Hochspannungsleitung

Hochspannungsleitungen sind Stromleitungen und dienen zur Übertragung von elektrischer Energie über große Distanz. Dazu werden Spannungen über 10 kV bis etwa 1.000 kV (Hochspannung) verwendet, um den Strom und damit die Leitungsverluste bei der Übertragung hoher Leistungen möglichst gering zu halten.

Neben Freileitungen gibt es auch die Möglichkeit, Hochspannungsleitungen über vergleichsweise kurze Distanzen bis zu einigen 10 km als Erdkabel oder als gasisolierter Rohrleiter unterirdisch zu verlegen.^[1] Dies betrifft vor allem obere Spannungsebenen mit Betriebsspannungen um 380 kV und darüber.

Hochspannungsleitungen in Deutschland (Fotografiert an der A8 bei Kirchheim u. Teck.) Links: 110-kV-Leitung mit vier Systemen. Die beiden oberen Systeme verwenden Bündelleiter mit 2 Seilen, die beiden Systeme an der untersten Traverse Einfachseile. Rechts: Zwei Systeme, 380 kV, drei Leiter je Phase im Bündel und zwei Erdseile

Aufbau

Warnzeichen

Die Leitungen werden an den Masten mit Porzellan-Isolatoren befestigt, die Leitungen selbst sind nicht isoliert. Hochspannungsleitungen (hauptsächlich Überlandleitungen) bestehen aus Aluminium, da dieses relativ gut leitet und leicht ist. Hochspannungsleitungen werden üblicherweise mit Dreiphasenwechselstrom betrieben. Dies hat zwar Vorteile bei der Transformierbarkeit, bringt jedoch – bei großen Entfernungen – auch höhere Übertragungsverluste durch kapazitive wie induktive Effekte mit sich. Hohe Spannungen sind notwendig, um hohe Leistung übertragen zu können, denn der Strom ist durch den Querschnitt der Leitungen begrenzt. Die Grenze liegt bei etwa 2 kA pro Leiterseil. Deshalb versucht man, die Spannung so weit zu steigern, bis die Verluste durch Koronaentladung zu groß werden.

Hochspannungsleitungen werden vorwiegend als Freileitung gebaut, weil diese erheblich preiswerter und verlustärmer als Erdkabel bzw. Seekabel sind. Bei der Netzfrequenz 50 Hertz (also bei Wechselstrom) dürfen Erdkabel maximal 70 km lang sein, weil bei größeren Längen die kapazitiven Blindströme zu groß werden. In räumlich begrenzten Bereichen können Hochspannungsleitungen auch unterirdisch und alternativ zum Erdkabel in Form von gasisolierten Rohrleitern (GIL) realisiert werden. Diese Form wird bei höheren Spannungsebenen über 100 kV angewendet.

Bei Dreiphasenwechselstrom fließen – bei nahezu gleicher Belastung der drei Außenleiter – wegen der Phasenverschiebung nur noch geringe Ausgleichströme, die über das Erdreich abgeleitet werden.

Außerdem wendet man in Sonderfällen – wie bei hohem kapazitiven Belag der Übertragungsstrecke – auch Verfahren zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) mit Spannungen zwischen 100 kV und 1 MV an. Typischerweise ist dies bei Seekabeln der Fall.

Im Unterschied zu Drehstromsystemen gibt es bei HGÜ-Systemen keine Normspannungen.

Mehrfach realisiert wurden ±500 kV (also 1 MV zwischen Hin- und Rückleiter).

Übertragungsverluste

→ Hauptartikel: Übertragungsverlust

Bei der Energieübertragung in Hochspannungsleitungen treten Verluste durch den ohmschen Leitungswiderstand auf. Dies äußert sich in thermischen Verlusten und durch Koronaentladungen.

Bei Betrieb einer Drehstrom-Hochspannungsleitung muss weiter deren Blindleistung kompensiert werden (Blindleistungskompensation). Der Blindleistungsbedarf der Leitung ergibt sich aus Kapazitäts- und Induktivitätsbelag, der unter anderem von der Form der Freileitungsmasten, von der Leiteranordnung am Mast und vom Leiterquerschnitt abhängt. Typische Werte der Betriebskapazitäten bei 400-kV-Hochspannungsleitungen liegen in der Größenordnung von 5 nF/km bis 10 nF/km, bei niedrigeren Spannungsebenen sind höhere Werte üblich.^[2] Jedoch überwiegen bei Freileitungen im Gegensatz zu Kabeln meist die Induktivitätsbeläge. Um den Blindleistungsbedarf in allen Leitern gleich zu halten werden Freileitungen durch Verdrillmasten in regelmäßigen Abständen symmetriert.

Zur Blindstromkompensation der Leitung befinden sich bei den Leistungstransformatoren an Tertiärwicklungen spezielle statische Blindleistungskompensatoren, wobei der Blindstrom am Anfang der Leitung zusätzliche ohmsche Verluste im Leiter verursacht und somit den Gesamtstromanteil der Leitung reduziert. Eine Blindleistungkompensation der Leitung liegt dann vor, wenn die natürliche Leistung übertragen wird, das bedeutet dass die Lastimpedanz dem Wellenwiderstand der Leitung entspricht. Je höher die Spannungsebene, bei ungefähr gleicher Betriebskapazität, desto höher ist der Blindleistungsbedarf einer Hochspannungsleitung, weshalb bei Wechselspannungsbetrieb die obere Betriebsspannung nicht nur durch die Verluste wie die Koronaentladungen limitiert ist. Das 400-kV-Netz wird daher fast ausschließlich in Form von Freileitungen realisiert, Erdkabel kommen nur in Ausnahmefällen und auf kurzen Strecken zur Anwendung.

Bei der technisch aufwändigeren Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) wird Blindleistung durch die konstante Spannung auf der Leitung vermieden. Die HGÜ wird dort eingesetzt, wo konstruktionsbedingt hohe Betriebskapazitäten entlang der Leitung auftreten, wie bei erdverlegten Hochspannungskabeln und insbesondere bei Seekabeln. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Übertragung von elektrischer Energie mit Höchstspannung über weite Strecken.

Ohmsche Verluste

Beispiel für Leistungsverluste auf einer Leitung

Gegeben: Leitungswiderstand R

Übertragene Wirkleistung P und Scheinleistung S

$I = \frac{S}{U} = \frac{P}{U \cdot \cos\varphi}$

$P_\text{verlust} = I^2 \cdot R = \left(\frac{P}{U \cdot \cos\varphi}\right)^{\!2}\! \cdot R$

d. h., die Verlustleistung nimmt bei gleicher Wirkleistung quadratisch mit der Spannung ab. Allerdings wird der Aufwand für die Isolation mit zunehmender Spannung größer. Die Übertragungsverluste betragen etwa 6 % je 100 km bei einer 110-kV-Leitung und lassen sich mit 800 kV Höchstspannungsleitungen auf etwa 0,5 % je 100 km reduzieren.

Koronaentladung

Eine sinusförmige Wechselspannung.
1 = Scheitelspannung,
2 = Spitze-Spitze-Wert,
3 = Effektivspannung,
4 = Periodendauer

Hochspannungsleitungen werden üblicherweise mit Effektivspannungen bis 400 kV betrieben, das entspricht bei der verwendeten Sinusform einem Scheitelwert von 566 kV zwischen den Leitern. Immer dann, wenn dieser Scheitelwert erreicht wird, ist die elektrische Feldstärke rund um die Leitung so groß, dass die Durchschlagsfestigkeit der Luft fast erreicht ist. Dann wird die Luft in unmittelbarer Umgebung des Kabels ionisiert, also schwach leitfähig und es geht Leistung verloren. Da dieser Effekt an Spitzen besonders ausgeprägt ist, wird die Feldstärke an diesen Stellen durch Koronaringe reduziert. Je größer der Krümmungsradius, desto geringer ist die elektrische Feldstärke an der Oberfläche und die die dadurch entstehende Koronaentladung. Mit Hilfe der Koronakamera können Koronaentladungen optisch ermittelt werden.

Ein weiteres Mittel zur Reduktion der Spitzenentladung ist die Vergrößerung des Krümmungsradius der Leitung durch Parallelschaltung von zwei bis vier Einzelkabeln zu einem Bündelleiter. Die einzelnen Leiter des Bündelleiters werden dabei durch Abstandshalter auf exakten Abstand zueinander gehalten. Durch den vergrößerten Radius des Leiterverbundes wird die elektrische Feldstärke an der Oberfläche des Leiterbündels reduziert.

Trotz aller dieser Maßnahmen steigen die Verluste durch Koronaentladungen oberhalb einer Betriebsspannung von 500 kV erheblich an. Für die Koronaentladung ist insbesondere die Spannung zwischen Leiterseil und Erdpotential bestimmend. Diese Spannung ist bei Dreiphasennetzen um den Faktor $\sqrt{3}$ kleiner als die angegebene Spannung zwischen zwei Außenleitern. Sie beträgt bei 400-kV-Hochspannungsleitungen beispielsweise 230 kV.

Hochspannungen in Deutschland

Übliche Spannungen in Deutschland sind:

• Mittelspannung
  • 10 kV / 20 kV
  • 15 kV / 30 kV (in Ostdeutschland und vor allem in Südsachsen, meist im Rückbau)
  • 15 kV Oberleitung Bahn (mit 16,7 Hz)

Abspannmast der Bahnstromleitung Neckarwestheim/ Bahnstromschaltwerk – Zentraleinspeisestelle Stuttgart-Zazenhausen (Leitung mit Viererbündeln)

• Hochspannung
  • 60 kV (nur noch selten in Deutschland, aber noch in manchen Kabelnetzen)
  • 110 kV (Überlandleitungen, Bahnstrom)

• Höchstspannung
  • 220 kV (Überlandleitungen)
  • 380 kV (auch mit Nennwerten 400 kV)

Bedeutende/besondere Leitungen

• Bahnstromleitung GKN Neckarwestheim–Schaltwerk Neckarwestheim–Stuttgart-Zazenhausen (Bahnstromleitung mit Viererbündeln)
• Nord-Süd-Leitung (Bürs-Brauweiler) weltweit älteste Hochspannungsleitung
• Leitung Etzenricht–Hradec (war von 1993 bis 1995 die einzige nicht mit dem UCPTE-Netz synchronisierte Leitung in Deutschland)
• 380-kV-Transversale Berlin
• 380-kV-Leitung Wolmirstedt–Greifswald (längste Stromleitung in Deutschland)
• HGÜ Baltic Cable (längstes Seekabel Europas, höchste Übertragungsspannung in Deutschland mit 450 kV)
• 380-kV-Leitung zwischen Lübeck-Siems und der Stromrichterstation des Baltic Cable in Lübeck-Herrenwyk (einzige 380-kV-Leitung, welche mit dem übrigen 380-kV-Netz nicht in Verbindung steht)
• HGÜ Kontek (400 kV, Erd- und Seekabelverbindung zwischen Bentwisch und Bjaverskov)

Siehe auch: besondere Freileitungsmaste, Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung

Hochspannung in der Schweiz

Hochspannungsfreileitung im Raum Zürich

Die in der Schweiz üblichen Spannungsebenen sind 380, 220, 110 und 50 kV. Heute ist die Stromversorgung landesweit mit Höchstspannungsleitungen von 380 kV gewährleistet. Als die Stadt Zürich begann, Elektrizität aus Graubünden zu beziehen, bedurfte es einer neuen Hochspannungsleitung von rund 120 Kilometern. Man hatte noch keine Erfahrung im Stromtransport über so große Distanzen. Heute ist diese Trasse auf ganzer Länge für 380 kV ausgelegt.

In den 1950er- und 1960er-Jahren erstellten die Nordostschweizerischen Kraftwerke ihre baugleichen 380-kV-Leitungen Bonaduz–Breite (bei Nürensdorf), Tavanasa–Breite (genannt Vorableitung), Breite–Beznau und Beznau–Laufenburg. Die Masten wurden für die heutigen Verhältnisse zu niedrig gebaut. Schon in den späten 1960er- und den 1970er-Jahren war man bemüht, möglichst hohe Masten zu bauen, um die Auswirkungen des Elektrosmogs auf ein Minimum zu reduzieren und das Gebiet unter der Leitung besser nutzen zu können. Die folgenden Unternehmungen besitzen 380-kV-Leitungen: Nordostschweizerische Kraftwerke (NOK), Elektrizitätswerk der Stadt Zürich (EWZ), Rätia Energie (RE), Engadiner Kraftwerke (EKW), Kraftwerke Vorderrhein (KVR), Centralschweizerische Kraftwerke (CKW), Aare-Tessin AG für Elektrizität (Atel), Bernische Kraftwerke (BKW), Elektrizitätsgesellschaft Laufenburg (EGL), Energie Ouest Suisse (EOS).

Bedeutende/besondere Leitungen

• die längste Hochspannungsleitung der Schweiz zwischen Laufenburg und Creux-de-Chippis,
• die Gotthardleitung,
• die Lukmanierleitung,
• die Vorableitung,
• die Leitung Sils–Fällanden des EWZ.

Hochspannungsleitungen in Österreich

Arbeiten auf einem Mast bei Kaprun, Österreich.

Auch in Österreich wird das Hochspannungsnetz aus den Spannungsebenen 380 kV, 220 kV und 110 kV gebildet. Das 380-kV-Netz ist in Österreich nicht durchgängig ausgebaut, sondern in mehrere Segmente aufgeteilt, die untereinander über 220-kV-Strecken verbunden sind. Die 220-kV-Ebene kommt aus historischen Gründen unter anderem bei den Kraftwerken der Österreichische Donaukraftwerken (DOKW) zur Anwendung. Der westliche Teil des 380-kV-Netzes in Vorarlberg und Westtirol dient vor allem dem Stromaustausch zwischen den benachbarten Staaten Deutschland, Italien und der Schweiz und ist wie in Vorarlberg direkt der Regelzone der EnBW Energie Baden-Württemberg zugeordnet.

Die östliche und größte Regelzone Österreichs, welche von der Austrian Power Grid AG (APG) betrieben wird, umfasst alle Bundesländer außer Vorarlberg. Darin bildet der geplante 380-kV-Hochspannungsring die zentrale Versorgung. Das 380-kV-Netz dient neben der Stromversorgung des Ballungsraumes um Wien auch dem Stromaustausch zwischen den Nachbarländern Tschechien, Ungarn und Slowenien im Süden. Der Verteilnetzbetreiber Wien Energie Stromnetz besitzt in der Bundeshauptstadt Wien als oberste Spannungsebene ein 380-kV-Netz in Kombination mit einem feinmaschigen 110-kV-Verteilungsnetz im städtischen Bereich. Die 220-kV-Ebene kommt in der Bundeshauptstadt nicht zur Anwendung. Im Frühjahr 2006 wurde die 400-kV-Nordeinspeisung Wien in Betrieb genommen, welche neben der Südeinspeisung im Umspannwerk Wien-Südost einen zweiten Anschluss an den überregionalen 380-kV-Hochspannungsring darstellt.

Landesübliche Besonderheiten

Hochspannungsfreileitung durch das Stadtgebiet von Istanbul.

Freileitungen für 735 kV in Kanada

Eine Besonderheit in Deutschland, Österreich und der Schweiz ist, dass es neben den Hochspannungsleitungen für Drehstrom mit 50 Hz noch Bahnstromleitungen für Einphasenwechselstrom und 16,7 Hz gibt. In allen anderen Ländern (mit Ausnahme einiger Gebiete in den USA im Großraum New York) erfolgt die Versorgung elektrischer Bahnen aus dem öffentlichen Stromnetz. Gelegentlich kommen dafür auch Hybridleitungen zur Anwendung.

In Mitteleuropa werden Hochspannungsleitungen in dichtverbauten städtischen Gebieten fast ausschließlich als Erdkabelsystem realisiert, auch wenn deren Betrieb kostenintensiver als Freileitungen ist. In der Türkei, wie beispielsweise bei der Bosporusquerung in Istanbul, werden Hochspannungsleitungen auch durch Stadtgebiete als Freileitung geführt.

In Deutschland, sowohl in der DDR als auch in der Bundesrepublik Deutschland, wurden so gut wie keine Deltamaste errichtet. Der Grund liegt darin, dass Deltamasten nur Platz für ein Dreiphasensystem bieten, während die Tonnenmasten und auch Donaumasten zwei unabhängige Dreiphasensysteme aufnehmen können. Diese können unabhängig voneinander betrieben werden, was im Falle von Störungen oder Wartungsarbeiten wichtig ist. Bei Deltamasten müssen für zwei unabhängige Dreiphasensysteme zwei getrennte Trassen mit entsprechend mehr Flächenbedarf vorgesehen werden, was insbesondere in dichter besiedelten ländlichen Regionen ein Problem darstellt. In der DDR wurden fast alle Leitungen der 110- und 220-kV-Ebene auf Masten mit Einebenenanordnung mit zwei Erdseilen verlegt. In Großbritannien hingegen sind fast alle Hochspannungsleitungen auf Masten mit Dreiebenenanordnung verlegt.

In den USA werden auch Leitungen mit Spannungen über 100 kV (bis 345 kV) manchmal auch auf Holz- oder Kunststoffmasten mit einer Isoliertraverse verlegt. Das Stromnetz wird dort in mehreren, nicht miteinander synchronisierten Teilnetzen betrieben. In vielen dünn besiedelten Ländern mit geringer Landwirtschaft werden Leitungen teilweise auf seilverankerten Portalmasten verlegt.

In der Provinz Québec in Kanada besteht ein ausgedehntes Dreiphasenwechselstromnetz welches mit einer Nennspannung von 735 kV und 315 kV von Hydro-Québec betrieben wird.

Spannungsangaben bei Hochspannungsleitungen

Als die Spannungsebenen in der leitungsgebundenen Energieübertragung eingeführt wurden, haben sich die Bezeichnungen 220-kV- und 380-kV-Netz im Bereich der Hochspannungsnetze eingebürgert. Die Netze werden jedoch genau genommen mit noch höheren Spannungen betrieben, um bei gleicher übertragener Leistung einen niedrigeren Strom zu bekommen und damit die Verluste weiter zu reduzieren. Gängig sind Betriebsspannungen bis 240 kV im 220-kV-Netz und 420 kV im 380-kV-Netz. Da die Spannung damit üblicherweise bei 230 kV bzw. über 400 kV liegt, haben sich bei manchen Betreibern die Begriffe 230-kV- und 400-kV-Netz eingebürgert.

Höchste Übertragungsspannung

Die Drehstromleitung Ekibastus–Kökschetau ist eine Freileitung, welche mit der höchsten Dreiphasenwechselspannung von 1,150 MV zwischen den Außenleitern betrieben wird.

In der Nähe von Celilo, Oregon, USA wurde eine HGÜ-Versuchsleitung für 1,33 MV errichtet. Sie sollte Teil einer 1,33-MV-Gleichstromleitung zwischen Celilo und dem Hoover-Staudamm werden, die aber nie gebaut wurde. Die höchste Gleichspannung bei einer in Einsatz befindlichen Anlage ist mit Stand Mitte 2010 die HGÜ Yunnan-Guangdong welche mit ±800 kV betrieben wird (1,6 MV zwischen den beiden Leitern).

Literatur

• Rene Flosdorff, Günther Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. 8. Auflage. Teubner, 2003, ISBN 3-519-26424-2.

Weblinks

 Commons: Power line – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Hochspannungsleitung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Gasisolierte Leitungen (PDF; 161 kB)

Einzelnachweise

1. ↑ Kabel oder Freileitung? (PDF)
2. ↑ Übertragungsverhalten von Hochspannungsleitungen, inkl. Beispielberechnungen, Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik, Uni Hannover, 2009