Freileitungen

Die Übertragung elektrischer Leistung durch Freileitungen war und ist eines der wichtigsten Bestandteile heutiger Energieübertragungssysteme. Fundamentaler Zweck eines solchen Übertragungssystems ist die Leistungsübertragung von den Erzeugungspunkten zur Industrie und zu Umspannwerken, von denen aus Verteilungssysteme Wohngebiete und Handelszentren versorgen. Dieses Ziel wird durch Freileitungen erreicht, die Kraftwerke an das Netz anschließen, Netzbereiche miteinander koppeln und Energieversorgungsunternehmen untereinander verbinden oder elektrische Energie aus den unterschiedlichsten Gebieten innerhalb des Netzes zu Verteilungsumspannwerken liefern. Planungsstudien spielen eine wichtige Rolle für die Auslegung oder Erweiterung eines elektrischen Netzes. Planungsaktivitäten müssen wegen der vielen zu betrachtenden veränderlichen Größen mehrere Jahre vor einem Neubau oder einer Erweiterung beginnen. Ein Freileitungsprojekt kann daher schon mit dem Start von Planungsaktivitäten als begonnen betrachtet werden, lange bevor seine eigentliche Ausführung bestimmt wird. In einem Energieversorgungsunternehmen sind üblicherweise eine Reihe von Schritten erforderlich, bevor ein neues Übertragungssystem zwischen Konzeption und Fertigstellung zugeschaltet werden kann. Die erste Konzeption einer Freileitung und der angeschlossenen Umspannwerke beginnt in der Langzeitplanung mit den Anfangsfestlegungen für das System. Es folgen weitere Schritte in der mittelfristiqeti Planung und schließlich die eigentliche Definition der Leitung, danach die Einholung der Betriebserlaubnis und Genehmigung.

Die im elektrischen Feld einer Freileitung gespeicherte Energie kann dargestellt werden als wobei C die Kapazität und U die Spannung bedeuten. In gleicher Weise gilt für die in ihrem Magnetfeld gespeicherte Energie wobei L die Induktivität und I den Strom bedeuten.

Das elektrische Verhalten eines Freileitungsstromkreises wird durch dessen ohmschen Widerstand, Induktivität und Kapazität bestimmt. Aus diesen Größen folgen die Verluste, die Relation der Spannungen am Anfang und Ende der Leitung, die Stromaufteilung, die clektrischen und magnetischen Felder und die Randfeldstärken an den Außenleitern. Leitungsparameter und die entsprechenden Ersatzschaltungen werden in der elektrischen Netzberechnung verwendet. Die Impedanzen im Mit- und NulIsystem braucht man bei Lastftussrechnungen und Stabilitätsuntersuchungen, sowie zur Berechnung der Verluste und Kurzschlusswerte. Sie sind auch für die Einstellung des Schutzes und der Relais zur Einmessung von Fehlerorten notwendig.

Überschläge an Freileitungen infolge von Blitzeinschlägen bilden die Hauptursache für unplanmäßige Abschaltungen in elektrischen Netzen. Internationale Statistiken zeigen, dass ungefähr 65 %aller Leitungsabschaltungen von Blitzeinschlägen in Freileitungen herrühren [4.1]. Durch Schutzmaßnahmen wie Einbau von Erdseilen und wirksame Erdung der Masten ist es möglich, die Anzahl der Abschaltungen auf ein gefordertes, annehmbares Maß zu begrenzen. Die zunehmende elektrische Auslastung führt zum Betrieb der elektrischen Netze an der Grenze ihrer Belastbarkeit, so dass unplanmäßige Abschaltungen die Gefahr einer Instabilität des Gesamtnetzes erhöhen, Auch steigende Kurzschlussströme erhohen diese Gefahr.

Die Norm EN 50341-1 [5.1] nennt fünf Anforderungen an Erdungsanlagen:

Neuere Methoden zur Freileitungsauslegung, z. B. [6.1, 6.2, 6.3], betrachten eine Freileitung als ein System, das aus einzelnen Komponentcn zusammen gesetzt ist. Die Systemauslegung gestattet es, die mechanische Tragfähigkeit der einzelnen Komponenten aufeinander abzustimmen und dabei auch zu beachten, dass das Versagen einer beliebigen Komponente zurn Verlust der gesamten Übertragungsfähigkeit führen kann. Gemäß Bild 6.1 setzt sich das System Freileitung aus vier Hauptkomponenten zusammen: Tragwerke, Gründungen, Leiter und Verbindungsteile.

Die meisten Freileitungen mit Nennspannungen von 110 kV und darüber werden heute mit Erdseilen ausgerüstet, deren Hauptzweck der Schutz der Leiter gegen direkte Blitzeinschläge ist, die zum Abschalten der Leitung führen würden (siehe Abschnitt 4). Einschläge in die Erdseile können an den Masten ein so hohes Spannungspotenzial aufbauen, dass rückwärtige Überschläge über die Isolatoren zu den Leiterseilen auftreten. Um solche Überschlage auf ein Mindestmaß zu begrenzen, ist auch eine ausreichende Erdung der Maste notwendig (siehe Abschnitt 5).

Der zwischen dem spannungsführenden Leiter und dem geerdeten Teil der Anlage eingebaute Isolator wird elektrisch und mechanisch beansprucht. Das Isolationsvermögen muss auch bei ungünstigen Betriebsbedingungen wie wechselnde Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Tau, Nebel, Regen sowie Verschmutzung durch Niederschlag von Staub, Salzen, Verbrennungsprodukten und Industrieabgasen ausreichend bemessen sein. Die mechanische Festigkeit muss so hoch liegen, dass die auftretenden Belastungen betriebssicherübernommen werden. Durchschlags- und Lichtbogenfestigkeit müssen den betrieblichen Beanspruchungen genügen.

Armaturen für Freileitungen nach [10.1, 10.2] dienen der mechanischen Befestigung, der elektrischen Verbindung und dem Schutz von Leitern und Isolatoren. In den einschlägigen Normen werden Armaturen häufig auch als Zubehörteile bezeichnet, die sich aus Bauteilen oder Bauteilgruppen zusammensetzen können.

Jede Hochspannungsfreileitung ist als freistehende Konstruktion dem natürlichen Wind ausgesetzt, der eine Reihe mechanisch-dynamischer Phänomene in der Leitung erzeugt. Von besonderer Bedeutung sind die winderregten Schwingungen, die in verschiedenen Formen auftreten. Die Windströmung induziert an einem Leiter aerodynamische Kräfte, die gefährliche Schwingungen verursachen können, welche die Zuverlassigkeit und Lebensdauer einer Leitung beeinflussen. Allen Arten von Leiterschwingungen ist bei der Projektierung einer Freileitung besonderes Augenmerk zu schenken, urn negative Auswirkungen möglichst klein zu halten. Hinsichtlich Schwingungsanregung, Schwingungsform und Schwingfrequenz lassen sich drei Hauptgruppen unterscheiden [11.1].

Die Masten einer Freileitung sind Teile der Stützpunkte und bestehen aus Mastschaft, Erdseilstützen und Quertrügem. Die Ubertragungsspannung, die Zahl der Stromkreise, die Höhe der Masten und andere Gesiehtspunkte bestimmen Bauform und Werkstoffe, wofür Stahl, Stahlbeton oder Holz in Frage kommen. Die Masten beeinflussen den optisehen Eindruck einer Freileitung, die Betriebssieherheit und die Baukosten wesentlieh. Sie müssen die Kräfte, die von den Leitern und den äußeren Lasten hervorgerufen werden, sieher aufnehmen können.

Die Gründungen der Masten müssen in der Lage sein, die aus den Lastfällen resultierenden Bauwerkslasten mit ausreichender Sicherheit in den vorhandenen Baugrund einzuleiten, wobei keine unzulässigen Bewegungen der Gründungskörper auftreten dürfen. In EN 50431-1 [13.1], Abschnitt 8, sind die Regeln für Entwurf, Berechnung, Ausführung und Nachweis der Standsicherheit festgelegt.

Nach den in Abschnitt 1 „Gesamtplanung“ erläuterten Vorarbeiten, Studien und Bewertungen liegen die grundsätzlichen Erfordernisse für die trassenmäßige Planung einer Hochspannungsfreileitung bereits fest. Sie wurden in der Regel auf Grund netzplanerischer Überlegungen entwickelt und definieren wegen der Berücksichtigung von Erzeuger- oder Verbraucherschwerpunkten den im Prinzip erforderlichen Anfangs- und Endpunkt der Freileitungsverbindung. Auch die Spannungsebene und der erforderliche Leiterquerschnitt werden durch die bereits vorhandene Netzinfrastruktur und Lastflusserfordernisse mitbestimmt, so dass dem Trassenplaner bereits wesentliche Parameter vorgegeben sind. Soweit nicht im Einzelfall besondere Anforderungen z. B. aus klimatischen, topografischen oder gesetzlichen Gesichtspunkten zu speziellen Entwicklungen zwingen, wird sich der Trassenplaner wegen der hohen Kosten für neue Fertigungszeichnungen auch bei der Wahl eines Mastgestänges an zur Verfügung stehenden Konstruktionen orientieren oder sich solche von anderen Energieversorgungsunternehmen oder Fachfirmen besorgen können.

Der Bau einer Freileitung erfordert das Einrichten und Betreiben einer groβen Anzahl von Einzelbaustellen, um auf einer viele Kilometer langen Strecke die Mastfundamente herstellen sowie Mastmontage und Seilzug durchführen zu können.