Blitzphänomene im österreichischen Hoch- und Höchstspannungsnetz – transient erfasst

Die Erfassung transienter Vorgänge in Hochspannungssystemen hat in den letzten Jahren wieder an großer Bedeutung gewonnen. Atmosphärische Entladungen auf bzw. neben Hochspannungsfreileitungen führen bekanntlich zu überlagerten transienten Spannungen in den Systemen und haben Auswirkungen auf die Isolationskoordination [1]. Solche Einwirkungen äußern sich durch Spannungseinbrüche oder Spannungsspitzen und wirken sich direkt auf die Spannungsqualität und damit auf die Systemperformance der Hochspannungssysteme aus. Für die grundlegende Analyse von Einwirkungen atmosphärischer Entladungen auf Hochspannungsfreileitungen und Systeme werden prinzipiell numerische Berechnungsprogramme herangezogen. Dennoch ist es unumgänglich, mit moderner Messtechnik diese transienten Einwirkungen zu erfassen, um die nach Theorie durchgeführten Analysen zu bestätigen. Auch Einschläge im nahen Umfeld einer Hochspannungsleitung äußern sich durch transiente Einkopplungen [2].

Um hochqualitative Messdaten solcher transienten Ereignisse im österreichischen Übertragungsnetz erfassen zu können, wurden in ausgewählten Knotenpunkten von Netzbetreibern breitbandige ohmsch-kapazitive Spannungsteiler (RC-Teiler) installiert. Die Analyse von geplanten Schalthandlungen und ungeplanten Fehlerzuständen kann mit Hilfe der internen Betriebsaufzeichnungen korreliert werden. Eine Analyse von Messsequenzen hinsichtlich atmosphärischen Entladungen kann mit Ortungsdaten des österreichischen Blitzortungssystems ALDIS verglichen werden.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Spannungsverläufen von direkten und indirekten atmosphärischen Entladungen auf Hochspannungsfreileitungen. Um den Eintrag dieser transienten Effekte zu demonstrieren, wurden drei signifikante Messsequenzen aus den umfangreichen Datensätzen ausgewählt. Das erste Fallbeispiel zeigt eine atmosphärische Entladung als direkten Einschlag in ein Hochspannungssystem. Die beiden weiteren Fallbeispiele zeigen den Ablauf von indirekten Einkopplungen und Spannungsüberlagerungen zur netzfrequenten Hochspannung, welche durch Blitzentladungen in der Umgebung einer Freileitung verursacht wurden.

Das Gebiet der transienten Abläufe wird in Frequenzbereiche unterteilt. Für die durchgeführten Messungen wurden grundsätzlich Signale mit Frequenzen von mehreren hundert Hz bis einigen MHz betrachtet. Atmosphärische Entladungen laufen in einem Frequenzbereich von kHz bis MHz ab. Vor allem um diese schnell ablaufenden Phänomene sichtbar zu machen, gilt es, die installierten Schutz- und Überwachungssysteme der Netzbetreiber zu erweitern. Die gängigen Systeme der Hochspannungsanlagen sind für die Aufbereitung von Signalen im 50-Hz-Bereich ausgelegt und übermitteln im transienten Bereich nur ungenau bzw. verfälscht die ablaufenden Vorgänge [3]. Abbildung 1 zeigt einen Vergleich des Übertragungsverhaltens verschiedener induktiver Messwandler bis 5 kHz und eines RC-Teilers. Daraus kann entnommen werden, dass bei Verwendung eines induktiven Messwandlers in diesem Frequenzbereich Fehler von bis zu 350%, abhängig von der Spannungsebene, auftreten können.

Um die genannten transienten Ereignisse und im speziellen die atmosphärischen Entladungen in hoher Qualität erfassen zu können, bedarf es des Einsatzes von RC-Teilern, welche über einen großen Bereich ein lineares und reproduzierbares Übertragungsverhalten aufweisen.

Um die Auswirkung von atmosphärischen Entladungen im Hochspannungssystem sichtbar zu machen, bedarf es eines Messaufbaus im Hochspannungssystem zur Erfassung transienter, höherfrequenter Spannungen sowie der zeitgenauen Ortungsdaten von ALDIS (siehe [4] und [5]).

Eine Korrelation dieser Art wurde bereits im 110-kV-Hochspannungsnetz unter Verwendung von Blitzortungsdaten durchgeführt [10]. Nach Stand der Technik werden in Österreich derzeit für die Spannungsmessung im Hoch- und Höchstspannungsnetz induktive Messwandler eingesetzt. Die Frequenzcharakteristik solcher induktiven Messwandler erlaubt es nicht, über den Frequenzbereich ein eindeutiges Abbild höherfrequenter transienter Abläufe zu liefern. Diese sind zur 50-Hz-Erfassung für Regel- und Schutzzwecke ausgelegt, nicht aber für die Erfassung höherfrequenter, transienter Signale.

Die Stördatenerfassung in einem Netz wird im Normalfall nur bei einer Leitungsabschaltung gestartet. Mit der Installation von RC-Teilern und einem transienten Messsystem wird es möglich, jegliche Art von transienten Spannungssignalen, wie z.B. auch induzierte Spannungen ausgelöst durch atmosphärische Entladungen in der Umgebung oder durch direkte Einschläge ins Erdseil, zu erfassen, und in weiterer Folge in hoher Genauigkeit zu identifizieren und zu analysieren.

Im folgenden Abschnitt werden drei Beispiele von transienten Messungen im Hochspannungssystem ausgewählt, welche die unterschiedlichen Auswirkungen auf den Netzspannungsverlauf aufzeigen.

Diese Arbeit gibt einen Einblick in die Forschungsaktivitäten am Institut für Hochspannungstechnik und Systemmanagement der TU Graz auf dem Gebiet Messung, Erfassung und Analyse transienter Phänomene in Hochspannungsnetzen, die in Kooperation mit Netzbetreibern und ALDIS durchgeführt werden. Durch die moderne Messtechnik mit RC-Teilern und digitalen Transienten-Recordern können transiente Spannungen in allen Spannungsebenen mit einer messtechnischen Gesamtqualität aufgezeichnet werden, wie es bisher nicht möglich war.

Die Erfassung transienter Vorgänge in Hochspannungssystemen mit hoher Zeitgenauigkeit und hoher transienter Messqualität hat in den letzten Jahren wieder an Bedeutung gewonnen. Die beschriebenen Spannungsmessungen können einerseits die Auswirkungen von direkten Einschlägen in die Leitungen und andererseits die induzierenden Wirkungen von atmosphärischen Entladungen auf den Spannungsverlauf in Hochspannungssystemen aller Spannungsebenen aufzeigen. Durch die Korrelation dieser Daten mit Daten des Blitzortungssystems können den auftretenden Spannungsabweichungen oder Überspannungen bestimmte Haupt- bzw. Folgeentladungen als Ursache eindeutig zugewiesen werden. Die zeitliche Genauigkeit der transienten Messdaten und der Blitzortungsdaten im Nanosekundenbereich macht diese Zuordnung unter Zuhilfenahme der relativen Zeitabstände zwischen Haupt- und Folgeentladung bzw. zwischen einzelnen Folgeentladungen erst möglich.

In drei Fallbeispielen konnten die transienten Spannungsverläufe dargestellt und analysiert werden. Dabei konnten die unterschiedlichen transienten Auswirkungen durch einen direkten Blitzeinschlag in eine Freileitung, durch einen Erdseileinschlag und durch induzierte Spannungen auf den Netzspannungsverlauf nachgewiesen werden.

In Rahmen dieser Forschungsaktivitäten werden auch eine Vielzahl anderer Auswirkungen auf das Hochspannungsnetz sowie anderer atmosphärischer Entladungen korreliert und analysiert. Dazu werden am Institut in Kooperation mit ALDIS und der ZAMG und dem Übertragungsnetzbetreiber APG, seit einigen Jahren in einem neuen Forschungsprojekt „Lightning Observation in the Alps (LiOn)“ Vor-Ort-Messungen von atmosphärischen Bodeneinschlägen mit einem Hochgeschwindigkeitsvideo- und Feldmesssystem im österreichischen Alpenraum und in der Nähe von Hochspannungssystemen durchgeführt.

Diese Arbeiten zeigen, welche Bedeutung und die Möglichkeiten die Erfassung von transienten Vorgängen in Hochspannungssystemen mit modernen RC-Teilern hat, indem neue Erkenntnisse für das Verständnis um die Spannungsqualität und die Netzsicherheit, aber auch durch die Korrelation mit Blitzortungsdaten abgeleitet werden können.