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NWENDUNGSRICHTLINIEN

N W E N D U N G S R I C H T L I N I E N

Ü B E R S P A N N U N G S S C H U T Z

Bemessung,

Prüfung und Einsatz

von Metalloxid-Ableitern

in Mittelspannungsnetzen


Vorwort

Die positive Aufnahme der Richtlinien zur Bemessung,

Prüfung und Einsatz von Metalloxid-Ableitern in

Mittelspannungsnetzen, in erster Auflage 1994

erschienen, hat uns sehr gefreut und bestätigt, dass

kompetente Beratung zum Einsatz unserer Produkte

genauso wichtig ist, wie die Qualität der Produkte

selbst.

Der technologische Fortschritt machte es nunmehr nötig die vorliegende Broschüre für die 3. Auflage neu zu

bearbeiten.

Die Dimensionierung und die theoretischen Ableitungen zum optimalen Einsatz der Ableiter wurden

unverändert übernommen. Herrn René Rudolph, seinerzeit zuständig für Anwendungsberatung im

Teilbereich Überspannungsableiter, sei an dieser Stelle gedankt für die Überarbeitung der Tabellen, nötig

geworden durch die verbesserten technischen Daten der Ableiter und der Erweiterung des

Produkteprogrammes.

Herr Bernhard Richter, nunmehr im Teilbereich Überspannungsableiter zuständig für Engineering und

Anwendung von Überspannungsschutzgeräten, hat die Gesamtüberarbeitung gerne übernommen. Herr

Richter ist Mitglied in verschiedenen Arbeitsgruppen von IEC SC 37 A und IEC TC 81, und beschäftigt sich

neben der Entwicklung und Prüfung hauptsächlich mit der Anwendung von Ableitern.

Die bei ABB in der Mittelspannung verwendete Silikontechnologie und die Weiterentwicklung des

MO-Materials eröffnen neue Anwendungsgebiete. Dem wird in der vorliegenden Auflage Rechnung

getragen.

Wir hoffen, dass Sie als Leser auch aus der vorliegenden Neuauflage im neuen Erscheinungsbild viel Nutzen

ziehen können. Für Ergänzungen oder Anregungen sind wir darüberhinaus sehr dankbar, um möglichst alle

Kundenbedürfnisse erfassen zu können.

Erste Auflage: November 1994

2. überarbeitete Auflage September 1995

3. überarbeitete Auflage Mai 1999

Alle Rechte vorbehalten. Weder das Buch noch

Teile davon dürfen ohne vorherige Genehmigung der ABB

Hochspannungstechnik kopiert, reproduziert oder in andere

Formen übertragen werden, noch in andere Sprachen übersetzt

werden.

ABB Hochspannungstechnik AG

Wettingen, im Mai 1999

© ABB Hochspannungstechnik AG

Bereich Überspannungsableiter, Wettingen / Schweiz

1


Inhaltsverzeichnis

1

Einleitung

8.3

Netze mit niederohmiger Sternpunkterdung (Ce<

1,4)

2

2.1

3

4

4.1

4.2

4.3

4.4

Ableitertechnik

MO-Ableiter und Ableiter mit Funkenstrecken

Metalloxid-Widerstände als Ableiterelemente

Mittelspannungsableiter der ABB

Ableiteraufbau

Isolation aus Silikonkautschuk

Energieaufnahmevermögen und Abkühlzeit

Nennableitstrom und Energieaufnahmevermögen

8.4

8.5

8.6

8.7

9

9.1

9.2

Netze mit niederohmig geerdeten Sternpunkten,

aber nicht überall Ce<

1,4

Netze mit niederohmiger Sternpunkterdung und Ce > 1,4

Ableiter zwischen den Phasen (Neptunschaltung)

Betriebsspannung mit Oberschwingungen

Die Schutzdistanz von Ableitern

Theoretischer Ansatz für die Schutzdistanz L

Zu erwartende Steilheit S von Blitzüberspannungen in

MS-Schaltanlagen

5

5.1

5.2

Besondere Betriebsbedingungen

Kurzschlussleistung des Netzes

Erhöhte Umgebungstemperatur

9.3

9.4

Beeinflussung der Schutzdistanz durch die Betriebsmittel,

den Ableitertyp und die Anordnung der Ableiter

Ausfallrisiko des Betriebsmittels und seine Entfernung

vom Ableiter

5.3

Mechanische Festigkeit

10

Einige Sonderfälle

5.4

Luftverschmutzung

10.1

Überspannungsschutz bei Kabelstrecken

5.5

Höhenanpassung der Ableitergehäuse

10.2

Kabelmantelschutz

6

Schutzcharakteristik der Ableiter, Stabilität

10.3

Transformator am Ende eines Kabels

6.1

6.2

6.3

7

Schutzniveau der Ableiter

Stabilitätsfragen bei MO-Ableitern

Temporäre, zeitweilige Überspannungen

Prüfungen

10.4

10.5

10.6

Transformator nur einseitig mit einer

blitzgefährdeten Leitung verbunden

Ableiter in gekapselten MS-Schaltanlagen

Generator, verbunden mit einer

blitzgefährdeten MS-Leitung

7.1

Typprüfungen

10.7

Ableiterschutz bei Motoren

7.2

Stückprüfungen

10.8

Überspannungsschutz auf Lokomotiven

7.3

Abnahmeprüfungen

10.9

Ableiter parallel zu einer Kondensator-Batterie

7.4

Sonderprüfungen

10.10

Hochfrequenzsperren (Parallelschutz)

8

Auswahl der Ableiter und Bestimmung von U c

11

Ableiter für Gleichspannung

8.1

8.2

Netze mit Erdschlusskompensation oder mit

hochohmig isoliertem Sternpunkt

Netze mit hochohmig isoliertem Sternpunkt

und Erdschluss-Abschaltung

12

13

Consulting bei Ableiterfragen

Schlussbemerkungen

Verzeichnis der verwendeten Symbole

Literaturverzeichnis

2


1 Einleitung

Überspannungen in elektrischen Versorgungsnetzen entstehen

durch Blitzeinwirkungen und Schalthandlungen und sind nicht zu

vermeiden. Sie gefährden die Betriebsmittel, weil deren

Spannungsfestigkeit aus wirtschaftlichen Gründen nicht beliebig

hoch ausgelegt werden kann. Ein wirtschaftlicher und

zuverlässiger Netzbetrieb erfordert also einen ausreichenden

Schutz der Betriebsmittel vor unzulässiger Überspannungsbeanspruchung.

Dies gilt sowohl für Hochspannungs- als auch für

Mittel- und Niederspannungsnetze.

Der Überspannungsschutz kann grundsätzlich auf zwei Arten

erfolgen:

• Vermeiden der Blitzüberspannungen am Entstehungsort, z.B.

mittels Erdseilen vor einer Schaltanlage, welche Blitze

abfangen.

• Begrenzung der Überspannung beim Betriebsmittel, z.B. mittels

Ableitern in der Nähe der Betriebsmittel.

In Hochspannungsnetzen sind beide Schutzarten üblich. In

Mittelspannungsnetzen ist der Erdseilschutz im allgemeinen nicht

sehr wirkungsvoll. Infolge der geringen Abstände zwischen dem

Erdseil und den Leiterseilen wird der direkte Blitzschlag meistens

auch die Leiterseile treffen. Dazu kommt, dass das Erdseil

induzierte Überspannungen (indirekte Blitzeinwirkung) in den

Leiterseilen nicht verhindern kann.

Der wirkungsvollste Überspannungsschutz im Mittelspannungsnetz

ist demnach der Einsatz von Überspannungsableitern

in der Nähe der Betriebsmittel.

Die Höhe der Überspannungen wird meistens in der Einheit p.u.

(per unit) angegeben. Sie ist definiert als

1 p.u. = √2 * U / √3,

m

wobei unter Um

die maximale Spannung als Effektivwert zwischen

den Phasen beim ungestörten Netzbetrieb verstanden wird [1].

Im wesentlichen unterscheidet man drei Arten von Überspannungen

[2] :

• Zeitweilige (temporäre) Überspannungen treten z.B. bei

Lastabwurf oder bei Fehlern mit Erdberührung auf. Die Dauer

dieser betriebsfrequenten Überspannungen liegt zwischen

0,1 Sekunden und einigen Stunden. Sie liegen im allgemeinen

nicht wesentlich oberhalb √3 p.u. und sind für den Netzbetrieb

meist ungefährlich, für die Dimensionierung der Ableiter jedoch

massgebend.

• Schaltüberspannungen entstehen bei Schalthandlungen und

bestehen meist aus stark gedämpften Schwingungen mit

Frequenzen bis zu einigen kHz und einer Höhe bis zu 3 p.u.

Ein Spezialfall sind Schaltungen in induktiven Stromkreisen. Hier

kann die Anstiegszeit der Überspannung im Bereich von 0,1 bis 10

µs liegen und der Scheitelwert kann 4 p.u. erreichen. Steile

Überspannungen sind auch beim Einschalten von Leitungen oder

Kabeln möglich. Der Scheitelwert liegt aber unterhalb 2,2 p.u. und

ist daher für den Netzbetrieb ungefährlich.

• Blitzüberspannungen haben ihre Ursache in atmosphärischen

Entladungen. Sie erreichen ihren Scheitelwert nach wenigen µs

und klingen anschliessend schnell wieder ab. Die Höhe dieser

unipolaren Überspannungen kann im Mittelspannungsnetz weit

über 10 p.u. erreichen.

Blitzüberspannungen stellen also die extremste Bedrohung im

Mittelspannungsnetz dar. Der Überspannungsschutz muss darauf

ausgerichtet sein diese Überspannungen auf einen ungefährlichen

Wert zu begrenzen.

2 Ableitertechnik

Bis Mitte der 80iger Jahre wurden im Mittelspannungsnetz fast

ausschliesslich sogenannte "konventionelle" Ableiter eingesetzt.

Sie bestanden aus einer Serieschaltung von SiC Widerständen und

Plattenfunkenstrecken. Während des Ansteigens der

Überspannung erfolgt beim Ansprechen der Funkenstrecken ein

Erdschluss . Der in Serie geschaltete SiC Widerstand begrenzt den

von der Netzspannung getriebenen Folgestrom und ermöglicht so

das Löschen des Lichtbogens durch die Funkenstrecken beim

nächsten Nulldurchgang des Stromes.

In den letzten Jahren gab es zwei wesentliche Verbesserungen bei

Ableitern für den Einsatz im Mittelspannungsnetz. Zum einen

wurde die Serieschaltung von Funkenstrecken und SiC

Widerständen abgelöst durch Metalloxid-Widerstände (MO-

Widerstände) ohne Funkenstrecken in Serie, zum anderen wurden

die bis dahin verwendeten Ableitergehäuse aus Porzellan abgelöst

durch Ableitergehäuse aus Polymermaterial (Kunststoff).

2.1 MO-Ableiter und Ableiter mit Funkenstrecken

Ableiter schützen ein Betriebsmittel unabhängig von dem

Vorhandensein anderer Ableiter. Deshalb können in der selben

Anlage sowohl konventionelle Funkenstreckenableiter als auch

moderne MO-Ableiter nebeneinander arbeiten. Es ist nicht einmal

erforderlich, dass ein Betriebsmittel in allen drei Phasen vom

gleichen Ableitertyp geschützt wird. Der Netzbetreiber kann also,

sobald ein Funkenstreckenableiter ausfällt, diesen durch einen

MO-Ableiter ersetzen. Das gibt ihm die Möglichkeit, mit der Zeit

die grössere Betriebssicherheit der MO-Ableiter kostensparend

einzuführen.

Ein wesentlicher Vorteil der MO-Ableiter besteht darin, dass sie

aufgrund der extrem nichtlinearen Kennlinie der MO-Widerstände

keine Funkenstrecken benötigen. Der Strom durch die Ableiter

beginnt deshalb bereits zu fliessen, bevor die Überspannung den

Wert Up

erreicht hat. Sie reduzieren also die Überspannung früher

als die Funkenstreckenableiter. Diese werden erst leitend,

nachdem die Überspannung auf Up

angestiegen ist. Ihre

Schutzdistanz ist daher in vielen Fällen kleiner (siehe Kapitel 9).

Dies ist gleichbedeutend mit einer höheren Überspannung am

Betriebsmittel, wenn es bei gleicher Entfernung vom Ableiter mit

einem Funkenstreckenableiter an Stelle eines MO-Ableiters

geschützt ist.

Bei Frontzeiten unterhalb 1 µs nimmt die Ansprechspannung der

Funkenstrecken bei abnehmender Frontzeit stark zu. Dies bewirkt

eine Verschlechterung des Schutzverhaltens von Funkenstreckenableitern

bei Überspannungswellen mit steiler Front.

Ist die äussere Isolation der Ableiter stark verschmutzt, dann ist die

Spannungsverteilung entlang der feuchten Aussenoberfläche sehr

ungleichmässig. Es können zwischen den Schirmen Teillichtbögen

auftreten, welche im Aktivteil Überspannungen induzieren. Diese

sind bei Funkenstreckenableitern besonders kritisch, denn sie

können ihn periodisch zum Ansprechen bringen, wodurch er

zerstört wird. Dies ist der Grund, weshalb MO-Ableiter ohne

Funkenstrecken prinzipiell eine wesentlich höhere Verschmutzungsfestigkeit

besitzen.

3


Sind mehrere Funkenstreckenableiter parallel geschaltet, so

zündet in der Regel im Verlauf einer Überspannung nur einer der

Ableiter. Dieser begrenzt dann die Überspannung auf einen Wert,

der unterhalb der Zündspannungen der restlichen parallelen

Ableiter liegt. Es ist deshalb nicht möglich, die Energie der

Überspannung auf mehrere parallele Funkenstreckenableiter zu

verteilen. Ist die Energie zu gross, dann wird der Ableiter, der

gezündet hat, überlastet. Dies gilt insbesondere für

Funkenstreckenableiter, die parallel zu Kondensator-Batterien

grosser Blindleistung geschaltet sind.

Bei MO-Ableitern ohne Funkenstrecken führen alle parallelen MO-

Säulen gleichzeitig Strom. Die Energie der Überspannung wird

daher auf alle parallelen Ableiter verteilt, so dass das

Energieaufnahmevermögen als begrenzende Grösse wegfällt.

Weil MO-Ableiter keinen Folgestrom führen, sind sie sowohl bei 50

Hz als auch bei 16 2/3 Hz einsetzbar. Bei Funkenstreckenableitern

hingegen fliesst der Folgestrom bei 16 2/3 Hz dreimal so lange wie

bei 50 Hz. Dadurch würden die Funkenstrecken und SiC

Widerstände mit einer entsprechend höheren Energie belastet. Um

das zu verhindern muss der Scheitelwert des Folgestromes

verkleinert werden. Dies erfordert Funkenstreckenableiter mit

vergrösserter Nennspannung, was jedoch eine beträchtliche

Erhöhung des Schutzniveaus zur Folge hat. Zur Erhellung dieser

Sachverhalte sei noch erwähnt, dass MO-Ableiter auch bei

Gleichspannung einsetzbar sind, dass hingegen Ableiter mit

Plattenfunkenstrecken dieser Form der Belastung nicht

gewachsen sind.

3 Metalloxid-Widerstände

als Ableiterelemente

Metalloxid-Widerstände besitzen eine extrem nichtlineare Strom-

Spannungs-Charakteristik. In Bild 1 ist die Kennlinie eines solchen

Widerstandes dargestellt. In

ist der Nennableitstrom (in Bild 1 z.B.

I n=10 kA). Upist das Schutzniveau. Es ist definiert als die maximale

Spannung über dem Widerstand beim Fliessen von I n. Die maximal

zulässige netzfrequente Dauerbetriebsspannung des Widerstandes

wird mit Uc

bezeichnet und als Effektivwert angegeben; im

englischen Sprachgebiet auch MCOV (Maximum Continuous

Operating Voltage) genannt.

20

[kV]

13

10

5.66

0

Figur 1

MO

SiC

10 -4 10 -2 1 10 2 10 4 [A]

200A

Gleichspannungsmessung Stromwelle 8 / 20 s

I = 10 kA n

U = 4 p.u p

√2 xU c

Vergleichsweise ist im Diagramm auch die Kennlinie eines SiC-

Widerstandes eingezeichnet, für den ebenfalls U p=13 kV gelte. Da

SiC eine wesentlich kleinere Nichtlinearität aufweist, würde der

Dauerstrom eines funkenstreckenlosen SiC-Ableiters bei

Nennbelastung rund 200 A betragen. Ein solcher Ableiter wäre

natürlich aus thermischen Gründen nicht machbar. Ausserdem

würde er das elektrische Netz stark belasten. Die konventionellen

Ableiter benötigen deshalb Seriefunkenstrecken, an denen bei

Dauerbetrieb die Spannung anliegt.

Die MO-Widerstände bilden das Aktivteil der MO-Ableiter. MO-

Widerstände werden aus verschiedenen pulverförmigen

Metalloxiden zu runden Blöcken gepresst und gesintert. Die

Durchmesser der MO-Widerstände der ABB Hochspannungstechnik

AG, hergestellt für Mittelspannungsanwendung, liegen

zwischen 38 mm und 75 mm. Die Höhe der Blöcke liegt typisch

zwischen 23 mm und 46 mm. Die Durchmesser der MO-

Widerstände bestimmen die Stromtragfähigkeit, die Höhe der MO-

Widerstände (oder Widerstandsstapel) die Dauerbetriebsspannung

und das Volumen die Energieaufnahmefähigkeit. Die

Durchmesser der MO-Widerstände korrelieren mit den

Leitungsentladungsklassen entsprechend IEC 60099-4, wie in

Tabelle 1 gezeigt .

Leitungsentladungsklasse

entsprechend IEC 60099-4

Durchmesser des Widerstandes in mm

Rechteckwelle, 2000 µ s in A

Energieaufnahmefähigkeit in (kJ / kV )

Uc

Tabelle 1

Zuordnung typischer MO -Widerstände zu den Leitungsentladungsklassen

nach IEC. Leitungsentladungsklasse 5, hier

nicht aufgeführt, hat nur in Hochspannungsgrenzen oberhalb

420 kV Bedeutung.

Die Stirnseiten der MO-Widerstände sind mit Weichaluminium bis

zum Rand des Blockes metallisiert, die Mantelfläche ist mit Glas

passiviert. Somit ist bei den MO-Widerständen der ABB

Hochspannungstechnik AG das MO-Material vollständig bedeckt.

Bild 2 zeigt eine Auswahl von MO-Widerständen .

Die Energieaufnahmefähigkeit der MO-Widerstände hängt neben

dem Volumen auch von der Konstruktion der Ableiter

(Wärmeabfuhr) ab. Darauf wird in Kapitel 4 eingegangen.

1

38

250

3.6

2

47

550

5.5

3

62

1000

9.0

4

75

1350

13.3

Bild 1

Einfach logarithmische Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik

von Wiederständenaus MO- und SiC-Material für U c =4kV

Die Kennlinie in Bild 1 entspricht einem Widerstand mit U c=4 kV.

Bei Gleichspannungsbelastung mit √2 x U c=5,66 kV fliesst ein

Gleichstrom in der Grössenordnung von 0,1 mA. Die kapazitive

Komponente bei 50 Hz und Uc

liegt bei 0,5 mA für den

dargestellten Widerstandstyp. Das Schutzniveau Up

bei I n=10 kA

beträgt 13 kV.

Bild 2

MO-Widerstände (Auswahl) hergestellt bei ABB

4


4 Mittelspannungsableiter der ABB

Der Wunsch, die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Ableiter und

damit der Energieversorgung, zu erhöhen führte Mitte der 80iger

Jahre zur Entwicklung von MO-Ableitern mit Silikongehäuse.

Silikon ist seit ca. 30 Jahren als hervorragendes Isoliermaterial in

der Hochspannungstechnik, zum Beispiel bei Langstabisolatoren

und Durchführungen, bekannt und erprobt. Die ersten MO-Ableiter

mit Silikongehäuse in der typischen ABB Ausführung

(Direktverguss) kamen 1986 ins Netz. Heute, 1999, sind weltweit

mehr als 600 000 Ableiter unter verschiedensten Umweltbedingungen

im Netz.

Ableitertyp

POLIM-DN

POLIM-D

POLIM-DA

MWK / MWD

POLIM-I

POLIM-S

I

kA n U p / Uc

Hochstrom E/U

kJ/kV c Rechteckwelle

kA

Uc I mA t ms

5

10

10

10

10

10

3.33

3.5

3.33

3.07

3.07

3.00

65

100

100

100

100

100

3.6

5.5

5.5

5.5

9.0

250

350

550

550

1000

2000

2000

2000

2000

2000

2000

4.1 Ableiteraufbau

Im Prinzip bestehen Ableiter aus zwei Teilen: Dem Aktivteil,

bestehend aus einem oder mehreren übereinander gestapelten

MO-Widerständen, und einem isolierenden Gehäuse, das neben

der Isolation auch die mechanische Festigkeit gewährleistet.

Die MO-Widerstände wurden im vorigen Kapitel kurz beschrieben.

Es gibt im wesentlichen drei unterschiedliche Konstruktionsmöglichkeiten:

• Ein glasfaserverstärktes Kunststoffrohr wird mit Isoliermaterial

beschirmt. Diese sog. hohlen Verbundisolatoren haben die selben

Probleme wie Porzellanisolatoren, sie brauchen ein Dichtungsund

Druckentlastungssystem, und es können innere Teilentladungen

auftreten.

• Das Aktivteil wird mit Glasfasermatten umwickelt und mit

Epoxydharz getränkt, was einen harten Körper ergibt. Über diesen

wird dann das isolierende Kunststoffgehäuse geschoben oder

aufgeschrumpft. Diese Konstruktion hat den Nachteil, dass bei

Überlastung der Giessharzblock gewaltsam auseinanderbricht.

Weiterhin sind auf Grund der verschiedenen Isolierstoffe und

damit mehreren Grenzschichten besondere Massnahmen zur

Dichtung nötig.

• Das Aktivteil wird mit glasfaserverstärkten Schlaufen oder

Bändern mechanisch zusammengehalten. Das Silikon wird direkt

auf die MO-Widerstände aufgebracht. Dieser Direktverguss hat

den Vorteil, dass kein Gasvolumen im Ableiter verbleibt.

Dichtigkeitsprobleme und innere Teilentladungen sind damit

ausgeschlossen. Es gibt keine Schnittstellen zwischen mehreren

Kunststoffen in die Feuchtigkeit eindringen kann. Weiterhin ist eine

Explosion oder ein Zerfallen des Gehäuses nicht möglich.

POLIM-H

20

3.19

100

13.3

1350

Tabelle 2

Elektrische Hauptdaten der wichtigsten MS-Ableiter von ABB

2000

Die Freiluftableiter besitzen beschirmte Gehäuse aus Silikon. Der

Typ MWD für Innenraumanwendung ist mit glattem Silikongehäuse

ausgeführt. (siehe dazu Bild 3 und Bild 3a)

Bild 3

MO-Ableiter mit Silikongehäuse (POLIM-Familie)

Alle Mittelspannungsableiter der ABB sind entsprechend dem

drittgenannten Prinzip (Direktverguss) aufgebaut.

Die Anforderungen an die Ableiter sind abhängig von den

Betriebsbedingungen und von der Art des zu schützenden

Betriebsmittels. Deshalb bietet ABB für das Mittelspannungsnetz

und für spezielle Anwendungen eine ganze Reihe von

unterschiedlichen Ableitertypen zur Auswahl an. Der konstruktive

Aufbau, die Funktionsweise und die Eigenschaften der Ableiter

sind zum Beispiel in [5] beschrieben. In Tabelle 2 sind die

elektrischen Hauptdaten der Mittelspannungsableiter zusammengestellt.

Bild 3a

MO-Ableiter mit Silikongehäuse

Links: MWK für Freiluftanwendung

Rechts: MWD für Innenraumanwendung

5


Der Durchmesser der MO-Widerstände richtet sich nach dem

Energieaufnahmevermögen E und nach dem Nennableitstrom I n.

Die Spezialableiter der Reihen POLIM-S und POLIM-H besitzen

Widerstände, wie sie in Hochspannungsableitern Verwendung

finden. Diese Ableitertypen setzen im Mittelspannungsnetz neue

Massstäbe, indem sie den schwersten Beanspruchungen

standhalten und gleichzeitig ein tiefes Schutzniveau garantieren.

Die Dauerbetriebsspannungen Uc

der MS-Ableiter (siehe

Tabelle 2) reichen von 4 kV bis 36 kV.

Nebst den bisher genannten Typen fertigt ABB noch den

Spezialableiter POLIM-C. Auch dieser Ableiter ist nach dem oben

genannten Prinzip des Direktvergusses aufgebaut und mit Silikon

vergossen. Der Nennableitstrom beträgt I n =10 kA und die

Dauerbetriebsspannung Uc

reicht von 1 kV bis 7,2 kV. Im

Mittelspannungsnetz wird dieser Typ u.a. zum Schutz eines nicht

geerdeten Kabelmantels eingesetzt.

Die Funktionsweise eines Ableiters, der nur aus der Serieschaltung

von MO-Widerständen (ohne Funkenstrecken) besteht, ist extrem

einfach. Bei einer Überspannung an den Ableiterklemmen steigt

der Strom durch den Ableiter entsprechend der dargestellten

Kennlinie, Bild 3b, kontinuierlich und verzögerungsfrei an, d.h. es

findet kein eigentliches Ansprechen statt, sondern der Ableiter

geht kontinuierlich in den leitenden Zustand über. Nach dem

Abklingen der Überspannung wird der Strom entsprechend der

Kennlinie wieder kleiner. Im Gegensatz zu den Funkenstreckenableitern

fliesst also kein Folgestrom.

U

[p.u.]

1.0

4/10s

1/5s

8/20s

30/60s

2000s

Dank des einfachen, funkenstreckenlosen, und damit mechanisch

sehr stabilen Aufbaus des Aktivteiles und der gesamten

Konstruktion können solche Ableiter auch Stützerfunktion

übernehmen und bergen zudem bei einer Überlastung keine

Explosionsgefahr. Silikon ist das beste Isoliermaterial bei

Verschmutzung, weshalb mit Silikon isolierte Ableiter sich bei

starker Verschmutzung besonders günstig verhalten.

4.2 Isolation aus Silikonkautschuk

Silikonkautschuk, auch Silikongummi, Silikonelast oder kurz

Silikon genannt, ist ein hervorragendes Isoliermaterial für

Hochspannungsisolationen. Vergleiche mit traditionellen

Isolatoren, wie Porzellan, Glas und anderen Kunststoffen wie

EPDM ( Ethylen-Propylen-Dien-Monomer), verdeutlichen die

Überlegenheit des Silikons. Wie bereits erwähnt, wird bei der

Herstellung der Überspannungsableiter die Isolationshülle aus

Silikon durch Vergiessen oder Druckinjektion in Formen bei hoher

Temperatur haftend aufvulkanisiert. Durch verschiedene Formen

kann der Isolator der Struktur des Apparates optimal angepasst

werden. Der entstehende luftspaltfreie Isolator der Ableiter hat

folgende vorteilhaften Eigenschaften:

• kein Kohlenwasserstoff in der chemischen Hauptbindung,

Bild 3c; dies verhilft der Isolation zu der ausgezeichneten

Beständigkeit bei starker Oberflächenverschmutzung und

verhindert weitgehend die Bildung karbonisierter Kriechspuren;

• Hydrophobie; das Material ist wasserabweisend. Auch bei

starkem Kontakt mit Wasser bleiben lediglich einzelne Tropfen

ohne durchgehende Benetzung auf der Oberfläche. Schwerkraft

oder Wind können zudem die Wassertropfen leicht von der

Oberfläche entfernen.

0.5

0

10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4

I [A]

Bild 3b

Normierte Strom-Spannungskennlinie eines MO-Ableiters mit

I n = 10 kA

Der Aktivteil der MO-Ableiter besteht aus einer Säule von

übereinandergestapelten zylindrischen Widerständen. Die Anzahl

der Widerstände im Stapel ist abhängig vom Uc

des Ableiters. Die

Säule wird wie beschrieben in Kunststoff vergossen.

Die Widerstandssäule verhält sich bei Uc

kapazitiv. Die

Streukapazitäten der einzelnen Widerstände gegen Erde bewirken

daher, dass die Spannungsverteilung längs der Ableiterachse bei

Uc

nicht linear ist. Diese Nichtlinearität nimmt mit der Länge der

Widerstandssäule zu [3]. Deshalb benötigen Hochspannungsableiter

Steuerringe, welche den ungünstigen Einfluss der

Streukapazitäten weitgehend kompensieren. Die Säule bei MS-

Ableitern ist hingegen so kurz, dass hier die Versteuerung der

Spannung zu vernachlässigen ist. Diese Ableiter benötigen daher

keine Steuerringe.

Seit rund 15 Jahren werden in Hochspannungsnetzen bei

Neuinstallationen fast ausschliesslich moderne MO-Ableiter

eingesetzt [4]. Bis vor wenigen Jahren wurden dagegen im MS-

Netz auch noch die konventionellen Ableiter, bestehend aus SiC-

Widerständen und Serie-Funkenstrecken verwendet. Mittlerweile

werden auch hier Metalloxid-Ableiter ohne Funkenstrecken,

bevorzugt mit Polymergehäuse, eingesetzt. Die Gründe für diesen

Technologiewandel sind auch hier erhöhte Betriebstüchtigkeit,

tieferes Schutzniveau bei sehr steilen Überspannungen und hohe

Verschmutzungsfestigkeit [5].

6

Si

O

O

Si

O

Si

O

Si

O

Si

O

O

Si

O

Si

Schmutzablagerungen an der Oberfläche wird der Effekt der

Hydrophobie teilweise mitgeteilt, so dass die Oberfläche nicht so

schnell wie bei anderen Isoliermaterialien mit halbleitenden

Fremdschichten bedeckt wird. Silikonisolation hat deshalb extrem

kleine Oberflächen-Leckströme. Der Transfer der Hydrophobie

von Silikon zu Schmutz-Fremdschichten wird in der Literatur mit

dem Ausdampfen von niedermolekularem Silikon erklärt.

In einem geringeren Ausmass als bei anderen Stoffen wird die

Hydrophobie bei Silikon temporär durch starke elektrische

Teilentladungen oder extreme Wassereinwirkung reduziert. Dies

verdeutlicht der künstliche Alterungstest von EPDM und Silikon

nach IEC 1109, Bild 3d. Während nach 5000 Stunden zyklischer

Alterung mit Regen, Salzwasser-Sprühnebel und UV-Bestrahlung

das Silikon noch zu 50% hydrophob war, hatte EPDM diese

Eigenschaft verloren. Es wurde ausserdem bei Versuchen

beobachtet, dass sich Silikon nach einigen Stunden Trockenheit

bis zur ursprünglichen Hydrophobie regenerieren kann.

O

Si

Si

O

O

Si

O

Si

CH 3

CH 3

CH 3

CH 3

Bild 3c

Silikonmolekül - die Hauptbindung ist kohlenwasserstofffrei


0%= ^ 7

HC Hydrophobie

6

5

4

3

2

100%= ^ 1

0

0

1000 2000 3000 4000 h 5000

Versuchsdauer

t v

Bild 3d

Veränderung der Hydrophobie von EPDM (schwarz) und Silikon

(weiss) bei künstlicher Alterung nach IEC 1109

Der Versuch mit Salzwassernebel nach IEC 507 zeigte zudem, dass

die Silikonisolation im Vergleich zu Porzellanisolatoren bei

gleichem Salzgehalt im Mittel 30% kürzere Kriechwege erfordert,

Bild 3e. Der Kriechweg von Silikonisolatoren könnte demnach um

diesen Betrag verringert werden.

Solche Kurzzeitprüfungen nach IEC 507 bilden die Basis der

Dimensionierung. Das Verhalten der Isolatoren kann unter realen

Bedingungen im Betrieb durch andere Parameter, z.B. bedingt

durch die Schirmformen, in bestimmten Fällen abweichen.

Allgemein gilt jedoch für Silikon wie für Porzellanisolatoren, dass

bei stärkerer Verschmutzung ein verlängerter Kriechweg

erforderlich ist.

Die erwähnte zeitlich begrenzte Abnahme der Hydrophobie wurde

bei den POLIM-Ableitern berücksichtigt und der spezifische

Kriechweg nicht verringert. Alle vorgestellten Überspannungsableiter

mit Silikonisolation hat man deshalb mit einem

spezifischen Kriechweg von wenigstens 25 mm pro kV

Dauerbetriebsspannung ausgeführt, so dass die Sicherheitsmargen

mehr als ausreichend sind. So weit wie möglich wurden

alle Verschmutzungs- und Lebensdauerversuche an kompletten

MO-Ableitern durchgeführt. Die Versuche unter Berücksichtigung

der verschiedenen Standards, z.B. der 1000-h-Feuchtraumtest

nach IEC 1109, der 5000-h-Langzeit-Zyklus-Alterungstest oder

der Salzwasser-Nebeltest nach IEC 507, ergaben, dass sich die

Silikonisolation auch nach zehn Betriebsjahren günstiger als

andere Isolationen verhält.

8

5

4

3

Typenprüfung und Betriebserfahrungen

Die Typenprüfungen der vorgestellten Ableiter erfolgten, wie

bereits erwähnt, generell in Überstimmung mit IEC 99-4 (1991)

und nach ANSI C 62.

Diese derzeit gültigen Vorschriften gelten jedoch im wesentlichen

für Ableiter mit Porzellanisolatoren. Für Überspannungsableiter

mit Kunststoffisolatoren werden z.Zt. noch Standards erarbeitet.

Prüfungen an solchen Ableitern wurden aber bereits weitgehend

unter Berücksichtigung dieser Normenentwürfe (z.B. für

Polymerableiter nach IEC TC 37 WG 04) durchgeführt.

Ausser den bereits erwähnten Untersuchungen zum Alterungsund

Verschmutzungsverhalten hat man das Überlastverhalten

ausführlich getestet. Dabei wurden sowohl Überlastungsversuche

mit konstanter Spannung und mit konstantem Strom als auch

Versuche mit elektrisch vorgeschädigtem Aktivteil durchgeführt.

Diese Prüfverfahren haben einen direkten Praxisbezug und sind in

den meisten Prüflabors durchführbar.

Die Überlastung mit konstanter Spannung bildet z.B. den Fall eines

Spannungsübertritts von einem Netz höherer Spannung auf ein

Netz mit niedrigerer Spannung nach. Die plötzlich aufgeschaltete

Spannung vom 1,5- bis zum 2fachen der Ableiter-Dauerspannung

Uc

bewirkt, dass der MO-Aktivteil in einem Zeitraum, der bis zu

einigen zehn Sekunden dauern kann, versagt.

Die Überlastung mit konstantem Strom gemäss Kennlinie im

Bereich bis zu einigen 100 mA bewirkt ein langsames Aufheizen

des Ableiters bis zur thermischen Instabilität. Der gesamte

Versuch dauert je nach eingestelltem Strom von einigen Minuten

bis gegen eine Stunde. Die gewollte Druckentlastung kann mit

einer zweiten Hochleistungs-Spannungsquelle am Ende des

Versuchs erfolgen.

Der Einbau vorgeschädigter Aktivteile mit niederohmigem

Kurzschluss bildet den Fall des Einschaltens auf einen bereits

durch Überlastung defekten Ableiter nach.

Überlast- bzw. Druckentlastungsprüfungen an Ableitern mit

durchbohrten MO-Scheiben und/oder künstlich kurzgeschlossenem

Aktivteil sollen dagegen einen theoretisch denkbaren

schlimmsten Fall nachbilden. In diesem Fall müssen die Ableiter

vor den Versuchen durch manuelle Eingriffe speziell für die

Fehlersimulation präpariert werden. Die Ergebnisse der Versuche

sind deshalb weniger realistisch als bei natürlicher Überlastung

bzw. Druckentlastung eines vorher einwandfreien Ableiters.

Das Ergebnis eines wirklichkeitsnahen Versuchs mit konstanter

Spannung bei einem Strom von 25 kA rms, 0,2 s zeigt Bild 4-das

explosionsfreie Versagen des Ableiter ist gut zu erkennen. Bei

vielen anderen Versuchen mit Strömen von 5 A bis 63 kArms

wurde

bewiesen, dass die Ableiter bei der Druckentlastungsprüfung

mechanisch intakt bleiben und keine die Umgebung gefährdenden

Teile weggeschleudert werden. Für diese Prüfungen liegen

ebenfalls, wie für alle Prüfungen, Protokolle vor. Die

Typenprüfungen wurden grösstenteils in neutralen Prüfinstituten

verifiziert, und die Protokolle stehen den Kunden zur Verfügung.

cm/kV rms

kg/m 3

Kriechweg

2

1

0

0

2.5

3 4 5 7 10 15 20 30 40 80

Salzgehalt des Wassers

Bild 3e

Vergleich der spezifischen Kriechwege von Porzellan- (schwarz)

und Silikonisolatoren (weiss) in Abhängigkeit vom Salzgehalt

beim Sprühnebel-Versuch nach IEC 507

Bild 4

POLIM-H-Ableiter für 24 kV Ableiter-Dauerspannung U

einem Überlastversuch mit 25 kA , 0,2 s

rms

c

nach

7


4.3 Energieaufnahmevermögen und Abkühlzeit

Damit die Ableiter im Netz zuverlässig arbeiten können, muss ihr

Energieaufnahmevermögen grösser sein als die zu erwartende

Energiebelastung beim Ansprechen. Einige Beispiele für die

Ableiterbelastung im Netz sind in Tabelle 3 zusammengestellt. Bei

Ableitern der Leitungsentladungsklasse 1 ist die auftretende

Energiebelastung am höchsten beim Hochstrom (65 kA bzw. 100

kA). Die Beherrschung dieser Belastung ist deshalb an Hand einer

speziellen Typprüfung nachzuweisen.

Arrestertyp

POLIM-DN

POLIM-D

POLIM-DA

MWK, MWD

POLIM-I

POLIM-S

POLIM-H

3.5 p.u. Ladespannung Wellenform des Stromes

200 km Leitung 10 km Kabel In Hochstrom

8/20 s 4/10 s

kJ/kV U c kJ/kV U c kA kJ/kV U c kA kJ/kV U c

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.33

0.33

0.33

0.33

0.33

0.33

Tabelle 3

Energiebelastung von Ableitern in MS-Netzen

Bei den Typen mit Leitungsentladungsklasse 2 und höher erfolgt

der Nachweis des garantierten Energieaufnahmevermögens

mittels rechteckförmiger Strombelastung, analog der Prüfung bei

Hochspannungsableitern.

Die Garantiedaten enthalten eine gewisse Energiereserve und

bedeuten demnach keineswegs die Grenze für die thermische

Stabilität der Ableiter (siehe Kapitel 6).

Auf jeden Fall werden die Ableiter beim Ableiten von sehr hohen

Blitzströmen kräftig aufgeheizt. Sie benötigen deshalb zwischen

zwei solchen Belastungen eine angemessene Abkühlzeit. Diese

Einschränkung ist jedoch nicht von Bedeutung, weil es höchst

unwahrscheinlich ist, dass der gleiche Ableiter innerhalb seiner

Kühlperiode ein zweites Mal einen sehr hohen Blitzstrom ableiten

muss. Dies ist auch der Grund, weshalb der Prüfling bei der

Typprüfung mit Hochstrom [6] zwischen den beiden

Stromstössen auf 60 ° C abgekühlt werden darf .

Die benötigte Abkühlzeit der Ableiter ist u.a. abhängig von der

Umgebungstemperatur und von der Höhe der Betriebsspannung.

Sie nimmt mit der Umgebungstemperatur und der Betriebsspannung

zu. Im ungünstigsten Fall, bei 45 ° C Lufttemperatur und

Uc

gelten folgende Werte:

Abkühlzeit zwischen zwei hohen Blitzstrombelastungen

(65 kA bzw. 100 kA):

Typ POLIM-S und POLIM-H

Restliche Ableitertypen

Abkühlzeit zwischen zwei Energiebelastungen nach Tabelle 2:

Typ POLIM-S und POLIM-H

60 Minuten

Restliche Ableiter

60 Minuten

4.4 Nennableitstrom und Energieaufnahmevermögen

Im MS-Netz haben sich Ableiter mit einem Nennableitstrom von

5 kA als hinreichend zuverlässig erwiesen. Im allgemeinen wird

daher der Typ POLIM-D bzw. der Typ POLIM-DN eingesetzt. Wie

aus den Tabellen 2 und 3 zu entnehmen ist, liegt das

Energieaufnahmevermögen dieser Typen weit oberhalb der zu

erwartenden Belastungen im Netz, wenn von sehr hohen

Blitzströmen abgesehen wird. Diese werden von den Ableitern

auch beherrscht, sind jedoch äusserst unwahrscheinlich, da sie

praktisch nur bei einem direkten Blitzeinschlag in den Ableiter

auftreten können.

5

10

10

10

10

20

0.48

0.47

1.0

65

0.55 100 3.6

100

100

100

100

5.0

3.4

3.6

3.5

keine Pause notwendig

75 Minuten

8

Bei Freileitungen mit Holzmasten können aber auch weit entfernte

Blitzeinschläge relativ hohe Ströme durch die Ableiter

verursachen. Ist U = 3000 kV die Überschlagsspannung der

Leitung gegen Erde und Z = 450 Ω der Wellenwiderstand der

Leitung, so folgt aus Gleichung (3), Seite 16, dass Blitzströme bis

zu 13 kA durch die Ableiter zu erwarten sind. Dieser Strom erzeugt

bei Ableitern mit I n= 5 kA eine Restspannung, welche 15%

oberhalb UP

liegt. Damit wird deren Schutzwirkung auf das

Betriebsmittel verschlechtert. Befindet es sich beispielsweise am

Ende einer 10 km langen Freileitung, so wird es dieser erhöhten

Spannungs-beanspruchung alle 3 Jahre einmal ausgesetzt sein.

Deshalb führt ABB im Sortiment der MS-Ableiter auch die Typen

MWK, MWD, POLIM-I, POLIM-S und POLIM-H. Sie besitzen

Nennableitströme von 10 kA bzw. 20 kA. Ihr Einsatz wird dort

empfohlen, wo bezüglich der Belastung, der Betriebssicherheit

und des Schutzniveaus höhere und höchste Anforderungen

gestellt werden.

Dies ist der Fall

• in Regionen mit hoher Blitztätigkeit

• bei Freileitungen mit Beton- oder Holzmasten und nicht geerdeten

Traversen

• bei Ableitern an Standorten, in deren Nähe sich oft Personen

aufhalten

• Im Zuge von Leitungen, welche hinsichtlich der Betriebssicherheit

aussergewöhnlich hohe Anforderungen stellen

• zum Schutz von Motoren, Generatoren und Kabeln

• in Gegenden mit hoher Industrieverschmutzung, oder wenn die

Ableiter nicht weiter als 1000 m vom Meer entfernt sind

In Fällen, wo 10 kA-Ableiter ratsam sind, ist auch ein höheres

Energieaufnahmevermögen von Vorteil und es sollte ein

Ableitertyp mit Leitungsentladungsklasse 2 oder höher gewählt

werden. Deshalb haben diese Ableiter eine Belastungsfähigkeit

von mindestens 5,5 kJ/kV Uc (MWK, POLIM-I) bzw. 9,0 kJ/kVUc

(POLIM-S).

Die Besonderheit mancher Betriebsmittel, wie etwa bei

• Lichtbogenöfen

• grossen Kondensatorbatterien

• sehr langen Kabelstrecken

• teuren rotierenden Maschinen

Kann ein noch grösseres Energieaufnahmevermögen erforderlich

machen. In solchen Fällen ist der Spezialtyp POLIM-H mit I n = 20

kA und mit 13,3 kJ / kV vorzuziehen.

Uc

5 Besondere Betriebsbedingungen

5.1 Kurzschlussleistung des Netzes

Jeder Ableiter kann überlastet werden. Die Ursache dafür sind

extrem hohe Blitzströme, eine grosse Anzahl von Folgeblitzen [16,

17] oder der sogenannte Spannungsübertritt. Darunter versteht

man einen Kurzschluss zwischen zwei verschieden hohen

Spannungsebenen. Die Spannung an den Ableitern der unteren

Spannungsebene übersteigt dabei den zulässigen Grenzwert. Bei

einer Überlastung der einen oder anderen Art schlagen die

Widerstände durch oder über. Im Ableiter entsteht ein Lichtbogen,

dessen Strom durch die Kurzschlussleistung des Netzes gegeben

ist. Bei Ableitern mit einem Porzellangehäuse lässt der Lichtbogen

den Gasdruck im Gehäuse rasch ansteigen. Ist der Kurzschluss-

Strom des Netzes nicht zu hoch, dann öffnen die

Druckentlastungsventile der Ableiter bevor der Berstdruck des

Gehäuses erreicht ist. Bei sehr grossen Strömen hingegen ist ein

Bersten des Gehäuses nicht auszuschliessen. Bei Silikonableitern

von ABB besteht bei Überlastung keine Berstgefahr. Zwischen dem

Aktivteil und der Silikonisolation befindet sich kein Luftraum, in

welchem sich ein Überdruck aufbauen könnte. Es entstehen bei

einem solchen Vorgang vielmehr Löcher in der Hülle, durch die

dann sofort die Zündung des Aussenüberschlages erfolgt.


Die MS-Ableiter der Typen POLIM-D, MWK und MWD sind mit

Kurzschluss-Strömen bis 20 kA geprüft. Die Typen POLIM-I,

POLIM-S und POLIM-H sind mit Kurzschluss-Strömen bis 65 kA

geprüft. Aufgrund der speziellen Konstruktion sind die Ableiter

auch bis zu den höchsten Kurzschluss-Strömen explosions- und

zerfallsicher.

5.2 Erhöhte Umgebungstemperatur

Die garantierten Werte für U c gelten für Umgebungstemperaturen

bis 45 °C. Bei den Freiluftableitern ist zusätzlich noch die extremste

2

Sonnenbestrahlung ( 1,1 kW/m ) berücksichtigt. Befinden sich in

der Nähe der Ableiter andere Wärmequellen, so muss

gegebenenfalls der grösseren Erwärmung mit Erhöhung von U c

Rechnung getragen werden. Bei Umgebungstemperaturen

oberhalb 45 °C muss pro 5 °C Temperaturerhöhung U um 2% c

vergrössert werden.

5.3 Mechanische Festigkeit

Die MS-Ableiter von ABB sind auch in Gegenden mit starker

Erdbebentätigkeit betriebssicher. Die Silikonableiter von ABB

können auch Stützerfunktion übernehmen. Dabei ist nach DIN

48113 bei der Kopfzugbelastung zu unterscheiden zwischen

Kurzzeit- und Betriebslast. Die zulässigen Belastungen ergeben

sich aus den jeweiligen Produkten von Ableiterhöhe und den

maximal zulässigen Biegemoment-Belastungen. In Tabelle 4 sind

die mechanischen Daten der verschiedenen Ableitertypen

angegeben.

Ableitertyp

POLIM-DN

POLIM-D

POLIM-DA

MWK, MWD

POLIM-I

POLIM-S

POLIM-H

Umbruchmoment

Nm

250

250

350

350

2500

4000

6000

Tabelle 4

Mechanische Daten der MS-Ableiter der ABB

Torsion

Nm

5.4 Verschmutzung

Silikon ist das beste Isoliermaterial bei Verschmutzung. Dies

insbesondere deshalb, weil das Material wasserabweisend ist. Der

Silikonableiter verhält sich deshalb bei starker Luftverschmutzung

günstiger als Ableiter mit Porzellan oder anderen polymeren

Isolierstoffen. Zusätzlich sind die materialbedingten Selbstreinigungseigenschaften

beim Silikonableiter hervorragend, da

der Schmutz an den flexiblen Schirmen kaum haftet und durch das

Regenwasser abgewaschen wird. Beim Einsatz in Regionen mit

extrem starker Luftverschmutzung ist es ratsam, generell

Ableitergehäuse mit verlängertem Kriechweg zu verwenden.

Bild 5

Abperlendes Wasser auf Silikonoberfläche (Hydrophobie-Effekt)

50

50

50

68

100

100

100

Zug

Vertikal

N

625

625

1000

1200

2000

3000

4000

9

5.5 Höhenanpassung der Ableitergehäuse

Bis zur Einsatzhöhe von 1800 m über Meer können normale MS-

Ableiter von ABB verwendet werden. In höheren Lagen ist die

Dichte der Luft so stark abgesunken, dass die Haltespannung der

Ableitergehäuse gegen äusseren Überschlag nicht mehr

ausreichend sein könnte. Für diesen Fall muss das unveränderte

Aktivteil der Ableiter (gleiches Schutzniveau) in einem

verlängerten Gehäuse mit grösserer Fadenlänge bzw. Schlagweite

untergebracht werden.

Als Richtwert kann man annehmen, dass bei einer Einsatzhöhe des

Ableiters von je 1000 m oberhalb 1800 m über Meer die

Fadenlänge des Gehäuses um je 12% vergrössert werden muss.

Auf einer Höhe von beispielsweise 3300 m über Meer muss die

Fadenlänge der Gehäuse 18% grösser sein als beim normalen

Ableiter.

6 Schutzcharakteristik

und Stabilitätsfragen bei MO-Ableitern

6.1 Schutzniveau der Ableiter

Das Schutzniveau U ist die maximale Spannung an den Klemmen

p

des Ableiters beim Fliessen des Nennableitstromes, der

definitionsgemäss eine Stromform von 8/20 ms aufweist. Der

Scheitelwert des Stromes wird also nach ca. 8 ms erreicht und

nach ca. 20 ms ist er auf 50% des Scheitelwertes abgeklungen. Bei

Funkenstreckenableitern ist U noch zusätzlich durch die

p

Ansprechspannung bei Blitzstoss gegeben. Dies ist der

Scheitelwert der kleinsten Stossspannung mit der Impulsform

1,2/50 ms welche jedesmal zum Ansprechen des Ableiters führt.

Bei gleicher Dauerbetriebsspannung U c ermöglichen heute MOund

Funkenstreckenableiter praktisch das gleiche Schutzniveau.

Es liegt bei etwa U p= 3,33 U cund darunter. Genaue Werte sind den

entsprechenden Prospekten zu entnehmen.

Die Schutzcharakteristik eines Ableiters besteht aber nicht nur aus

dem Wert U p sondern aus zwei weiteren Merkmalen. Da ist auf der

einen Seite das bei MS besonders wichtige Verhalten der Ableiter

bei steiler Wellenfront. Die Prüfung bei MO-Ableitern erfolgt beim

Nennableitstrom, dessen Anstiegszeit jedoch von 8ms auf 1ms

verkleinert wird. Bei dieser steilen Stromwelle erreicht die

Restspannung über dem Ableiter maximal 1,13 U p. Bedingt durch

die extrem grosse Nichtlinearität der Strom-Spannungs-

Charakteristik der MO-Ableiter liegt die Anstiegszeit der

Restspannung in der Grössenordnung von 50 ns.

Zum Vergleich wird bei den Funkenstreckenableitern oft die

Ansprechspannung bei Steilstoss herangezogen. Sie liegt etwa bei

1,15 U . Bei dieser Prüfung wird die Frontzeit auf rund 400 ns

p

eingestellt. Ein echter Vergleich mit den MO-Ableitern erfordert

jedoch eine Frontzeit welche ebenfalls in der Grössenordnung von

50 ns liegt. Bei so steiler Front erreicht die Frontansprechspannung

mindestens einen Wert von 1,4 U . Daraus folgt,

p

dass bei steiler Front die Begrenzungsspannung der

Funkenstreckenableiter mindestens 24% höher liegt als bei MO-

Ableitern.

Das Verhalten der Ableiter bei Schaltüberspannungen ist ein

weiteres Merkmal der Schutzcharakteristik. Bei den Funkenstreckenableitern

erreicht die Zündspannung bei diesen relativ

langsam ansteigenden Überspannungen etwa den Wert U . MOp

Ableiter haben keine Zündspannung. Bei MS-Ableitern ist hier das

Schaltschutzniveau durch die Restspannung bei 500 A der

Stromwelle 30/60 ms gegeben. Die Restspannung erreicht je nach

Ableitertyp den Betrag 0,77....0,83 U . Die Begrenzungsspannung

p

bei Schaltüberspannungen ist also bei Funkenstreckenableitern

um mindestens 20% höher als bei MO-Ableitern.


Bei gleicher Dauerbetriebsspannung haben also die MO-Ableiter

gegenüber den Funkenstreckenableitern eine günstigere

Schutzcharakteristik. Die oben genannten Zahlen gelten für den

Ableitereinsatz in Netzen mit hochohmig isoliertem Sternpunkt.

Hier besitzen die MO-Ableiter bezüglich der Betriebssicherheit

noch den Vorteil, dass sie auch temporären Überspannungen nach

Bild 7 standhalten können.

MO- und Funkenstreckenableiter müssen in Netzen mit

niederohmiger Sternpunkterdung unterschiedlich dimensioniert

werden [8]. Die Folge ist, dass Uc

um 28% tiefer gewählt werden

kann als die Dauerbetriebsspannung der Funkenstreckenableiter.

Daraus resultiert für die MO-Technik eine Schutzcharakteristik,

welche je nach Wellenform 28% bis 42% tiefer liegt.

6.2 Stabilitätsfragen bei MO-Ableitern

In Bild 6 ist P die Verlustleistung der MO-Widerstände eines

Ableiters bei U c. Es ist ersichtlich, wie P mit der MO-Temperatur T

exponentiell ansteigt, was eine immer stärkere Erwärmung des

Aktivteiles zur Folge hat. Die Kühlung der Widerstände erfolgt

durch den Wärmefluss Q vom Aktivteil des Ableiters an die äussere

Umgebung. Im Temperaturbereich oberhalb des kritischen

Punktes ist P>Q. Hier reicht also die Kühlung nicht aus, um die

erzeugte Verlustleistung nach aussen abzuführen. Die

Widerstände würden immer heisser und der Ableiter würde

thermisch zerstört. Durch geeignete Dimensionierung der

Widerstände und konstruktive Massnahmen zur Kühlung der

Blöcke ist es möglich, den kritischen Punkt so hoch zu legen, dass

er auch bei schwersten im Betrieb zu erwartenden Belastungen mit

Sicherheit nicht erreicht wird.

Der beschriebene Mechanismus zeigt jedoch die Grenzen des

Energieaufnahmevermögens der MO-Ableiter. Die zugeführte

Energie darf nur so gross sein, dass der kritische Punkt nie erreicht

wird. Dann ist P


7 Prüfungen

Die Prüfung der ABB-Ableiter erfolgt nach den international

vereinbarten Prüfvorschriften. Für MO-Ableiter ist seit August

1998 die IEC 60099-4 gültig [6]. In den USA ist die Norm ANSI

C62.11-1993 massgebend [7], welche weitgehend mit IEC

übereinstimmt. Die MS-Ableiter von ABB erfüllen beide Normen.

Die Prüfungen werden unterteilt in Typprüfungen, Stückprüfungen

und Abnahmeprüfungen.

Weiterhin werden an den Ableitern Sonderprüfungen

durchgeführt, die nicht in den internationalen Vorschriften

festgehalten sind.

7.1 Typprüfungen

Nach Abschluss der Entwicklung einer Ableiterkonstruktion

werden Typprüfungen durchgeführt. Sie dienen dem Nachweis der

Einhaltung der entsprechenden Norm. Bei MS-Ableitern sind

folgende Prüfungen vorgesehen:

Spannungsprüfung der Ableitergehäuse: bei dieser Prüfung wird

nachgewiesen, dass die äussere Isolation der Gehäuse den zu

erwartenden Spannungsbeanspruchungen gewachsen ist.

Restspannungsprüfung: der Zweck dieser Prüfung ist die

Bestätigung, dass das Schutzniveau der Ableiter die garantierten

Daten nicht übersteigt.

Prüfung mit Rechteckwellenstrom: mit dieser Prüfung wird

belegt, dass die MO-Widerstände ohne Durch- bzw. Überschlag

den möglichen dielektrischen und energetischen Beanspruchungen

standhalten.

Zeitraffende Alterungsprüfung: bei dieser Prüfung werden

Widerstände bei 115 ° C während 1000 Stunden mit einer

Spannung oberhalb Uc

belastet. Dabei wird beobachtet, ob und wie

stark die Verlustleistung der Widerstände im Laufe ihrer

Lebensdauer zunimmt. Unter Lebensdauer wird nach [7] eine

Zeitspanne von 110 Jahren verstanden. In dieser Zeit zeigen ABB-

Widerstände keine Zunahme der Verlustleistung: sie unterliegen

somit keinem Alterungsprozess.

Arbeitsprüfung: Folgende Grössen sind bei dieser Prüfung von

Bedeutung:

• Referenzstrom Iref

Er ist der Scheitelwert der ohmschen Stromkomponente bei dem

die Referenzspannung gemessen wird. Iref

soll gross genug sein,

damit diese Messung nicht durch die Streukapazitäten der

Ableiterbauglieder beeinflusst wird. Er muss vom Hersteller

angegeben werden. Für die ABB-MS-Ableiter gelten folgende

Werte für I :

ref

Die Arbeitsprüfung dient dem Nachweis der thermischen Stabilität

der Ableiter. Sie erfolgt in zwei Schritten. Zuerst ist die

Konditionierung der Widerstände durchzuführen. Dazu werden die

Widerstände an die Spannung 1,2 * Uc

gelegt und dieser

Spannung überlagert 20 mal mit dem Nennableitstrom belastet.

Die Konditionierung kann auch am kompletten Ableiter

durchgeführt werden.

Anschliessend werden die Widerstände in das Ableitergehäuse

eingebaut und bei Raumtemperatur mit einem Hochstromstoss

belastet. Nach dem Abkühlen des Prüflings wird er auf 60 ° C

aufgeheizt und anschliessend erneut mit einem Hochstromstoss

belastet. Spätestens 100 ms nach dem zweiten Hochstromstoss

wird dem Prüfling für 10 s die netzfrequente Spannung Ur

und

dann 30 min lang Uc

angelegt. In der letzten Phase der Prüfung

muss sich zeigen, ob der Prüfling thermisch stabil bleibt oder aber

instabil wird.

Der hier beschriebene Prüfungsablauf gilt für MS-Ableiter mit

Nennableitstrom 5 kA und 10 kA der Leitungsentladungsklasse 1.

Der Ableiter hat die Prüfung bestanden, wenn

• thermische Stabilität erreicht wurde

• die Änderung der Restspannung, vor und nach der Prüfung

gemessen, nicht grösser als5%ist

• die Sichtkontrolle des Prüflings nach der Prüfung keinen

Durchschlag, Überschlag oder mechanische Beschädigung der

Widerstände ergibt.

Wechselspannungs-Zeit-Kennlinie: bei dieser Prüfung geht es

darum, die Kurven in Bild 7, welche im allgemeinen auf

rechnerischem Wege ermittelt werden, experimentell zu

bestätigen. Sie dient also dem Nachweis der ausreichenden

Festigkeit der Ableiter gegenüber temporären Überspannungen.

Druckentlastungsprüfung: bei Ableitern mit Druckentlastungsvorrichtungen

weisen diese Prüfungen nach, dass das Ableiter-

Gehäuse Kurzschluss-Strömen unter festgelegten Prüfbedingungen

standhält ohne zu bersten. Bei Ableitern mit

Kunststoffgehäuse ohne Druckentlastungsvorrichtung wird die

Überprüfung des Verhaltens im Überlastungsfall durchgeführt

indem der Ableiter gezielt elektrisch überlastet wird. An allen ABB-

Ableitern mit Silikongehäuse wurden diese Prüfungen

durchgeführt.

1,4mA für POLIM-DN

1,4 mA für POLIM-D

1,6 mA für POLIM-DA

2,2 mA für MWK, MWD, POLIM-I, POLIM-C

3,6 mA für POLIM-S

5 mA für POLIM-H

• Referenzspannung Uref

Sie ist definiert als die betriebsfrequente Spannung am Ableiter,

bei der Iref

fliesst. Uref

wird ermittelt aus dem Scheitelwert der

Spannung geteilt durch √ 2.

• Bemessungsspannung (Rated Voltage) Ur

Sie ist der höchste zulässige Effektivwert der Wechselspannung,

für die der Ableiter bemessen ist, um unter der Bedingung der

zeitweiligen Spannungserhöhung, wie sie in der Arbeitsprüfung

festgelegt ist, bestimmungsgemäss zu arbeiten. Ur

ist vom

Ableiterlieferanten anzugeben und liegt bei ABB-Ableitern bei

1,25 * U c. Die während der Prüfung angelegten Spannungen Ur

und Uc

sind entsprechend zu erhöhen, wenn

- die Widerstände bei der zeitraffenden Alterungsprüfung eine

Zunahme der Verlustleistung zeigen.

- die Referenzspannung des Prüflings grösser ist als der vom

Lieferanten garantierte Minimalwert für die Ableiter.

Bild 8

MO-Überspannungsableiter Typ MWK nach Überlastversuch mit

20 kA (0,2 s) Kurzschlussstrom

Prüfung bei künstlicher Verschmutzung: diese Prüfung soll

zeigen, dass durch äussere Fremdschichtbedingungen die

Ableiterinnenteile keine Beschädigung erleiden. Dabei ist

besonders die erhöhte Temperaturbeanspruchung des Aktivteiles

zu beachten, hervorgerufen durch die ungleichmässige

Spannungsverteilung entlang der verschmutzten äusseren

Isolation. Bei nichtkeramischen Isolationen wie Silikon sind

Kurzzeitversuche wenig aussagekräftig. Hier werden Langzeitversuche

durchgeführt zur Überprüfung der Alterungsbeständigkeit

des Isoliermaterials und der Dichtigkeit der

Konstruktion. Alle ABB-Ableiter wurden erfolgreich mit zyklischen

Langzeitversuchen geprüft.

11


7.2 Stückprüfungen

Stückprüfungen werden an jedem Ableiter oder an Teilen von ihm

(z.B. an Widerständen) durchgeführt, um sicherzustellen, dass

das Produkt der Auslegung genügt.

Messung der Referenzspannung: die gemessenen Werte der

Referenzspannung Uref

müssen innerhalb des vom Hersteller

vorgegebenen Toleranzbereiches liegen. Die unterste Grenze von

Uref

garantiert die thermische Stabilität des Ableiters. Je höher der

gemessene Wert von Uref

bei der Endprüfung eines bestimmten

Ableiter-Typs ist, desto kleiner ist die Verlustleistung bei Uc

und

desto besser ist seine Stabilität im Netzbetrieb.

Prüfung der Restspannung: sie dient dem Nachweis, dass das

garantierte Schutzniveau des Ableiters eingehalten wird. Die

Restspannung kann an den einzelnen Widerständen beim

Nennableitstrom gemessen werden.

Teilentladungsprüfung: sie dient dem Nachweis der

Teilentladungsfreiheit der Ableiter. Die Messung erfolgt bei der

Spannung 1,05 Uc

am gesamten Ableiter. Nach IEC ist ein

Teilentladungspegel < 50 pC noch zulässig. ABB-Ableiter werden

jedoch schärfer geprüft, indem die Grenze 5 pC eingehalten

werden muss.

Dichtigkeitsprüfung: mit dieser Prüfung wird nachgewiesen, dass

das Porzellangehäuse die Ableiterinnenteile luftdicht abschliesst.

Bei Kunststoffableitern entfällt diese Prüfung, da der Aktivteil

direkt in Kunststoff vergossen ist.

Zusätzlich zu den von IEC empfohlenen Stückprüfungen werden

bei ABB-MS-Ableitern noch folgende zwei Prüfungen

durchgeführt:

• Messung des totalen Betriebsstromes bei Uc

an jedem Ableiter

• zeitraffende Alterungsprüfung über 300 Stunden an mindestens

2 Widerständen jedes Fertigungsloses. Diese Prüfung stellt sicher,

dass im Montageprozess nur Widerstände Verwendung finden,

welche keinem Alterungsprozess unterliegen.

7.3 Abnahmeprüfungen

Werden bei Bestellung Abnahmeprüfungen vereinbart, so sind

folgende Prüfungen an einer Anzahl der zu liefernden Ableiter

durchzuführen, die sich aus der auf eine ganze Zahl nach unten

abgerundeten dritten Wurzel der Liefermenge ergibt:



Messung der Referenzspannung

Messung der Restspannung am Ableiter bei Nennableitstrom

• Messung des Teilentladungspegels bei 1,05 * Uc

mit der

gegenüber IEC verschärften Prüfbedingung < 5 pC.

7.4 Sonderprüfungen

Die in der neuesten Ausgabe der relevanten IEC-Vorschrift [6]

aufgeführten Prüfungen beziehen sich auf Ableiter mit

Porzellanisolatoren. In dem IEC-Arbeitspapier für MO-Ableiter mit

Polymergehäuse [22] werden Prüfungen speziell für Ableiter mit

Kunststoffgehäuse diskutiert. In Anlehnung an dieses

Arbeitspapier, und darüber hinausgehend, wurden an ABB-MS-

Ableitern mit Silikonisolation unter anderem die folgenden

Prüfungen durchgeführt:

Überlastungsprüfung: diese Prüfung zeigt das Verhalten des

Ableiters bei Überlastung. In der Prüfung wird der Ableiter durch

anlegen erhöhter Spannung gezielt überlastet bis zur Zerstörung

und Auftreten des Netz-Kurzschlussstromes. Aufgrund der

besonderen Konstruktion (Direktverguss) und des gewählten

Isolationsmaterials (Silikon) sind die ABB-MS-Ableiter

explosions- und zerfallsicher bis zu höchsten Prüfströmen. Da

Silikon selbstlöschend ist, besteht keine Gefahr, dass durch

herabfallende brennende Isolationsteile Brände ausgelöst werden

können.

Wetter-Alterungsprüfung: die Prüfung zeigt das Langzeitverhalten

des Isoliermaterials und der Konstruktion gegenüber zyklischer

Umweltbelastung wie Wärme, Feuchtigkeit, Regen, Salznebel und

UV-Strahlung bei dauernd anliegender Spannung. Die gesamte

Prüfdauer beträgt 5000 Stunden.

UV-Strahlung: das Isoliermaterial wird einer 1000 Stunden

dauernden UV-Strahlung mit zusätzlicher Befeuchtung ausgesetzt.

Die Isoliereigenschaften von Silikon werden davon nicht negativ

beeinflusst. Im Gegenteil, die UV-Strahlung fördert den Prozess

der sich ständig erneuernde Hydrophobie der Silikonoberfläche.

Tieftemperatur: die Konstruktion wie auch die verwendeten

Materialien der ABB-MS-Ableiter mit Silikongehäuse vertragen

o

Temperaturen bis zu minus 60 C ohne Veränderung der

elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Weiterhin haben

o

zyklische Vereisungen bis zu minus 40 C in Wasser gezeigt, dass

die Konstruktion und insbesondere die Oberfläche des Silikons

nicht durch die Eisbildung beeinträchtigt wird.

Feuchtigkeit: Langzeitversuche mit Prüfdauern von bis zu über 2

Jahren, in denen die Ableiter rel. Luftfeuchte von über 90%

ausgesetzt waren, zeigen, dass das elektrische Verhalten der

Ableiter nicht durch eindringende Feuchtigkeit beeinflusst wird,

oder die Ableiter defekt werden.

8 Auswahl der Ableiter und Bestimmung von U c

c

Damit der Ableiter den Anforderungen des Netzbetriebes genügt,

sind bei der Wahl seiner maximalen Dauerbetriebsspannung U

zwei Bedingungen einzuhalten:

• Uc

muss grösser sein als die dauernd an den Klemmen des

Ableiters anliegende netzfrequente Spannung.

• T*Uc

muss grösser sein als die zu erwartende temporäre Überspannung

an den Ableiterklemmen. Nach Bild 7 ist T abhängig von

der Zeitdauer t der temporären Überspannung. Bei der

Bestimmung von T ist also auch t zu berücksichtigen. Aus

Sicherheitsgründen wird man dazu im allgemeinen die untere

Kurve von Bild 7 verwenden.

Für die Wahl von Uc

des Ableiters im Drehstromnetz ist in erster

Linie sein Einsatzort massgebend: zwischen Phase und Erde,

zwischen Sternpunkt und Erde oder zwischen den Phasen. Die

maximale stationäre Spannung an den Anschlussklemmen des

Ableiters lässt sich mit Hilfe der maximalen Spannung Um

zwischen den Phasen berechnen. Ist diese nicht genau bekannt,

dann sollte Um

durch die höchste Spannung des Netzes oder durch

die höchste Spannung für Betriebsmittel ersetzt werden.

In Drehstromnetzen sind vor allem die temporären Überspannungen

UTOV

zu beachten. Sie treten meistens bei

Erdschlüssen auf. Ihre Höhe ist durch die Sternpunktbehandlung

des Netzes gegeben. Ferner ist die Betriebsführung des Netzes von

Bedeutung, da sie die Dauer t dieser temporären Überspannungen

festlegt, und damit die Grösse T(t) für Uc

mitbestimmend ist:

UTOV

Uc

> -------------

T(t)

8.1 Netze mit Erdschlusskompensation oder mit

hochohmig isoliertem Sternpunkt

Unter Erdschlussbedingungen steigt die Spannung an den

"gesunden" Phasen höchstens auf U m:

U > U für Ableiter zwischen Phase und Erde.

c

m

Die Spannung am Sternpunkt des Transformators kann höchstens

U / 3 erreichen:

m √

Um

Uc

> ------- für Ableiter zwischen dem Transformator-

√3 Sternpunkt und Erde.

In jedem Netz sind Induktivitäten und Kapazitäten vorhanden,

welche zusammen Schwingkreise bilden. Liegt deren Frequenz in

der Nähe der Betriebsfrequenz, so könnte beim einpoligen

Erdschluss die Spannung zwischen Phase und Erde grundsätzlich

höher als Um

werden. Der Netzbetreiber ist aber bemüht, solche

Resonanzerscheinungen zu vermeiden. Gelingt dies nicht, so ist

U entsprechend höher zu wählen.

c

12


8.2 Netze mit hochohmig isoliertem Sternpunkt und

Erdschluss-Abschaltung

Die temporären Überspannungen sind gleich hoch wie die im

Abschnitt 8.1. Die frühzeitige Abschaltung des Erdschlusses

ermöglicht jedoch eine Verkleinerung von Uc

um den Faktor T.

Erfolgt beispielsweise die Erdschlussabschaltung nach höchstens

t = 10 s, dann ergibt sich mit Hilfe von Bild 7 die Reduktion T = 1,26.

Uc

>

Um

-----

T

für Ableiter zwischen Phase und Erde.

Um

Uc

> ----------- für Ableiter zwischen dem

T * √3

Transformator-Sternpunkt und Erde.

8.3 Netze mit niederohmiger Sternpunkterdung (C e < 1,4)

In solchen Netzen sind mindestens so viele Transformatoren im

Sternpunkt niederohmig geerdet, dass bei Erdschlüssen die

Phasenspannung im ganzen Netz nie über 1,4 p.u. ansteigt

(Erdfehlerfaktor Ce < 1,4). Daher ist UTOV < 1,4 * U m / √3. Es darf

angenommen werden, dass die Abschaltzeit des Erdschlusses

höchstens t=3sbeträgt. Daraus folgt (zum Beispiel für den

Ableiter MWK) T = 1,28, so dass gilt:

U

c

1,4 * Um

1,1 * Um

> ------------- = ------------- für Ableiter

1,28 * √3 √3 zwischen Phase und Erde.

Die Spannung an den Sternpunkten der nicht geerdeten

Transformatoren erreicht höchstens U = 0,4 * U :

TOV

Uc

>

0,4 * Um

---------- = 0,32 * Um

für Ableiter zwischen

1,28 Transformator-Sternpunkt

und Erde.

8.4 Netze mit niederohmig geerdeten Sternpunkten,

aber nicht überall Ce < 1,4

Für Ableiter in der Nähe des im Sternpunkt geerdeten

Transformators kann Uc

entsprechend Abschnitt 8.3 gewählt

werden, da hier Ce

< 1,4 zutrifft.

Sind die Ableiter aber einige km vom Transformator entfernt, z.B.

bei einem entfernten Übergang von einer Freileitung zu einem

Kabel, dann ist Vorsicht geboten. Ist der Boden ausgetrocknet oder

besteht er aus Fels, so ist der Untergrund relativ hochohmig. Dies

kann dazu führen, dass die Phasenspannung am Ort des Ableiters

in die Nähe von Um

kommt, weshalb in diesem Fall zu empfehlen

ist: Um

Uc

> -------- für Ableiter zwischen Phase und Erde

T

Im allgemeinen wird die Erdschlussüberwachung den Erdschluss

rasch abschalten (t < 3 s): also T = 1,28 (für den Ableiter MWK).

Unter extrem schlechten Erdungsbedingungen, wie z.B in

Wüstenregionen, fliesst unter Umständen beim entfernten

Erdschluss nur ein geringer Kurzschlussstrom. Wird dieser durch

die Überwachung nicht erfasst, so unterbleibt die Ausschaltung.

Die Ableiter in der Nähe des Erdschlusses sind für längere Zeit mit

Umbelastet, weshalb hier Uc > Umzu wählen ist.

Zur Erinnerung: befinden sich die Ableiter im eben beschriebenen

Netz beim Transformator mit niederohmig geerdetem Sternpunkt,

so ist Uc

> 1,4 * U m/ 1,28 * √3 zulässig. Es empfiehlt sich, die

Erdanschlüsse der Ableiter mit dem Transformator-Kessel

galvanisch zu verbinden und diese Verbindungen möglichst kurz

zu gestalten.

m

8.5 Netze mit niederohmiger Sternpunkterdung und C e > 1,4

Dies betrifft Netze, welche mit einer Impedanz geerdet sind, damit

der Kurzschlusstrom auf beispielsweise 2 kA begrenzt wird. Im

Erdschlussfall steigt die Spannung in den "gesunden" Phasen auf

U m. Bei ohmscher Sternpunkterdung kann die Spannung auch 5%

höher als Um

sein. Ist die Ausschaltzeit des Erdschlusses

höchstens t = 10 s, dann ergibt sich mit T = 1,26 (für den MWK):

1,05 * Um

Uc

> -------------- = 0,84 U m.

T

8.6 Ableiter zwischen den Phasen (Neptunschaltung)

In speziellen Fällen wie z.B. beim Transformator von

Lichtbogenofenanlagen treten Schaltüberspannungen auf, welche

durch die Ableiter zwischen Phase und Erde nur ungenügend

begrenzt werden. Hier sind Ableiter zwischen den Phasen

einzusetzen:

U > U für Ableiter zwischen den Phasen.

Der Ableiterschutz besteht dann aus 6 Ableitern, 3 zwischen den

Phasen und 3 zwischen Phase und Erde.

Bild 9 zeigt als Abwandlung davon eine Ableiterschaltung, welche

wegen der Anordnung der Ableiter Neptunschaltung genannt wird.

Sie besteht aus 4 gleichen Ableitern. Zwischen Phase und Erde

sowie zwischen den Phasen sind jeweils 2 Ableiter in Serie

geschaltet. Diese Anordnung liefert daher einen Überspannungsschutz

sowohl zwischen Phase und Erde als auch zwischen den

Phasen. Sie hat aber einen wesentlichen Nachteil gegenüber der

oben beschriebenen Anordnung mit 6 Ableitern. Bei einem

Erdschluss z.B. in der Phase des Ableiters A1 sind die Ableiter A1

und A4 parallel geschaltet. Da sich die Ableiter bei

Dauerbetriebsspannung kapazitiv verhalten, bilden alle 4 Ableiter

zusammen ein unsymmetrisches kapazitives System.

Dies hat zur Folge, dass die Spannung an den Ableitern A2 und A3

den Wert 0,667 * U erreicht. Alle 4 Ableiter müssen daher für

U

c

c

m

> 0,667 * U

m

m

ausgelegt werden. Das Schutzniveau dieser Schaltung, bei der

immer zwei Ableiter in Serie liegen, entspricht also dem von

Ableitern mit Uc>

1,334 * U m. Bei der Anordnung mit 6 Ableitern

reicht dagegen Uc

> Um

aus. Das Schutzniveau bei der

Neptunschaltung ist also 33 % höher als bei der Anordnung mit 6

Ableitern.

Bild 9

Uc>

Um

T

Uc>

Um

A1

a) b)

Überspannungsschutz zwischen Phase und Erde

und zwischen den Phasen

T:

a):

b):

A1, A2, A3, A4

A2

A4

A3

Transformator

Ableiterschutz mit 6 Ableitern

Neptunschaltung

vier gleiche Ableiter mit U c> 0.667 x Um

T

Uc>

0,667 x Um

13


8.7 Betriebsspannung mit Oberschwingungen

Oberwellenströme erzeugen in der betriebsfrequenten Spannung

Oberschwingungen. Deshalb kann der Scheitelwert der

verketteten Spannung unter Umständen grösser sein als √2 * U m.

Liegt dieser Unterschied unterhalb 5 %, dann ist Uc

entsprechend

zu erhöhen, sofern Uckleiner als 1,05 * U m* √3, bzw. kleiner als

1,05 * Um

ist bei Ableitern zwischen Phase und Erde, bzw. bei

Ableitern zwischen den Phasen.

Ist hingegen die Spannungserhöhung infolge der Oberwellen

grösser als 5 %, so sollte die Wahl von Uc

mit dem

Ableiterlieferanten abgesprochen werden. Dasselbe gilt für

Spannungsformen welche oft in der Nähe von Thyristventilen

beobachtet werden können: Spannungssprünge, Zündspitzen,

Unsymmetrie in den beiden Halbperioden.

9 Die Schutzdistanz von Ableitern

Ein Betriebsmittel ist um so besser gegen Blitzüberspannungen

geschützt, je mehr seine Blitzstoss-Haltespannung (BIL) das

Schutzniveau Updes Ableiters übersteigt. Moderne Ableiter mit Up

= 3,33 * Ucund darunter halten Up

< 4 p.u. ein, selbst wenn der

Sternpunkt des Netzes hochohmig isoliert sein sollte. Für

Betriebsmittel, welche Blitzüberspannungen ausgesetzt sind,

empfiehlt IEC [9] die in Tabelle 5 genannten BIL-Werte. Ferner

empfiehlt IEC [10] für das MS-Netz BIL > 1,4 * U p. Wie aus Tabelle

5 hervorgeht, genügen moderne Ableiter diesen Anforderungen.

U

Überspannung am Leitungsende E

U: einlaufende Überspannungswelle

v: Fortpflanzungsgeschwindigkeit von U

S: Frontsteilheit von U

A: Ableiter

U p: Schutzniveau von A

a, b: Länge der Verbindungsleitungen

E: Ende der Leitung

U E: Überspannung bei E

Bild 10

v

2 * S * (a+b)

U E = U p + ---------------------- v = 300 m/ s

v

S

A

b

U p

a

U E

E

Um

BIL

Up

BIL/U

p

kV 3.6 7.2 12 17.5 24 36

kV 40 60 75 95 125 170

kV 12 24 40 58.3 79.9 119.9

3.33 2.5 1.88 1.63 1.56 1.42

Tabelle 5

Blitzstoss-Haltespannung (BIL) nach IEC [9] und Schutzniveau

von modernen Ableitern mit U = 4 p. u. p

Der Faktor 1,4 ist deshalb so reichlich bemessen, weil es zu

berücksichtigen gilt, dass die Überspannung beim Betriebsmittel

Up

übersteigen kann. Reflexionseffekte bewirken eine Zunahme

der Spannung am Betriebsmittel mit dessen Entfernung vom

Ableiter. Ab einer gewissen Entfernung ist also der Ableiterschutz

ungenügend. Unter der Schutzdistanz L wird der maximale

Abstand zwischen dem Ableiter und dem Betriebsmittel

verstanden, bei welchem dieses noch ausreichend geschützt ist.

Für die Auslegung des Überspannungsschutzes ist es natürlich

wichtig, diese Schutzdistanz zu kennen. Sie wird im Folgenden für

Ableiter in MS-Anlagen abgeschätzt.

9.1 Theoretischer Ansatz für die Schutzdistanz L

Auf der Freileitung in Bild 10 läuft eine Überspannung U als

Wanderwelle mit der Geschwindigkeit v auf das Leitungsende E zu.

An der Stelle E befindet sich das zu schützende Betriebsmittel. Für

die folgende Betrachtung wird angenommen, dass das zu

schützende Betriebsmittel hochohmig ist (Transformator, offener

Schalter). Wenn die Wanderwelle E erreicht, wird sie reflektiert und

die Spannung steigt auf 2 * U an. Es ist die Aufgabe des Ableiters A,

zu verhindern, dass die Spannung am zu schützenden

Betriebsmittel unzulässig hohe Werte erreicht. Unter der

vereinfachenden Annahme, dass die Frontsteilheit S der

einlaufenden Überspannungswelle zeitlich konstant ist, gilt für den

Maximalwert von U folgende Beziehung:

E

Die Erfahrung hat gezeigt, dass zwischen dem BIL des

Betriebsmittels und der Blitzüberspannung UE

am Betriebsmittel

ein Sicherheitsabstand von 1,2 ausreichend ist.

BIL

2 * S * (a+b)

----- > U E = U p+ -------------------

1,2 v

Setzt man als Grenzwert L = a + b, so folgt die gesuchte Gleichung

(1) für

v BIL

L = -------- * [--------- - U p ] (1)

2 * S 1,2

Ist die Summe der Verbindungsleitungen a + b kleiner als die

Schutzdistanz L des Ableiters, dann ist das Betriebsmittel an der

Stelle E ausreichend geschützt. Damit aus Gleichung (1) die

Schutzdistanz L ermittelt werden kann, muss die Steilheit S

bekannt sein. Im folgenden Abschnitt wird der Erwartungswert

von S abgeschätzt.

9.2 Zu erwartende Steilheit S von Blitzüberspannungen in

MS-Schaltanlagen

Bild 11 zeigt einen Blitzeinschlag in ein Leiterseil. Die Zeitfunktion

des Blitzstromes ist mit i(t) bezeichnet. Im Leiterseil fliessen vom

Einschlagort aus nach beiden Seiten die Blitzströme i/2. Ist Z der

Wellenwiderstand des Leiters gegen Erde, so erzeugen diese

Ströme zwischen Leiterseil und Erde die Blitzüberspannung u(t)

mit der Steilheit des Spannungsanstieges S(t). Wie in Bild 11

angedeutet, ist S(t) im allgemeinen zeitlich nicht konstant. Im

Folgenden wird die maximale Steilheit im Anstieg der

Überspannungswelle mit S bezeichnet.

14


Bild 11

i/2

F

i(t)

Blitzüberspannung bei Blitzeinschlag in Freileitung

F:

Z:

t:

i(t):

di / dt:

u(t):

S:

i/2

u(t)

S=

Zxdi/dt

2

u(t) =

Zxi/(t)

2

Freileitung

Wellenwiederstand von F

Zeit

totaler Blitzstrom in Funktion der Zeit

maximale Steilheit von i(t)

Blitzüberspannung in Funktion der Zeit

maximale Steilheit von u(t)

Bei 10% aller Blitze ist die maximale Stromänderung di/dt grösser

als 32 kA/ s. Ist Z = 450 Ω , so wird also jeder zehnte

Blitzeinschlag eine maximale Spannungssteilheit S > 7200 kV/ s

bewirken. Eine solche Steilheit ist in der Schaltanlage nur zu

erwarten, wenn der Blitzeinschlag in der Nähe der Anlage auftritt.

Die Wahrscheinlichkeit für das Eintreffen eines solchen

Ereignisses ist allerdings sehr gering. Innerhalb eines Abstandes

von beispielsweise 25 m vor der Anlage wird durchschnittlich nur

alle 5000 Jahre einmal ein Blitz einschlagen, dessen Stromsteilheit

32 kA/ s übersteigt.

Erfolgt der Blitzeinschlag weit entfernt von der Schaltanlage, so

sind wesentlich kleinere Spannungssteilheiten in der Anlage zu

erwarten. Auf dem Weg vom Einschlagsort bis zur Schaltanlage

erfährt nämlich die Front der Überspannungswelle infolge Korona-

Dämpfung eine Abflachung. Ist So

die Steilheit beim Einschlagsort,

so reduziert sich die Steilheit längs der Leiterstrecke d auf den

Wert 1

S = -----------------

1/S o + K * d

Die Konstante K ist von der Geometrie der Freileitung abhängig.

-6

Für MS-Leitungen wurde sie in [11] zu K=5*10 s/ kVm

abgeschätzt.

Beim Einschlagort, der z.B. d = 135 m von der Anlage entfernt sei,

verursache ein Blitz eine unendlich grosse Spannungssteilheit S o.

Nach obiger Formel wird die Steilheit S in der Schaltanlage dank

der Koronadämpfung kleiner als 1500 kV/ s sein. Daraus folgt,

dass nur Blitze, welche im Streckenabschnitt d = 135 m vor der

Anlage das Leiterseil treffen, in der Anlage S > 1500 kV/ s

bewirken können.

Aus [12] lässt sich ableiten, dass im Mittel pro Jahr 8 Blitze in eine

100 km lange Freileitung einschlagen. Diese Zahl gilt für deutsche

MS-Netze der Spannungsebenen 10, 20 und 30 kV. In Deutschland

beträgt die Einschlagsdichte der Erdblitze im Mittel etwa 3 Blitze

2

pro Jahr und km . Dies ergäbe nach [13] etwa 25 Blitzeinschläge

pro Jahr und 100 km Freileitungslänge. Dieser um den Faktor 3

grössere, auf rechnerischem Wege ermittelte Wert setzt eine MS-

Leitung im ebenen Gelände voraus. Der Unterschied ist also darauf

zurückzuführen, dass MS-Leitungen oft nicht freistehend sind: sie

werden von Nachbarleitungen, Gebäuden und Waldungen gegen

Blitzeinwirkung abgeschirmt. Im Folgenden wird mit dem

Erfahrungswert von 8 Blitzen pro Jahr und 100 km

Freileitungslänge gerechnet. Dabei ist aber im Auge zu behalten,

dass bei topographisch ungünstigen Bedingungen mit mehr

Blitzeinschlägen zu rechnen ist. Insbesondere in Gegenden mit

extrem hoher Blitztätigkeit sind 100 Blitze pro Jahr und 100 km

Freileitungslänge nicht auszuschliessen.

t

Z

Die Wahrscheinlichkeit eines Blitzeinschlages im Streckenabschnitt

d = 135 m beträgt also 0,01 pro Jahr. In eine MS-

Schaltanlage wird demnach höchstens alle 100 Jahre einmal eine

Blitzüberspannung einlaufen, deren Steilheit oberhalb 1500 kV/ s

liegt.

Diese zwei willkürlich ausgewählten Beispiele sollen zeigen, dass

grosse Spannungssteilheiten seltener auftreten als kleine. Der

Erwartungswert einer Steilheit ist daher immer gekoppelt mit der

Wahrscheinlichkeit des Eintreffens. Es ist üblich, an Stelle der

Wahrscheinlichkeit den Zeitintervall ts

anzugeben, welcher im

Durchschnitt zwischen zwei Ereignissen verstreicht. Im obigen

Beispiel werden natürlich nicht alle Blitze, welche das Leiterseil im

Streckenabschnitt d = 135 m treffen, in der Schaltanlage eine

Steilheit grösser 1500 kV/ s bewirken. Bei manchen Blitzen ist die

Steilheit des Stromanstieges dazu zu gering. Viele Blitze treffen

mehr als nur eines der drei Leiterseile, was zur Reduktion der

Stromsteilheit in den einzelnen Leitern führt und damit die

Spannungssteilheit heruntersetzt.

Wesentliche Bedeutung kommt ferner dem Umstand zu, dass der

Anstieg der Blitzströme konkav verläuft [13]. Deshalb tritt die

höchste Steilheit der Überspannung, wie in Bild 11 angedeutet,

erst im Bereich des Spannungsmaximums auf. Bei

Spannungswellen von Blitzen mit hoher Stromamplitude erfolgt

bereits ein Überschlag von Leiter gegen Erde, bevor das Maximum

der Spannung erreicht ist. Dadurch wird der obere Teil der Welle

abgeschnitten, sodass die höchste Spannungssteilheit gar nicht

wirksam wird.

Nur ein Bruchteil der Blitze, welche im Streckenabschnitt d = 135 m

in das Leiterseil einschlagen, erzeugen also in der Schaltanlage S >

1500 kV/ s. Die Wahrscheinlichkeit für S > 1500 kV/ s ist deshalb

bedeutend kleiner als 0,01 pro Jahr. Sie lässt sich mit Hilfe der

Blitzstromstatistik von Berger [14] abschätzen. Unter der

Annahme eines parabelförmigen Verlaufes des Stromanstieges

ergeben sich die in Tabelle 6 genannten Werte für die zu

erwartenden Steilheiten in einer MS-Schaltanlage. Die kleineren

Werte für S bei Leitungen mit geerdeten Traversen sind eine Folge

der kleineren Überschlagsspannungen der Isolatoren gegenüber

der Überschlagsspannung längs der Holzmasten.

Die Werte von ts

in Tabelle 6 wurden unter der Annahme von 8

Blitzeinschlägen pro Jahr und 100 km Freileitungslänge ermittelt.

Für ts

sind nur Blitze von Bedeutung, welche in den ersten 300 m

vor der Schaltanlage die Leitung treffen. Ist dieses Leitungsstück

freistehend, d.h. ist es nicht von Nachbarleitungen, Gebäuden oder

Waldungen gegen Blitzeinwirkung abgeschirmt, dann sind die

Werte von ts

dreimal kleiner. Sie sind sogar 12 mal kleiner, wenn

zusätzlich eine extrem hohe Blitztätigkeit vorherrscht.

Art der

Freileitung

Zeitintervall

t [Jahre] s

600

400

300

200

100

Holzmasten mit 3000 kV

Überschlagsspannung

1

S[kV/ s]

1940

1630

1450

1200

820

2

S[kV/ s]

1850

1530

1350

1100

660

20 kV Netz mit

geerdeten Traversen

1

S[kV/ s]

1060

920

820

700

520

2

S[kV/ s]

820

730

660

580

440

Tabelle 6

Zu erwartede Steilheiten S von Blitzüberspannungen in MS-Schaltanlagen:

Die angegebenen Werte von S werden durchschnittlich einmal im Zeitintervall

ts

überschritten.

1 bei einphasigen Blitzeinschlägen / 2 bei dreiphasigen Blitzeinschlägen

15


Für Betriebsmittel in Freiluftschaltanlagen wird in [15] ein

Zeitintervall ts

von 400 Jahren empfohlen. Aus Tabelle 6 ergeben

sich somit folgende Erwartungswerte für die Höhe U und die

Steilheit S der in die Anlage einlaufenden Überspannung:

Freileitung mit Holzmasten geerdeten

Traversen

U [kV] 3000 660

S [kV/ s] 1550 800

Dabei wurden 8 Blitzeinschläge pro Jahr und 100 km

Freileitungslänge angenommen und vorausgesetzt, dass

mehrphasige Blitzeinschläge öfter auftreten als einphasige.

Diese Steilheiten S werden in der Schaltanlage im Mittel alle 400

Jahre einmal überschritten. Der zeitliche Verlauf des Anstieges der

Überspannung ist parabelförmig und hat bei U die Steilheit S:

2 2

t * S

u (t) = ------------- (2)

4*U

Gleichung (2) ist für das Zeitintervall 0 < t < 2 * U/S definiert. Bei

Leitungen mit geerdeten Traversen wird U = 660 kV angenommen.

Dies ist etwa die Überschlagsspannung eines 20 kV-

Freileitungsisolators bei Keilstoss-Spannungen mit 800 kV/ s

Steilheit und negativer Polarität.

Setzt man in Gleichung (2) die Werte U und S ein, dann wird

ersichtlich, dass der zeitliche Anstieg der Blitzüberspannung u(t)

bei beiden Leitungsarten etwa gleich verläuft. Da der Ableiter die

Spannung weit unterhalb U begrenzt, wirkt sich daher der grössere

Wert S bei Holzmastleitungen hinsichtlich der Schutzdistanz des

Ableiters nicht aus. Trotzdem sind die Schutzdistanzen bei den

beiden Leitungsarten verschieden. Der Grund liegt in der

unterschiedlichen Höhe U der einlaufenden Überspannungswelle.

Der Blitzstrom i durch den Ableiter erreicht etwa den Scheitelwert

Im allgemeinen besitzt nämlich das Betriebsmittel, hier ein

Transformator, eine Kapazität C gegen Erde. Diese verursacht in

den Leiterabschnitten a und b eine Spannungsschwingung, mit

der Folge, dass die Spannung UT

mit C zunimmt. Dies führt zu einer

Verkleinerung der Schutzdistanz.

Einen gegenteiliegen Einfluss bewirkt hingegen der

parabelförmige Anstieg der Blitzüberspannung. Der Ableiter

begrenzt die Überspannung weit unterhalb ihres Scheitelwertes.

Die maximale Steilheit, welche erst im Bereich des

Spannungsmaximums auftritt, wirkt sich daher nicht aus.

Bei der Herleitung von L nach Gleichung (1) wurde davon

ausgegangen, dass der Ableiter erst leitend wird, wenn die

Spannung an seinen Klemmen den Wert Up

erreicht hat. Dies ist

bei Funkenstreckenableitern der Fall. MO-Ableiter ohne

Funkenstrecken sind jedoch schon leitend, bevor die

Klemmenspannung Up

erreicht hat. Ihre Schutzwirkung setzt also

früher ein. MO-Ableiter schützen daher unter gewissen

Umständen ein entferntes Betriebsmittel besser oder besitzen,

was gleichbedeutend ist, eine längere Schutzdistanz.

Für die Anordnung nach Bild 12 wurden die Schutzdistanzen der

Ableiter berechnet. Der Anstieg der Überspannungswelle wurde

parabelförmig angenommen und Ableiter mit U p= 4 p.u. bei I n= 5

kA vorausgesetzt. Mit b < 1 m ergab sich für die Netzspannungen

bis 7,2 kV

L = 20 m bei Holzmastleitungen, C = 0

L = 6 m bei Holzmastleitungen, C=2nF

L = 25 m bei Leitungen mit geerdeten Traversen, C = 0

L = 15 m bei Leitungen mit geerdeten Traversen, C=2nF

U

v

S

a

U T

2* U-Up

i = --------------- (3)

Z

A

b

U p

c

T

Mit Z = 450 Ω ist also bei Holzmastleitungen ( U = 3000 kV ) ein

Strom durch den Ableiter von 13 kA zu erwarten. Bei Leitungen mit

geerdeten Traversen ( U = 660 kV ) liegt er jedoch unterhalb 3 kA.

Dieser Unterschied beeinflusst die Begrenzungsspannung der

Ableiter. Diese liegt bei Holzmastleitungen also höher, was bei

dieser Leitungsart zu einer kürzeren Schutzdistanz der Ableiter

führt.

9.3 Beeinflussung der Schutzdistanz durch die

Betriebsmittel, den Ableitertyp und die Anordnung

der Ableiter

Setzt man obige Werte von S in Gleichung (1) ein, so ergeben sich

mit BIL und U aus Tabelle 5 etwa folgende Schutzdistanzen:

p

L = 2,3 m bei Holzmastleitungen

L = 4,5 m bei Leitungen mit geerdeten Traversen

Überspannung beim Transformator

U: einlaufende Überspannungswelle a, b: Länge der Verbindungsleitungen

v: Fortpflantzungsgeschwindigkeit von U

S: maximale Frontsteilheit von U T: Transformator

A: Ableiter

C: Kapazität von T zwischen

U p:

Schutzniveau von A

Phase und Erde

U : Überspannung bei T

Bild 12

Diese Werte gelten sowohl für MO-Ableiter als auch für

Funkenstreckenableiter. Der Einfluss der Kapazität C des

Betriebsmittels auf die Länge von L ist deutlich zu sehen. Die

Schutzdistanzen der Ableiter in den Netzebenen U m = 17,5 kV und

24 kV sind in Bild 13 dargestellt. Auch hier ist ersichtlich, wie L mit

zunehmender Kapazität des Betriebsmittels abnimmt.

T

Diese Werte sind gültig für die vereinfachenden Annahmen nach

Bild 10. Sie bedürfen deshalb einer Korrektur entsprechend

Bild 12.

16


Dies ist besonders beim Ableiterschutz von Transformatoren von

S=1550 kV / s

Bedeutung, da diese eine nicht zu vernachlässigende Kapazität

U=3000 kV

gegen Erde aufweisen. Bemerkenswert ist ferner die markante

U v

a U T

Abnahme von L mit der Leiterlänge b. Die Verbindung von der

blitzgefährdeten Leitung zum Hochspannungsanschluss des

30

T

b

Ableiters ist also möglichst direkt zu führen. In Bild 14 sind drei

20

Anschlussmöglichkeiten schematisch dargestellt und bewertet.

c

C=0

Die grössere Schutzdistanz der Ableiter bei Leitungen mit

10

geerdeten Traversen (Bild 13 b) rührt daher, dass hier die Höhe der

L (m)

in die Schaltanlage einlaufenden Überspannung kleiner ist

b (m)

C=0,5nF

5

(geringere Überschlagsspannung gegen Erde). Daraus resultiert

ein kleinerer Strom durch den Ableiter und eine tiefere

3

Begrenzungsspannung, was grössere Werte für L ermöglicht.

C=2nF

2

In Netzen mit U m = 12 kV sind die Schutzdistanzen der Ableiter

etwa 10 % länger als in Bild 13 dargestellt. Bei U m = 36 kV sind sie

1

hingegen etwa 30 % kürzer. Bei dieser Netzebene ist ferner von

0 0,5 b (m) 1 1,5

Bedeutung, dass für S = 1550 kV/ s (Holzmastleitung) der Wert

von L bereits ab b > 0,6 m sehr stark abnimmt.

S=800 kV / s

U=660 kV

U

F

U v

a U T

b

T

30

c

20 C=0

A T A T A T

C C C

10

C=0,5nF

1 2 3

L(m)

5

Bewertung der Anschlussverbindung Anordnung von Ableiter und Betriebsmittel

1: schlecht

F: blitzgefährdete Leitung

2: gut

U: Blitzüberspannung

3

C=2nF

3: sehr gut

A: Ableiter

2

T: Betriebsmittel (Transformator)

C: Kapazität von T gegen Erde

Bild 13a

Bild 13b

b(m)

Bild 14

Schutzdistanz L der Ableiter in den Netzebenen

Um= 17,5 kV und 24 kV in Abhängikeit der

Leiterlänge b.

Wenn a+b L, dann ist UT

BIL / 1,2

C: Kapazität des Transformators T

zwischen Phase und Erde

MO-Ableiter

Funkenstreckenableiter

U p= 4 p.u. bei I n= 5 kA

13a):

13b):

Leitung mit Holzmasten

Leitung mit geerdeten Traversen

Bild 15

MO-Überspannungsableiter Typ POLIM-D 12 N mit Abtrennvorrichtung

montiert an einem Mittelspannungstransformator

17


Bei unterschiedlicher Polarität von Blitzüberspannung und

Momentanwert der Phasenspannung ist die Schutzwirkung der

Ableiter etwas verkleinert. Dies wurde bei der Berechnung von L

berücksichtigt. Ferner wurde eine sehr kurze galvanische

Verbindung zwischen dem erdseitigen Ableiteranschluss und dem

Transformatoren-Kessel vorausgesetzt. Dies ist beim

Anschliessen der Ableiter zu beachten. Andernfalls hat die

zusätzliche Erdleitung eine Vergrösserung der Leiterlänge b in Bild

13 zur Folge. Verzweigungen zwischen Ableiter und Betriebsmittel

zu anderen Betriebsmitteln erzeugen zusätzliche Spannungsschwingungen,

welche in den meisten Fällen eine Verkleinerung

von L bewirken.

9.4 Ausfallrisiko des Betriebsmittels und seine

Entfernung vom Ableiter

Ein Ableiter in der Entfernung L vom Betriebsmittel begrenzt bei

diesem die Überspannung auf den Wert von BIL/1,2, sofern die

Steilheit S der Überspannungen in der Schaltanlage nicht grösser

ist als

1550 kV/ms bei Holzmastleitungen

800 kV/ms bei Leitungen mit geerdeten Traversen

Diese Steilheiten werden jedoch im Mittel alle 400 Jahre einmal

überschritten. In einem solchen Fall kann die Überspannung am

Betriebsmittel oberhalb dessen BIL liegen und einen bleibenden

Schaden verursachen. Ist die Lebensdauer des Betriebsmittels,

z.B. eines Transformators, etwa 40 Jahre, dann wird im

Zeitintervall t s = 400 Jahre mit einer Wahrscheinlichkeit von 90 %

kein Schaden auftreten. Dies schliesst jedoch mit ein, dass die

durch Überspannungen verursachte Ausfallrate in diesen 40

Jahren etwa 10 % beträgt, obwohl in der Entfernung L vom

Transformator ein Ableiter angebracht ist.

Die Ausfallrate ist um so kleiner, je kürzer die Summe der

Verbindungsleitungen a + b in Bild 13 gegenüber L ist. a + b muss

also möglichst klein und L möglichst gross sein. Letzteres wird

durch die richtige Wahl der Leitungsführung erreicht. Wie aus Bild

14 ersichtlich ist, muss die Freileitung zuerst mit dem Ableiter und

erst anschliessend mit dem Transformator verbunden werden. In

diesem Fall ist b = 0 und L wird maximal. Die Verbindungsleitung a

kann kurz gehalten werden, in dem der Ableiter möglichst nahe

beim Transformator aufgestellt wird. Beide Massnahmen

zusammen ermöglichen im allgemeinen, dass die Bedingung a + b

24 kV

nicht einzuhalten, dann ist es vorteilhaft, die Leitung so

abzuändern, dass sie sich bezüglich der Überspannungen in der

Schaltanlage und der Schutzdistanz ebenso günstig verhält, wie

eine Leitung mit geerdeten Traversen.

Die dazu notwendigen Massnahmen sind relativ einfach: die

Traversen der letzten drei Masten vor der Schaltanlage sind zu

erden. Die Überspannungen, welche von der abgeänderten

Leitung in die Schaltanlage einlaufen, haben jetzt dieselbe Form

wie wenn sie von einer Leitung mit durchgehend geerdeten

Traversen herrühren würden.

Der Nachteil dieser Lösung besteht jedoch darin, dass infolge der

reduzierten Isolation der Leitung mehr Blitzüberspannungen einen

Überschlag nach Erde auslösen. Statt die Traversen zu erden ist es

daher wirkungsvoller, beim letzten Mast vor der Anlage einen

weiteren Ableitersatz anzubringen, der die Amplitude der

einlaufenden Überspannungswelle stark herabsetzt. Die

Schutzwirkung der Ableiter beim Betriebsmittel ist nun günstiger

als im Fall von geerdeten Traversen.

10 Einige Sonderfälle

Auf der einen Seite ist die Schutzdistanz der Ableiter in manchen

Fällen nicht besonders gross. Dies betrifft vor allem

kapazitätsbehaftete Betriebsmittel in Schaltanlagen höherer

Netzspannung, welche mit Holzmastleitungen verbunden sind

(siehe Bild 13). Auf der andern Seite werden die Betriebsmittel in

den Schaltanlagen selten sehr nahe nebeneinander aufgestellt. Sie

sind also zu weit voneinander entfernt, als dass ein Ableiter

mehrere Betriebsmittel gleichzeitig ausreichend schützen könnte.

Jedes Betriebsmittel benötigt unter diesen Umständen einen

gesonderten Ableitersatz (je einen Ableiter pro Phase gegen Erde).

10.1 Überspannungsschutz bei Kabelstrecken

Der wesentlichste Unterschied in den elektrischen Daten von

Freileitung und Kabel ist der Wellenwiderstand der Leiter gegen

Erde. Er liegt bei Freileitungen in Verteilnetzen etwa bei 300 W bis

450 W , und beim Kabel im Bereich von 20 W bis 60 W . Dieser

Unterschied bewirkt vorerst eine starke Verkleinerung der

Blitzüberspannung, sobald die Wanderwelle das Kabel erreicht

hat. Die reduzierte Spannungswelle läuft durch das Kabel und wird

am Ende reflektiert, sodass sich dort die Spannung praktisch

verdoppelt. Anschliessend kehrt die Welle zum Kabelanfang

zurück, wird abermals reflektiert usw.. Auf diese Weise wird im

Kabel stufenweise eine Überspannung aufgebaut. Die Steilheit der

Überspannung im Kabel ist zwar geringer, aber der Maximalwert

liegt in der Nähe der Blitzüberspannung auf der Leitung[18].

Ein Überschlag von einer Sammelschiene oder von einem

Leiterseil gegen Erde verursacht in den meisten Fällen höchstens

eine kurzzeitige Abschaltung des Netzbetriebes. Folgeschäden

sind aber äusserst selten. Ganz anders verhält es sich bei einem

Kabel. Durchschläge in der Kabelisolation führen zu

unangenehmen Störungen und erfordern aufwendige

Reparaturarbeiten. Überschläge längs der Kabelendverschlüsse

können diese beschädigen und damit die gleichen Folgen zeigen

wie ein Isolationsdurchschlag. Kabel sind daher wie

Stationsmaterial zu behandeln und mit Ableitern gegen

Blitzüberspannungen zu schützen.

Die Ableiter sind unmittelbar neben den Kabelendverschlüssen

aufzustellen. Die Anschlussleitungen sollten möglichst kurz sein.

Es ist darauf zu achten, dass der erdseitige Anschluss des

Ableiters mit dem Kabelmantel verbunden ist.

18


8

8

8

8

8

8

8

8

Ableiter mit

U p = 3.8 p.u. für MO

U p = 4 p.u. für SiC

und I n = 10 kA

Art der Freileitung Holzmast geerdete Holzmast

Traversen

Längere Kabel benötigen an beiden Enden einen Ableiterschutz.

Bei kurzen Kabelstrecken ist unter Umständen ein einseitiger

Schutz ausreichend. Dies deshalb, weil der Ableiter auf der einen

Seite das andere Kabelende noch ausreichend gegen

Blitzüberspannungen schützen kann. Ein Kabel, welches die

Freileitung mit der Schaltanlage verbindet, ist oft nur von der

Leitung her blitzgefährdet. Der Ableiter muss daher beim

Übergang von der Leitung zum Kabel angebracht werden. Auf der

anderen Seite des Kabels ist für dessen Schutz kein zweiter

Ableiter erforderlich, sofern die Länge LK

des Kabels die auf der

linken Seite von Tabelle 7 angegebenen Werte nicht übersteigt. Auf

den ersten Blick fällt auf, dass LK

im 3,6 kV-Netz unbegrenzt ist.

Der Grund liegt im relativ hohen BIL von 13,6 p.u. in dieser

Netzebene. Der Ableiter auf der Leitungsseite des Kabels begrenzt

die Überspannung auf etwa 4 p.u.. Infolge von Spannungsreflexionen

im Kabel ist die Überspannung am anderen Kabelende

höher. Sie liegt aber unterhalb 10 p.u. und ist daher für das Kabel

ungefährlich. Dies gilt allerdings nicht für die Betriebsmittel

innerhalb der Schaltanlage. Bei diesen können zusätzliche

Spannungsreflexionen die Überspannung vergrössern, so dass

für ihren Schutz gegebenenfalls Ableiter vorzusehen sind.

Die maximal zulässige Länge von einseitig geschützten

Kabelstrecken ist bei MO-Ableitern grösser als bei solchen mit

Funkenstrecken. Dies beruht auf der günstigeren Schutzwirkung

der MO-Ableiter, welche schon leitend sind, bevor U erreicht wird.

p

geerdete

Traversen

Ableitertyp MO SiC MO SiC MO SiC MO SiC

Um

[kV]

3.6

7.2

12

17.5

24

36

ZK

[ Ω]

30

60

30

60

30

60

30

60

30

60

30

60

U

LK

[m]

64

45

40

30

25

21

28

23

22

20

LK

[m]

30

20

15

11

6

4

6

5

1

1

LK

[m]

64

50

40

32

26

22

28

24

22

20

L K

LK

[m]

28

19

14

10

5

4

5

4

1

1

U

LK

[m]

7

3

9

4

9

4

6

3

10

5

8

4

LK

[m]

6

3

9

4

7

3

4

2

5

3

1

1

L K

LK

[m]

17

10

22

13

19

14

15

13

17

15

15

14

LK

[m]

17

10

14

11

9

7

4

3

4

3

1

1

Tabelle 7

Maximal zulässige Länge LK

einer Kabelstrecke bei nur

einseitigem Ableiterschutz.

Das Kabel ist mit einer blitzgefährdeten Leitung verbunden.

Blitzüberspannung und Momentanwert der Netzspannung haben

unterschiedliche Polarität.

Anschlusslänge Ableiter / Kabel 1m

Z: K Wellenwiderstand des Kabels

MO: MO-Ableiter Typ MWK oder MWD

SiC: Funkenstreckenableiter

Kabel im Zuge einer Freileitung sind naturgemäss von beiden

Seiten her blitzgefährdet. Bei nur einseitig geschützten Kabeln ist

daher zu berücksichtigen, dass die Überspannung auch von der

ungeschützten Seite her einlaufen kann. In diesem Fall wird die

Schutzwirkung des Ableiters auf der anderen Seite stark

herabgesetzt. Die zulässige Länge von Kabeln im Zuge einer

Freileitung, bei denen ein einseitiger Ableiterschutz ausreicht, ist

daher kleiner. Sie ist besonders kurz bei Kabeln im Zuge von

Holzmastleitungen, wie aus Tabelle 7 ersichtlich ist. Die

angegebenen Werte für LKgelten für Ableiter mit I n= 10 kA. Längs

der ganzen Kabelstrecke muss der Wellenwiderstand des Kabels

konstant sein. Andernfalls bewirken Spannungsreflexionen eine

Verkürzung von L K. Dies ist beispielsweise bei Kabelverzweigungen

der Fall oder wenn ein doppelt geführtes Kabel mit

einem einfachen Kabel verbunden ist.

10.2 Kabelmantelschutz

Aus thermischen Gründen ist der Kabelmantel von Einleiterkabeln

meistens nur auf einer Seite geerdet. Unter diesen Umständen

kann der Mantel auf der ungeerdeten Seite bis zu 50 % der

Spannungsamplitude der einlaufenden Überspannung auf dem

Innenleiter annehmen. Die Mantelisolation ist dieser

Überspannungsbeanspruchung nicht gewachsen. Es können

kurzzeitige Überschläge zwischen Mantel und Erde auftreten,

welche die äussere Isolation des Mantels beschädigen.

Es ist daher notwendig, den Kabelmantel auf der ungeerdeten Seite

mit einem Ableiter gegen Blitzüberspannungen im Kabelleiter zu

schützen [2]. Dazu ist der Spezialableiter POLIM-C von ABB

besonders gut geeignet. Für Uc

des Ableiters ist die längs des

Kabelmantels induzierte Spannung im Kurzschlussfall

massgebend. Sie erreicht nach [19] höchstens 0,3 kV pro kA

Kurzschluss-Strom und km Kabellänge. Mit T = 1,28 bei einer

Dauer von t 0,24 * I L in kV

c K K

I : maximaler 50 Hz Kurzschluss-Strom in kA

K

L : Länge der ungeerdeten Kabelstrecke in km

K

U

F

Transformator am Ende eines Kabels

F:

U:

K:

A1, A2:

a, b:

U: K

U: T

MS:

NS:

A1

K

U K U T MS NS

A2

blitzgefährdete Leitung

Blitzspannung

langes Kabel

Ableiter

Länge der Verbindungsleitung

maximale Spannung am Kabelende

maximale Spannung beim Transformator

Mittelspannungsseite

Niederspannungsseite

b

a

Bild 16

19


10.3 Transformator am Ende eines Kabels

In der Anordnung nach Bild 16 ist ein mindestens 100 m langes

Kabel auf der einen Seite an eine blitzgefährdete Leitung

angeschlossen. Auf der anderen Seite verbindet eine

Sammelschiene bestehend aus den Abschnitten a und b das

Kabelende mit dem Transformator. Der Ableiter A1 übernimmt

leitungsseitig den Überspannungsschutz. Sowohl das Kabelende

als auch der Transformator müssen je mit einem weiteren Ableiter

geschützt werden, wenn die Verbindung dazwischen sehr lang ist.

Im Folgenden wird gezeigt, unter welchen Umständen nebst A1

der Ableiter A2 für den Überspannungsschutz ausreichend ist.

Die Reflexion der Überspannung U am Übergang von der Leitung

zum Kabel bewirkt eine starke Abflachung der Spannungssteilheit

im Kabel. Dies hat aber praktisch keinen Einfluss auf die zulässige

Länge der Verbindung b, da mit b die Spannung UK

sehr rasch

zunimmt. Ein guter Überspannungsschutz des Kabels erfordert

also, den Ableiter A2 möglichst nahe am Kabelende anzubringen,

damit die Strecke b kurz wird (siehe Abschnitt 10.1).

MO-Ableiter mit

U p = 3.8 p.u. bei

I n = 10 kA

Tabelle 8

Z K [ Ω]

Holzmasten

U m [kV] a [m] a [m] a [m]

3.6

7.2

12

17.5

24

36

geerdete Traversen

30 60 30 60

300

43

20

17

19

16

a [m]

Maximal zulässiger Abstand a zwischen Kabelende und

Transformator nach Bild 16 mitb=0.DasKabel ist mit einer

blitzgefährdeten Leitung verbunden und ist beidseitig mit

MO-Ableitern (Typ MWK oder MWD mit U c = U m) geschützt.

Der Transformator hat keinen zusätzlichen Ableiterschutz.

Anders verhält es sich beim Leitungsabschnitt a. Hier nimmt UT

mit zunehmender Länge von a langsamer zu. Deshalb ist der

Transformator auch noch bei einer relativ grossen Entfernung a

vom Ableiter noch ausreichend geschützt. Die maximal zulässigen

Werte für a sind in Tabelle 8 angegeben. Die Kapazität des

Transformators wurde zu 2 nF angenommen. Kleinere Kapazitätswerte

ergeben längere Abstände a.

300

37

14

10

12

11

500

53

20

16

19

20

500

53

14

10

12

11

10.4 Transformator nur einseitig mit einer

blitzgefährdeten Leitung verbunden

Grundsätzlich sind alle Transformator-Abgänge, welche direkt mit

blitzgefährdeten Leitungen verbunden sind, mit Ableitern

zwischen Phase und Erde auszurüsten. Verbindet ein

Transformator ein Hochspannungsnetz mit einem MS-Netz und ist

nur die Leitung auf der Oberspannungsseite blitzgefährdet, dann

sind hier also Ableiter erforderlich. Da Überspannungsvorgänge

sehr schnell ablaufen, wird bis zu 40 % der Überspannung auf der

Hochspannungsseite kapazitiv durch den Transformator auf die

MS-Seite übertragen [10]. Deshalb ist es oft notwendig, MS-seitig

einen Überspannungsschutz für den Transformator vorzusehen,

obwohl entsprechend obiger Annahme auf der MS-Seite keine

Blitzüberspannungen auftreten. Dieser Überspannungsschutz

kann nach [9] ein langes Kabel, ein induktionsarmer Kondensator

oder eine Kombination von diesen beiden Elementen sein. Sie

müssen möglichst nahe beim MS-Abgang des Transformators

angeschlossen sein und zusammen pro Phase mindestens eine

Kapazität von 50 nF besitzen.

Der Überspannungsschutz kann aber auch aus einem MS-Ableiter

bestehen. Diese Lösung hat zwei wesentliche Vorteile. Einerseits

ist zu beachten, dass induktiv übertragene Überspannungen durch

die Kondensatoren verstärkt werden können. Sorgfältig

ausgewählte Dämpfungswiderstände in Serie zu den

Kondensatoren ermöglichen zwar zum Teil eine Verminderung

dieser zusätzlichen Spannungsbelastung des Transformators.

Beim Einsatz von funkenstreckenlosen MO-Ableitern tritt diese

Mehrbelastung jedoch garnicht erst auf. Andererseits greift die

Oberspannung bei einem Spannungsdurchschlag im

Transformator auf die MS-Spannung über und kann dort

Folgeschäden verursachen. Beim Schutz mit Ableitern auf der MS-

Seite opfert sich der Ableiter, bewirkt einen Erdschluss und der

Schaden bleibt im wesentlichen auf den Transformator

beschränkt. Besonders augenfällig ist der Vorteil des Ableiters

gegenüber dem Kondensator, wenn der Transformator mit einem

Generator verbunden ist und der Ableiter den Generator vor

Folgeschäden schützt.

Die Verhältnisse sind ähnlich beim Verteiltransformator, der ein

MS-Netz mit einem Niederspannungsnetz verbindet. Auch hier

werden die Blitzüberspannungen vom MS-Netz durch den

Transformator kapazitiv auf die Unterspannungsseite übertragen.

Deshalb sind Ableiter auf der Niederspannungsseite notwendig,

selbst wenn nur die MS-Seite blitzgefährdet ist.

Ist dagegen nur die Niederspannungsseite blitzgefährdet, dann

werden oft keine Ableiter auf der MS-Seite angebracht. Dabei wird

angenommen, dass die Niederspannungsableiter auch die MS-

Seite ausreichend gegen niederspannungsseitige Überspannungen

schützen können. In [20] wird aber über viele

Transformator-Ausfälle berichtet, welche von Blitzüberspannungen

auf der 415 V-Seite verursacht wurden. Die Autoren

sind der Meinung, dass diese Überspannungen, sofern sie nicht

kurzzeitig sind, induktiv mit dem Windungsverhältnis des

Transformators auf die 11 kV-Seite übertragen werden können.

Jedenfalls haben die 415 V-Ableiter Durchschläge in den 11 kV-

Wicklungen nicht verhindern können. In Regionen mit hoher

Blitztätigkeit ist es daher empfehlenswert, auch Ableiter auf der

MS-Seite des Transformators anzubringen.

20


10.5 Ableiter in gekapselten MS-Schaltanlagen

Oft ist es erforderlich, Ableiter in gekapselte MS-Schaltanlagen

einzubauen. Verbindet ein Kabel die Schaltzelle mit einer

blitzgefährdeten Leitung, dann sollte der Nennableitstrom der

Ableiter am Kabelendverschluss in der Zelle 10 kA betragen. Es ist

damit zu rechnen, dass die Spannung am Ableiter Up

erreicht. Um

Überschläge in der Zelle auszuschliessen, sollten die vom

Ableiterlieferanten empfohlenen Mindestabstände zwischen den

Ableitern und zwischen Ableiter und Erde eingehalten werden.

Anders liegen die Verhältnisse, wenn die Ableiter nicht

Blitzüberspannungen sondern Schaltüberspannungen begrenzen

müssen. Letztere könnten entstehen, wenn bei Schalthandlungen

induktive Ströme vor dem Erreichen ihres natürlichen

Nulldurchganges unterbrochen werden. Bei solchen Schaltüberspannungen

ist die Strombelastung der Ableiter sehr gering, so

dass ein Nennableitstrom von 5 kA ausreichend ist. In diesem Fall

liegt die maximale Spannung bei MO-Ableitern weit unterhalb U p.

Daher können die Abstände zwischen den Ableitern und zwischen

Ableiter und Erde kleiner sein, was den Einbau der Ableiter in den

Zellen erleichtert. Die unteren Grenzen für diese Abstände sind

durch die jeweiligen Ländervorschriften gegeben und für MO-

Ableiter ausreichend.

Die maximale Spannung bei Funkenstreckenableitern erreicht

auch bei Schaltüberspannungen den Wert U p. Die Mindestabstände

bei diesen Ableitern müssen daher grösser sein, damit

Überschläge vermieden werden. Dies kann den Einbau der Ableiter

in die Schaltzellen, besonders wenn enge Verhältnisse vorliegen,

beträchtlich erschweren.

10.6 Generator, verbunden mit einer blitzgefährdeten

MS-Leitung

Der Überspannungsschutz erfolgt durch Ableiter zwischen Phase

und Erde. Wird ein belasteter Generator plötzlich vom Netz

getrennt, so steigt seine Klemmenspannung an, bis der

Spannungsregler die Generatorspannung nach einigen Sekunden

zurückgeregelt hat. Das Verhältnis dieser temporären

Überspannung zur normalen Betriebsspannung wird

Lastabwurffaktor L

genannt. Dieser Faktor kann bis zu 1,5

erreichen. Die Ableiter werden also im ungünstigsten Fall mit der

temporären Überspannung U TOV = L * Um

belastet, was bei der

Wahl von U zu berücksichtigen ist.

L* Um

Uc

> ----------------

T

c

Die Zeitdauer t von U

von 3 bis 10 Sekunden.

TOV

ist für T bestimmend. Sie liegt im Bereich

Anhand eines Beispiels wird im Folgenden Uc

des Ableiters der

Typenreihe MWK ermittelt:

U = 14 kV = 1,4

m

L

t = 10 s T = 1,26 (aus Bild 7)

1,4 * 14 kV

Uc

> ------------------ = 15,56 kV

1,26

Der gesuchte Ableiter heisst MWK 16. Sein Uc

beträgt 16 kV und

das Schutzniveau bei I = 10 kA ist 49,1 kV.

n

Wegen der hohen Anforderungen an die Betriebssicherheit von

Generatoren ist es wünschenswert, Ableiter mit einem möglichst

tiefen Schutzniveau einzusetzen. Deshalb wird für den

Generatorschutz der Spezialableiter der Reihe POLIM-H

empfohlen. Er hat nicht nur ein tieferes Schutzniveau; gleichzeitig

ist T grösser.

Für t = 10 s ist T = 1,31 zulässig, so dass sich ergibt

U

c

Der Ableiter POLIM-H 15 ist ausreichend. Sein Schutzniveau bei I =

10 kA beträgt 43,5 kV. Dieser Spezialableiter garantiert also ein um

11 % tieferes Schutzniveau. Dazu kommt, dass dieser Typ dank

seines wesentlich höheren Energieaufnahmevermögens (siehe

Tabelle 2) auch hinsichtlich der Betriebssicherheit Vorteile bringt.

Generatoren besitzen eine grosse Kapazität zwischen Phase und

Erde. Ähnlich wie in Bild 13 ersichtlich, führt diese Kapazität zu

einer beträchtlichen Verkürzung der Ableiterschutzdistanz.

Deshalb ist es bei Generatoren besonders wichtig, die Ableiter in

Generatornähe aufzustellen.

Hochspannungsmotoren können nach Ausschaltungen während

des Anlaufs durch multiple Wiederzündungen überbeansprucht

werden. Dieses trifft dann zu, wenn der Ausschaltstrom geringer

als 600 A ist. Zum Schutz dieser Motoren sind Überspannungsableiter

unmittelbar an den Motorklemmen oder

alternativ am Leistungsschalter zu empfehlen. Die Auslegung von

U erfolgt nach den Empfehlungen in Abschnitt 8.

c

1,4 * 14 kV

> ----------------- = 14,96 kV

1,31

10.7 Ableiterschutz bei Motoren

In besonderen Fällen, z.B. bei gealterter Wicklungsisolation ist es

notwendig, das Schutzniveau des Ableiters noch weiter zu senken.

Eine Möglichkeit besteht darin, Uc

zu verkleinern. Dieses Vorgehen

ist dann vertretbar, wenn die für Uc

massgebenden

Überspannungen nur sehr selten auftreten. Man nimmt dabei

bewusst in Kauf, dass der Ableiter in einem solchen Fall überlastet

werden kann. Die daraus erwachsenden Nachteile,

Betriebsunterbruch und Ersetzen des Ableiters, sind dabei dem

Vorteil eines besseren Überspannungsschutzes gegenüberzustellen.

U darf aber niemals kleiner gewählt werden als U / √ 3.

c

Bei einem Generator ist eine solche Verkleinerung von Uc

nicht zu

empfehlen. Es besteht nämlich die Gefahr, dass dadurch an den

Klemmen des Generators ein Zweiphasenkurzschluss ausgelöst

wird. Der daraus resultierende unsymmetrische Kurzschluss-

Strom in den Wicklungen führt dann zu einer extrem hohen

mechanischen Belastung des Rotors.

10.8 Überspannungsschutz auf Lokomotiven

Hier werden an die Ableiter hinsichtlich Betriebssicherheit höchste

Anforderungen gestellt. Deshalb wird ein Ableiter der Reihe

POLIM-H empfohlen. Der robuste mechanische Aufbau genügt

allen Anforderungen des Bahnbetriebes. Der Direktverguss in

Silikon gewährleistet höchste mechanische Sicherheit auch bei

extremen Stossbelastungen. Beim überlasteten Ableiter

verhindert die spezielle Konstruktion dieses Ableiters ein Bersten

des Gehäuses. Dieser Ableitertyp ist bis zu einem Kurzschluss-

Strom des Netzes von 65 kA geprüft und kann als explosions-und

zerfallsicher eingestuft werden. Ein weiterer Vorteil dieses

Ableitertyps ist das tiefe Schutzniveau und das hohe

Energieaufnahmevermögen.

m

21


10.9 Ableiter parallel zu einer Kondensator-Batterie

Beim Ausschalten einer Kondensator-Batterie treten üblicherweise

keine Überspannungen auf. Der Leistungsschalter unterbricht den

Strom im natürlichen Stromnulldurchgang und die Spannung an

den Kondensatoren gegen Erde erreicht höchstens 1,5 p.u.. Als

Folge der sich mit Betriebsfrequenz ändernden Netzspannung

ergibt sich über der Schaltstrecke des Leistungsschalters eine

Spannung von 2,5 p.u.. Tritt eine Rückzündung der Schaltstrecke

auf, führt das zu einem hochfrequenten Ausgleichsvorgang

zwischen der Kondensatorspannung und der Betriebsspannung.

Im Verlaufe dieses Vorganges wird der Kondensator auf ein

höheres Potential aufgeladen [21]. Diese Überspannung am

Kondensator zwischen Phase und Erde erreicht dabei nach [15]

höchstens 3 p.u..

Sind die Kondensatoren im Stern geschaltet, so werden sie durch

die zur Batterie parallelen Ableiter zwischen Phase und Erde

entladen. Während dieser Entladung bis auf die Spannung √ 2 * Uc

werden die Ableiter energiemässig belastet mit:

SK

E c = --------- * [3-(U c/U m) 2 ]

ω

S

E

K

c

: 3-phasen-Blindleistung der Kondensator-Batterie

: vom Ableiter aufgenommene Entladeenergie

Unter der Annahme, dass der Ableiter diesen Vorgang dreimal

ohne Abkühlpause beherrschen soll, folgt mit U > U

Ec

6 * SK

----- > --------------

U c ω * U m

Das auf Uc

bezogene Energieaufnahmevermögen E des Ableiters

muss also der Blindleistung der Batterie angepasst sein. In Tabelle

9 ist die maximal zulässige Blindleistung der parallelen Batterie für

verschiedene Typen von ABB-MS-Ableitern angegeben.

Ist der Sternpunkt der Kondensator-Batterie isoliert, dann kann der

Ableiter zwischen Phase und Erde den aufgeladenen Kondensator

nicht entladen. Er wird also nicht belastet. Hier gilt es jedoch zu

berücksichtigen, dass nach einer Rückzündung des Leistungsschalters

der Sternpunkt der Batterie auf 2 p.u. ansteigt. Ein

Spannungsüberschlag des Sternpunktes nach Erde hat zur Folge,

dass nun der Ableiter den Kondensator entladen muss. Auch die

Ableiter parallel zu einer Batterie mit isoliertem Sternpunkt

müssen also energiemässig deren Blindleistung angepasst sein.

Bleibt die Batterie nach der Abschaltung vom Netz getrennt, dann

entladen die Ableiter die Spannung nicht nur auf √2 * U c, sondern

bis auf Null. Unterhalb √2 * Uc

ist aber der Entladestrom durch

den Ableiter sehr klein, sodass die restliche Entladung sehr lange

dauert. In dieser Zeit kann sich der Ableiter abkühlen. Er gibt mehr

Wärme ab als ihm durch die restliche Entladung zugeführt wird.

Bei der obigen Berechnung von Ec

war es daher gerechtfertigt, nur

die vom Ableiter aufgenommene Energie bis zur Entladung auf

√2 * U zu berücksichtigen.

c

c

m

Überschreitet für einen bestimmten Ableitertyp die Blindleistung

der parallelen Kondensator-Batterie den in Tabelle 9 angegebenen

Grenzwert, dann muss ein energiemässig stärkerer Typ gewählt

werden. Für Netze, welche nicht mit einer normierten Spannung

betrieben werden, sind für SK

die Grenzwerte in der Spalte mit der

tieferen Normspannung massgebend. Ist die Blindleistung sehr

gross, dann sind parallelgeschaltete Ableiter vorzusehen. In

diesem Fall ist der Ableiterlieferant zu informieren, damit

Massnahmen ergriffen werden, um eine ausreichend gute

Stromaufteilung bei den parallelen Ableitern zu gewährleisten. Der

Lieferant sollte auch dann angefragt werden, wenn Ableiter mit Uc

< U eingesetzt werden.

Hochfrequenzsperren sind Luftdrosseln, welche im Zuge von

Hochspannungsleitungen geschaltet sind. Ihre Induktivität L ist im

Bereich von mH. Wenn keine Massnahmen getroffen werden, dann

müssen die Blitzströme im Leiterseil durch die Sperre fliessen.

Bereits relativ kleine Stromsteilheiten von einigen kA/ s würden

längs der Sperre Überspannungen von mehreren 1000 kV

erzeugen und zu einem Überschlag führen. Um dies zu verhindern,

werden parallel zur Sperre MS-Ableiter geschaltet, welche den

Blitzstrom übernehmen und die Überspannung auf deren

Restspannung begrenzen.

Bei einem Erdschluss im Hochspannungsnetz fliesst der

Kurzschluss-Strom IK

im Leiterseil. Dieser netzfrequente Strom

würde den Ableiter überlasten. Uc

ist daher so zu wählen, dass

dieser Strom durch die Sperre fliesst. Er induziert an der Sperre die

für Uc massgebende temporäre Überspannung U TOV = ω * L *

I K. Für eine Dauer des Kurzschluss-Stromes von t ---------- = ---------------

T 1,28

I

K

Ableitertyp

Uc

> Um

E/U [kJ/kV] c

m

U m [kV]

3.6

7.2

12

17.5

24

36

10.10 Hochfrequenzsperren (Parallelschutz)

: maximaler Kurzschluss-Strom durch die Sperre

L : Induktivität der Sperre

c

3.6 5.5 9.0 13.3

S [MVA] K

0.67

1.35

2.26

3.29

4.52

6.78

S [MVA] K

1.03

2.07

3.45

5.03

6.90

10.36

S [MVA] K

1.69

3.39

5.65

8.24

11.30

16.95

S [MVA] K

2.50

5.01

8.35

12.18

16.70

25.05

Tabelle 9

Ableiter parallel zu Kondensator-Batterie.

Maximal zulässige Blindleistung SK

der Batterie für den

angegebenen Ableitertyp. Es sind drei Entladungen der Batterie

ohne Abkühlpause für den Ableiter zulässig.

E / U : Auf U bezogenes Energieaufnahmevermögen der Ableiter.

c

c

POLIM-D

MWK

MWD

POLIM-I

POLIM-S

POLIM-H

22


11 Ableiter für Gleichspannung

Es gibt zum jetzigen Zeitpunkt keine international gültige Richtlinie

oder Vorschrift für den Ableitereinsatz in Gleichspannungsnetzen.

Prinzipiell treten auch in Gleichspannungsnetzen durch

Blitzeinwirkung oder Schalthandlungen verursachte Überspannungen

auf, die Geräte und Isolationen gefährden können.

Auch in diesem Fall ist ein Ableitereinsatz zum Schutz gegen

Überspannungen nötig. Es eignen sich dazu besonders

funkenstreckenlose MO-Überspannungsableiter, da sie nach der

Überspannungsbegrenzung keinen Folgestrom führen und somit

nicht das Problem besteht einen Gleichstrom-Lichtbogen löschen

zu müssen.

Beim Einsatz von MO-Ableitern in Gleichspannungsnetzen gibt es

zwei wesentliche Punkte zu beachten.

Zum Einen muss sichergestellt sein, dass das MO-Material auch

unter Gleichspannungs-Dauerbelastung langzeitstabil ist. Dies ist

nicht bei allem handelsüblichen MO-Material der Fall.

Zum Anderen sind die meisten Gleichspannungsnetze Bahnnetze.

Werden die Ableiter auf rollendem Material (Triebfahrzeuge)

eingesetzt, ist der Sicherheitsaspekt von besonderer Bedeutung

(Personenschutz).

Die von ABB hergestellten Ableiter sind für den Einsatz in

Gleichspannungsnetzen und insbesondere auch in Bahnnetzen

und auf Lokomotiven und Triebfahrzeugen geeignet.

Es muss in jedem Fall dem Hersteller mitgeteilt werden, wenn der

Ableiter in Gleichspannungsnetzen eingesetzt werden soll. Auch

für die Dimensionierung der Ableiter sollte mit dem Hersteller

Kontakt aufgenommen werden.

12 Consulting beim Einsatz von Ableitern

Es zeigt sich bei vielen Diskussionen mit Anwendern von

Überspannungsableitern, dass eine tiefergehende Beratung beim

Einsatz von Überspannungsableitern begrüsst wird. Dies sowohl

bei Technologiewechseln, z.B. von Funkenstreckenableitern mit

Porzellanisolatoren auf MO-Ableiter mit Silikongehäuse, wie auch

bei der Ableiterauswahl für Nachrüstungen bestehender Anlagen

oder der Planung neuer Anlagen in Mittel- und Niederspannungsnetzen.

Neue Anwendungsgebiete, wie z.B Gleichspannungsnetze,

oder Konzepte zum Schutz gegen Überspannungen

und Blitzgefährdung ganzer Anlagen brauchen

tiefergehende Betrachtung. Aufwertungen bestehender Anlagen

hinsichtlich Leistungsübertragung (höhere Systemspannung)

oder Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit bedingen klare

Schutzkonzepte, unter Berücksichtigung einer ökonomischtechnisch

optimalen Lösung.

Wir offerieren daher gerne Beratungen und Berechnungen zum

Überspannungs- und Blitzschutz, die über die im

Vorangegangenen gegebenen Richtlinien hinausgehen.

13 Schlussbemerkungen

Blitzüberspannungen sind eine Gefahr für die Betriebsmittel im

MS-Netz. Ableiter gewährleisten einen sicheren Schutz vor

unzulässiger Überspannungsbeanspruchung. Ihr Schutz ist umso

besser, je näher die Ableiter beim Betriebsmittel angebracht sind.

Bei der Bestimmung vom Uc

der Ableiter sind zwei sich

widersprechende Anforderungen zu beachten. Einerseits sollte Uc

möglichst klein sein, damit der Ableiter die Überspannung bei

einem möglichst tiefen Wert begrenzt. Andererseits muss U gross

c

genug gewählt werden, damit der Ableiter den Anforderungen des

Netzbetriebes noch genügen kann. Moderne MO-Ableiter ohne

Funkenstrecke erfüllen beide Bedingungen. Sie ermöglichen einen

ausreichenden Schutz vor Überspannungen und gewährleisten

gleichzeitig einen sicheren Netzbetrieb.

Bei abnormalen Betriebsbedingungen, wie sie etwa während eines

Spannungsübertritts zu erwarten sind, werden im Netz alle

parallelen Ableiter etwa gleich stark mit der betriebsfrequenten

Überspannung überlastet. Sind MO-Ableiter eingesetzt, so kann

man erzwingen, dass nicht irgendeiner der angeschlossenen

Ableiter zuerst überlastet wird, sondern ein vorausbestimmter.

Dazu wird z.B. Uc

des Innenraumableiters im Gebäude einer

Schaltstation um etwa 10% höher gewählt als beim

Freiluftableiter vor der Station. Sobald die abnorme

betriebsfrequente Überspannung auftritt, wird der Freiluftableiter

zuerst überlastet sein. Er begrenzt die Überspannung, indem er

einen Aussenüberschlag einleitet, und verhindert so einen

Lichtbogen im Gebäude der Schaltstation.

Eine ähnliche Situation liegt vor wenn in einem MS-Netz sehr hohe

temporäre Überspannungen zu erwarten sind und diese nur

äusserst selten auftreten. Damit die Ableiter auch in diesem

seltenen Fall nicht überlastet werden sei z.B. ein um15% höheres

Uc

erforderlich. Solche Ableiter sind also beim Betriebsmittel

einzusetzen. Damit ist aber der Nachteil verbunden, dass der

Überspannungsschutz um 15% schlechter wird. Mehrere parallele

Ableiter würden das verhindern. Für diese Massnahme ist aber

beim Betriebsmittel oft nicht ausreichend Platz vorhanden.

Zwei Ableitersätze ermöglichen eine annehmbare Lösung des

Problems. Ein Satz mit 15% höherem Uc

ist beim Betriebsmittel

und ein zweiter mit tieferem Uc

ist in einiger Entfernung davon

anzubringen. In jeder Phase sind somit zwei MO-Ableiter parallel

geschaltet. Bei einer Blitzüberspannung werden beide leitend und

ermöglichen zusammen beim Betriebsmittel das gleiche

Schutzniveau wie ein einzelner Ableitersatz mit tiefem U c.

Während der oben erwähnten sehr hohen temporären

Überspannung werden nur die vom Betriebsmittel entfernten

Ableiter überlastet. Der dabei auftretende Lichtbogen kann daher

das Betriebsmittel nicht beschädigen. Und weil endlich die

Überlastung nur äusserst selten auftritt, kann der damit

verbundene Betriebsunterbruch in Kauf genommen werden.

Beim Aufstellen eines Ableiters sind zwei Sachen besonders zu

beachten. Beide sind zum Erzielen des bestmöglichen

Schutzniveaus des Ableiters gleich wichtig. Erstens muss die

blitzgefährdete Leitung zuerst zum Hochspannungsanschluss des

Ableiters und erst anschliessend zum zu schützenden

Betriebsmittel geführt werden. Eine kurze Verbindung zwischen

den Hochspannungsanschlüssen von Ableiter und Betriebsmittel

ist wohl wichtig aber nicht von ausschlaggebender Bedeutung.

Zweitens muss die galvanische Verbindung vom erdseitigen

Abgang des Ableiters bis zur Erdung des Betriebsmittels möglichst

kurz sein. Sie muss bei Leitungen mit geerdeten Traversen

unterhalb 2 m liegen. Bei Holzmastleitungen muss sie kürzer sein

als

1m für Um

< 24kV

0,6 m für U > 24 kV

m

Ist dies nicht möglich, dann sind die Traversen der letzten 3 Masten

vor der Schaltanlage bzw. vor dem Betriebsmittel zu erden oder

beim letzten Mast vor der Anlage ist ein weiterer Ableitersatz

anzubringen. In diesem Fall beträgt die obere Grenze für die

Erdverbindung 2 m. Bei einem Kabel hingegen müssen alle

Anschlussleitungen zum Ableiter möglichst kurz sein.

23


Literaturverzeichnis

[1] IEC Publication 99-5, First edition 1996-02 : Surge arresters Part 5 : Selection and

application recommendations.

[2] R. Rudolph und A. Mayer: Überspannungsschutz von Mittelspannungskabeln. Bull.

SEV/VSE 76 (1985) 4, S. 204-208.

[3] R. Rudolph: Bemessung, Prüfung und Einsatz von Metalloxid-Ableitern. Bull.

SEV/VSE 75 (1984) 23, S. 1407-1412.

[4] A. Mayer und R. Rudolph: Funkenstreckenlose Überspannungsableiter ermöglichen

optimalen Überspannungsschutz. Brown Boveri Technik 72(1985) 12, S. 576-585.

[5] W. Schmidt: Metalloxid ein fast idealer Überspannungsableiter. Bull.

SEV/VSE 7 / 1998, S. 13-20.

[6] IEC Publication 60099-4, Edition 1.1, 1998-08: Surge arresters Part 4: Metal-oxide

surge arresters without gaps for a.c. systems.

[7] ANSI/IEEE Publication C62.11 1993: IEEE Standard for Metal-Oxide Surge Arresters

for Alternating Current Power Circuits.

[8] R. Rudolph: ZnO-Ableiter. Eine Alternative zu konventionellen Ableitern. Elektrotechnik

und Maschinenbau 5 (1983), S. 195-200.

[9] IEC Publication 71-1 (1993-12): Insulation coordination - Part 1: Definitions, principles

and rules.

[10] IEC Publication 71-2 (1996-12): Insulation coordination Part 2: Application guide.

[11] G. Balzer und K.H. Weck: Isolationskoordination von gasisolierten Schaltanlagen.

ETG - Fachbericht 32 (1990), S. 71-89.

[12] VDEW Störungs- und Schadensstatistik 1990. Verlags- und Wirtschaftsgesellschaft

der Elektrizitätswerke m.b.H.

[13] A.J. Eriksson et al.: Guide to procedures for estimating the lightning performance of

transmission lines. Report of WG 01 of CIGRE Study Committee 33, Oct. 1991.

[14] K. Berger: Methoden und Resultate der Blitzforschung auf dem Monte San Salvatore bei

Lugano in den Jahren 1963 bis 1971. Bull. SEV/VSE 63 (1972) 24, S. 1403-1422.

[15] Surge arresters application guide. IEC 37 (Sec) 85, Jan 1992.

[16] R.B. Anderson and A.J. Eriksson: Lightning parameters for engineering application.

Electra, 69 (1980), S. 65-102.

[17] A.J. Eriksson et al.: A study of lightning stresses on metal oxide surge arresters.

Cigre paper 33-08 (1986).

[18] M. Christoffel: Der Einfluss von Kabelstrecken auf die Überspannungsvorgänge in

Übertragungssystemen mittlerer und hoher Spannungen. Brown Boveri Mitt. 51 (1964)

6, S. 369-376.

[19] A. Braun: Schirmspannungen und Schirmverluste bei Mittelspannungs-VPE-Kabeln.

Elektrizitätswirtschaft 88 (1989) 26, S. 1898-1906.

[20] M. Darveniza und D.R. Mercer: Lightning protection of pole mounted transformers.

IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 4, No. 2, April 1989, S. 1087-1093.

[21] G. Balzer: Schaltvorgänge in Mittelspannungsnetzen und deren Berücksichtigung bei

der Planung. Brown Boveri Technik, 73 (1983) 5, S. 270-278.

[22] Non-linear metal-oxide resistor polymeric housed surge arresters without sparkgaps.

IEC 37 / 154 / CD; March 1996

[23] W.Schmidt: Die neuen POLIM -Überspannungsableiter mit Silikonisolation für

Mittelspannungsnetze. ABB Revue 2/96

24


Verzeichnis der verwendeten Symbole

a in m Länge eines Leiters

BIL in kV Blitzstoss-Haltespannung (Scheitelwert)

b in m Länge eines Leiters

C in F Kapazität (meist angegeben in nF ader F)

Ce Erdfehlerfaktor, C e * U m/ √3 ist die maximale Spannung zwischen Phase

und Erde im Erdschlussfall

d in m Länge eines Leitungsabschnittes vor der Schaltanlage

E in J dem Ableiter zugeführte Energie (meist angegeben in kJ oder kJ/kVU c)

E c in J vom Ableiter aufgenommene Entladeenergie (meist angegeben in kJ)

I in A Rechteckwellenstrom

I n in A Nennableitstrom des Ableiters (meist angegeben in kA, Scheitelwert)

I K in A 50 Hz Kurzschlussstrom (meist angegeben in kA, Effektivwert)

I ref in A Referenzstrom eines Ableitertyps (meist angegeben in mA, Scheitelwert)

i in A Scheitelwert des Blitzstromes (meist angegeben in kA, Scheitelwert)

i(t) in A Zeitfunktion des Blitzstromes

K

Konstante der Koronadämpfung

L in H Induktivität einer Hochfrequenzsperre

L in m Schutzdistanz eines Ableiters

L K in m Länge eines Kabels

MCOV in V

Maximum Continuous Operating Voltage = U c (meist angegeben in kV, Effektivwert)

P in W Verlustleistung eines Ableiters bei U c

p.u. per unit, 1 p.u. = √2 * U m / √3

Q in W Wärmefluss vom Aktivteil eines Ableiters zur äusseren Umgebung (Kühlung)

S in V /s maximale Steilheit im Spannungsanstieg (meist angegeben in kV / s)

S(t) inV/s Steilheit des Spannungsanstieges in Funktion der Zeit (meist angegeben in kV / s)

S o inV/s Steilheit der Blitzüberspannung beim Einschlagort (meist angegeben in kV / s)

S K in Var Dreiphasen-Blindleistung einer Kondensatorbatterie

T

Festigkeit des Ableiters gegenüber temporären Überspannungen

U TOV =T * U c

T in ° C Temperatur

t in s Zeit

25


t s

U

U c

U E

U K

U m

U p

U r

U ref

U T

in s

inV

in V

in V

in V

in V

in V

in V

in V

in V

Zeitintervall

Scheitelwert der Überspannung einer Wanderwelle (meist angegeben in kV)

Maximale Dauerbetriebsspannung des Ableiters (meist angegeben in kV, Effektivwert)

Maximale Überspannung am Ende einer offenen Leitung (meist angegeben in kV, Scheitelwert)

Überspannung am Ende des Kabels (meist angegeben in kV, Scheitelwert)

Maximale Spannung zwischen den Phasen (meist angegeben in kV, Effektivwert)

Schutzniveau des Ableiters bei I n (meist angegeben in kV, Scheitelwert)

Bemessungsspannung (Rated Voltage meist angegeben in kV, Effektivwert)

Referenzspannung (meist angegeben in kV, Effektivwert, bzw.Û / √2)

Überspannung beim Transformator (meist angegeben in kV, Scheitelwert)

U TOV in V

Betriebsfrequente Überspannung begrenzter Dauer (meist angegeben in kV, Effektivwert)

u(t)

v

in V

in m/s

Zeitfunktion einer Blitzüberspannung

Geschwindigkeit der Wanderwelle, v = 300 m/ s in Luft

Z

in

Ω

Wellenwiderstand des Leiters einer Leitung, Z = 300...450Ω

Z K

in

Ω

Wellenwiderstand des Leiters eines Kabels, ZK = 20...60Ω

δ L

Lastabwurffaktor bei einem Generator

ω

1/s

Kreisfrequenz der Netzfrequenz, bei 50 Hz ist ω = 314 1/s

26


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