3R Curaflex Nova (Vorschau)

Fachbericht
Gasversorgung & Korrosionsschutz
Neue Berechnungsverfahren für
Erderspannungstrichter
Von Reinhard Schröder, Markus Gehnen und Ralf Watermann
Bei siedlungsnahen Standorten von Erderanlagen stark hochspannungsbeeinflusster Rohrleitungen bietet die Berechnung der
Ausdehnung des Erderspannungstrichters an der Erdoberfläche die Möglichkeit einer Analyse des Gefährdungspotentials Dritter
durch Berührungs- und Schrittspannungen. Aufgrund vorhandener Fragestellungen zur Gültigkeit bestehender Berechnungsalgorithmen
sowie dem Wunsch nach einem Berechnungstool auf Basis von PC-Standardanwendungen hat sich die Open
Grid Europe GmbH gemeinsam mit Vertretern der Technischen Fachhochschule Georg Agricola in Bochum dieser Fragestellungen
angenommen.
Der aus der Literatur bekannte Formelsatz zur Berechnung von Erderspannungstrichtern wurde so weiterentwickelt, dass er
widerspruchsfrei und unter Verwendung gewünschter Vorgaben anwendbar ist. Die Grenzen der Anwendbarkeit wurden aufgezeigt
und daraus die Notwendigkeit ergänzender Untersuchungen abgeleitet. Diese bestanden in Parameterstudien in Form
von 3D-Finite-Elemente-Feldberechnungen, deren Resultate zur Verfeinerung der formelmäßigen Ergebnisse herangezogen
wurden. Die Umsetzung erfolgte in einem Excel-Tool, das den Verlauf der Erderspannungstrichter mit erheblich gesteigerter
Genauigkeit zu berechnen erlaubt.
Hintergrund
Die ausgedehnten – und im Regelfall oberflächennah installierten
– Erdersysteme von hochspannungsbeeinflussten
Rohrleitungen können Erdungsspannungen gegen das Potential
der Bezugserde annehmen, die den gemäß der gültigen
AfK Empfehlung Nr. 3 [1] zulässigen Beeinflussungswechselspannung
von 60 V (Dauerbeeinflussung) bzw. 1000 V (Kurzzeitbeeinflussung)
entsprechen. Teilspannungen dieser Erdungsspannung
sind als Berührungs- und Schrittspannung
abgreifbar (Bild 1).
Die im Kurzzeitbeeinflussungsfall zulässige Erdungsspannung
von 1.000 V liegt durchaus im Bereich der Erdungsspannung
einer Hochspannungsanlage. Aus diesem Grund führt
die Open Grid Europe GmbH schon seit längerem – zumindest
für potentielle Erderstandorte mit höherer Personenaufenthaltswahrscheinlichkeit
(z. B. siedlungsnahe Standorte)
– vorab Betrachtungen zur Analyse einer möglichen Gefährdung
Dritter durch.
Basis der Berechnung der Spannungstrichterausprägung
an der Erdoberfläche für einen entsprechend
Längs- und Querabstand zur Erdermitte (bei Horizontalerdern)
beziehungsweise
Abstand zur (gedanklich verlängerten) Erderachse (bei
Vertikalerdern)
definierten Punkt stellten hier bisher die Gleichungen in den
Zeilen 7 – 9 der Tabelle 24-1 des „Handbuch des kathodischen
Korrosionsschutzes“ [2] dar.
Bei der praktischen Anwendung der v. g. Gleichungen ergaben
sich mit der Zeit Fragestellungen – z. B. bezüglich der markanten
Änderung des oberflächennahen Potentialverlaufs entlang
eines Horizontalerders oder die Frage nach (eingangsparameterbedingten)
Gültigkeitsbereichen für die angewandten Formeln.
Des Weiteren, mit dem Ziel einer effizienteren Abwicklung
der Berechnungen, wird seitens des Fachbereichs Korrosionsschutz
der Open Grid Europe GmbH auch die direkte
Eingabe der – aus den Beeinflussungsberechnungen ermittelten
– Erdungsspannung (statt des Erderstromes und des
spezifischen Bodenwiderstandes) sowie die Erstellung eines
EXCEL®-basierten Berechnungstools angestrebt.
Bild 1: GefährdungsPotential durch Erderspannungstrichter (hier:
Berührungsspannung)
Theoretische Grundlagen
Es soll zunächst der analytische Ansatz zur Berechnung des
Erderpotentials erläutert werden, um das weitere Vorgehen bei
der Problemlösung daran aufzeigen zu können. Dazu wird ein
Kugelerder betrachtet, der im Abstand t von der Erdoberflä-
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