Freileitung

Freileitung mit Transformatorabzweig

Freileitungsmasten mit verschiedenen Freileitungsarten

Eine Freileitung ist eine elektrische Leitung, deren Leiter im Gegensatz zum Kabel nur durch die dazwischen liegende Luft voneinander isoliert sind.

Dabei werden die Leiterseile an bzw. auf Isolatoren von Freileitungsmasten getragen. Für Freileitungen mit Spannungen unter 50 kV kommen Holz-, Beton-, Stahlrohr- und Stahlfachwerkmaste zum Einsatz. Für Spannungen über 50 kV werden zumindest in Europa meist Stahlfachwerkmasten verwendet; für Leitungen der 110-kV-Spannungsebene werden zunehmend auch Stahlrohrmaste eingesetzt. Um die Gefahr von elektrischen Schlägen klein zu halten, müssen Freileitungen eine Mindesthöhe von vier Metern über dem Boden einhalten (für Spannungen unter 1000 Volt, für höhere Spannungen muss der Bodenabstand einer Freileitung größer sein).

Es ist in Deutschland und Österreich prinzipiell zulässig, Freileitungen unter einer Talbrücke hindurchzuführen. Man findet eine derartige Unterquerung beim Körschtalviadukt nahe Esslingen am Neckar. Aber auch Brücken selbst können Konstruktionen tragen, an denen Freileitungen befestigt sind, wie zum Beispiel die Storstrømbrücke in Dänemark.

Energieübertragung

110-kV-Leitung mit zwei Erdseilen

Größenvergleich zwischen einem 220-kV-Masten (groß) und einem 110-kV-Masten (klein)

Freileitungen zur Energieübertragung bilden den Überlandteil des Stromnetzes zur Weiterleitung von elektrischer Energie. Früher dienten sie auch zur Stromlieferung auf der Niederspannungsebene (von Haus zu Haus oder an Masten, auch zur Straßenbeleuchtung). Sie sind nicht mit Luftkabeln zu verwechseln: bei Luftkabeln wird ein isoliertes Kabel auf Masten verlegt. Luftkabel können, da sie isoliert sind, ohne Isolatoren am Mast befestigt werden. Bei beiden Arten kann Schnee anfrieren und im Zusammenspiel mit Wind im Extremfall zum Abriss der Leitung oder Einbrechen von Masten führen. In diesem Falle sollten Personen einen entsprechenden Sicherheitsabstand einhalten: mindestens vier Meter bei 400 kV und trockener Luft von herunterhängenden Leitungen, bzw. wesentlich mehr bei feuchter Witterung und vor allem bei am Boden liegenden Leitungen. In letzterem Fall besteht eine Gefährdung durch den entstehenden Spannungstrichter in Verbindung mit der sogenannten Schrittspannung.

Für Spannungen über 50 kV ist aber auch heute und in absehbarer Zeit die Freileitung im Regelfall die wirtschaftlichste Form der Stromleitung. Die Kühlung durch die umgebende Luft ermöglicht es, Freileitungen im Winter, wenn der Stromverbrauch sehr hoch ist, hoch zu belasten.

Freileitungen zur Elektroenergieübertragung werden auch zur Nachrichtenübertragung benutzt (mitverlegte Nachrichtenkabel, Lichtleitkabel oder Trägerfrequenzanlagen, die die Leiterseile selbst nutzen).

Leiterseil

Leiterseile von Freileitungen bestehen aus Kupfer, Aldrey und Verbundseilen aus Stahl und Aluminium. Letztere haben wegen ihrer geringeren Dichte bei gleichem Gewicht einen größeren Querschnitt und dadurch einen höheren Leitwert als Kupferseile und werden deshalb bei Hochspannungsleitungen bevorzugt eingesetzt. Für Spannungen über 110 kV Wechselspannung werden häufig, um Koronaerscheinungen zu vermeiden und die natürliche Leistung der Leitung zu erhöhen, so genannte Bündelleiter eingesetzt. Bündelleiter bestehen aus mehreren mittels Abstandhaltern verbundenen Leiterseilen und reduzieren die effektive elektrische Randfeldstärke auf Werte unter 17 kV/cm, ab welcher in Luft Ionisierung einsetzt. Für 220-kV-Leitungen werden meist Zweierbündel, für 380-kV-Leitungen meist Dreier- oder Viererbündelleiter verwendet.

Die maximale Dauertemperatur der Leiterseile zufolge der Strombelastung beträgt, je nach Seiltyp verschieden, 70 °C bis 80 °C und ist in Norm DIN 48201 und DIN 48204 spezifiziert. Im Kurzschlussfall darf kurzzeitig die maximale Temperatur des Leiterseils auf 160 °C bis 170°C steigen – höhere Temperaturen würden bei den auf Zug beanspruchten Seilen zu einer Materialentfestigung führen. Die wirtschaftliche Stromdichte mit geringer thermischer Erwärmung beträgt 0,7 A/mm² bis 1 A/mm², bei Dauerbetrieb mit ca. 2 A/mm² bis 2,5 A/mm² wird bei 30 °C Umgebungstemperatur im Sommer die maximal zulässige Dauerbetriebstemperatur der Leiterseile erreicht, im Winter ist dieser Wert höher. Zum Enteisen von Freileitungen im Winter können sogenannte Abtauschaltungen eingesetzt werden.

Ein typisches Leiterseil einer Hochspannungsleitung (110 kV) besteht aus einem siebenadrigen Stahlkern mit einer Gesamtquerschnittsfläche von 60 mm², der von einem Geflecht aus 30 Aluminiumadern mit einer Gesamtfläche von 257 mm² ummantelt ist. Bei einem Nennstrom von 560 A je Leitung ergibt sich bei 6 Leitern eine Leistung von 215 MVA. Mit einer 380-kV-Leitung mit 1.300 A je Außenleiter lassen sich über 900 MVA übertragen, wobei die natürliche Leistung bei 600 MW liegt.

Bei den meistens für Drehstrom gebauten Freileitungen werden drei oder sechs Leiterseile (oder Bündelleiter) gespannt. In bestimmten Abständen wechselt deren Lage an Verdrillmasten zueinander und – bei unterschiedlichen Abständen zum Erdboden – zur Erde. Durch diese Verdrillung wird eine symmetrische Kapazität im Dreileitersystem erreicht, dies ist unter anderem für die Erdschlusskompensation in sogenannten gelöschten Netzen wesentlich.

In Flughafennähe werden zur Flugsicherung in manchen Regionen Markierungslampen für Hochspannungsleitungen auf den Leiterseilen angebracht, wie beispielsweise das System Balisor.

Erdseil

Freileitungen mit Betriebsspannungen über 50 kV (in manchen Fällen auch darunter) werden in der Regel mit einem Erdseil ausgerüstet. Ein Erdseil ist ein an der Mastspitze befestigtes elektrisch leitfähiges Seil, welches die Leitung vor Blitzeinschlägen schützen soll. In den Erdseilen ist oft noch ein Lichtwellenleiter eingebettet, welcher zur Datenübertragung genutzt werden kann. Die Energieversorger stellen diese Übertragungskapazitäten auch Telekommunikationsanbietern zur Verfügung.

Für höhere Ansprüche an den Blitzschutz werden Hochspannungsleitungen manchmal mit zwei Erdseilen ausgestattet. Diese befinden sich entweder an den äußersten Enden der obersten Traverse, an einer V-förmigen Mastspitze oder an einer separaten Erdseiltraverse. Bei der Einebenenanordnung sind zwei Erdseile mindestens immer dann erforderlich, wenn eine Mastspitze nicht vorhanden ist, da hier der Schutzbereich eines einzelnen Erdseils nicht ausreicht.

Isolatoren

Storchennest auf einem Mast mit Mittelspannungsfreileitungen und der Gefahr eines Erdschlusses

Vier Schwingungstilger auf einer Freileitung

Als Isolatoren kommen für Spannungen bis ca. 50 kV hängende oder stehende Isolatoren zum Einsatz. Erstere können höhere Kräfte aushalten, letztere bieten eine zusätzliche Sicherheit, da im Fall eines Isolatorbruchs das Leiterseil auf den Mast fällt. Die Leitungen auf stehenden Isolatoren stellen auch eine Gefahr für große Vögel dar, die auf der Traverse zwischen den Isolatoren landen oder abfliegen und dabei leicht Erdschlüsse verursachen können. Zu deren Vermeidung werden manche Leitungen im Mastbereich mit Kunststoffhauben abgedeckt oder in sicherem Abstand über der oberen Traverse eine Ansitzstange montiert.

Eine zusätzliche Bruchsicherheit kann durch Verwendung von zwei (oder mehr) parallelen Isolatoren erzielt werden. Für Spannungen über 50 kV werden nur hängende Langstabisolatoren verwendet. Als Isolatormaterial wird meist Glas oder Keramik verwendet. Für Spannungen über 200 kV werden häufig Kettenisolatoren, bestehend aus zwei bis vier Langstabisolatoren, verwendet. Neuerdings werden insbesondere für Spannungen über 100 kV auch Isolatoren aus hochfestem Kunststoff verwendet.

Bei langen Abspannweiten kann es durch Wind und andere mechanische Einflüsse zu unerwünschten mechanischen Schwingungen des Leiterseils kommen. Die Folge können mechanische Schäden am Leiter und den Isolatoren sein. Zur Dämpfung dieser Schwingungen werden in der Nähe der Aufhängungspunkte der Freileitung, in unmittelbarer Nähe zu den Isolatoren, Stockbridge-Schwingungstilger angebracht.

Mast

→ Hauptartikel: Freileitungsmast

Betriebsparameter

Freileitungen für die Energieübertragung werden durch Parameter der Nennspannung, der natürlichen Leistung und dem Leitungswellenwiderstand charakterisiert. In nachfolgender Tabelle sind für einige übliche Spannungsebenen beispielhafte Richtwerte zusammengefasst ^[1]:

Leistungen und Wellenwiderstand von Freileitungen
Nennspannung (kV)	Leiterquerschnitt Al/St (mm2)	Leitungswellen- widerstand (Ω)	natürliche Leistung (MW)	thermische Grenzleistung (MVA)
10	50/8	330	0,3	3
20	120/20	335	2,7	14,2
110	240/40	380	32	123
220	2·240/40	276	175	492
380	4·240/40	240	602	1700
750	4·680/85	260	2160	5980

Geräuschentwicklung

Übergang einer Hochspannungs-Freileitung in ein Erdkabel

Vielen Menschen fällt bei Regen, Nebel, Schnee oder feuchtem Wetter ein tiefes Brummen oder Surren unter Hochspannungsleitungen auf. Diese Geräusche werden durch zwei Effekte hervorgerufen:

• durch Wassertropfen, die sich auf den Leitungskabeln befinden und ein niederfrequentes Geräusch erzeugen. Bilden sich Tropfen an den Leitungen, werden diese durch die Frequenz des Stromes (50 Hz) zu Schwingungen mit 100 Hz angeregt.
• ein höherfrequentes Geräusch entsteht durch Mikroentladungen (Vorentladungen, Koronaentladungen) in die Luft, aufgrund der hohen elektrischen Feldstärke um den Leiter. Diese höhere Frequenz ist abhängig von der Spannung, der Mast- und Armaturengeometrie.

Wenn die Wechselspannung der Leitung eine Frequenz von 50 Hz hat, wird der Tropfen mit jeder Halbwelle zu einer Frequenz von 100 Hz, also dem Doppelten, angeregt. Er ändert dabei seine Gestalt während einer Schwingungsperiode zweimal von der ursprünglichen Kugelform in eine längliche Form und wieder zurück. Dabei verursacht er die Aussendung einer Schallwelle infolge Verdrängung der ihn umgebenden Luft. Je mehr Wassertropfen an der Leitung hängen, desto lauter wird das Brummen. Die Lautstärke des Brummens ist zudem von der Größe der Wassertropfen abhängig – größere Tropfen erzeugen ein lauteres Geräusch. Bei Masten mit Drehstromnetz (drei oder sechs Außenleiter auf einem Mast) wird die ausgesendete Frequenz der Wassertropfen nicht durch zeitversetzte Phasenabfolge der einzelnen Leiter beeinflusst, es bleibt bei 100 Hz.

In Ländern mit 60-Hz-Stromnetz liegt die hörbare Frequenz bei 120 Hz. Man versucht, mit geeigneten Beschichtungen oder Oberflächenstrukturen den Wasserablauf zu begünstigen beziehungsweise die Tröpfchengröße klein zu halten.

Das höherfrequente, als Knistern wahrgenommene Geräusch stammt von Vorentladungen, die auch Ultraviolettstrahlung und Ozon erzeugen und als Koronaentladung bezeichnet werden. Diese Entladungen können mit Koronakameras optisch erfasst werden. Die mit Koronaentladungen verbundenen Übertragungsverluste erhöhen sich mit steigender Spannung. Die Ursache dieser Entladungen ist die hohe elektrische Feldstärke an der Oberfläche des elektrischen Leiters, wodurch die umgebende Luft ionisiert wird. Aus diesem Grund wird bei Spannungen über 100 kV durch den Einsatz sogenannter Bündelleiter die elektrische Feldstärke an der Leiteroberfläche, auch als Randfeldstärke bezeichnet, verringert.

Fernmeldetechnik

• 

  Freileitung mit mehreren Querträgern

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  Übergang von Erdkabel zu Freileitung

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  Querträger einer Freileitung

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  Freileitung zur Übertragung von Hochfrequenz eines Langwellen-Großsenders

Eine Freileitung ist in der Fernmeldetechnik eine über Telefonmasten geführte Leitung, deren Drähte nicht isoliert sind. Um sie an den Masten zu befestigen, werden Isolatoren aus Glas, Keramik oder Plastik verwendet. Kurzschlüsse zwischen den Drähten werden dadurch vermieden, dass ein Mindestabstand zwischen ihnen eingehalten wird. Das Telefonnetz in Deutschland ist unter hohen Kosten auf Erdkabel (und gelegentlich auch Luftkabel) umgerüstet worden, da Freileitungen oft durch Witterungseinflüsse gestört werden: Stürme werfen Masten um, die Drähte können vereisen und wegen ihres Gewichtes reißen, etc. Freileitungen zum Zweck der Nachrichtenübermittlung sind in Deutschland und dem westlichen Kontinentaleuropa inzwischen fast vollständig verschwunden. Man findet sie nur noch gelegentlich für Leitungen des bahninternen Telefonnetzes (BASA) entlang nichtelektrifizierter Nebenbahnen. Sie werden aber mit der Einführung von GSM-R zunehmend demontiert. Die letzten Telefonleitungen mit blanken Drähten im öffentlichen Fernsprechnetz dürften in den alten Bundesländern in der zweiten Hälfte der 1970er Jahre, in den neuen Bundesländern gegen 1999 durch Luft- oder Erdkabel ersetzt worden sein. Allerdings lässt sich kein Datum für den Abbau der letzten Fernsprechfreileitung im öffentlichen Fernsprechnetz in Deutschland ermitteln. Luftkabel werden oft in ländlichen Gebieten eingesetzt.

Unterentwickelte Länder, aber auch reiche Länder wie beispielsweise Großbritannien, die USA und Japan haben große Teile ihrer Teilnehmeranschlussleitungen noch als Freileitungen ausgeführt. Bei den beiden letztgenannten Ländern hat dies vor allem Kostengründe, denn nach den dort häufig auftretenden Naturkatastrophen wie Erdbeben oder Stürmen ist eine Instandsetzung von Erdkabeln wesentlich aufwändiger und teurer als das Verspannen neuer Freileitungsdrähte. Wegen der Antennenwirkung von Freileitungen können diese auch Amateurfunk und CB-Funk einfangen. Während der normale Telefonverkehr davon eigentlich nicht beeinträchtigt wird, kann aber eine DSL-Übertragung davon gestört werden, wenn Funk und DSL dieselben Frequenzbereiche verwenden.

Freileitungen bei Alarmierungssystemen

Bis in die 1990er Jahre erfolgte die Signalübertragung von handbedienten Feuermeldern im öffentlichen Raum zu den Meldestellen teilweise über Freileitungen. Diese waren meist einpoliger Natur und häufig an Laternenpfählen oder Aufhängungen von Straßenlampen befestigt. Auch Befestigungen an Hauswänden waren nicht selten.

Weitere Arten

Oberleitungen

Eine besondere Form der Freileitung sind die Oberleitungen und Stromschienen elektrischer Bahnen; diese müssen für die Entnahme von elektrischer Energie durch den Stromabnehmer von Schienenfahrzeugen ausgestattet sein und bestehen daher aus massiven Leitern aus einer Kupferlegierung.

Reusenleitungen

Auch zur Speisung von Sendeantennen, insbesondere von Antennen sehr leistungsfähiger Sender für Lang-, Mittel- und Kurzwelle, werden gelegentlich Freileitungen verwendet. Hierfür wird oft eine Reusenleitung verwendet. Bei einer Reusenleitung bilden mehrere parallele Leiterseile mit den auf Erdpotential liegenden Außenleitern eine Koaxialleitung. Im Innern des Ringes verläuft, an Isolatoren befestigt, die unter Hochspannung stehende Speiseleitung der Antenne. Sie ist meist ebenfalls als Bündelleiter ausgeführt.

Eindraht-Wellenleitung

Eindraht-Wellenleiter dienten früher in Orten mit ungünstigen Empfangslagen (Täler) zur Verbreitung der Rundfunkprogramme. Die sich entlang einer einzelnen Freileitung ausbreitenden Wellen konnten durch nahe der Leitung liegende Dipolantennen empfangen werden. Siehe hierzu Goubau-Leitung.

Verwandte Konstruktionen

• Antennen (werden für längere Wellen oft ähnlich wie Freileitungen ausgeführt)
• Selbststrahlender Sendemast
• Oberleitung
• Stromschiene
• Elektrozaun

Nutzung des Gebietes unter einer Freileitung

Hoch- und Niederspannungsleitungen in Dortmund-Hombruch

Das Gebiet unter einer Freileitung kann für die meisten Zwecke genutzt werden, bei denen nicht die Gefahr besteht, dass Objekte, die mit dem Erdboden verbunden sind, in die Nähe der Leiterseile geraten können oder bei denen die Gefahr besteht, dass durch die Nutzungsweise die Leiterseile, Isolatoren oder Mastkonstruktionen Schaden nehmen können. Allerdings kann es unter Freileitungen zu Beeinträchtigungen des Funkempfangs – insbesondere beim Empfang von Signalen mit Frequenzen unter 10 MHz bei Einsatz von Stabantennen kommen. Wenn es nicht möglich ist, die Empfangsantenne zu verlegen, dann sollte man in diesem Fall magnetische Antennen (Rahmen- oder Ferritantennen) verwenden. Bei der baulichen Nutzung des Areals unter Freileitungen ist daran zu denken, dass im Winter Eisansatz an den Masten und Leiterseilen stattfinden kann und dass herabfallende Eisbrocken unter Umständen Gebäudeschäden verursachen können.

Sicherheitsratschläge

Im Umfeld von Freileitungen (und auch von Funktürmen, insbesondere von selbststrahlenden Sendemasten) ist es verboten und gefährlich, Drachen oder Fesselballone aufsteigen zu lassen, da durch die Leine, insbesondere im feuchten Zustand, gefährliche Ströme fließen können. Auch ist insbesondere bei tiefhängenden Freileitungen Vorsicht im Umgang mit langen Stangen oder Leitern geboten, insbesondere wenn diese aus elektrisch leitfähigem Material bestehen. Unter Freileitungen soll man keine Kraftfahrzeuge betanken oder Behälter mit brennbarer Flüssigkeit umfüllen.

Geschichte

Die erste Freileitung der Welt baute der Physiker Stephen Gray am 14. Juli 1729, um zu zeigen, dass man Elektrizität übertragen kann. Er verwendete als Leiter feuchte Hanfschnüre, die an Bohnenstangen befestigt waren. Allerdings gab es erste praktische Anwendungen von Freileitungen erst im Rahmen der Telegrafie.

1882 wurde die erste Freileitungsübertragung mit Hochspannung zwischen München und Miesbach durchgeführt, wobei Gleichstrom mit einer Spannung von 2 kV verwendet wurde. Der Wirkungsgrad lag bei 25 %. An der Realisierung waren Oskar von Miller und der Franzose Marcel Deprez beteiligt.

1891 erfolgte der Bau der ersten Drehstromfreileitung anlässlich der internationalen Elektrizitätsausstellung in Frankfurt/Main zwischen Lauffen am Neckar und Frankfurt am Main. Die Energie wurde bei 10 kV über 176 Kilometer transportiert, der Wirkungsgrad lag bei 75 Prozent.

1912 ging die erste 110-kV-Freileitung (zwischen Lauchhammer und Riesa) und 1923 die erste 220-kV-Freileitung in Betrieb. In den 1920er Jahren baute die RWE AG das erste Freileitungsnetz für diese Spannung, welches zum Teil schon für 380 kV ausgelegt war (Nord-Süd-Leitung) und zu dem auch die 1926 gebaute Rheinkreuzung bei Voerde mit zwei 138 Meter hohen Masten gehörte. 1957 ging in Deutschland die erste 380-kV-Freileitung in Betrieb (zwischen dem Umspannwerk Hoheneck und Rommerskirchen).

Im gleichen Jahr ging in Italien die Freileitungsquerung der Straße von Messina in Betrieb, deren Masten als Vorbild für die Tragmasten der Elbekreuzung 1 dienten und bis zum Bau der Elbekreuzung 2 in der zweiten Hälfte der 1970er Jahre die höchsten Freileitungsmaste der Welt waren.

Ab 1967 wurden in Russland, den USA und Kanada Freileitungen für Spannungen von 765 kV gebaut. 1982 wurde in Russland zwischen Elektrostal und dem Kraftwerk Ekibastus eine Drehstromleitung mit 1.150 kV gebaut.

1999 wurde in Japan eine 500-kV-Doppelleitung gebaut, die für eine Betriebsspannung von 1100 kV ausgelegt ist, die Drehstromleitung Kita-Iwaki.

2003 erfolgte in China der Bau der bisher höchsten Freileitungsmaste der Jangtse-Freileitungskreuzung.

Rekorde

• Längste Spannweite: Querung des Ameralik-Fjords, 5366 m
• Längste Spannweite Europas: Querung des Sognefjords, 4597 m
• Längste Spannweite Deutschland: Eyachtalquerung Höfen, 1444 m
• Längste Freileitung: HGÜ Inga-Shaba: 1700 km
• Längste Freileitung Deutschlands: Wolmirstedt-Lubmin
• Höchste Übertragungsspannung: Drehstromleitung Ekibastus–Kökschetau, 1150 kV
• Höchste Übertragungsspannung Gleichspannung: HGÜ Yunnan-Guangdong, ±800 kV

Einzelnachweise

1. ↑ Übertragungsverhalten von Hochspannungsleitungen, inkl. Beispielberechnungen, Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik, Uni Hannover, 2009

Fachliteratur

Fachbücher

• Rene Flosdorff, Günther Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. Stuttgart: B.G. Teubner 4.Auflage 1982, ISBN 3-519-36411-5
• Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. Wuppertal: Verl. Europa-Lehrmittel Nourney, Vollmer 18.Auflage 1989, ISBN 3-8085-3018-9
• Wilfried Knies, Klaus Schierack: Elektrische Anlagentechnik – Kraftwerke, Netze, Schaltanlagen, Schutzeinrichtungen. München, Wien: Carl Hanser 1991, ISBN 3-446-15712-3

Fachaufsätze

• Walter Castor: Grundlagen der elektrischen Energieversorgung. HAAG Fachbibliothek, HAAG Elektronische Messgeräte GmbH, Waldbrunn

Weblinks

 Commons: Power lines – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien