Ferranti-Effekt

Der nach seinem Entdecker Sebastian Ziani de Ferranti benannte Ferranti-Effekt tritt in Hochspannungsnetzen auf, wenn lange Freileitungen oder Kabelstrecken mit hoher Betriebskapazität am abnahmeseitigen Ende durch Ausschalten des Leistungsschalters plötzlich entlastet werden, bzw. eine am Ende unbelastete Freileitung oder Kabelstrecke eingeschaltet wird. Ferranti entdeckte bei der Inbetriebnahme des Kraftwerkes in Deptford im Jahre 1890 bei den Funktionsprüfungen (Lastabwurf bzw. Wiederinbetriebnahme) betriebsfrequente Spannungserhöhungen an den Freileitungsabgängen.

Allgemeines

Ferranti-Effekt für eine 380-kV-Leitung bei 50 Hz (mit L = 1,01 mH/km und C = 11,48 nF/km)

Länge	Überhöhung
100 km	0,6 %
200 km	2,3 %
300 km	5,4 %
400 km	9,9 %

Durch den Ferranti-Effekt treten betriebsfrequente Spannungsüberhöhung infolge des kapazitiven Ladestroms auf, die von dem Blindwiderstand (Reaktanz) der Freileitung oder der Kabelstrecke abhängen. Damit wird die Netzspannung U_E am unbelasteten Ende der Leitung um folgenden Faktor größer als die Netzspannung am Einspeisepunkt U_S:

$\frac{U_E}{U_S} = \left( 1 + \frac{1}{2}\frac{R + X_L}{X_C} \right)^{-1}$

Mit

$X_C = \frac{1}{\mathrm{j} \omega C' l}; \quad X_L = {\mathrm{j} \omega L' l}$

mit dem Kapazitätsbelag C', Induktivitätsbelag L', der Kreisfrequenz ω und der Leitungslänge l, bei Vernachlässigung des ohmschen Anteils (R=0), ergibt sich daraus näherungsweise der Faktor der Spannungserhöhung:

$\frac{U_E}{U_S} = \left(1 - \frac{L \cdot C \cdot \omega^2}{2} \right)^{-1}$

Die Spannungserhöhungen nehmen zu, je länger die unbelastete Freileitung oder Kabelstrecke l und der damit steigende kapazitive Blindwiderstand X_C der Leitung ist. Der induktive Blindwiderstand X_L wirkt sich, wie auch der ohmsche Belag der Leitung, reduzierend aus. Beim Zuschalten einer unbelasteten Freileitung oder Kabelstrecke treten noch zusätzlich transiente Vorgänge (Schaltüberspannungen) auf. Wirkt gleichzeitig noch ein einpoliger und durch die Erdschlusskompensation kompensierter Leiter-Erde-Fehler, werden die Spannungsüberhöhungen durch den zusätzlichen Erdfehlerfaktor beträchtlich gesteigert, was zu einer Zerstörung von Anlageteilen führen kann.

Gegenmaßnahmen

Zur Reduzierung des Ferranti-Effektes werden Querkompensationsdrosselspulen (Ladestromdrosseln) eingesetzt. Diese Drosseln werden je Leiter gegen Erde angeschaltet und vergrößern den induktiven Blindwiderstand der Leitung und wirken so reduzierend auf die Spannungsüberhöhung. Mit der Wahl der Spulenleistung kann die zeitweilige Spannungserhöhung bestimmt werden. Der Einsatz von Querkompensationsdrosselspulen auf den Anfang und das Ende der Leitung ergibt nicht nur eine Reduzierung des Ferranti-Effektes, sondern bewirkt auch eine Kompensation des kapazitiven Ladestromes bei Schwachlastbetrieb.

Des Weiteren werden so genannte Mitnahmeschaltungen, das heißt das gleichzeitiges Ausschalten beider Leistungsschalter am Anfang und Ende einer Freileitung oder Kabelstrecke, eingesetzt.

Literatur

• H. Koettnitz, G. Winkler, K. Weßnigk: Grundlagen elektrischer Betriebsvorgänge in Elektroenergiesystemen. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig