmen<br />
p<br />
des Ableiters beim Fliessen des Nennableitstromes, der<br />
definitionsgemäss eine Stromform von 8/20 ms aufweist. Der<br />
Scheitelwert des Stromes wird also nach ca. 8 ms erreicht und<br />
nach ca. 20 ms ist er auf 50% des Scheitelwertes abgeklungen. Bei<br />
Funkenstreckenableitern ist U noch zusätzlich durch die<br />
p<br />
Ansprechspannung bei Blitzstoss gegeben. Dies ist der<br />
Scheitelwert der kleinsten Stossspannung mit der Impulsform<br />
1,2/50 ms welche jedesmal zum Ansprechen des Ableiters führt.<br />
Bei gleicher Dauerbetriebsspannung U c ermöglichen heute MOund<br />
Funkenstreckenableiter praktisch das gleiche Schutzniveau.<br />
Es liegt bei etwa U p= 3,33 U cund darunter. Genaue Werte sind den<br />
entsprechenden Prospekten zu entnehmen.<br />
Die Schutzcharakteristik eines Ableiters besteht aber nicht nur aus<br />
dem Wert U p sondern aus zwei weiteren Merkmalen. Da ist auf der<br />
einen Seite das bei MS besonders wichtige Verhalten der Ableiter<br />
bei steiler Wellenfront. Die Prüfung bei MO-Ableitern erfolgt beim<br />
Nennableitstrom, dessen Anstiegszeit jedoch von 8ms auf 1ms<br />
verkleinert wird. Bei dieser steilen Stromwelle erreicht die<br />
Restspannung über dem Ableiter maximal 1,13 U p. Bedingt durch<br />
die extrem grosse Nichtlinearität der Strom-Spannungs-<br />
Charakteristik der MO-Ableiter liegt die Anstiegszeit der<br />
Restspannung in der Grössenordnung von 50 ns.<br />
Zum Vergleich wird bei den Funkenstreckenableitern oft die<br />
Ansprechspannung bei Steilstoss herangezogen. Sie liegt etwa bei<br />
1,15 U . Bei dieser Prüfung wird die Frontzeit auf rund 400 ns<br />
p<br />
eingestellt. Ein echter Vergleich mit den MO-Ableitern erfordert<br />
jedoch eine Frontzeit welche ebenfalls in der Grössenordnung von<br />
50 ns liegt. Bei so steiler Front erreicht die Frontansprechspannung<br />
mindestens einen Wert von 1,4 U . Daraus folgt,<br />
p<br />
dass bei steiler Front die Begrenzungsspannung der<br />
Funkenstreckenableiter mindestens 24% höher liegt als bei MO-<br />
Ableitern.<br />
Das Verhalten der Ableiter bei Schaltüberspannungen ist ein<br />
weiteres Merkmal der Schutzcharakteristik. Bei den Funkenstreckenableitern<br />
erreicht die Zündspannung bei diesen relativ<br />
langsam ansteigenden Überspannungen etwa den Wert U . MOp<br />
Ableiter haben keine Zündspannung. Bei MS-Ableitern ist hier das<br />
Schaltschutzniveau durch die Restspannung bei 500 A der<br />
Stromwelle 30/60 ms gegeben. Die Restspannung erreicht je nach<br />
Ableitertyp den Betrag 0,77....0,83 U . Die Begrenzungsspannung<br />
p<br />
bei Schaltüberspannungen ist also bei Funkenstreckenableitern<br />
um mindestens 20% höher als bei MO-Ableitern.
Bei gleicher Dauerbetriebsspannung haben also die MO-Ableiter<br />
gegenüber den Funkenstreckenableitern eine günstigere<br />
Schutzcharakteristik. Die oben genannten Zahlen gelten für den<br />
Ableitereinsatz in Netzen mit hochohmig isoliertem Sternpunkt.<br />
Hier besitzen die MO-Ableiter bezüglich der Betriebssicherheit<br />
noch den Vorteil, dass sie auch temporären Überspannungen nach<br />
Bild 7 standhalten können.<br />
MO- und Funkenstreckenableiter müssen in Netzen mit<br />
niederohmiger Sternpunkterdung unterschiedlich dimensioniert<br />
werden [8]. Die Folge ist, dass Uc<br />
um 28% tiefer gewählt werden<br />
kann als die Dauerbetriebsspannung der Funkenstreckenableiter.<br />
Daraus resultiert für die MO-Technik eine Schutzcharakteristik,<br />
welche je nach Wellenform 28% bis 42% tiefer liegt.<br />
6.2 Stabilitätsfragen bei MO-Ableitern<br />
In Bild 6 ist P die Verlustleistung der MO-Widerstände eines<br />
Ableiters bei U c. Es ist ersichtlich, wie P mit der MO-Temperatur T<br />
exponentiell ansteigt, was eine immer stärkere Erwärmung des<br />
Aktivteiles zur Folge hat. Die Kühlung der Widerstände erfolgt<br />
durch den Wärmefluss Q vom Aktivteil des Ableiters an die äussere<br />
Umgebung. Im Temperaturbereich oberhalb des kritischen<br />
Punktes ist P>Q. Hier reicht also die Kühlung nicht aus, um die<br />
erzeugte Verlustleistung nach aussen abzuführen. Die<br />
Widerstände würden immer heisser und der Ableiter würde<br />
thermisch zerstört. Durch geeignete Dimensionierung der<br />
Widerstände und konstruktive Massnahmen zur Kühlung der<br />
Blöcke ist es möglich, den kritischen Punkt so hoch zu legen, dass<br />
er auch bei schwersten im Betrieb zu erwartenden Belastungen mit<br />
Sicherheit nicht erreicht wird.<br />
Der beschriebene Mechanismus zeigt jedoch die Grenzen des<br />
Energieaufnahmevermögens der MO-Ableiter. Die zugeführte<br />
Energie darf nur so gross sein, dass der kritische Punkt nie erreicht<br />
wird. Dann ist P
7 Prüfungen<br />
Die Prüfung der ABB-Ableiter erfolgt nach den international<br />
vereinbarten Prüfvorschriften. Für MO-Ableiter ist seit August<br />
1998 die IEC 60099-4 gültig [6]. In den USA ist die Norm ANSI<br />
C62.11-1993 massgebend [7], welche weitgehend mit IEC<br />
übereinstimmt. Die MS-Ableiter von ABB erfüllen beide Normen.<br />
Die Prüfungen werden unterteilt in Typprüfungen, Stückprüfungen<br />
und Abnahmeprüfungen.<br />
Weiterhin werden an den Ableitern Sonderprüfungen<br />
durchgeführt, die nicht in den internationalen Vorschriften<br />
festgehalten sind.<br />
7.1 Typprüfungen<br />
Nach Abschluss der Entwicklung einer Ableiterkonstruktion<br />
werden Typprüfungen durchgeführt. Sie dienen dem Nachweis der<br />
Einhaltung der entsprechenden Norm. Bei MS-Ableitern sind<br />
folgende Prüfungen vorgesehen:<br />
Spannungsprüfung der Ableitergehäuse: bei dieser Prüfung wird<br />
nachgewiesen, dass die äussere Isolation der Gehäuse den zu<br />
erwartenden Spannungsbeanspruchungen gewachsen ist.<br />
Restspannungsprüfung: der Zweck dieser Prüfung ist die<br />
Bestätigung, dass das Schutzniveau der Ableiter die garantierten<br />
Daten nicht übersteigt.<br />
Prüfung mit Rechteckwellenstrom: mit dieser Prüfung wird<br />
belegt, dass die MO-Widerstände ohne Durch- bzw. Überschlag<br />
den möglichen dielektrischen und energetischen Beanspruchungen<br />
standhalten.<br />
Zeitraffende Alterungsprüfung: bei dieser Prüfung werden<br />
Widerstände bei 115 ° C während 1000 Stunden mit einer<br />
Spannung oberhalb Uc<br />
belastet. Dabei wird beobachtet, ob und wie<br />
stark die Verlustleistung der Widerstände im Laufe ihrer<br />
Lebensdauer zunimmt. Unter Lebensdauer wird nach [7] eine<br />
Zeitspanne von 110 Jahren verstanden. In dieser Zeit zeigen ABB-<br />
Widerstände keine Zunahme der Verlustleistung: sie unterliegen<br />
somit keinem Alterungsprozess.<br />
Arbeitsprüfung: Folgende Grössen sind bei dieser Prüfung von<br />
Bedeutung:<br />
• Referenzstrom Iref<br />
Er ist der Scheitelwert der ohmschen Stromkomponente bei dem<br />
die Referenzspannung gemessen wird. Iref<br />
soll gross genug sein,<br />
damit diese Messung nicht durch die Streukapazitäten der<br />
Ableiterbauglieder beeinflusst wird. Er muss vom Hersteller<br />
angegeben werden. Für die ABB-MS-Ableiter gelten folgende<br />
Werte für I :<br />
ref<br />
Die Arbeitsprüfung dient dem Nachweis der thermischen Stabilität<br />
der Ableiter. Sie erfolgt in zwei Schritten. Zuerst ist die<br />
Konditionierung der Widerstände durchzuführen. Dazu werden die<br />
Widerstände an die Spannung 1,2 * Uc<br />
gelegt und dieser<br />
Spannung überlagert 20 mal mit dem Nennableitstrom belastet.<br />
Die Konditionierung kann auch am kompletten Ableiter<br />
durchgeführt werden.<br />
Anschliessend werden die Widerstände in das Ableitergehäuse<br />
eingebaut und bei Raumtemperatur mit einem Hochstromstoss<br />
belastet. Nach dem Abkühlen des Prüflings wird er auf 60 ° C<br />
aufgeheizt und anschliessend erneut mit einem Hochstromstoss<br />
belastet. Spätestens 100 ms nach dem zweiten Hochstromstoss<br />
wird dem Prüfling für 10 s die netzfrequente Spannung Ur<br />
und<br />
dann 30 min lang Uc<br />
angelegt. In der letzten Phase der Prüfung<br />
muss sich zeigen, ob der Prüfling thermisch stabil bleibt oder aber<br />
instabil wird.<br />
Der hier beschriebene Prüfungsablauf gilt für MS-Ableiter mit<br />
Nennableitstrom 5 kA und 10 kA der Leitungsentladungsklasse 1.<br />
Der Ableiter hat die Prüfung bestanden, wenn<br />
• thermische Stabilität erreicht wurde<br />
• die Änderung der Restspannung, vor und nach der Prüfung<br />
gemessen, nicht grösser als5%ist<br />
• die Sichtkontrolle des Prüflings nach der Prüfung keinen<br />
Durchschlag, Überschlag oder mechanische Beschädigung der<br />
Widerstände ergibt.<br />
Wechselspannungs-Zeit-Kennlinie: bei dieser Prüfung geht es<br />
darum, die Kurven in Bild 7, welche im allgemeinen auf<br />
rechnerischem Wege ermittelt werden, experimentell zu<br />
bestätigen. Sie dient also dem Nachweis der ausreichenden<br />
Festigkeit der Ableiter gegenüber temporären Überspannungen.<br />
Druckentlastungsprüfung: bei Ableitern mit Druckentlastungsvorrichtungen<br />
weisen diese Prüfungen nach, dass das Ableiter-<br />
Gehäuse Kurzschluss-Strömen unter festgelegten Prüfbedingungen<br />
standhält ohne zu bersten. Bei Ableitern mit<br />
Kunststoffgehäuse ohne Druckentlastungsvorrichtung wird die<br />
Überprüfung des Verhaltens im Überlastungsfall durchgeführt<br />
indem der Ableiter gezielt elektrisch überlastet wird. An allen ABB-<br />
Ableitern mit Silikongehäuse wurden diese Prüfungen<br />
durchgeführt.<br />
1,4mA für POLIM-DN<br />
1,4 mA für POLIM-D<br />
1,6 mA für POLIM-DA<br />
2,2 mA für MWK, MWD, POLIM-I, POLIM-C<br />
3,6 mA für POLIM-S<br />
5 mA für POLIM-H<br />
• Referenzspannung Uref<br />
Sie ist definiert als die betriebsfrequente Spannung am Ableiter,<br />
bei der Iref<br />
fliesst. Uref<br />
wird ermittelt aus dem Scheitelwert der<br />
Spannung geteilt durch √ 2.<br />
• Bemessungsspannung (Rated Voltage) Ur<br />
Sie ist der höchste zulässige Effektivwert der Wechselspannung,<br />
für die der Ableiter bemessen ist, um unter der Bedingung der<br />
zeitweiligen Spannungserhöhung, wie sie in der Arbeitsprüfung<br />
festgelegt ist, bestimmungsgemäss zu arbeiten. Ur<br />
ist vom<br />
Ableiterlieferanten anzugeben und liegt bei ABB-Ableitern bei<br />
1,25 * U c. Die während der Prüfung angelegten Spannungen Ur<br />
und Uc<br />
sind entsprechend zu erhöhen, wenn<br />
- die Widerstände bei der zeitraffenden Alterungsprüfung eine<br />
Zunahme der Verlustleistung zeigen.<br />
- die Referenzspannung des Prüflings grösser ist als der vom<br />
Lieferanten garantierte Minimalwert für die Ableiter.<br />
Bild 8<br />
MO-Überspannungsableiter Typ MWK nach Überlastversuch mit<br />
20 kA (0,2 s) Kurzschlussstrom<br />
Prüfung bei künstlicher Verschmutzung: diese Prüfung soll<br />
zeigen, dass durch äussere Fremdschichtbedingungen die<br />
Ableiterinnenteile keine Beschädigung erleiden. Dabei ist<br />
besonders die erhöhte Temperaturbeanspruchung des Aktivteiles<br />
zu beachten, hervorgerufen durch die ungleichmässige<br />
Spannungsverteilung entlang der verschmutzten äusseren<br />
Isolation. Bei nichtkeramischen Isolationen wie Silikon sind<br />
Kurzzeitversuche wenig aussagekräftig. Hier werden Langzeitversuche<br />
durchgeführt zur Überprüfung der Alterungsbeständigkeit<br />
des Isoliermaterials und der Dichtigkeit der<br />
Konstruktion. Alle ABB-Ableiter wurden erfolgreich mit zyklischen<br />
Langzeitversuchen geprüft.<br />
11
7.2 Stückprüfungen<br />
Stückprüfungen werden an jedem Ableiter oder an Teilen von ihm<br />
(z.B. an Widerständen) durchgeführt, um sicherzustellen, dass<br />
das Produkt der Auslegung genügt.<br />
Messung der Referenzspannung: die gemessenen Werte der<br />
Referenzspannung Uref<br />
müssen innerhalb des vom Hersteller<br />
vorgegebenen Toleranzbereiches liegen. Die unterste Grenze von<br />
Uref<br />
garantiert die thermische Stabilität des Ableiters. Je höher der<br />
gemessene Wert von Uref<br />
bei der Endprüfung eines bestimmten<br />
Ableiter-Typs ist, desto kleiner ist die Verlustleistung bei Uc<br />
und<br />
desto besser ist seine Stabilität im Netzbetrieb.<br />
Prüfung der Restspannung: sie dient dem Nachweis, dass das<br />
garantierte Schutzniveau des Ableiters eingehalten wird. Die<br />
Restspannung kann an den einzelnen Widerständen beim<br />
Nennableitstrom gemessen werden.<br />
Teilentladungsprüfung: sie dient dem Nachweis der<br />
Teilentladungsfreiheit der Ableiter. Die Messung erfolgt bei der<br />
Spannung 1,05 Uc<br />
am gesamten Ableiter. Nach IEC ist ein<br />
Teilentladungspegel < 50 pC noch zulässig. ABB-Ableiter werden<br />
jedoch schärfer geprüft, indem die Grenze 5 pC eingehalten<br />
werden muss.<br />
Dichtigkeitsprüfung: mit dieser Prüfung wird nachgewiesen, dass<br />
das Porzellangehäuse die Ableiterinnenteile luftdicht abschliesst.<br />
Bei Kunststoffableitern entfällt diese Prüfung, da der Aktivteil<br />
direkt in Kunststoff vergossen ist.<br />
Zusätzlich zu den von IEC empfohlenen Stückprüfungen werden<br />
bei ABB-MS-Ableitern noch folgende zwei Prüfungen<br />
durchgeführt:<br />
• Messung des totalen Betriebsstromes bei Uc<br />
an jedem Ableiter<br />
• zeitraffende Alterungsprüfung über 300 Stunden an mindestens<br />
2 Widerständen jedes Fertigungsloses. Diese Prüfung stellt sicher,<br />
dass im Montageprozess nur Widerstände Verwendung finden,<br />
welche keinem Alterungsprozess unterliegen.<br />
7.3 Abnahmeprüfungen<br />
Werden bei Bestellung Abnahmeprüfungen vereinbart, so sind<br />
folgende Prüfungen an einer Anzahl der zu liefernden Ableiter<br />
durchzuführen, die sich aus der auf eine ganze Zahl nach unten<br />
abgerundeten dritten Wurzel der Liefermenge ergibt:<br />
•<br />
•<br />
Messung der Referenzspannung<br />
Messung der Restspannung am Ableiter bei Nennableitstrom<br />
• Messung des Teilentladungspegels bei 1,05 * Uc<br />
mit der<br />
gegenüber IEC verschärften Prüfbedingung < 5 pC.<br />
7.4 Sonderprüfungen<br />
Die in der neuesten Ausgabe der relevanten IEC-Vorschrift [6]<br />
aufgeführten Prüfungen beziehen sich auf Ableiter mit<br />
Porzellanisolatoren. In dem IEC-Arbeitspapier für MO-Ableiter mit<br />
Polymergehäuse [22] werden Prüfungen speziell für Ableiter mit<br />
Kunststoffgehäuse diskutiert. In Anlehnung an dieses<br />
Arbeitspapier, und darüber hinausgehend, wurden an ABB-MS-<br />
Ableitern mit Silikonisolation unter anderem die folgenden<br />
Prüfungen durchgeführt:<br />
Überlastungsprüfung: diese Prüfung zeigt das Verhalten des<br />
Ableiters bei Überlastung. In der Prüfung wird der Ableiter durch<br />
anlegen erhöhter Spannung gezielt überlastet bis zur Zerstörung<br />
und Auftreten des Netz-Kurzschlussstromes. Aufgrund der<br />
besonderen Konstruktion (Direktverguss) und des gewählten<br />
Isolationsmaterials (Silikon) sind die ABB-MS-Ableiter<br />
explosions- und zerfallsicher bis zu höchsten Prüfströmen. Da<br />
Silikon selbstlöschend ist, besteht keine Gefahr, dass durch<br />
herabfallende brennende Isolationsteile Brände ausgelöst werden<br />
können.<br />
Wetter-Alterungsprüfung: die Prüfung zeigt das Langzeitverhalten<br />
des Isoliermaterials und der Konstruktion gegenüber zyklischer<br />
Umweltbelastung wie Wärme, Feuchtigkeit, Regen, Salznebel und<br />
UV-Strahlung bei dauernd anliegender Spannung. Die gesamte<br />
Prüfdauer beträgt 5000 Stunden.<br />
UV-Strahlung: das Isoliermaterial wird einer 1000 Stunden<br />
dauernden UV-Strahlung mit zusätzlicher Befeuchtung ausgesetzt.<br />
Die Isoliereigenschaften von Silikon werden davon nicht negativ<br />
beeinflusst. Im Gegenteil, die UV-Strahlung fördert den Prozess<br />
der sich ständig erneuernde Hydrophobie der Silikonoberfläche.<br />
Tieftemperatur: die Konstruktion wie auch die verwendeten<br />
Materialien der ABB-MS-Ableiter mit Silikongehäuse vertragen<br />
o<br />
Temperaturen bis zu minus 60 C ohne Veränderung der<br />
elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Weiterhin haben<br />
o<br />
zyklische Vereisungen bis zu minus 40 C in Wasser gezeigt, dass<br />
die Konstruktion und insbesondere die Oberfläche des Silikons<br />
nicht durch die Eisbildung beeinträchtigt wird.<br />
Feuchtigkeit: Langzeitversuche mit Prüfdauern von bis zu über 2<br />
Jahren, in denen die Ableiter rel. Luftfeuchte von über 90%<br />
ausgesetzt waren, zeigen, dass das elektrische Verhalten der<br />
Ableiter nicht durch eindringende Feuchtigkeit beeinflusst wird,<br />
oder die Ableiter defekt werden.<br />
8 Auswahl der Ableiter und Bestimmung von U c<br />
c<br />
Damit der Ableiter den Anforderungen des Netzbetriebes genügt,<br />
sind bei der Wahl seiner maximalen Dauerbetriebsspannung U<br />
zwei Bedingungen einzuhalten:<br />
• Uc<br />
muss grösser sein als die dauernd an den Klemmen des<br />
Ableiters anliegende netzfrequente Spannung.<br />
• T*Uc<br />
muss grösser sein als die zu erwartende temporäre Überspannung<br />
an den Ableiterklemmen. Nach Bild 7 ist T abhängig von<br />
der Zeitdauer t der temporären Überspannung. Bei der<br />
Bestimmung von T ist also auch t zu berücksichtigen. Aus<br />
Sicherheitsgründen wird man dazu im allgemeinen die untere<br />
Kurve von Bild 7 verwenden.<br />
Für die Wahl von Uc<br />
des Ableiters im Drehstromnetz ist in erster<br />
Linie sein Einsatzort massgebend: zwischen Phase und Erde,<br />
zwischen Sternpunkt und Erde oder zwischen den Phasen. Die<br />
maximale stationäre Spannung an den Anschlussklemmen des<br />
Ableiters lässt sich mit Hilfe der maximalen Spannung Um<br />
zwischen den Phasen berechnen. Ist diese nicht genau bekannt,<br />
dann sollte Um<br />
durch die höchste Spannung des Netzes oder durch<br />
die höchste Spannung für Betriebsmittel ersetzt werden.<br />
In Drehstromnetzen sind vor allem die temporären Überspannungen<br />
UTOV<br />
zu beachten. Sie treten meistens bei<br />
Erdschlüssen auf. Ihre Höhe ist durch die Sternpunktbehandlung<br />
des Netzes gegeben. Ferner ist die Betriebsführung des Netzes von<br />
Bedeutung, da sie die Dauer t dieser temporären Überspannungen<br />
festlegt, und damit die Grösse T(t) für Uc<br />
mitbestimmend ist:<br />
UTOV<br />
Uc<br />
> -------------<br />
T(t)<br />
8.1 Netze mit Erdschlusskompensation oder mit<br />
hochohmig isoliertem Sternpunkt<br />
Unter Erdschlussbedingungen steigt die Spannung an den<br />
"gesunden" Phasen höchstens auf U m:<br />
U > U für Ableiter zwischen Phase und Erde.<br />
c<br />
m<br />
Die Spannung am Sternpunkt des Transformators kann höchstens<br />
U / 3 erreichen:<br />
m √<br />
Um<br />
Uc<br />
> ------- für Ableiter zwischen dem Transformator-<br />
√3 Sternpunkt und Erde.<br />
In jedem Netz sind Induktivitäten und Kapazitäten vorhanden,<br />
welche zusammen Schwingkreise bilden. Liegt deren Frequenz in<br />
der Nähe der Betriebsfrequenz, so könnte beim einpoligen<br />
Erdschluss die Spannung zwischen Phase und Erde grundsätzlich<br />
höher als Um<br />
werden. Der Netzbetreiber ist aber bemüht, solche<br />
Resonanzerscheinungen zu vermeiden. Gelingt dies nicht, so ist<br />
U entsprechend höher zu wählen.<br />
c<br />
12
8.2 Netze mit hochohmig isoliertem Sternpunkt und<br />
Erdschluss-Abschaltung<br />
Die temporären Überspannungen sind gleich hoch wie die im<br />
Abschnitt 8.1. Die frühzeitige Abschaltung des Erdschlusses<br />
ermöglicht jedoch eine Verkleinerung von Uc<br />
um den Faktor T.<br />
Erfolgt beispielsweise die Erdschlussabschaltung nach höchstens<br />
t = 10 s, dann ergibt sich mit Hilfe von Bild 7 die Reduktion T = 1,26.<br />
Uc<br />
><br />
Um<br />
-----<br />
T<br />
für Ableiter zwischen Phase und Erde.<br />
Um<br />
Uc<br />
> ----------- für Ableiter zwischen dem<br />
T * √3<br />
Transformator-Sternpunkt und Erde.<br />
8.3 Netze mit niederohmiger Sternpunkterdung (C e < 1,4)<br />
In solchen Netzen sind mindestens so viele Transformatoren im<br />
Sternpunkt niederohmig geerdet, dass bei Erdschlüssen die<br />
Phasenspannung im ganzen Netz nie über 1,4 p.u. ansteigt<br />
(Erdfehlerfaktor Ce < 1,4). Daher ist UTOV < 1,4 * U m / √3. Es darf<br />
angenommen werden, dass die Abschaltzeit des Erdschlusses<br />
höchstens t=3sbeträgt. Daraus folgt (zum Beispiel für den<br />
Ableiter MWK) T = 1,28, so dass gilt:<br />
U<br />
c<br />
1,4 * Um<br />
1,1 * Um<br />
> ------------- = ------------- für Ableiter<br />
1,28 * √3 √3 zwischen Phase und Erde.<br />
Die Spannung an den Sternpunkten der nicht geerdeten<br />
Transformatoren erreicht höchstens U = 0,4 * U :<br />
TOV<br />
Uc<br />
><br />
0,4 * Um<br />
---------- = 0,32 * Um<br />
für Ableiter zwischen<br />
1,28 Transformator-Sternpunkt<br />
und Erde.<br />
8.4 Netze mit niederohmig geerdeten Sternpunkten,<br />
aber nicht überall Ce < 1,4<br />
Für Ableiter in der Nähe des im Sternpunkt geerdeten<br />
Transformators kann Uc<br />
entsprechend Abschnitt 8.3 gewählt<br />
werden, da hier Ce<br />
< 1,4 zutrifft.<br />
Sind die Ableiter aber einige km vom Transformator entfernt, z.B.<br />
bei einem entfernten Übergang von einer Freileitung zu einem<br />
Kabel, dann ist Vorsicht geboten. Ist der Boden ausgetrocknet oder<br />
besteht er aus Fels, so ist der Untergrund relativ hochohmig. Dies<br />
kann dazu führen, dass die Phasenspannung am Ort des Ableiters<br />
in die Nähe von Um<br />
kommt, weshalb in diesem Fall zu empfehlen<br />
ist: Um<br />
Uc<br />
> -------- für Ableiter zwischen Phase und Erde<br />
T<br />
Im allgemeinen wird die Erdschlussüberwachung den Erdschluss<br />
rasch abschalten (t < 3 s): also T = 1,28 (für den Ableiter MWK).<br />
Unter extrem schlechten Erdungsbedingungen, wie z.B in<br />
Wüstenregionen, fliesst unter Umständen beim entfernten<br />
Erdschluss nur ein geringer Kurzschlussstrom. Wird dieser durch<br />
die Überwachung nicht erfasst, so unterbleibt die Ausschaltung.<br />
Die Ableiter in der Nähe des Erdschlusses sind für längere Zeit mit<br />
Umbelastet, weshalb hier Uc > Umzu wählen ist.<br />
Zur Erinnerung: befinden sich die Ableiter im eben beschriebenen<br />
Netz beim Transformator mit niederohmig geerdetem Sternpunkt,<br />
so ist Uc<br />
> 1,4 * U m/ 1,28 * √3 zulässig. Es empfiehlt sich, die<br />
Erdanschlüsse der Ableiter mit dem Transformator-Kessel<br />
galvanisch zu verbinden und diese Verbindungen möglichst kurz<br />
zu gestalten.<br />
m<br />
8.5 Netze mit niederohmiger Sternpunkterdung und C e > 1,4<br />
Dies betrifft Netze, welche mit einer Impedanz geerdet sind, damit<br />
der Kurzschlusstrom auf beispielsweise 2 kA begrenzt wird. Im<br />
Erdschlussfall steigt die Spannung in den "gesunden" Phasen auf<br />
U m. Bei ohmscher Sternpunkterdung kann die Spannung auch 5%<br />
höher als Um<br />
sein. Ist die Ausschaltzeit des Erdschlusses<br />
höchstens t = 10 s, dann ergibt sich mit T = 1,26 (für den MWK):<br />
1,05 * Um<br />
Uc<br />
> -------------- = 0,84 U m.<br />
T<br />
8.6 Ableiter zwischen den Phasen (Neptunschaltung)<br />
In speziellen Fällen wie z.B. beim Transformator von<br />
Lichtbogenofenanlagen treten Schaltüberspannungen auf, welche<br />
durch die Ableiter zwischen Phase und Erde nur ungenügend<br />
begrenzt werden. Hier sind Ableiter zwischen den Phasen<br />
einzusetzen:<br />
U > U für Ableiter zwischen den Phasen.<br />
Der Ableiterschutz besteht dann aus 6 Ableitern, 3 zwischen den<br />
Phasen und 3 zwischen Phase und Erde.<br />
Bild 9 zeigt als Abwandlung davon eine Ableiterschaltung, welche<br />
wegen der Anordnung der Ableiter Neptunschaltung genannt wird.<br />
Sie besteht aus 4 gleichen Ableitern. Zwischen Phase und Erde<br />
sowie zwischen den Phasen sind jeweils 2 Ableiter in Serie<br />
geschaltet. Diese Anordnung liefert daher einen Überspannungsschutz<br />
sowohl zwischen Phase und Erde als auch zwischen den<br />
Phasen. Sie hat aber einen wesentlichen Nachteil gegenüber der<br />
oben beschriebenen Anordnung mit 6 Ableitern. Bei einem<br />
Erdschluss z.B. in der Phase des Ableiters A1 sind die Ableiter A1<br />
und A4 parallel geschaltet. Da sich die Ableiter bei<br />
Dauerbetriebsspannung kapazitiv verhalten, bilden alle 4 Ableiter<br />
zusammen ein unsymmetrisches kapazitives System.<br />
Dies hat zur Folge, dass die Spannung an den Ableitern A2 und A3<br />
den Wert 0,667 * U erreicht. Alle 4 Ableiter müssen daher für<br />
U<br />
c<br />
c<br />
m<br />
> 0,667 * U<br />
m<br />
m<br />
ausgelegt werden. Das Schutzniveau dieser Schaltung, bei der<br />
immer zwei Ableiter in Serie liegen, entspricht also dem von<br />
Ableitern mit Uc><br />
1,334 * U m. Bei der Anordnung mit 6 Ableitern<br />
reicht dagegen Uc<br />
> Um<br />
aus. Das Schutzniveau bei der<br />
Neptunschaltung ist also 33 % höher als bei der Anordnung mit 6<br />
Ableitern.<br />
Bild 9<br />
Uc><br />
Um<br />
T<br />
Uc><br />
Um<br />
A1<br />
a) b)<br />
Überspannungsschutz zwischen Phase und Erde<br />
und zwischen den Phasen<br />
T:<br />
a):<br />
b):<br />
A1, A2, A3, A4<br />
A2<br />
A4<br />
A3<br />
Transformator<br />
Ableiterschutz mit 6 Ableitern<br />
Neptunschaltung<br />
vier gleiche Ableiter mit U c> 0.667 x Um<br />
T<br />
Uc><br />
0,667 x Um<br />
13
8.7 Betriebsspannung mit Oberschwingungen<br />
Oberwellenströme erzeugen in der betriebsfrequenten Spannung<br />
Oberschwingungen. Deshalb kann der Scheitelwert der<br />
verketteten Spannung unter Umständen grösser sein als √2 * U m.<br />
Liegt dieser Unterschied unterhalb 5 %, dann ist Uc<br />
entsprechend<br />
zu erhöhen, sofern Uckleiner als 1,05 * U m* √3, bzw. kleiner als<br />
1,05 * Um<br />
ist bei Ableitern zwischen Phase und Erde, bzw. bei<br />
Ableitern zwischen den Phasen.<br />
Ist hingegen die Spannungserhöhung infolge der Oberwellen<br />
grösser als 5 %, so sollte die Wahl von Uc<br />
mit dem<br />
Ableiterlieferanten abgesprochen werden. Dasselbe gilt für<br />
Spannungsformen welche oft in der Nähe von Thyristventilen<br />
beobachtet werden können: Spannungssprünge, Zündspitzen,<br />
Unsymmetrie in den beiden Halbperioden.<br />
9 Die Schutzdistanz von Ableitern<br />
Ein Betriebsmittel ist um so besser gegen Blitzüberspannungen<br />
geschützt, je mehr seine Blitzstoss-Haltespannung (BIL) das<br />
Schutzniveau Updes Ableiters übersteigt. Moderne Ableiter mit Up<br />
= 3,33 * Ucund darunter halten Up<br />
< 4 p.u. ein, selbst wenn der<br />
Sternpunkt des Netzes hochohmig isoliert sein sollte. Für<br />
Betriebsmittel, welche Blitzüberspannungen ausgesetzt sind,<br />
empfiehlt IEC [9] die in Tabelle 5 genannten BIL-Werte. Ferner<br />
empfiehlt IEC [10] für das MS-Netz BIL > 1,4 * U p. Wie aus Tabelle<br />
5 hervorgeht, genügen moderne Ableiter diesen Anforderungen.<br />
U<br />
Überspannung am Leitungsende E<br />
U: einlaufende Überspannungswelle<br />
v: Fortpflanzungsgeschwindigkeit von U<br />
S: Frontsteilheit von U<br />
A: Ableiter<br />
U p: Schutzniveau von A<br />
a, b: Länge der Verbindungsleitungen<br />
E: Ende der Leitung<br />
U E: Überspannung bei E<br />
Bild 10<br />
v<br />
2 * S * (a+b)<br />
U E = U p + ---------------------- v = 300 m/ s<br />
v<br />
S<br />
A<br />
b<br />
U p<br />
a<br />
U E<br />
E<br />
Um<br />
BIL<br />
Up<br />
BIL/U<br />
p<br />
kV 3.6 7.2 12 17.5 24 36<br />
kV 40 60 75 95 125 170<br />
kV 12 24 40 58.3 79.9 119.9<br />
3.33 2.5 1.88 1.63 1.56 1.42<br />
Tabelle 5<br />
Blitzstoss-Haltespannung (BIL) nach IEC [9] und Schutzniveau<br />
von modernen Ableitern mit U = 4 p. u. p<br />
Der Faktor 1,4 ist deshalb so reichlich bemessen, weil es zu<br />
berücksichtigen gilt, dass die Überspannung beim Betriebsmittel<br />
Up<br />
übersteigen kann. Reflexionseffekte bewirken eine Zunahme<br />
der Spannung am Betriebsmittel mit dessen Entfernung vom<br />
Ableiter. Ab einer gewissen Entfernung ist also der Ableiterschutz<br />
ungenügend. Unter der Schutzdistanz L wird der maximale<br />
Abstand zwischen dem Ableiter und dem Betriebsmittel<br />
verstanden, bei welchem dieses noch ausreichend geschützt ist.<br />
Für die Auslegung des Überspannungsschutzes ist es natürlich<br />
wichtig, diese Schutzdistanz zu kennen. Sie wird im Folgenden für<br />
Ableiter in MS-Anlagen abgeschätzt.<br />
9.1 Theoretischer Ansatz für die Schutzdistanz L<br />
Auf der Freileitung in Bild 10 läuft eine Überspannung U als<br />
Wanderwelle mit der Geschwindigkeit v auf das Leitungsende E zu.<br />
An der Stelle E befindet sich das zu schützende Betriebsmittel. Für<br />
die folgende Betrachtung wird angenommen, dass das zu<br />
schützende Betriebsmittel hochohmig ist (Transformator, offener<br />
Schalter). Wenn die Wanderwelle E erreicht, wird sie reflektiert und<br />
die Spannung steigt auf 2 * U an. Es ist die Aufgabe des Ableiters A,<br />
zu verhindern, dass die Spannung am zu schützenden<br />
Betriebsmittel unzulässig hohe Werte erreicht. Unter der<br />
vereinfachenden Annahme, dass die Frontsteilheit S der<br />
einlaufenden Überspannungswelle zeitlich konstant ist, gilt für den<br />
Maximalwert von U folgende Beziehung:<br />
E<br />
Die Erfahrung hat gezeigt, dass zwischen dem BIL des<br />
Betriebsmittels und der Blitzüberspannung UE<br />
am Betriebsmittel<br />
ein Sicherheitsabstand von 1,2 ausreichend ist.<br />
BIL<br />
2 * S * (a+b)<br />
----- > U E = U p+ -------------------<br />
1,2 v<br />
Setzt man als Grenzwert L = a + b, so folgt die gesuchte Gleichung<br />
(1) für<br />
v BIL<br />
L = -------- * [--------- - U p ] (1)<br />
2 * S 1,2<br />
Ist die Summe der Verbindungsleitungen a + b kleiner als die<br />
Schutzdistanz L des Ableiters, dann ist das Betriebsmittel an der<br />
Stelle E ausreichend geschützt. Damit aus Gleichung (1) die<br />
Schutzdistanz L ermittelt werden kann, muss die Steilheit S<br />
bekannt sein. Im folgenden Abschnitt wird der Erwartungswert<br />
von S abgeschätzt.<br />
9.2 Zu erwartende Steilheit S von Blitzüberspannungen in<br />
MS-Schaltanlagen<br />
Bild 11 zeigt einen Blitzeinschlag in ein Leiterseil. Die Zeitfunktion<br />
des Blitzstromes ist mit i(t) bezeichnet. Im Leiterseil fliessen vom<br />
Einschlagort aus nach beiden Seiten die Blitzströme i/2. Ist Z der<br />
Wellenwiderstand des Leiters gegen Erde, so erzeugen diese<br />
Ströme zwischen Leiterseil und Erde die Blitzüberspannung u(t)<br />
mit der Steilheit des Spannungsanstieges S(t). Wie in Bild 11<br />
angedeutet, ist S(t) im allgemeinen zeitlich nicht konstant. Im<br />
Folgenden wird die maximale Steilheit im Anstieg der<br />
Überspannungswelle mit S bezeichnet.<br />
14
Bild 11<br />
i/2<br />
F<br />
i(t)<br />
Blitzüberspannung bei Blitzeinschlag in Freileitung<br />
F:<br />
Z:<br />
t:<br />
i(t):<br />
di / dt:<br />
u(t):<br />
S:<br />
i/2<br />
u(t)<br />
S=<br />
Zxdi/dt<br />
2<br />
u(t) =<br />
Zxi/(t)<br />
2<br />
Freileitung<br />
Wellenwiederstand von F<br />
Zeit<br />
totaler Blitzstrom in Funktion der Zeit<br />
maximale Steilheit von i(t)<br />
Blitzüberspannung in Funktion der Zeit<br />
maximale Steilheit von u(t)<br />
Bei 10% aller Blitze ist die maximale Stromänderung di/dt grösser<br />
als 32 kA/ s. Ist Z = 450 Ω , so wird also jeder zehnte<br />
Blitzeinschlag eine maximale Spannungssteilheit S > 7200 kV/ s<br />
bewirken. Eine solche Steilheit ist in der Schaltanlage nur zu<br />
erwarten, wenn der Blitzeinschlag in der Nähe der Anlage auftritt.<br />
Die Wahrscheinlichkeit für das Eintreffen eines solchen<br />
Ereignisses ist allerdings sehr gering. Innerhalb eines Abstandes<br />
von beispielsweise 25 m vor der Anlage wird durchschnittlich nur<br />
alle 5000 Jahre einmal ein Blitz einschlagen, dessen Stromsteilheit<br />
32 kA/ s übersteigt.<br />
Erfolgt der Blitzeinschlag weit entfernt von der Schaltanlage, so<br />
sind wesentlich kleinere Spannungssteilheiten in der Anlage zu<br />
erwarten. Auf dem Weg vom Einschlagsort bis zur Schaltanlage<br />
erfährt nämlich die Front der Überspannungswelle infolge Korona-<br />
Dämpfung eine Abflachung. Ist So<br />
die Steilheit beim Einschlagsort,<br />
so reduziert sich die Steilheit längs der Leiterstrecke d auf den<br />
Wert 1<br />
S = -----------------<br />
1/S o + K * d<br />
Die Konstante K ist von der Geometrie der Freileitung abhängig.<br />
-6<br />
Für MS-Leitungen wurde sie in [11] zu K=5*10 s/ kVm<br />
abgeschätzt.<br />
Beim Einschlagort, der z.B. d = 135 m von der Anlage entfernt sei,<br />
verursache ein Blitz eine unendlich grosse Spannungssteilheit S o.<br />
Nach obiger Formel wird die Steilheit S in der Schaltanlage dank<br />
der Koronadämpfung kleiner als 1500 kV/ s sein. Daraus folgt,<br />
dass nur Blitze, welche im Streckenabschnitt d = 135 m vor der<br />
Anlage das Leiterseil treffen, in der Anlage S > 1500 kV/ s<br />
bewirken können.<br />
Aus [12] lässt sich ableiten, dass im Mittel pro Jahr 8 Blitze in eine<br />
100 km lange Freileitung einschlagen. Diese Zahl gilt für deutsche<br />
MS-Netze der Spannungsebenen 10, 20 und 30 kV. In Deutschland<br />
beträgt die Einschlagsdichte der Erdblitze im Mittel etwa 3 Blitze<br />
2<br />
pro Jahr und km . Dies ergäbe nach [13] etwa 25 Blitzeinschläge<br />
pro Jahr und 100 km Freileitungslänge. Dieser um den Faktor 3<br />
grössere, auf rechnerischem Wege ermittelte Wert setzt eine MS-<br />
Leitung im ebenen Gelände voraus. Der Unterschied ist also darauf<br />
zurückzuführen, dass MS-Leitungen oft nicht freistehend sind: sie<br />
werden von Nachbarleitungen, Gebäuden und Waldungen gegen<br />
Blitzeinwirkung abgeschirmt. Im Folgenden wird mit dem<br />
Erfahrungswert von 8 Blitzen pro Jahr und 100 km<br />
Freileitungslänge gerechnet. Dabei ist aber im Auge zu behalten,<br />
dass bei topographisch ungünstigen Bedingungen mit mehr<br />
Blitzeinschlägen zu rechnen ist. Insbesondere in Gegenden mit<br />
extrem hoher Blitztätigkeit sind 100 Blitze pro Jahr und 100 km<br />
Freileitungslänge nicht auszuschliessen.<br />
t<br />
Z<br />
Die Wahrscheinlichkeit eines Blitzeinschlages im Streckenabschnitt<br />
d = 135 m beträgt also 0,01 pro Jahr. In eine MS-<br />
Schaltanlage wird demnach höchstens alle 100 Jahre einmal eine<br />
Blitzüberspannung einlaufen, deren Steilheit oberhalb 1500 kV/ s<br />
liegt.<br />
Diese zwei willkürlich ausgewählten Beispiele sollen zeigen, dass<br />
grosse Spannungssteilheiten seltener auftreten als kleine. Der<br />
Erwartungswert einer Steilheit ist daher immer gekoppelt mit der<br />
Wahrscheinlichkeit des Eintreffens. Es ist üblich, an Stelle der<br />
Wahrscheinlichkeit den Zeitintervall ts<br />
anzugeben, welcher im<br />
Durchschnitt zwischen zwei Ereignissen verstreicht. Im obigen<br />
Beispiel werden natürlich nicht alle Blitze, welche das Leiterseil im<br />
Streckenabschnitt d = 135 m treffen, in der Schaltanlage eine<br />
Steilheit grösser 1500 kV/ s bewirken. Bei manchen Blitzen ist die<br />
Steilheit des Stromanstieges dazu zu gering. Viele Blitze treffen<br />
mehr als nur eines der drei Leiterseile, was zur Reduktion der<br />
Stromsteilheit in den einzelnen Leitern führt und damit die<br />
Spannungssteilheit heruntersetzt.<br />
Wesentliche Bedeutung kommt ferner dem Umstand zu, dass der<br />
Anstieg der Blitzströme konkav verläuft [13]. Deshalb tritt die<br />
höchste Steilheit der Überspannung, wie in Bild 11 angedeutet,<br />
erst im Bereich des Spannungsmaximums auf. Bei<br />
Spannungswellen von Blitzen mit hoher Stromamplitude erfolgt<br />
bereits ein Überschlag von Leiter gegen Erde, bevor das Maximum<br />
der Spannung erreicht ist. Dadurch wird der obere Teil der Welle<br />
abgeschnitten, sodass die höchste Spannungssteilheit gar nicht<br />
wirksam wird.<br />
Nur ein Bruchteil der Blitze, welche im Streckenabschnitt d = 135 m<br />
in das Leiterseil einschlagen, erzeugen also in der Schaltanlage S ><br />
1500 kV/ s. Die Wahrscheinlichkeit für S > 1500 kV/ s ist deshalb<br />
bedeutend kleiner als 0,01 pro Jahr. Sie lässt sich mit Hilfe der<br />
Blitzstromstatistik von Berger [14] abschätzen. Unter der<br />
Annahme eines parabelförmigen Verlaufes des Stromanstieges<br />
ergeben sich die in Tabelle 6 genannten Werte für die zu<br />
erwartenden Steilheiten in einer MS-Schaltanlage. Die kleineren<br />
Werte für S bei Leitungen mit geerdeten Traversen sind eine Folge<br />
der kleineren Überschlagsspannungen der Isolatoren gegenüber<br />
der Überschlagsspannung längs der Holzmasten.<br />
Die Werte von ts<br />
in Tabelle 6 wurden unter der Annahme von 8<br />
Blitzeinschlägen pro Jahr und 100 km Freileitungslänge ermittelt.<br />
Für ts<br />
sind nur Blitze von Bedeutung, welche in den ersten 300 m<br />
vor der Schaltanlage die Leitung treffen. Ist dieses Leitungsstück<br />
freistehend, d.h. ist es nicht von Nachbarleitungen, Gebäuden oder<br />
Waldungen gegen Blitzeinwirkung abgeschirmt, dann sind die<br />
Werte von ts<br />
dreimal kleiner. Sie sind sogar 12 mal kleiner, wenn<br />
zusätzlich eine extrem hohe Blitztätigkeit vorherrscht.<br />
Art der<br />
Freileitung<br />
Zeitintervall<br />
t [Jahre] s<br />
600<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
Holzmasten mit 3000 kV<br />
Überschlagsspannung<br />
1<br />
S[kV/ s]<br />
1940<br />
1630<br />
1450<br />
1200<br />
820<br />
2<br />
S[kV/ s]<br />
1850<br />
1530<br />
1350<br />
1100<br />
660<br />
20 kV Netz mit<br />
geerdeten Traversen<br />
1<br />
S[kV/ s]<br />
1060<br />
920<br />
820<br />
700<br />
520<br />
2<br />
S[kV/ s]<br />
820<br />
730<br />
660<br />
580<br />
440<br />
Tabelle 6<br />
Zu erwartede Steilheiten S von Blitzüberspannungen in MS-Schaltanlagen:<br />
Die angegebenen Werte von S werden durchschnittlich einmal im Zeitintervall<br />
ts<br />
überschritten.<br />
1 bei einphasigen Blitzeinschlägen / 2 bei dreiphasigen Blitzeinschlägen<br />
15
Für Betriebsmittel in Freiluftschaltanlagen wird in [15] ein<br />
Zeitintervall ts<br />
von 400 Jahren empfohlen. Aus Tabelle 6 ergeben<br />
sich somit folgende Erwartungswerte für die Höhe U und die<br />
Steilheit S der in die Anlage einlaufenden Überspannung:<br />
Freileitung mit Holzmasten geerdeten<br />
Traversen<br />
U [kV] 3000 660<br />
S [kV/ s] 1550 800<br />
Dabei wurden 8 Blitzeinschläge pro Jahr und 100 km<br />
Freileitungslänge angenommen und vorausgesetzt, dass<br />
mehrphasige Blitzeinschläge öfter auftreten als einphasige.<br />
Diese Steilheiten S werden in der Schaltanlage im Mittel alle 400<br />
Jahre einmal überschritten. Der zeitliche Verlauf des Anstieges der<br />
Überspannung ist parabelförmig und hat bei U die Steilheit S:<br />
2 2<br />
t * S<br />
u (t) = ------------- (2)<br />
4*U<br />
Gleichung (2) ist für das Zeitintervall 0 < t < 2 * U/S definiert. Bei<br />
Leitungen mit geerdeten Traversen wird U = 660 kV angenommen.<br />
Dies ist etwa die Überschlagsspannung eines 20 kV-<br />
Freileitungsisolators bei Keilstoss-Spannungen mit 800 kV/ s<br />
Steilheit und negativer Polarität.<br />
Setzt man in Gleichung (2) die Werte U und S ein, dann wird<br />
ersichtlich, dass der zeitliche Anstieg der Blitzüberspannung u(t)<br />
bei beiden Leitungsarten etwa gleich verläuft. Da der Ableiter die<br />
Spannung weit unterhalb U begrenzt, wirkt sich daher der grössere<br />
Wert S bei Holzmastleitungen hinsichtlich der Schutzdistanz des<br />
Ableiters nicht aus. Trotzdem sind die Schutzdistanzen bei den<br />
beiden Leitungsarten verschieden. Der Grund liegt in der<br />
unterschiedlichen Höhe U der einlaufenden Überspannungswelle.<br />
Der Blitzstrom i durch den Ableiter erreicht etwa den Scheitelwert<br />
Im allgemeinen besitzt nämlich das Betriebsmittel, hier ein<br />
Transformator, eine Kapazität C gegen Erde. Diese verursacht in<br />
den Leiterabschnitten a und b eine Spannungsschwingung, mit<br />
der Folge, dass die Spannung UT<br />
mit C zunimmt. Dies führt zu einer<br />
Verkleinerung der Schutzdistanz.<br />
Einen gegenteiliegen Einfluss bewirkt hingegen der<br />
parabelförmige Anstieg der Blitzüberspannung. Der Ableiter<br />
begrenzt die Überspannung weit unterhalb ihres Scheitelwertes.<br />
Die maximale Steilheit, welche erst im Bereich des<br />
Spannungsmaximums auftritt, wirkt sich daher nicht aus.<br />
Bei der Herleitung von L nach Gleichung (1) wurde davon<br />
ausgegangen, dass der Ableiter erst leitend wird, wenn die<br />
Spannung an seinen Klemmen den Wert Up<br />
erreicht hat. Dies ist<br />
bei Funkenstreckenableitern der Fall. MO-Ableiter ohne<br />
Funkenstrecken sind jedoch schon leitend, bevor die<br />
Klemmenspannung Up<br />
erreicht hat. Ihre Schutzwirkung setzt also<br />
früher ein. MO-Ableiter schützen daher unter gewissen<br />
Umständen ein entferntes Betriebsmittel besser oder besitzen,<br />
was gleichbedeutend ist, eine längere Schutzdistanz.<br />
Für die Anordnung nach Bild 12 wurden die Schutzdistanzen der<br />
Ableiter berechnet. Der Anstieg der Überspannungswelle wurde<br />
parabelförmig angenommen und Ableiter mit U p= 4 p.u. bei I n= 5<br />
kA vorausgesetzt. Mit b < 1 m ergab sich für die Netzspannungen<br />
bis 7,2 kV<br />
L = 20 m bei Holzmastleitungen, C = 0<br />
L = 6 m bei Holzmastleitungen, C=2nF<br />
L = 25 m bei Leitungen mit geerdeten Traversen, C = 0<br />
L = 15 m bei Leitungen mit geerdeten Traversen, C=2nF<br />
U<br />
v<br />
S<br />
a<br />
U T<br />
2* U-Up<br />
i = --------------- (3)<br />
Z<br />
A<br />
b<br />
U p<br />
c<br />
T<br />
Mit Z = 450 Ω ist also bei Holzmastleitungen ( U = 3000 kV ) ein<br />
Strom durch den Ableiter von 13 kA zu erwarten. Bei Leitungen mit<br />
geerdeten Traversen ( U = 660 kV ) liegt er jedoch unterhalb 3 kA.<br />
Dieser Unterschied beeinflusst die Begrenzungsspannung der<br />
Ableiter. Diese liegt bei Holzmastleitungen also höher, was bei<br />
dieser Leitungsart zu einer kürzeren Schutzdistanz der Ableiter<br />
führt.<br />
9.3 Beeinflussung der Schutzdistanz durch die<br />
Betriebsmittel, den Ableitertyp und die Anordnung<br />
der Ableiter<br />
Setzt man obige Werte von S in Gleichung (1) ein, so ergeben sich<br />
mit BIL und U aus Tabelle 5 etwa folgende Schutzdistanzen:<br />
p<br />
L = 2,3 m bei Holzmastleitungen<br />
L = 4,5 m bei Leitungen mit geerdeten Traversen<br />
Überspannung beim Transformator<br />
U: einlaufende Überspannungswelle a, b: Länge der Verbindungsleitungen<br />
v: Fortpflantzungsgeschwindigkeit von U<br />
S: maximale Frontsteilheit von U T: Transformator<br />
A: Ableiter<br />
C: Kapazität von T zwischen<br />
U p:<br />
Schutzniveau von A<br />
Phase und Erde<br />
U : Überspannung bei T<br />
Bild 12<br />
Diese Werte gelten sowohl für MO-Ableiter als auch für<br />
Funkenstreckenableiter. Der Einfluss der Kapazität C des<br />
Betriebsmittels auf die Länge von L ist deutlich zu sehen. Die<br />
Schutzdistanzen der Ableiter in den Netzebenen U m = 17,5 kV und<br />
24 kV sind in Bild 13 dargestellt. Auch hier ist ersichtlich, wie L mit<br />
zunehmender Kapazität des Betriebsmittels abnimmt.<br />
T<br />
Diese Werte sind gültig für die vereinfachenden Annahmen nach<br />
Bild 10. Sie bedürfen deshalb einer Korrektur entsprechend<br />
Bild 12.<br />
16
Dies ist besonders beim Ableiterschutz von Transformatoren von<br />
S=1550 kV / s<br />
Bedeutung, da diese eine nicht zu vernachlässigende Kapazität<br />
U=3000 kV<br />
gegen Erde aufweisen. Bemerkenswert ist ferner die markante<br />
U v<br />
a U T<br />
Abnahme von L mit der Leiterlänge b. Die Verbindung von der<br />
blitzgefährdeten Leitung zum Hochspannungsanschluss des<br />
30<br />
T<br />
b<br />
Ableiters ist also möglichst direkt zu führen. In Bild 14 sind drei<br />
20<br />
Anschlussmöglichkeiten schematisch dargestellt und bewertet.<br />
c<br />
C=0<br />
Die grössere Schutzdistanz der Ableiter bei Leitungen mit<br />
10<br />
geerdeten Traversen (Bild 13 b) rührt daher, dass hier die Höhe der<br />
L (m)<br />
in die Schaltanlage einlaufenden Überspannung kleiner ist<br />
b (m)<br />
C=0,5nF<br />
5<br />
(geringere Überschlagsspannung gegen Erde). Daraus resultiert<br />
ein kleinerer Strom durch den Ableiter und eine tiefere<br />
3<br />
Begrenzungsspannung, was grössere Werte für L ermöglicht.<br />
C=2nF<br />
2<br />
In Netzen mit U m = 12 kV sind die Schutzdistanzen der Ableiter<br />
etwa 10 % länger als in Bild 13 dargestellt. Bei U m = 36 kV sind sie<br />
1<br />
hingegen etwa 30 % kürzer. Bei dieser Netzebene ist ferner von<br />
0 0,5 b (m) 1 1,5<br />
Bedeutung, dass für S = 1550 kV/ s (Holzmastleitung) der Wert<br />
von L bereits ab b > 0,6 m sehr stark abnimmt.<br />
S=800 kV / s<br />
U=660 kV<br />
U<br />
F<br />
U v<br />
a U T<br />
b<br />
T<br />
30<br />
c<br />
20 C=0<br />
A T A T A T<br />
C C C<br />
10<br />
C=0,5nF<br />
1 2 3<br />
L(m)<br />
5<br />
Bewertung der Anschlussverbindung Anordnung von Ableiter und Betriebsmittel<br />
1: schlecht<br />
F: blitzgefährdete Leitung<br />
2: gut<br />
U: Blitzüberspannung<br />
3<br />
C=2nF<br />
3: sehr gut<br />
A: Ableiter<br />
2<br />
T: Betriebsmittel (Transformator)<br />
C: Kapazität von T gegen Erde<br />
Bild 13a<br />
Bild 13b<br />
b(m)<br />
Bild 14<br />
Schutzdistanz L der Ableiter in den Netzebenen<br />
Um= 17,5 kV und 24 kV in Abhängikeit der<br />
Leiterlänge b.<br />
Wenn a+b L, dann ist UT<br />
BIL / 1,2<br />
C: Kapazität des Transformators T<br />
zwischen Phase und Erde<br />
MO-Ableiter<br />
Funkenstreckenableiter<br />
U p= 4 p.u. bei I n= 5 kA<br />
13a):<br />
13b):<br />
Leitung mit Holzmasten<br />
Leitung mit geerdeten Traversen<br />
Bild 15<br />
MO-Überspannungsableiter Typ POLIM-D 12 N mit Abtrennvorrichtung<br />
montiert an einem Mittelspannungstransformator<br />
17
Bei unterschiedlicher Polarität von Blitzüberspannung und<br />
Momentanwert der Phasenspannung ist die Schutzwirkung der<br />
Ableiter etwas verkleinert. Dies wurde bei der Berechnung von L<br />
berücksichtigt. Ferner wurde eine sehr kurze galvanische<br />
Verbindung zwischen dem erdseitigen Ableiteranschluss und dem<br />
Transformatoren-Kessel vorausgesetzt. Dies ist beim<br />
Anschliessen der Ableiter zu beachten. Andernfalls hat die<br />
zusätzliche Erdleitung eine Vergrösserung der Leiterlänge b in Bild<br />
13 zur Folge. Verzweigungen zwischen Ableiter und Betriebsmittel<br />
zu anderen Betriebsmitteln erzeugen zusätzliche Spannungsschwingungen,<br />
welche in den meisten Fällen eine Verkleinerung<br />
von L bewirken.<br />
9.4 Ausfallrisiko des Betriebsmittels und seine<br />
Entfernung vom Ableiter<br />
Ein Ableiter in der Entfernung L vom Betriebsmittel begrenzt bei<br />
diesem die Überspannung auf den Wert von BIL/1,2, sofern die<br />
Steilheit S der Überspannungen in der Schaltanlage nicht grösser<br />
ist als<br />
1550 kV/ms bei Holzmastleitungen<br />
800 kV/ms bei Leitungen mit geerdeten Traversen<br />
Diese Steilheiten werden jedoch im Mittel alle 400 Jahre einmal<br />
überschritten. In einem solchen Fall kann die Überspannung am<br />
Betriebsmittel oberhalb dessen BIL liegen und einen bleibenden<br />
Schaden verursachen. Ist die Lebensdauer des Betriebsmittels,<br />
z.B. eines Transformators, etwa 40 Jahre, dann wird im<br />
Zeitintervall t s = 400 Jahre mit einer Wahrscheinlichkeit von 90 %<br />
kein Schaden auftreten. Dies schliesst jedoch mit ein, dass die<br />
durch Überspannungen verursachte Ausfallrate in diesen 40<br />
Jahren etwa 10 % beträgt, obwohl in der Entfernung L vom<br />
Transformator ein Ableiter angebracht ist.<br />
Die Ausfallrate ist um so kleiner, je kürzer die Summe der<br />
Verbindungsleitungen a + b in Bild 13 gegenüber L ist. a + b muss<br />
also möglichst klein und L möglichst gross sein. Letzteres wird<br />
durch die richtige Wahl der Leitungsführung erreicht. Wie aus Bild<br />
14 ersichtlich ist, muss die Freileitung zuerst mit dem Ableiter und<br />
erst anschliessend mit dem Transformator verbunden werden. In<br />
diesem Fall ist b = 0 und L wird maximal. Die Verbindungsleitung a<br />
kann kurz gehalten werden, in dem der Ableiter möglichst nahe<br />
beim Transformator aufgestellt wird. Beide Massnahmen<br />
zusammen ermöglichen im allgemeinen, dass die Bedingung a + b<br />
24 kV<br />
nicht einzuhalten, dann ist es vorteilhaft, die Leitung so<br />
abzuändern, dass sie sich bezüglich der Überspannungen in der<br />
Schaltanlage und der Schutzdistanz ebenso günstig verhält, wie<br />
eine Leitung mit geerdeten Traversen.<br />
Die dazu notwendigen Massnahmen sind relativ einfach: die<br />
Traversen der letzten drei Masten vor der Schaltanlage sind zu<br />
erden. Die Überspannungen, welche von der abgeänderten<br />
Leitung in die Schaltanlage einlaufen, haben jetzt dieselbe Form<br />
wie wenn sie von einer Leitung mit durchgehend geerdeten<br />
Traversen herrühren würden.<br />
Der Nachteil dieser Lösung besteht jedoch darin, dass infolge der<br />
reduzierten Isolation der Leitung mehr Blitzüberspannungen einen<br />
Überschlag nach Erde auslösen. Statt die Traversen zu erden ist es<br />
daher wirkungsvoller, beim letzten Mast vor der Anlage einen<br />
weiteren Ableitersatz anzubringen, der die Amplitude der<br />
einlaufenden Überspannungswelle stark herabsetzt. Die<br />
Schutzwirkung der Ableiter beim Betriebsmittel ist nun günstiger<br />
als im Fall von geerdeten Traversen.<br />
10 Einige Sonderfälle<br />
Auf der einen Seite ist die Schutzdistanz der Ableiter in manchen<br />
Fällen nicht besonders gross. Dies betrifft vor allem<br />
kapazitätsbehaftete Betriebsmittel in Schaltanlagen höherer<br />
Netzspannung, welche mit Holzmastleitungen verbunden sind<br />
(siehe Bild 13). Auf der andern Seite werden die Betriebsmittel in<br />
den Schaltanlagen selten sehr nahe nebeneinander aufgestellt. Sie<br />
sind also zu weit voneinander entfernt, als dass ein Ableiter<br />
mehrere Betriebsmittel gleichzeitig ausreichend schützen könnte.<br />
Jedes Betriebsmittel benötigt unter diesen Umständen einen<br />
gesonderten Ableitersatz (je einen Ableiter pro Phase gegen Erde).<br />
10.1 Überspannungsschutz bei Kabelstrecken<br />
Der wesentlichste Unterschied in den elektrischen Daten von<br />
Freileitung und Kabel ist der Wellenwiderstand der Leiter gegen<br />
Erde. Er liegt bei Freileitungen in Verteilnetzen etwa bei 300 W bis<br />
450 W , und beim Kabel im Bereich von 20 W bis 60 W . Dieser<br />
Unterschied bewirkt vorerst eine starke Verkleinerung der<br />
Blitzüberspannung, sobald die Wanderwelle das Kabel erreicht<br />
hat. Die reduzierte Spannungswelle läuft durch das Kabel und wird<br />
am Ende reflektiert, sodass sich dort die Spannung praktisch<br />
verdoppelt. Anschliessend kehrt die Welle zum Kabelanfang<br />
zurück, wird abermals reflektiert usw.. Auf diese Weise wird im<br />
Kabel stufenweise eine Überspannung aufgebaut. Die Steilheit der<br />
Überspannung im Kabel ist zwar geringer, aber der Maximalwert<br />
liegt in der Nähe der Blitzüberspannung auf der Leitung[18].<br />
Ein Überschlag von einer Sammelschiene oder von einem<br />
Leiterseil gegen Erde verursacht in den meisten Fällen höchstens<br />
eine kurzzeitige Abschaltung des Netzbetriebes. Folgeschäden<br />
sind aber äusserst selten. Ganz anders verhält es sich bei einem<br />
Kabel. Durchschläge in der Kabelisolation führen zu<br />
unangenehmen Störungen und erfordern aufwendige<br />
Reparaturarbeiten. Überschläge längs der Kabelendverschlüsse<br />
können diese beschädigen und damit die gleichen Folgen zeigen<br />
wie ein Isolationsdurchschlag. Kabel sind daher wie<br />
Stationsmaterial zu behandeln und mit Ableitern gegen<br />
Blitzüberspannungen zu schützen.<br />
Die Ableiter sind unmittelbar neben den Kabelendverschlüssen<br />
aufzustellen. Die Anschlussleitungen sollten möglichst kurz sein.<br />
Es ist darauf zu achten, dass der erdseitige Anschluss des<br />
Ableiters mit dem Kabelmantel verbunden ist.<br />
18
8<br />
8<br />
8<br />
8<br />
8<br />
8<br />
8<br />
8<br />
Ableiter mit<br />
U p = 3.8 p.u. für MO<br />
U p = 4 p.u. für SiC<br />
und I n = 10 kA<br />
Art der Freileitung Holzmast geerdete Holzmast<br />
Traversen<br />
Längere Kabel benötigen an beiden Enden einen Ableiterschutz.<br />
Bei kurzen Kabelstrecken ist unter Umständen ein einseitiger<br />
Schutz ausreichend. Dies deshalb, weil der Ableiter auf der einen<br />
Seite das andere Kabelende noch ausreichend gegen<br />
Blitzüberspannungen schützen kann. Ein Kabel, welches die<br />
Freileitung mit der Schaltanlage verbindet, ist oft nur von der<br />
Leitung her blitzgefährdet. Der Ableiter muss daher beim<br />
Übergang von der Leitung zum Kabel angebracht werden. Auf der<br />
anderen Seite des Kabels ist für dessen Schutz kein zweiter<br />
Ableiter erforderlich, sofern die Länge LK<br />
des Kabels die auf der<br />
linken Seite von Tabelle 7 angegebenen Werte nicht übersteigt. Auf<br />
den ersten Blick fällt auf, dass LK<br />
im 3,6 kV-Netz unbegrenzt ist.<br />
Der Grund liegt im relativ hohen BIL von 13,6 p.u. in dieser<br />
Netzebene. Der Ableiter auf der Leitungsseite des Kabels begrenzt<br />
die Überspannung auf etwa 4 p.u.. Infolge von Spannungsreflexionen<br />
im Kabel ist die Überspannung am anderen Kabelende<br />
höher. Sie liegt aber unterhalb 10 p.u. und ist daher für das Kabel<br />
ungefährlich. Dies gilt allerdings nicht für die Betriebsmittel<br />
innerhalb der Schaltanlage. Bei diesen können zusätzliche<br />
Spannungsreflexionen die Überspannung vergrössern, so dass<br />
für ihren Schutz gegebenenfalls Ableiter vorzusehen sind.<br />
Die maximal zulässige Länge von einseitig geschützten<br />
Kabelstrecken ist bei MO-Ableitern grösser als bei solchen mit<br />
Funkenstrecken. Dies beruht auf der günstigeren Schutzwirkung<br />
der MO-Ableiter, welche schon leitend sind, bevor U erreicht wird.<br />
p<br />
geerdete<br />
Traversen<br />
Ableitertyp MO SiC MO SiC MO SiC MO SiC<br />
Um<br />
[kV]<br />
3.6<br />
7.2<br />
12<br />
17.5<br />
24<br />
36<br />
ZK<br />
[ Ω]<br />
30<br />
60<br />
30<br />
60<br />
30<br />
60<br />
30<br />
60<br />
30<br />
60<br />
30<br />
60<br />
U<br />
LK<br />
[m]<br />
64<br />
45<br />
40<br />
30<br />
25<br />
21<br />
28<br />
23<br />
22<br />
20<br />
LK<br />
[m]<br />
30<br />
20<br />
15<br />
11<br />
6<br />
4<br />
6<br />
5<br />
1<br />
1<br />
LK<br />
[m]<br />
64<br />
50<br />
40<br />
32<br />
26<br />
22<br />
28<br />
24<br />
22<br />
20<br />
L K<br />
LK<br />
[m]<br />
28<br />
19<br />
14<br />
10<br />
5<br />
4<br />
5<br />
4<br />
1<br />
1<br />
U<br />
LK<br />
[m]<br />
7<br />
3<br />
9<br />
4<br />
9<br />
4<br />
6<br />
3<br />
10<br />
5<br />
8<br />
4<br />
LK<br />
[m]<br />
6<br />
3<br />
9<br />
4<br />
7<br />
3<br />
4<br />
2<br />
5<br />
3<br />
1<br />
1<br />
L K<br />
LK<br />
[m]<br />
17<br />
10<br />
22<br />
13<br />
19<br />
14<br />
15<br />
13<br />
17<br />
15<br />
15<br />
14<br />
LK<br />
[m]<br />
17<br />
10<br />
14<br />
11<br />
9<br />
7<br />
4<br />
3<br />
4<br />
3<br />
1<br />
1<br />
Tabelle 7<br />
Maximal zulässige Länge LK<br />
einer Kabelstrecke bei nur<br />
einseitigem Ableiterschutz.<br />
Das Kabel ist mit einer blitzgefährdeten Leitung verbunden.<br />
Blitzüberspannung und Momentanwert der Netzspannung haben<br />
unterschiedliche Polarität.<br />
Anschlusslänge Ableiter / Kabel 1m<br />
Z: K Wellenwiderstand des Kabels<br />
MO: MO-Ableiter Typ MWK oder MWD<br />
SiC: Funkenstreckenableiter<br />
Kabel im Zuge einer Freileitung sind naturgemäss von beiden<br />
Seiten her blitzgefährdet. Bei nur einseitig geschützten Kabeln ist<br />
daher zu berücksichtigen, dass die Überspannung auch von der<br />
ungeschützten Seite her einlaufen kann. In diesem Fall wird die<br />
Schutzwirkung des Ableiters auf der anderen Seite stark<br />
herabgesetzt. Die zulässige Länge von Kabeln im Zuge einer<br />
Freileitung, bei denen ein einseitiger Ableiterschutz ausreicht, ist<br />
daher kleiner. Sie ist besonders kurz bei Kabeln im Zuge von<br />
Holzmastleitungen, wie aus Tabelle 7 ersichtlich ist. Die<br />
angegebenen Werte für LKgelten für Ableiter mit I n= 10 kA. Längs<br />
der ganzen Kabelstrecke muss der Wellenwiderstand des Kabels<br />
konstant sein. Andernfalls bewirken Spannungsreflexionen eine<br />
Verkürzung von L K. Dies ist beispielsweise bei Kabelverzweigungen<br />
der Fall oder wenn ein doppelt geführtes Kabel mit<br />
einem einfachen Kabel verbunden ist.<br />
10.2 Kabelmantelschutz<br />
Aus thermischen Gründen ist der Kabelmantel von Einleiterkabeln<br />
meistens nur auf einer Seite geerdet. Unter diesen Umständen<br />
kann der Mantel auf der ungeerdeten Seite bis zu 50 % der<br />
Spannungsamplitude der einlaufenden Überspannung auf dem<br />
Innenleiter annehmen. Die Mantelisolation ist dieser<br />
Überspannungsbeanspruchung nicht gewachsen. Es können<br />
kurzzeitige Überschläge zwischen Mantel und Erde auftreten,<br />
welche die äussere Isolation des Mantels beschädigen.<br />
Es ist daher notwendig, den Kabelmantel auf der ungeerdeten Seite<br />
mit einem Ableiter gegen Blitzüberspannungen im Kabelleiter zu<br />
schützen [2]. Dazu ist der Spezialableiter POLIM-C von ABB<br />
besonders gut geeignet. Für Uc<br />
des Ableiters ist die längs des<br />
Kabelmantels induzierte Spannung im Kurzschlussfall<br />
massgebend. Sie erreicht nach [19] höchstens 0,3 kV pro kA<br />
Kurzschluss-Strom und km Kabellänge. Mit T = 1,28 bei einer<br />
Dauer von t 0,24 * I L in kV<br />
c K K<br />
I : maximaler 50 Hz Kurzschluss-Strom in kA<br />
K<br />
L : Länge der ungeerdeten Kabelstrecke in km<br />
K<br />
U<br />
F<br />
Transformator am Ende eines Kabels<br />
F:<br />
U:<br />
K:<br />
A1, A2:<br />
a, b:<br />
U: K<br />
U: T<br />
MS:<br />
NS:<br />
A1<br />
K<br />
U K U T MS NS<br />
A2<br />
blitzgefährdete Leitung<br />
Blitzspannung<br />
langes Kabel<br />
Ableiter<br />
Länge der Verbindungsleitung<br />
maximale Spannung am Kabelende<br />
maximale Spannung beim Transformator<br />
Mittelspannungsseite<br />
Niederspannungsseite<br />
b<br />
a<br />
Bild 16<br />
19
10.3 Transformator am Ende eines Kabels<br />
In der Anordnung nach Bild 16 ist ein mindestens 100 m langes<br />
Kabel auf der einen Seite an eine blitzgefährdete Leitung<br />
angeschlossen. Auf der anderen Seite verbindet eine<br />
Sammelschiene bestehend aus den Abschnitten a und b das<br />
Kabelende mit dem Transformator. Der Ableiter A1 übernimmt<br />
leitungsseitig den Überspannungsschutz. Sowohl das Kabelende<br />
als auch der Transformator müssen je mit einem weiteren Ableiter<br />
geschützt werden, wenn die Verbindung dazwischen sehr lang ist.<br />
Im Folgenden wird gezeigt, unter welchen Umständen nebst A1<br />
der Ableiter A2 für den Überspannungsschutz ausreichend ist.<br />
Die Reflexion der Überspannung U am Übergang von der Leitung<br />
zum Kabel bewirkt eine starke Abflachung der Spannungssteilheit<br />
im Kabel. Dies hat aber praktisch keinen Einfluss auf die zulässige<br />
Länge der Verbindung b, da mit b die Spannung UK<br />
sehr rasch<br />
zunimmt. Ein guter Überspannungsschutz des Kabels erfordert<br />
also, den Ableiter A2 möglichst nahe am Kabelende anzubringen,<br />
damit die Strecke b kurz wird (siehe Abschnitt 10.1).<br />
MO-Ableiter mit<br />
U p = 3.8 p.u. bei<br />
I n = 10 kA<br />
Tabelle 8<br />
Z K [ Ω]<br />
Holzmasten<br />
U m [kV] a [m] a [m] a [m]<br />
3.6<br />
7.2<br />
12<br />
17.5<br />
24<br />
36<br />
geerdete Traversen<br />
30 60 30 60<br />
300<br />
43<br />
20<br />
17<br />
19<br />
16<br />
a [m]<br />
Maximal zulässiger Abstand a zwischen Kabelende und<br />
Transformator nach Bild 16 mitb=0.DasKabel ist mit einer<br />
blitzgefährdeten Leitung verbunden und ist beidseitig mit<br />
MO-Ableitern (Typ MWK oder MWD mit U c = U m) geschützt.<br />
Der Transformator hat keinen zusätzlichen Ableiterschutz.<br />
Anders verhält es sich beim Leitungsabschnitt a. Hier nimmt UT<br />
mit zunehmender Länge von a langsamer zu. Deshalb ist der<br />
Transformator auch noch bei einer relativ grossen Entfernung a<br />
vom Ableiter noch ausreichend geschützt. Die maximal zulässigen<br />
Werte für a sind in Tabelle 8 angegeben. Die Kapazität des<br />
Transformators wurde zu 2 nF angenommen. Kleinere Kapazitätswerte<br />
ergeben längere Abstände a.<br />
300<br />
37<br />
14<br />
10<br />
12<br />
11<br />
500<br />
53<br />
20<br />
16<br />
19<br />
20<br />
500<br />
53<br />
14<br />
10<br />
12<br />
11<br />
10.4 Transformator nur einseitig mit einer<br />
blitzgefährdeten Leitung verbunden<br />
Grundsätzlich sind alle Transformator-Abgänge, welche direkt mit<br />
blitzgefährdeten Leitungen verbunden sind, mit Ableitern<br />
zwischen Phase und Erde auszurüsten. Verbindet ein<br />
Transformator ein Hochspannungsnetz mit einem MS-Netz und ist<br />
nur die Leitung auf der Oberspannungsseite blitzgefährdet, dann<br />
sind hier also Ableiter erforderlich. Da Überspannungsvorgänge<br />
sehr schnell ablaufen, wird bis zu 40 % der Überspannung auf der<br />
Hochspannungsseite kapazitiv durch den Transformator auf die<br />
MS-Seite übertragen [10]. Deshalb ist es oft notwendig, MS-seitig<br />
einen Überspannungsschutz für den Transformator vorzusehen,<br />
obwohl entsprechend obiger Annahme auf der MS-Seite keine<br />
Blitzüberspannungen auftreten. Dieser Überspannungsschutz<br />
kann nach [9] ein langes Kabel, ein induktionsarmer Kondensator<br />
oder eine Kombination von diesen beiden Elementen sein. Sie<br />
müssen möglichst nahe beim MS-Abgang des Transformators<br />
angeschlossen sein und zusammen pro Phase mindestens eine<br />
Kapazität von 50 nF besitzen.<br />
Der Überspannungsschutz kann aber auch aus einem MS-Ableiter<br />
bestehen. Diese Lösung hat zwei wesentliche Vorteile. Einerseits<br />
ist zu beachten, dass induktiv übertragene Überspannungen durch<br />
die Kondensatoren verstärkt werden können. Sorgfältig<br />
ausgewählte Dämpfungswiderstände in Serie zu den<br />
Kondensatoren ermöglichen zwar zum Teil eine Verminderung<br />
dieser zusätzlichen Spannungsbelastung des Transformators.<br />
Beim Einsatz von funkenstreckenlosen MO-Ableitern tritt diese<br />
Mehrbelastung jedoch garnicht erst auf. Andererseits greift die<br />
Oberspannung bei einem Spannungsdurchschlag im<br />
Transformator auf die MS-Spannung über und kann dort<br />
Folgeschäden verursachen. Beim Schutz mit Ableitern auf der MS-<br />
Seite opfert sich der Ableiter, bewirkt einen Erdschluss und der<br />
Schaden bleibt im wesentlichen auf den Transformator<br />
beschränkt. Besonders augenfällig ist der Vorteil des Ableiters<br />
gegenüber dem Kondensator, wenn der Transformator mit einem<br />
Generator verbunden ist und der Ableiter den Generator vor<br />
Folgeschäden schützt.<br />
Die Verhältnisse sind ähnlich beim Verteiltransformator, der ein<br />
MS-Netz mit einem Niederspannungsnetz verbindet. Auch hier<br />
werden die Blitzüberspannungen vom MS-Netz durch den<br />
Transformator kapazitiv auf die Unterspannungsseite übertragen.<br />
Deshalb sind Ableiter auf der Niederspannungsseite notwendig,<br />
selbst wenn nur die MS-Seite blitzgefährdet ist.<br />
Ist dagegen nur die Niederspannungsseite blitzgefährdet, dann<br />
werden oft keine Ableiter auf der MS-Seite angebracht. Dabei wird<br />
angenommen, dass die Niederspannungsableiter auch die MS-<br />
Seite ausreichend gegen niederspannungsseitige Überspannungen<br />
schützen können. In [20] wird aber über viele<br />
Transformator-Ausfälle berichtet, welche von Blitzüberspannungen<br />
auf der 415 V-Seite verursacht wurden. Die Autoren<br />
sind der Meinung, dass diese Überspannungen, sofern sie nicht<br />
kurzzeitig sind, induktiv mit dem Windungsverhältnis des<br />
Transformators auf die 11 kV-Seite übertragen werden können.<br />
Jedenfalls haben die 415 V-Ableiter Durchschläge in den 11 kV-<br />
Wicklungen nicht verhindern können. In Regionen mit hoher<br />
Blitztätigkeit ist es daher empfehlenswert, auch Ableiter auf der<br />
MS-Seite des Transformators anzubringen.<br />
20
10.5 Ableiter in gekapselten MS-Schaltanlagen<br />
Oft ist es erforderlich, Ableiter in gekapselte MS-Schaltanlagen<br />
einzubauen. Verbindet ein Kabel die Schaltzelle mit einer<br />
blitzgefährdeten Leitung, dann sollte der Nennableitstrom der<br />
Ableiter am Kabelendverschluss in der Zelle 10 kA betragen. Es ist<br />
damit zu rechnen, dass die Spannung am Ableiter Up<br />
erreicht. Um<br />
Überschläge in der Zelle auszuschliessen, sollten die vom<br />
Ableiterlieferanten empfohlenen Mindestabstände zwischen den<br />
Ableitern und zwischen Ableiter und Erde eingehalten werden.<br />
Anders liegen die Verhältnisse, wenn die Ableiter nicht<br />
Blitzüberspannungen sondern Schaltüberspannungen begrenzen<br />
müssen. Letztere könnten entstehen, wenn bei Schalthandlungen<br />
induktive Ströme vor dem Erreichen ihres natürlichen<br />
Nulldurchganges unterbrochen werden. Bei solchen Schaltüberspannungen<br />
ist die Strombelastung der Ableiter sehr gering, so<br />
dass ein Nennableitstrom von 5 kA ausreichend ist. In diesem Fall<br />
liegt die maximale Spannung bei MO-Ableitern weit unterhalb U p.<br />
Daher können die Abstände zwischen den Ableitern und zwischen<br />
Ableiter und Erde kleiner sein, was den Einbau der Ableiter in den<br />
Zellen erleichtert. Die unteren Grenzen für diese Abstände sind<br />
durch die jeweiligen Ländervorschriften gegeben und für MO-<br />
Ableiter ausreichend.<br />
Die maximale Spannung bei Funkenstreckenableitern erreicht<br />
auch bei Schaltüberspannungen den Wert U p. Die Mindestabstände<br />
bei diesen Ableitern müssen daher grösser sein, damit<br />
Überschläge vermieden werden. Dies kann den Einbau der Ableiter<br />
in die Schaltzellen, besonders wenn enge Verhältnisse vorliegen,<br />
beträchtlich erschweren.<br />
10.6 Generator, verbunden mit einer blitzgefährdeten<br />
MS-Leitung<br />
Der Überspannungsschutz erfolgt durch Ableiter zwischen Phase<br />
und Erde. Wird ein belasteter Generator plötzlich vom Netz<br />
getrennt, so steigt seine Klemmenspannung an, bis der<br />
Spannungsregler die Generatorspannung nach einigen Sekunden<br />
zurückgeregelt hat. Das Verhältnis dieser temporären<br />
Überspannung zur normalen Betriebsspannung wird<br />
Lastabwurffaktor L<br />
genannt. Dieser Faktor kann bis zu 1,5<br />
erreichen. Die Ableiter werden also im ungünstigsten Fall mit der<br />
temporären Überspannung U TOV = L * Um<br />
belastet, was bei der<br />
Wahl von U zu berücksichtigen ist.<br />
L* Um<br />
Uc<br />
> ----------------<br />
T<br />
c<br />
Die Zeitdauer t von U<br />
von 3 bis 10 Sekunden.<br />
TOV<br />
ist für T bestimmend. Sie liegt im Bereich<br />
Anhand eines Beispiels wird im Folgenden Uc<br />
des Ableiters der<br />
Typenreihe MWK ermittelt:<br />
U = 14 kV = 1,4<br />
m<br />
L<br />
t = 10 s T = 1,26 (aus Bild 7)<br />
1,4 * 14 kV<br />
Uc<br />
> ------------------ = 15,56 kV<br />
1,26<br />
Der gesuchte Ableiter heisst MWK 16. Sein Uc<br />
beträgt 16 kV und<br />
das Schutzniveau bei I = 10 kA ist 49,1 kV.<br />
n<br />
Wegen der hohen Anforderungen an die Betriebssicherheit von<br />
Generatoren ist es wünschenswert, Ableiter mit einem möglichst<br />
tiefen Schutzniveau einzusetzen. Deshalb wird für den<br />
Generatorschutz der Spezialableiter der Reihe POLIM-H<br />
empfohlen. Er hat nicht nur ein tieferes Schutzniveau; gleichzeitig<br />
ist T grösser.<br />
Für t = 10 s ist T = 1,31 zulässig, so dass sich ergibt<br />
U<br />
c<br />
Der Ableiter POLIM-H 15 ist ausreichend. Sein Schutzniveau bei I =<br />
10 kA beträgt 43,5 kV. Dieser Spezialableiter garantiert also ein um<br />
11 % tieferes Schutzniveau. Dazu kommt, dass dieser Typ dank<br />
seines wesentlich höheren Energieaufnahmevermögens (siehe<br />
Tabelle 2) auch hinsichtlich der Betriebssicherheit Vorteile bringt.<br />
Generatoren besitzen eine grosse Kapazität zwischen Phase und<br />
Erde. Ähnlich wie in Bild 13 ersichtlich, führt diese Kapazität zu<br />
einer beträchtlichen Verkürzung der Ableiterschutzdistanz.<br />
Deshalb ist es bei Generatoren besonders wichtig, die Ableiter in<br />
Generatornähe aufzustellen.<br />
Hochspannungsmotoren können nach Ausschaltungen während<br />
des Anlaufs durch multiple Wiederzündungen überbeansprucht<br />
werden. Dieses trifft dann zu, wenn der Ausschaltstrom geringer<br />
als 600 A ist. Zum Schutz dieser Motoren sind Überspannungsableiter<br />
unmittelbar an den Motorklemmen oder<br />
alternativ am Leistungsschalter zu empfehlen. Die Auslegung von<br />
U erfolgt nach den Empfehlungen in Abschnitt 8.<br />
c<br />
1,4 * 14 kV<br />
> ----------------- = 14,96 kV<br />
1,31<br />
10.7 Ableiterschutz bei Motoren<br />
In besonderen Fällen, z.B. bei gealterter Wicklungsisolation ist es<br />
notwendig, das Schutzniveau des Ableiters noch weiter zu senken.<br />
Eine Möglichkeit besteht darin, Uc<br />
zu verkleinern. Dieses Vorgehen<br />
ist dann vertretbar, wenn die für Uc<br />
massgebenden<br />
Überspannungen nur sehr selten auftreten. Man nimmt dabei<br />
bewusst in Kauf, dass der Ableiter in einem solchen Fall überlastet<br />
werden kann. Die daraus erwachsenden Nachteile,<br />
Betriebsunterbruch und Ersetzen des Ableiters, sind dabei dem<br />
Vorteil eines besseren Überspannungsschutzes gegenüberzustellen.<br />
U darf aber niemals kleiner gewählt werden als U / √ 3.<br />
c<br />
Bei einem Generator ist eine solche Verkleinerung von Uc<br />
nicht zu<br />
empfehlen. Es besteht nämlich die Gefahr, dass dadurch an den<br />
Klemmen des Generators ein Zweiphasenkurzschluss ausgelöst<br />
wird. Der daraus resultierende unsymmetrische Kurzschluss-<br />
Strom in den Wicklungen führt dann zu einer extrem hohen<br />
mechanischen Belastung des Rotors.<br />
10.8 Überspannungsschutz auf Lokomotiven<br />
Hier werden an die Ableiter hinsichtlich Betriebssicherheit höchste<br />
Anforderungen gestellt. Deshalb wird ein Ableiter der Reihe<br />
POLIM-H empfohlen. Der robuste mechanische Aufbau genügt<br />
allen Anforderungen des Bahnbetriebes. Der Direktverguss in<br />
Silikon gewährleistet höchste mechanische Sicherheit auch bei<br />
extremen Stossbelastungen. Beim überlasteten Ableiter<br />
verhindert die spezielle Konstruktion dieses Ableiters ein Bersten<br />
des Gehäuses. Dieser Ableitertyp ist bis zu einem Kurzschluss-<br />
Strom des Netzes von 65 kA geprüft und kann als explosions-und<br />
zerfallsicher eingestuft werden. Ein weiterer Vorteil dieses<br />
Ableitertyps ist das tiefe Schutzniveau und das hohe<br />
Energieaufnahmevermögen.<br />
m<br />
21
10.9 Ableiter parallel zu einer Kondensator-Batterie<br />
Beim Ausschalten einer Kondensator-Batterie treten üblicherweise<br />
keine Überspannungen auf. Der Leistungsschalter unterbricht den<br />
Strom im natürlichen Stromnulldurchgang und die Spannung an<br />
den Kondensatoren gegen Erde erreicht höchstens 1,5 p.u.. Als<br />
Folge der sich mit Betriebsfrequenz ändernden Netzspannung<br />
ergibt sich über der Schaltstrecke des Leistungsschalters eine<br />
Spannung von 2,5 p.u.. Tritt eine Rückzündung der Schaltstrecke<br />
auf, führt das zu einem hochfrequenten Ausgleichsvorgang<br />
zwischen der Kondensatorspannung und der Betriebsspannung.<br />
Im Verlaufe dieses Vorganges wird der Kondensator auf ein<br />
höheres Potential aufgeladen [21]. Diese Überspannung am<br />
Kondensator zwischen Phase und Erde erreicht dabei nach [15]<br />
höchstens 3 p.u..<br />
Sind die Kondensatoren im Stern geschaltet, so werden sie durch<br />
die zur Batterie parallelen Ableiter zwischen Phase und Erde<br />
entladen. Während dieser Entladung bis auf die Spannung √ 2 * Uc<br />
werden die Ableiter energiemässig belastet mit:<br />
SK<br />
E c = --------- * [3-(U c/U m) 2 ]<br />
ω<br />
S<br />
E<br />
K<br />
c<br />
: 3-phasen-Blindleistung der Kondensator-Batterie<br />
: vom Ableiter aufgenommene Entladeenergie<br />
Unter der Annahme, dass der Ableiter diesen Vorgang dreimal<br />
ohne Abkühlpause beherrschen soll, folgt mit U > U<br />
Ec<br />
6 * SK<br />
----- > --------------<br />
U c ω * U m<br />
Das auf Uc<br />
bezogene Energieaufnahmevermögen E des Ableiters<br />
muss also der Blindleistung der Batterie angepasst sein. In Tabelle<br />
9 ist die maximal zulässige Blindleistung der parallelen Batterie für<br />
verschiedene Typen von ABB-MS-Ableitern angegeben.<br />
Ist der Sternpunkt der Kondensator-Batterie isoliert, dann kann der<br />
Ableiter zwischen Phase und Erde den aufgeladenen Kondensator<br />
nicht entladen. Er wird also nicht belastet. Hier gilt es jedoch zu<br />
berücksichtigen, dass nach einer Rückzündung des Leistungsschalters<br />
der Sternpunkt der Batterie auf 2 p.u. ansteigt. Ein<br />
Spannungsüberschlag des Sternpunktes nach Erde hat zur Folge,<br />
dass nun der Ableiter den Kondensator entladen muss. Auch die<br />
Ableiter parallel zu einer Batterie mit isoliertem Sternpunkt<br />
müssen also energiemässig deren Blindleistung angepasst sein.<br />
Bleibt die Batterie nach der Abschaltung vom Netz getrennt, dann<br />
entladen die Ableiter die Spannung nicht nur auf √2 * U c, sondern<br />
bis auf Null. Unterhalb √2 * Uc<br />
ist aber der Entladestrom durch<br />
den Ableiter sehr klein, sodass die restliche Entladung sehr lange<br />
dauert. In dieser Zeit kann sich der Ableiter abkühlen. Er gibt mehr<br />
Wärme ab als ihm durch die restliche Entladung zugeführt wird.<br />
Bei der obigen Berechnung von Ec<br />
war es daher gerechtfertigt, nur<br />
die vom Ableiter aufgenommene Energie bis zur Entladung auf<br />
√2 * U zu berücksichtigen.<br />
c<br />
c<br />
m<br />
Überschreitet für einen bestimmten Ableitertyp die Blindleistung<br />
der parallelen Kondensator-Batterie den in Tabelle 9 angegebenen<br />
Grenzwert, dann muss ein energiemässig stärkerer Typ gewählt<br />
werden. Für Netze, welche nicht mit einer normierten Spannung<br />
betrieben werden, sind für SK<br />
die Grenzwerte in der Spalte mit der<br />
tieferen Normspannung massgebend. Ist die Blindleistung sehr<br />
gross, dann sind parallelgeschaltete Ableiter vorzusehen. In<br />
diesem Fall ist der Ableiterlieferant zu informieren, damit<br />
Massnahmen ergriffen werden, um eine ausreichend gute<br />
Stromaufteilung bei den parallelen Ableitern zu gewährleisten. Der<br />
Lieferant sollte auch dann angefragt werden, wenn Ableiter mit Uc<br />
< U eingesetzt werden.<br />
Hochfrequenzsperren sind Luftdrosseln, welche im Zuge von<br />
Hochspannungsleitungen geschaltet sind. Ihre Induktivität L ist im<br />
Bereich von mH. Wenn keine Massnahmen getroffen werden, dann<br />
müssen die Blitzströme im Leiterseil durch die Sperre fliessen.<br />
Bereits relativ kleine Stromsteilheiten von einigen kA/ s würden<br />
längs der Sperre Überspannungen von mehreren 1000 kV<br />
erzeugen und zu einem Überschlag führen. Um dies zu verhindern,<br />
werden parallel zur Sperre MS-Ableiter geschaltet, welche den<br />
Blitzstrom übernehmen und die Überspannung auf deren<br />
Restspannung begrenzen.<br />
Bei einem Erdschluss im Hochspannungsnetz fliesst der<br />
Kurzschluss-Strom IK<br />
im Leiterseil. Dieser netzfrequente Strom<br />
würde den Ableiter überlasten. Uc<br />
ist daher so zu wählen, dass<br />
dieser Strom durch die Sperre fliesst. Er induziert an der Sperre die<br />
für Uc massgebende temporäre Überspannung U TOV = ω * L *<br />
I K. Für eine Dauer des Kurzschluss-Stromes von t ---------- = ---------------<br />
T 1,28<br />
I<br />
K<br />
Ableitertyp<br />
Uc<br />
> Um<br />
E/U [kJ/kV] c<br />
m<br />
U m [kV]<br />
3.6<br />
7.2<br />
12<br />
17.5<br />
24<br />
36<br />
10.10 Hochfrequenzsperren (Parallelschutz)<br />
: maximaler Kurzschluss-Strom durch die Sperre<br />
L : Induktivität der Sperre<br />
c<br />
3.6 5.5 9.0 13.3<br />
S [MVA] K<br />
0.67<br />
1.35<br />
2.26<br />
3.29<br />
4.52<br />
6.78<br />
S [MVA] K<br />
1.03<br />
2.07<br />
3.45<br />
5.03<br />
6.90<br />
10.36<br />
S [MVA] K<br />
1.69<br />
3.39<br />
5.65<br />
8.24<br />
11.30<br />
16.95<br />
S [MVA] K<br />
2.50<br />
5.01<br />
8.35<br />
12.18<br />
16.70<br />
25.05<br />
Tabelle 9<br />
Ableiter parallel zu Kondensator-Batterie.<br />
Maximal zulässige Blindleistung SK<br />
der Batterie für den<br />
angegebenen Ableitertyp. Es sind drei Entladungen der Batterie<br />
ohne Abkühlpause für den Ableiter zulässig.<br />
E / U : Auf U bezogenes Energieaufnahmevermögen der Ableiter.<br />
c<br />
c<br />
POLIM-D<br />
MWK<br />
MWD<br />
POLIM-I<br />
POLIM-S<br />
POLIM-H<br />
22
11 Ableiter für Gleichspannung<br />
Es gibt zum jetzigen Zeitpunkt keine international gültige Richtlinie<br />
oder Vorschrift für den Ableitereinsatz in Gleichspannungsnetzen.<br />
Prinzipiell treten auch in Gleichspannungsnetzen durch<br />
Blitzeinwirkung oder Schalthandlungen verursachte Überspannungen<br />
auf, die Geräte und Isolationen gefährden können.<br />
Auch in diesem Fall ist ein Ableitereinsatz zum Schutz gegen<br />
Überspannungen nötig. Es eignen sich dazu besonders<br />
funkenstreckenlose MO-Überspannungsableiter, da sie nach der<br />
Überspannungsbegrenzung keinen Folgestrom führen und somit<br />
nicht das Problem besteht einen Gleichstrom-Lichtbogen löschen<br />
zu müssen.<br />
Beim Einsatz von MO-Ableitern in Gleichspannungsnetzen gibt es<br />
zwei wesentliche Punkte zu beachten.<br />
Zum Einen muss sichergestellt sein, dass das MO-Material auch<br />
unter Gleichspannungs-Dauerbelastung langzeitstabil ist. Dies ist<br />
nicht bei allem handelsüblichen MO-Material der Fall.<br />
Zum Anderen sind die meisten Gleichspannungsnetze Bahnnetze.<br />
Werden die Ableiter auf rollendem Material (Triebfahrzeuge)<br />
eingesetzt, ist der Sicherheitsaspekt von besonderer Bedeutung<br />
(Personenschutz).<br />
Die von ABB hergestellten Ableiter sind für den Einsatz in<br />
Gleichspannungsnetzen und insbesondere auch in Bahnnetzen<br />
und auf Lokomotiven und Triebfahrzeugen geeignet.<br />
Es muss in jedem Fall dem Hersteller mitgeteilt werden, wenn der<br />
Ableiter in Gleichspannungsnetzen eingesetzt werden soll. Auch<br />
für die Dimensionierung der Ableiter sollte mit dem Hersteller<br />
Kontakt aufgenommen werden.<br />
12 Consulting beim Einsatz von Ableitern<br />
Es zeigt sich bei vielen Diskussionen mit Anwendern von<br />
Überspannungsableitern, dass eine tiefergehende Beratung beim<br />
Einsatz von Überspannungsableitern begrüsst wird. Dies sowohl<br />
bei Technologiewechseln, z.B. von Funkenstreckenableitern mit<br />
Porzellanisolatoren auf MO-Ableiter mit Silikongehäuse, wie auch<br />
bei der Ableiterauswahl für Nachrüstungen bestehender Anlagen<br />
oder der Planung neuer Anlagen in Mittel- und Niederspannungsnetzen.<br />
Neue Anwendungsgebiete, wie z.B Gleichspannungsnetze,<br />
oder Konzepte zum Schutz gegen Überspannungen<br />
und Blitzgefährdung ganzer Anlagen brauchen<br />
tiefergehende Betrachtung. Aufwertungen bestehender Anlagen<br />
hinsichtlich Leistungsübertragung (höhere Systemspannung)<br />
oder Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit bedingen klare<br />
Schutzkonzepte, unter Berücksichtigung einer ökonomischtechnisch<br />
optimalen Lösung.<br />
Wir offerieren daher gerne Beratungen und Berechnungen zum<br />
Überspannungs- und Blitzschutz, die über die im<br />
Vorangegangenen gegebenen Richtlinien hinausgehen.<br />
13 Schlussbemerkungen<br />
Blitzüberspannungen sind eine Gefahr für die Betriebsmittel im<br />
MS-Netz. Ableiter gewährleisten einen sicheren Schutz vor<br />
unzulässiger Überspannungsbeanspruchung. Ihr Schutz ist umso<br />
besser, je näher die Ableiter beim Betriebsmittel angebracht sind.<br />
Bei der Bestimmung vom Uc<br />
der Ableiter sind zwei sich<br />
widersprechende Anforderungen zu beachten. Einerseits sollte Uc<br />
möglichst klein sein, damit der Ableiter die Überspannung bei<br />
einem möglichst tiefen Wert begrenzt. Andererseits muss U gross<br />
c<br />
genug gewählt werden, damit der Ableiter den Anforderungen des<br />
Netzbetriebes noch genügen kann. Moderne MO-Ableiter ohne<br />
Funkenstrecke erfüllen beide Bedingungen. Sie ermöglichen einen<br />
ausreichenden Schutz vor Überspannungen und gewährleisten<br />
gleichzeitig einen sicheren Netzbetrieb.<br />
Bei abnormalen Betriebsbedingungen, wie sie etwa während eines<br />
Spannungsübertritts zu erwarten sind, werden im Netz alle<br />
parallelen Ableiter etwa gleich stark mit der betriebsfrequenten<br />
Überspannung überlastet. Sind MO-Ableiter eingesetzt, so kann<br />
man erzwingen, dass nicht irgendeiner der angeschlossenen<br />
Ableiter zuerst überlastet wird, sondern ein vorausbestimmter.<br />
Dazu wird z.B. Uc<br />
des Innenraumableiters im Gebäude einer<br />
Schaltstation um etwa 10% höher gewählt als beim<br />
Freiluftableiter vor der Station. Sobald die abnorme<br />
betriebsfrequente Überspannung auftritt, wird der Freiluftableiter<br />
zuerst überlastet sein. Er begrenzt die Überspannung, indem er<br />
einen Aussenüberschlag einleitet, und verhindert so einen<br />
Lichtbogen im Gebäude der Schaltstation.<br />
Eine ähnliche Situation liegt vor wenn in einem MS-Netz sehr hohe<br />
temporäre Überspannungen zu erwarten sind und diese nur<br />
äusserst selten auftreten. Damit die Ableiter auch in diesem<br />
seltenen Fall nicht überlastet werden sei z.B. ein um15% höheres<br />
Uc<br />
erforderlich. Solche Ableiter sind also beim Betriebsmittel<br />
einzusetzen. Damit ist aber der Nachteil verbunden, dass der<br />
Überspannungsschutz um 15% schlechter wird. Mehrere parallele<br />
Ableiter würden das verhindern. Für diese Massnahme ist aber<br />
beim Betriebsmittel oft nicht ausreichend Platz vorhanden.<br />
Zwei Ableitersätze ermöglichen eine annehmbare Lösung des<br />
Problems. Ein Satz mit 15% höherem Uc<br />
ist beim Betriebsmittel<br />
und ein zweiter mit tieferem Uc<br />
ist in einiger Entfernung davon<br />
anzubringen. In jeder Phase sind somit zwei MO-Ableiter parallel<br />
geschaltet. Bei einer Blitzüberspannung werden beide leitend und<br />
ermöglichen zusammen beim Betriebsmittel das gleiche<br />
Schutzniveau wie ein einzelner Ableitersatz mit tiefem U c.<br />
Während der oben erwähnten sehr hohen temporären<br />
Überspannung werden nur die vom Betriebsmittel entfernten<br />
Ableiter überlastet. Der dabei auftretende Lichtbogen kann daher<br />
das Betriebsmittel nicht beschädigen. Und weil endlich die<br />
Überlastung nur äusserst selten auftritt, kann der damit<br />
verbundene Betriebsunterbruch in Kauf genommen werden.<br />
Beim Aufstellen eines Ableiters sind zwei Sachen besonders zu<br />
beachten. Beide sind zum Erzielen des bestmöglichen<br />
Schutzniveaus des Ableiters gleich wichtig. Erstens muss die<br />
blitzgefährdete Leitung zuerst zum Hochspannungsanschluss des<br />
Ableiters und erst anschliessend zum zu schützenden<br />
Betriebsmittel geführt werden. Eine kurze Verbindung zwischen<br />
den Hochspannungsanschlüssen von Ableiter und Betriebsmittel<br />
ist wohl wichtig aber nicht von ausschlaggebender Bedeutung.<br />
Zweitens muss die galvanische Verbindung vom erdseitigen<br />
Abgang des Ableiters bis zur Erdung des Betriebsmittels möglichst<br />
kurz sein. Sie muss bei Leitungen mit geerdeten Traversen<br />
unterhalb 2 m liegen. Bei Holzmastleitungen muss sie kürzer sein<br />
als<br />
1m für Um<br />
< 24kV<br />
0,6 m für U > 24 kV<br />
m<br />
Ist dies nicht möglich, dann sind die Traversen der letzten 3 Masten<br />
vor der Schaltanlage bzw. vor dem Betriebsmittel zu erden oder<br />
beim letzten Mast vor der Anlage ist ein weiterer Ableitersatz<br />
anzubringen. In diesem Fall beträgt die obere Grenze für die<br />
Erdverbindung 2 m. Bei einem Kabel hingegen müssen alle<br />
Anschlussleitungen zum Ableiter möglichst kurz sein.<br />
23
Literaturverzeichnis<br />
[1] IEC Publication 99-5, First edition 1996-02 : Surge arresters Part 5 : Selection and<br />
application recommendations.<br />
[2] R. Rudolph und A. Mayer: Überspannungsschutz von Mittelspannungskabeln. Bull.<br />
SEV/VSE 76 (1985) 4, S. 204-208.<br />
[3] R. Rudolph: Bemessung, Prüfung und Einsatz von Metalloxid-Ableitern. Bull.<br />
SEV/VSE 75 (1984) 23, S. 1407-1412.<br />
[4] A. Mayer und R. Rudolph: Funkenstreckenlose Überspannungsableiter ermöglichen<br />
optimalen Überspannungsschutz. Brown Boveri Technik 72(1985) 12, S. 576-585.<br />
[5] W. Schmidt: Metalloxid ein fast idealer Überspannungsableiter. Bull.<br />
SEV/VSE 7 / 1998, S. 13-20.<br />
[6] IEC Publication 60099-4, Edition 1.1, 1998-08: Surge arresters Part 4: Metal-oxide<br />
surge arresters without gaps for a.c. systems.<br />
[7] ANSI/IEEE Publication C62.11 1993: IEEE Standard for Metal-Oxide Surge Arresters<br />
for Alternating Current Power Circuits.<br />
[8] R. Rudolph: ZnO-Ableiter. Eine Alternative zu konventionellen Ableitern. Elektrotechnik<br />
und Maschinenbau 5 (1983), S. 195-200.<br />
[9] IEC Publication 71-1 (1993-12): Insulation coordination - Part 1: Definitions, principles<br />
and rules.<br />
[10] IEC Publication 71-2 (1996-12): Insulation coordination Part 2: Application guide.<br />
[11] G. Balzer und K.H. Weck: Isolationskoordination von gasisolierten Schaltanlagen.<br />
ETG - Fachbericht 32 (1990), S. 71-89.<br />
[12] VDEW Störungs- und Schadensstatistik 1990. Verlags- und Wirtschaftsgesellschaft<br />
der Elektrizitätswerke m.b.H.<br />
[13] A.J. Eriksson et al.: Guide to procedures for estimating the lightning performance of<br />
transmission lines. Report of WG 01 of CIGRE Study Committee 33, Oct. 1991.<br />
[14] K. Berger: Methoden und Resultate der Blitzforschung auf dem Monte San Salvatore bei<br />
Lugano in den Jahren 1963 bis 1971. Bull. SEV/VSE 63 (1972) 24, S. 1403-1422.<br />
[15] Surge arresters application guide. IEC 37 (Sec) 85, Jan 1992.<br />
[16] R.B. Anderson and A.J. Eriksson: Lightning parameters for engineering application.<br />
Electra, 69 (1980), S. 65-102.<br />
[17] A.J. Eriksson et al.: A study of lightning stresses on metal oxide surge arresters.<br />
Cigre paper 33-08 (1986).<br />
[18] M. Christoffel: Der Einfluss von Kabelstrecken auf die Überspannungsvorgänge in<br />
Übertragungssystemen mittlerer und hoher Spannungen. Brown Boveri Mitt. 51 (1964)<br />
6, S. 369-376.<br />
[19] A. Braun: Schirmspannungen und Schirmverluste bei Mittelspannungs-VPE-Kabeln.<br />
Elektrizitätswirtschaft 88 (1989) 26, S. 1898-1906.<br />
[20] M. Darveniza und D.R. Mercer: Lightning protection of pole mounted transformers.<br />
IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 4, No. 2, April 1989, S. 1087-1093.<br />
[21] G. Balzer: Schaltvorgänge in Mittelspannungsnetzen und deren Berücksichtigung bei<br />
der Planung. Brown Boveri Technik, 73 (1983) 5, S. 270-278.<br />
[22] Non-linear metal-oxide resistor polymeric housed surge arresters without sparkgaps.<br />
IEC 37 / 154 / CD; March 1996<br />
[23] W.Schmidt: Die neuen POLIM -Überspannungsableiter mit Silikonisolation für<br />
Mittelspannungsnetze. ABB Revue 2/96<br />
24
Verzeichnis der verwendeten Symbole<br />
a in m Länge eines Leiters<br />
BIL in kV Blitzstoss-Haltespannung (Scheitelwert)<br />
b in m Länge eines Leiters<br />
C in F Kapazität (meist angegeben in nF ader F)<br />
Ce Erdfehlerfaktor, C e * U m/ √3 ist die maximale Spannung zwischen Phase<br />
und Erde im Erdschlussfall<br />
d in m Länge eines Leitungsabschnittes vor der Schaltanlage<br />
E in J dem Ableiter zugeführte Energie (meist angegeben in kJ oder kJ/kVU c)<br />
E c in J vom Ableiter aufgenommene Entladeenergie (meist angegeben in kJ)<br />
I in A Rechteckwellenstrom<br />
I n in A Nennableitstrom des Ableiters (meist angegeben in kA, Scheitelwert)<br />
I K in A 50 Hz Kurzschlussstrom (meist angegeben in kA, Effektivwert)<br />
I ref in A Referenzstrom eines Ableitertyps (meist angegeben in mA, Scheitelwert)<br />
i in A Scheitelwert des Blitzstromes (meist angegeben in kA, Scheitelwert)<br />
i(t) in A Zeitfunktion des Blitzstromes<br />
K<br />
Konstante der Koronadämpfung<br />
L in H Induktivität einer Hochfrequenzsperre<br />
L in m Schutzdistanz eines Ableiters<br />
L K in m Länge eines Kabels<br />
MCOV in V<br />
Maximum Continuous Operating Voltage = U c (meist angegeben in kV, Effektivwert)<br />
P in W Verlustleistung eines Ableiters bei U c<br />
p.u. per unit, 1 p.u. = √2 * U m / √3<br />
Q in W Wärmefluss vom Aktivteil eines Ableiters zur äusseren Umgebung (Kühlung)<br />
S in V /s maximale Steilheit im Spannungsanstieg (meist angegeben in kV / s)<br />
S(t) inV/s Steilheit des Spannungsanstieges in Funktion der Zeit (meist angegeben in kV / s)<br />
S o inV/s Steilheit der Blitzüberspannung beim Einschlagort (meist angegeben in kV / s)<br />
S K in Var Dreiphasen-Blindleistung einer Kondensatorbatterie<br />
T<br />
Festigkeit des Ableiters gegenüber temporären Überspannungen<br />
U TOV =T * U c<br />
T in ° C Temperatur<br />
t in s Zeit<br />
25
t s<br />
U<br />
U c<br />
U E<br />
U K<br />
U m<br />
U p<br />
U r<br />
U ref<br />
U T<br />
in s<br />
inV<br />
in V<br />
in V<br />
in V<br />
in V<br />
in V<br />
in V<br />
in V<br />
in V<br />
Zeitintervall<br />
Scheitelwert der Überspannung einer Wanderwelle (meist angegeben in kV)<br />
Maximale Dauerbetriebsspannung des Ableiters (meist angegeben in kV, Effektivwert)<br />
Maximale Überspannung am Ende einer offenen Leitung (meist angegeben in kV, Scheitelwert)<br />
Überspannung am Ende des Kabels (meist angegeben in kV, Scheitelwert)<br />
Maximale Spannung zwischen den Phasen (meist angegeben in kV, Effektivwert)<br />
Schutzniveau des Ableiters bei I n (meist angegeben in kV, Scheitelwert)<br />
Bemessungsspannung (Rated Voltage meist angegeben in kV, Effektivwert)<br />
Referenzspannung (meist angegeben in kV, Effektivwert, bzw.Û / √2)<br />
Überspannung beim Transformator (meist angegeben in kV, Scheitelwert)<br />
U TOV in V<br />
Betriebsfrequente Überspannung begrenzter Dauer (meist angegeben in kV, Effektivwert)<br />
u(t)<br />
v<br />
in V<br />
in m/s<br />
Zeitfunktion einer Blitzüberspannung<br />
Geschwindigkeit der Wanderwelle, v = 300 m/ s in Luft<br />
Z<br />
in<br />
Ω<br />
Wellenwiderstand des Leiters einer Leitung, Z = 300...450Ω<br />
Z K<br />
in<br />
Ω<br />
Wellenwiderstand des Leiters eines Kabels, ZK = 20...60Ω<br />
δ L<br />
Lastabwurffaktor bei einem Generator<br />
ω<br />
1/s<br />
Kreisfrequenz der Netzfrequenz, bei 50 Hz ist ω = 314 1/s<br />
26
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CHHOS / AR 3257.99D (E)<br />
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Schweiz<br />
Telefon<br />
Telefax<br />
Internet<br />
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