U - Fachgebiet Hochspannungstechnik

Prof. Dr.-Ing. Volker Hinrichsen 

Maike Bröker, M.Sc. 

WS 2013/2014 

Fachgebiet 

Hochspannungstechnik 

Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 1 -

Vorstellung des FG Hochspannungstechnik 

S3|10: Büroräume - dritter und zweiter Flur Südseite 

S3|09: KHH, Laborräume, Seminarraum, Werkstatt 

S3|08: GHH 

Bürobereich 

KHH 

GHH 





S4|21: Interim-Büroflächen – “Carrée”, 3. Stock 

Haupteingang vom Innenhof 





Akkreditiertes Prüffeld für U m = 800 kV 

1,2-MV-Wechselspannungs-Trafokaskade 

3,2-MV-Stoßspannungsgenerator 





Stand Oktober 2013: 

• 15 WiMis 

Benjamin 

Baum 

Sébastien 

Blatt 

Alexander 

Feilbach 

Moritz 

Gießel 

Karsten 

Golde 

Martin 

Hannig 

Thomas 

Heinz 

Mohammad 

Nazemi 

Torsten 

Psotta 

Thomas 

Rettenmaier 

Maximilian 

Secklehner 

Michael 

Tenzer 

Max 

Tuczek 

Maike 

Bröker 

Dr.-Ing. 

Thomas 

Wietoska 

• 4 Werkstattmitarbeiter 

• 1 Sekretärin, 1 Buchhalterin 

Christian Homa Steffen Noll Frank Ullrich Ulrich Veith Ulla Brunner Hildegard Hasenei 




Hochspannungstechnik I 

Vorläufiger Zeitplan 

Woche 

HST1 

Donnerstag, 17. Oktober 2013 1 

Donnerstag, 24. Oktober 2013 

USA 

Donnerstag, 31. Oktober 2013 1 

Donnerstag, 7. November 2013 

ETG? 

Donnerstag, 14. November 2013 1 



Donnerstag, 5. Dezember 2013 1 


3 Wochen Weihnachtspause! 


Donnerstag, 16. Januar 2014 1 



Donnerstag, 6. Februar 2014 1 

Donnerstag, 13. Februar 2014 1 

Summe 13 

14 




Hochspannungstechnik I 

Evtl. 2 Exkursionen (möglicherweise beschränkte Teilnehmerzahl): 

- Siemens Schaltanlagenwerk Frankfurt 

- ABB GIS-Fertigung Großauheim 

Durchführung, Teilnehmerzahl und Termine noch in Klärung 




Hochspannungstechnik I: Prüfungsmodalitäten 

Übungen: 

• keine Mini-Tests in der VL-Zeit 

• Besuch der Übungen dringend empfohlen zum Bestehen der Klausur!! 

Vorlesung: 

• nur schriftliche Prüfung 

• maximale Punktezahl: 100 

Gesamt max. 100 Punkte 

(Ggf. Bonus-Punkte durch VL oder Übung) 




Hochspannungstechnik I: Lernunterlagen 

Skript: 

• Skript HST1+2 im pdf-Format als Download 

Vorlesungsfolien: 

• sämtliche Folien als Download 

Homepage: www.hst.tu-darmstadt.de 

Username: student 

PW: vorlesung 

PW zum Öffnen von pdf-Dateien: eeshst 




Hochspannungstechnik I: Themenübersicht 

1 Einführung in das Fachgebiet 

• Aufgaben der Hochspannungstechnik 

• System der elektrischen Energieversorgung 

• Betriebsspannungen der elektrischen Energieversorgung 

• Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung 

• Spannungsbeanspruchungen im Netz 

2 Erzeugung hoher Wechselspannungen 

3 Erzeugung hoher Gleichspannungen 

4 Erzeugung von Stoßspannungen 





5 Messung hoher Spannungen 

• Wechselspannungen 

• Gleichspannungen 

• Stoßspannungen 

12 Wanderwellenvorgänge auf Leitungen 

6 Elektrostatische Felder 




Hochspannungstechnik II: Themenübersicht 

7 Geschichtete Dielektrika 

8 Maßnahmen zur Feld- und Potentialsteuerung 

9 Der elektrische Durchschlag von Gasen 

10 Oberflächenentladungen 

(Gleitentladungen, Fremdschichtüberschlag) 

11 Blitzentladungen, Blitzschutz, Überspannungsschutz 




Buchempfehlungen 

24,90 € 

ca. 26 € 

3540784128 

3. Auflage, 2010 

Kostenloser Download im pdf-format aus dem Uni-Netz: 

http://www.springerlink.com/content/k272j8/?p=bd0a4ff15df1427d8ec2d814192d1591&pi=0 

64,95 € 




Buchempfehlungen 

289,- € 




Aufgaben der Hochspannungstechnik 

Die Hochspannungstechnik beschäftigt sich mit den 

• physikalischen Erscheinungen 

• technischen Problemen, 

die im Zusammenhang mit 

• dem natürlichen Auftreten 

• der Erzeugung 

• der Anwendung 

• der Messung 

hoher Spannungen auftreten. 

Ihre größte technische Bedeutung hat sie für die elektrische 

Energieversorgung erlangt. Die heute selbstverständliche, 

kostengünstige und qualitativ hochwertige Bereitstellung elektrischer 

Energie zu jeder Zeit und an praktisch jedem Ort wäre ohne den 

Einsatz und die Beherrschung hoher Spannungen undenkbar. 




Auftreten von „Hochspannung“ 

In technischen Systemen ...... 

als Betriebsspannung ..... 

Drehstromnetze 50 Hz oder 60 Hz bis U s = 1200 kV 

Aktuell in VR China (seit 2008): 

U s = 1100 kV 

Indien (im Bau): 

U s = 1200 kV 






als Betriebsspannung ..... 

Hochspannungsgleichstromübertragung bis 800 kV 

Aktuell in VR China: 

800 kV 

(Inbetriebnahme 2009) 

Planung: 1000 kV 






als Überspannungen ..... 

netzfrequent ... 

• als Folge von Erdschlüssen 

• „Ferranti-Effekt“ (Spannungserhöhung am Ende einer 

langen leerlaufenden Leitung (bzw. nach Lastabwurf) 

durch Spannungsfall an den Längsinduktivitäten 

aufgrund des kapazitiven Ladestromes 






als Überspannungen ..... 

transient ... 

• als Folge von gewollten oder ungewollten 

Schalthandlungen 






als Prüfspannung ..... 

Wechselspannung bis 2 MV 







Gleichspannung bis einige MV 







Stoßspannung bis einige MV 

(Blitzstoßspannungen, 

Schaltstoßspannungen) 






andere Anwendungen ..... 

Hochfrequente Wechselspannungen für Langwellenfunk 

(Antennenspannungen bis einige 10 kV) 

Gleichspannungen: 

Teilchenbeschleuniger bis einige 10 6 eV 

Staubfilter, Farbspritzanlagen bis 100 kV 

Hochvakuum-Elektronenröhren bis einige 100 kV 

Hochleistungsimpulsanlagen in der physikalischen Forschung 





In der Natur ...... 

als Gleichspannung ...... 

Gewitterelektrizität: Wolkenspannungen bis 

100 MV 

Elektrostatische Aufladungen: 

Ladungstrennungen bis einige kV 

als Stoßspannung ...... 

Überspannungen durch 

Blitzeinschläge 




Definition „Hochspannung“ 

Ein elektrisches Netz wird allgemein als ein "Hochspannungsnetz" 

bezeichnet, wenn es mit verketteter Wechselspannung größer 1 kV 

(Effektivwert) oder Gleichspannung größer 1,5 kV betrieben wird. 

Darüber hinaus haben sich aber auf dem Gebiet der elektrischen 

Energieversorgung die Begriffe Mittelspannung, Hochspannung und 

Höchstspannung durchgesetzt, die sich an der "Höchsten Spannung 

für ein Betriebsmittel U m 

" eines Netzes orientieren. 

Spannung 

"Mittelspannung" 

"Hochspannung" 

"Höchstspannung" 

"Ultrahochspannung" 

1 kV Hochspannungstechnik 

Die wesentliche Aufgabe der Hochspannungstechnik in der 

elektrischen Energieversorgung ist die Isolierung spannungsführender 

Teile in den Netzen und Betriebsmitteln untereinander und gegenüber 

der Umgebung. 

Die Isolierung muss dabei während der angestrebten Lebensdauer 

der Betriebsmittel von bis zu 50 Jahren allen auftretenden 

• elektrischen 

• mechanischen 

• klimatischen 

• sonstigen 

Beanspruchungen mit Sicherheit gewachsen sein. 

Gleichzeitig muss die Auslegung kostengünstig und nach 

wirtschaftlichen Gesichtspunkten erfolgen, was bedeutet, dass die 

Ausnutzung der Materialien bis dicht an die technisch-physikalischen 

Grenzen getrieben wird 




Aufgaben der Hochspannungstechnik - Problemfelder 

Feststellen der im Betrieb auftretenden Spannungsbeanspruchungen 

nach Art, Höhe, Dauer und Häufigkeit 

Verstehen der physikalischen Phänomene, die zum Zusammenbruch 

der (gasförmigen, flüssigen oder festen) Isolierung führen können, und 

Ableitung von Dimensionierungsregeln für die Auslegung von 

Hochspannungsgeräten 

Optimale Bemessung der Isolierung durch Kenntnis der 

Werkstoffeigenschaften (insbesondere auch Langzeitverhalten!) und 

deren ständige Weiterentwicklung, sowie durch geeignete Formgebung 

von Elektroden und Isolieranordnungen 

Entwicklung geeigneter Prüf- und Diagnoseverfahren und deren 

Festlegung in international gültigen Normen 




Aufgaben der Hochspannungstechnik - Problemfelder 

Isolationskoordination und Überspannungsschutz 

Erzeugung und Messung hoher Wechsel-, Gleich- und 

Stoßspannungen im Labor und vor Ort 

Durchführen von Entwicklungs-, Typ-, Stück- und Abnahmeprüfungen 

an Betriebsmitteln oder ganzen Anlagen 




Hochspannungstechnik – Beteiligte Fachdisziplinen 




Ende des 19. Jahrhunderts: “Centralstationen” 

Darmstädter Centralstation – bekannt? 




Erste Drehstromübertragung Lauffen - Frankfurt 1891 

• Oskar von Millers Vision: Verbundnetze 

und Fernübertragungen 

Initiierung einer elektrotechnischen 

Ausstellung 1891 in Frankfurt a.M.: 

Demonstrationsprojekt Fernübertragung 

Planung und Umsetzung: 

• Charles E.L. Brown; MF Oerlikon; 

1891 Gründung der BBC (heute ABB) 

• Michael von Dolivo-Dobrowolski; AEG; 

einer von Kittlers ersten Schülern; 

"Erfinder" des 3-Phasen-Drehstromsystems 

von Miller 

Brown 

Dolivo-Dobrowolski 




Erste Drehstromübertragung Lauffen - Frankfurt 1891 

Später: 15.000 V 

Ölfüllung! 

1000 Lampen 

+ 

1 künstlicher 

Wasserfall !! 

Aber: 

30% Verluste! 




Verbund und Fernübertragung: Übertragungsspannungen 

Um elektrische Energie über sehr weite Strecken transportieren 

zu können, muss die Übertragungsspannung hoch gewählt werden. 

Übertragene Leistung im Drehstromnetz: 

P 3 U I 3 U / 3 I 3 U I 

LE ∆ ∆ 

P übertragene Leistung (VA) 

U LE 

Leiter-Erd-Spannung (V) 

U ∆ 

I 

verkettete Spannung (V) 

Strom über das Leiterseil (A) 

Höhere Übertragungsleistung durch 

höhere Spannung 

oder 

höheren Strom 




Übertragungsspannungen 

Die bei der Übertragung auftretenden Verluste sind im wesentlichen 

dem Quadrat des Stromes proportional: 

2 

P I R 

V 

P V 

I 

R 

Verlustleistung je Phase (VA) 

Strom über das Leiterseil (A) 

Widerstand des Leiterseils (Ω) 

Hohe Übertragungsspannung wählen! 





Die Übertragungsspannung kann nicht beliebig gesteigert werden, 

da die Isolation für höhere Spannungen immer aufwendiger wird. 

Es lässt sich eine optimale Übertragungsspannung ermitteln. 

Die optimale Übertragungsspannung ergibt sich 

aus einer Kostenbetrachtung. 

Die Kosten für eine Fernübertragung setzen sich zusammen aus 

• Betriebskosten 

• Anlagenkosten 

• Leiterseilkosten 

• Isolationskosten 





Ausführliche Herleitung in der Übung 

P 

Annahmen: 

s 

1 2 

• Übertragung von „1“ nach „2“ 

• Strecke s = const. 

• Übertragene Leistung P = const. 


K V ~ 1/U 




K L ~1/U 

K is ~ U 





U 


K V ~ 1/U 




K L ~1/U 

K is ~ U 





Faustformeln für die optimale Übertragungsspannung: 

a) U opt = f(P): 

U 

opt 

(kV) = 15 ... 20 (MVA) 

P 

U 

Zufällige Übereinstimmung mit der natürlichen Leistung P 2 

nat 

Z 

Z = Wellenwiderstand der Leitung 

Z 

 

L 

C 

' 

' 

Z = 250 (420 kV, Viererbündel) 

Z = 400 (123 kV, Einzelleiter) 

U Z P 16...20 

P 

nat 

nat 





Faustformeln für die optimale Übertragungsspannung: 

b) U opt = f(s): 

U (kV) opt 

 

s(km) 

Gilt nicht für sehr kurze Leitungslängen, da dort die Kosten für 

Transformatoren überproportional ins Gewicht fallen. 





Richtwerte für Übertragungsspannung, übertragbare Leistung 

und Entfernungen: 

Übertragungsspannung 

U s = 123 kV 

U s = 245 kV 

U s = 420 kV 

U s = 765 (800) kV 

Leistung 

30 MVA 

( Bedarf einer 

30 000-Einwohner-Stadt) 

125 MVA 

(kleiner Kraftwerksblock) 

600 MVA 

(großer Kohle- 

Kraftwerksblock) 

2000 MVA 

(2 KKW-Blöcke) 

Strecke 

100-200 km 

200-400 km 

400-800 km 

1000 km 




Entwicklung der Übertragungsspannungen 

Jahr Spannung (kV) Ort 

1891 15 Lauffen-Frankfurt / D 

1907 50 Stadtwerke München / D 

1911 110 Lauchhammer-Riesa / D 

1929 220 RWE Rheinleitung / D 

1932 287 Boulder Dam / USA 

1952 380 Harsprånget-Hallsberg / S 

1959 525 UdSSR 

1965 736 Manicouagan-Montréal / CA 

(1985) (1200) (Ekibastuz - Kokchetav/UdSSR)* 

2009 800 d.c. China 

2010 1100 China 

2014 ? 1200 Indien 

*) Pilot-Projekt: 2000 km lange Leitung; die halbe Strecke für mehrere Jahre mit 1200 kV 

betrieben. Weiteres Pilotprojekt in Japan: 1100 kV für mehr als 10 Jahre. 




Bei IEC genormte Übertragungsspannungen 

Die IEC-Vorschrift 60071-1 gibt folgende Spannungsreihe vor: 

72,5 kV 

123 kV 

145 kV 

170 kV 

245 kV 

300 kV 

362 kV 

420 kV 

550 kV 

800 kV 

1100 kV 

1200 kV 




Internationale höchste Übertragungsspannungen 

Indien: 1200 kV (im Bau) 

China: 1100 kV (seit 2008) 




Spannungsebenen in Deutschland 

In Deutschland langfristig angestrebte Stufung 

420 kV 123 kV 12 kV 0,4 kV 

245 kV 

72 kV 

36 kV 

24 kV 

7,2 kV 

Netze und Einrichtungen der anderen Spannungsebenen sind zwar 

noch in großem Umfang in Betrieb, werden jedoch nicht weiter 

ausgebaut bzw. werden zurückgebaut (oder "uprated"). 




Von der Erzeugung bis zum Verbraucher 

Für Übertragung von 1000 MW: 

I 20.000 A I 1.500 A 

Lastfluss gestern und heute 

13 kV…27 kV 420 kV…245 kV…(123 kV) (123 kV)…36 kV…12 kV 0,4 kV 

Erzeugung Übertragung Verteilung 

"Hoch- und Höchstspannung" "Mittelspannung" "Niederspannung" 




Von der Erzeugung bis zum Verbraucher 

Bedarf an „Smart Grids“…. 

Lastfluss heute und morgen 

13 kV…27 kV 420 kV…245 kV…(123 kV) (123 kV)…36 kV…12 kV 0,4 kV 

Erzeugung Übertragung + Erzeugung Verteilung + Erzeugung 

"Hoch- und Höchstspannung" "Mittelspannung" "Niederspannung" 




Ausbau des HS-Netzes!! 

Verbundbetrieb: 

Deutsches Höchstspannungsnetz 

380 kV 

220 kV 

HGÜ (Seekabel) 

Schwacher Netzausbau hier! 

Zukünftige Offshore-Windparks: 

Transportleitungen nicht ausreichend! 




Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung 

Schaltbild einer Übergabe-Umspannstation 220/66 kV (245/72,5 kV) 

Erdungsschalter 

Trennschalter 

Leistungsschalter 

Sammelschienen 220 kV 

Transformatoren 220/66/11 kV 

Sammelschienen 66 kV 





Teil einer 420-kV-Freiluftschaltanlage 





420-kV-gasisolierte Schaltanlage 




Die wichtigsten Betriebsmittel 

Generatoren 

Transformatoren 

Leistungsschalter 

Trenn- und Erdungsschalter 

Überspannungsableiter 

Spannungs-, Strom- und Kombiwandler 

Stützisolatoren 

Freileitungsisolatoren 

Kabel einschließlich Endverschlüsse und Muffen 




FACTS 

Flexible AC Transmission Systems 

Einrichtungen zur Lastflussregelung zwischen zwei Drehstromnetzen 

durch Beeinflussung von Spannung, Winkel und Impedanz 

1 

jX 

U 1 , 1 

U 2 , 2 

2 

Vermehrter Einsatz von Bauelementen der Leistungselektronik, z.B.: 

Thyristoren mit Sperrspannungen bis 8 (10) kV 

LTT‘s = Light Triggered Thyristors 

IGBT‘s = Integrated Gate Bipolar Transistors 




Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) 

Einsatzgebiete: 

Verbindung asynchroner Netze untereinander: 50- und 60-Hz-Netze 

oder Netze mit unterschiedlichen Frequenzregelungscharakteristiken 

Extrem weite Übertragungsstrecken (> 1000 km), bei denen sonst mit 

Hilfe von FACTS hoher Aufwand zur Blindleistungskompensation und 

Stabilität getrieben werden müsste 

Seekabelverbindungen über mehr als 40 km, die bei Drehstrombetrieb 

zu unvertretbaren kapazitiven Ladeleistungen der Kabel führen würden 

Netzerweiterungen in Ballungsräumen, bei denen direkte Drehstrom- 

Verbindungen zu nicht mehr beherrschbaren Kurzschlussleistungen 

führen würden 





Betriebsspannungen: 

Freileitung: in der Regel +/- 500 kV (Extrem: +/- 800 kV) 

Seekabel: +/- 400 kV bis +/- 450 kV 

Betriebsarten: 

Gleichstrom-Kurzkupplung (GKK; back-to-back) 

Fernübertragung 








Spannungsbeanspruchungen im Netz 

Höhe der (Über-)Spannung / p.u. 

5 

4 

3 

2 

1 

Mögliche Spannungen ohne Einsatz von Ableitern 

Stehspannung der Geräteisolation 

Durch Einsatz von Ableitern begrenzte Spannungen 

0 

Blitzüberspannungen 

(Mikrosekunden) 

Schaltüberspannungen 

(Millisekunden) 

Zeitw. Überspannungen 

(Sekunden) 

Höchste Betriebsspannung 

(dauernd) 

Zeitdauer der (Über-)Spannung 





Spannungsbeanspruchungen und genormte Prüfspannungsformen 

(IEC 60071-1 bzw. DIN EN 60071-1 „Isolationskoordination“) 





• DIN EN 60071-1 definiert genormte Isolationspegel für die Betriebsmittel. 

• Der genormte Isolationspegel wird durch eine Kombination von zwei 

Bemessungsspannungen definiert. 

• Dabei werden zwei verschiedene Spannungsbereiche unterschieden: 

Bereich I: von U m = 1 kV bis einschließlich U m = 245 kV 

(Verteil- und Übertragungsnetze) 

Bemessungs-Kurzzeit-Wechselspannung 

Bemessungs-Blitzstoßspannung *) 

Bereich II: U m über 245 kV 

(Übertragungsnetze) 

Bemessungs-Schaltstoßspannung **) 

Bemessungs-Blitzstoßspannung *) 

*) "BIL" nach IEEE Std. 1313.1 **) "SIL" nach IEEE Std. 1313.1 




Isolationspegel nach DIN EN 60071-1 

Bereich I 

(U m = 1 kV bis U m =245 kV) 

Die Bemessungsspannungs- 

Werte für 

• Leiter-Erd-, 

• Leiter-Leiter-, 

• Längsisolation 

sind gleich! 




Isolationspegel nach DIN EN 60071-1 

Bereich II 

(U m > 245 kV) 

UHV: 

Unterschiedliche Bemessungsspannungswerte 

für 

• Leiter-Erd-, 

• Leiter-Leiter-, 

• Längsisolation! 





Verlauf einer Stoßspannung 




Was bedeuten U n , U s und U m ? 

Definition lt. DIN EN 60071-1 („Isolationskoordination“) 

R 

Spannungszeigerdiagramm 

„Außenleiterspannung“ 

„Verkettete Spannung“ 

„Dreiecksspannung“ 

Beispiel: deutsches 

Höchstspannungsnetz 

U n = 380 kV 

U s = 420 kV 

U m = 420 kV (i.d.R.!) 

S 

T 

Leiter-Erd-Spannung: 

U 

U 

LE s 

/ 3 242 kV 




Formgebung von Elektroden und Isolieranordnungen 




Isolationskoordination 




Tagesbelastungskurve eines Kraftwerkes 




Klimabedingungen 




Sonstige Beanspruchungen …. 

Algen- und Moosbewuchs ..... 

Vandalismus .... 

Tierfraß ... 

Transport .... 




Sonstige Beanspruchungen …. 

Algen- und Moosbewuchs ..... 

Erdbeben .... 

Transportbeanspruchungen .... 

Vandalismus .... 

Tierfraß ... 

Stromkräfte .... 




Betriebsmittel: Transformatoren 




Betriebsmittel: Leistungsschalter 




Betriebsmittel: Trenn- und Erdungsschalter 




Betriebsmittel: Überspannungsableiter 




Betriebsmittel: Wandler 

Optischer Stromwandler 

(Ausnutzung des 

elektro-optischen 

"Faraday-Effekts") 




Betriebsmittel: Freileitungsisolatoren 




Betriebsmittel: Kabel, Endverschlüsse, Muffen 




Thyristoren mit Sperrspannungen bis 8 kV 




Lichtgetriggerte Thyristoren 




Erasmus Kittler 

Professor 

Dr. Erasmus Kittler 

Erster ordentlicher Lehrstuhl 

für Elektrotechnik 

weltweit, 1882 




Lackieranlage mit 100 kV Hochspannung 

Quelle: Phoenix Contact März/April 2003

U - Fachgebiet Hochspannungstechnik

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