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ÜberspannungsschutzMetalloxidableiter in Mittelspannungsnetzen

Anwendungsrichtlinien

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2 Metalloxidableiter in Mittelspannungsnetzen | Überspannungsschutz

Erste Auflage: November 1994Zweite, überarbeitete Auflage: September 1995Dritte, überarbeitete Auflage: Mai 1999Vierte, neu bearbeitete und erweiterte Auflage: Juli 2008Fünfte, überarbeitete Auflage: Mai 2011

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© ABB Schweiz AGTeilbereich Überspannungsableiter, Wettingen/Schweiz


Überspannungsschutz | Metalloxidableiter in Mittelspannungsnetzen 3

VorwortTechnologie und Dokumentation auf neustem Stand

Die Anwendungsrichtlinien Überspannungsschutz «Bemessung, Prüfung und Einsatz von Metalloxidableitern in Mittelspannungs netzen» erschienen 1994 in erster Auflage, erstellt von René Rudolph. Die überaus positive Aufnahme hat uns seiner-zeit sehr gefreut und bestätigt, dass kompetente Beratung genauso wichtig ist wie die Qualität unserer Produkte selbst. Der technologische Fortschritt und viele konstruktive Kommentare unserer Kunden haben uns veranlasst, diese fünfte überarbeitete Auflage der Broschüre zu publizieren. Das Konzept der Broschüre wurde beibehalten. Die Dimensionierung und die theoretischen Ableitungen zum optimalen Einsatz der Ableiter wurden unverändert übernommen und teilweise ergänzt, wo es angebracht erschien. Weiterhin wurden Schreib fehler ausgemerzt und unklare Formulierungen verbessert. Auf die Erläuterung der Grundlagen wurde verstärkt Wert gelegt.Der Stand der Technik heute ist der funkenstreckenlose Metalloxidableiter (MO-Ableiter) mit Kunststoffgehäuse. Aus diesem Grund wird in der vor liegenden Aufl age auf Funkenstreckenableiter und Porzellanisolatoren nicht mehr eingegangen. Der neueste Stand der Normung in IEC und CENELEC wird berücksichtigt. Sofern es zur Klarheit und zum Verständnis nötig erscheint, werden auch andere Normenwerke und Publikationen heran gezogen. Die zitierten Literaturstellen sind zur Vertiefung aufgelistet. Bernhard Richter, zuständig für Produktmanagement und Qualitäts sicherung im Teilbereich Überspannungsableiter der ABB Schweiz AG, hat die Gesamt-überarbeitung übernommen. Er ist aktives Mitglied in verschie denen Arbeitsgruppen des IEC TC 37 Überspannungsableiter (MT 4 und MT 10), in der CENELEC TC 37A und im Studienkomitee SC A3 Hoch spannungsapparate der Cigré, wo er die Arbeitsgruppe «Über spannungsableiter» leitet. Wir hoffen, dass Sie als Leser aus der vorliegenden Neuauflage im neuen Erscheinungsbild viel Nutzen ziehen können. Für Ergänzungen oder Anregungen sind wir jeder zeit sehr dankbar, um auch weiterhin alle Kundenanforderungen erfüllen zu können.

ABB Schweiz AGWettingen, im Mai 2011



Vorwort

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 Ableitertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1 Ableiteraufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2 Metalloxid-Widerstände

als Ableiterelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3 Ableitergehäuse aus Silikon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4 MO-Überspannungsableiter der ABB . . . . . . . . . 13

3 Technische Daten und Funktion

von MO-Ableitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.1 Ströme und Spannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.2 Energieaufnahmevermögen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3 Abkühlzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.4 Stabilität eines MO-Ableiters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.4.1 Thermische Stabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.4.2 Langzeitstabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.5 Schutzcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.6 Temporäre Überspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4 Betriebsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.1 Besondere Betriebsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.2 Überlastverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.3 Mechanische Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.4 Erhöhte Umgebungstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.5 Verschmutzung und Reinigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.6 Höhenanpassung der Ableitergehäuse . . . . . 28

5 Prüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295.1 Typprüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295.2 Stückprüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325.3 Abnahmeprüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.4 Sonderprüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6 Sternpunktbehandlung in Mittelspannungsnetzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.1 Netze mit isoliertem Sternpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356.2 Netze mit Erdschlusskompensation . . . . . . . . . . . . . 356.3 Netze mit niederohmiger

Sternpunkterdung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7 Auswahl der Ableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387.1 Bestimmung der Dauerspannung Uc . . . . . . . . . . . 387.1.1 Netze mit isoliertem Sternpunkt oder Erdschlusskompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

7.1.2 Netze mit hochohmig isoliertem Sternpunkt und Erdschlussabschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

7.1.3 Netze mit niederohmiger bzw. direkter Sternpunkterdung (k ≤ 1,4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407.1.4 Netze mit niederohmig

geerdeten Sternpunkten, aber nicht überall k ≤ 1,4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7.1.5 Netze mit niederohmiger Sternpunkt- erdung und k > 1,4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

7.1.6 Ableiter zwischen den Leitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 7.1.6.1 6-Ableiter-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 7.1.6.2 Neptunschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417.1.7 Betriebsspannung mit Ober-

schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 7.2 Auswahl von Nenn-Ableitstossstrom

und Leitungsentladungsklasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427.3 Auswahl des Ableitergehäuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

8 Schutzdistanz von MO-Ableitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448.1 Wanderwellenvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458.2 Theoretischer Ansatz

für die Schutzdistanz L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468.3 Zu erwartende Steilheiten S von Blitz-

überspannungen in MS-Schaltanlagen . . . . . 478.4 Zu erwartende Blitzströme

in Mittelspannungsnetzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498.5 Beeinflussung der Schutzdistanz

durch die Betriebsmittel, den Ableiter und die Anordnung der Ableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

9 Spezifische Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529.1 Überspannungsschutz

bei Kabelstrecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529.2 Kabelmantelschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539.3 Transformator am Ende eines Kabels . . . . . . . . . 549.4 Transformator nur einseitig mit einer

blitzgefährdeten Leitung verbunden . . . . . . . . . . . . . 559.5 Ableiter in gekapselten

Mittelspannungs-Schaltanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579.6 Generator, verbunden mit einer

blitzgefährdeten MS-Leitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579.7 Schutz bei Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579.8 Ableiter parallel zu einer

Kondensatorbatterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589.9 Hochfrequenzsperren (Parallelschutz) . . . . . . . 599.10 Leitungsableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Inhaltsverzeichnis



9.11 Ableiter für hohe Blitzstrom- belastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

10 Ableiter für Gleichspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

11 Ableiter bei unterschiedlichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Frequenzen

12 Parallelschaltungen von MO-Ableitern . . . . . . . 6312.1 Parallelschaltung zur Erhöhung

der Energieaufnahmefähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6312.2 Koordination von parallelen

MO-Ableitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6412.3 MO-Ableiter und

Funkenstreckenableiter parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

13 Isolationskoordination und Auswahl von Ableitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

13.1 Nenn-Ableitstossstrom In und Leitungsentladungsklasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

13.2 Schutzpegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6913.3 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7013.3.1 Netz mit isoliertem Sternpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7013.3.2 Netz mit direkter Sternpunkterdung . . . . . . . . . . . . . 7113.3.3 Netz mit Erdschlussabschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7213.4 Wirtschaftliche Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

14 Montage und Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7414.1 Anschlüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7414.2 Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7514.3 Messungen vor Ort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

15 Abtrennvorrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

16 Anzeigeeinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

17 Überwachung von Mo-Ableitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

18 Überlastung, Fehlerabklärung, benötigte Informationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Schlussbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Verzeichnis der verwendeten Symbole und Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86



Überspannungen in elektrischen Versorgungsnetzen entste-hen 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 wirtschaft-licher und zuverlässiger Netzbetrieb erfordert also einen aus-reichenden Schutz der Betriebsmittel vor unzulässiger Über-spannungsbeanspruchung. Dies gilt allgemein für Hoch- spannungs-, Mittelspannungs- und Niederspannungsnetze. Der Überspannungsschutz kann grundsätzlich auf zwei Arten erfolgen:• Vermeiden der Blitzüberspannungen am Entstehungsort,

zum Beispiel mit Erdseilen vor einer Schaltanlage, welche Blitze abfangen.

• Begrenzung der Überspannung beim Be triebs mittel, zum Beispiel mit Überspannungs ableitern in der Nähe des Betriebs mittels.

In Hochspannungsnetzen sind beide Schutzarten üblich. In Mittelspannungsnetzen ist der Erdseilschutz im Allgemeinen nicht sehr wirksam. Infolge der geringen Abstände zwischen dem Erdseil und den Leiterseilen tritt bei einem direkten Blitz einschlag in das Erdseil sofort ein Überschlag zu den Leiterseilen auf. Dazu kommt, dass das Erdseil induzierte Überspannungen in den Leiterseilen nicht verhindern kann.

Der wirkungsvollste Überspannungsschutz in Mittelspan-nungsnetzen ist demnach der Einsatz von Überspannungs-ableitern in der unmittel baren Nähe der Betriebsmittel.

Die Höhe der Überspannungen wird meist bezogen auf den Scheitelwert der höchsten dauernd auftretenden Leiter-Erde-Spannung in p. u. (per unit) angegeben, mit der Einheit 1 p. u. = √2 · Us / √3 [1].Es war bisher üblich, auftretende Überspannungen auf die höchste Spannung für Betriebsmittel Um zu beziehen. Dies ist nicht korrekt, weil die im Netz auftretenden Überspannungen – zum Beispiel zeitweilig auftretende Überspannungen auf-grund von Erdfehlern – nicht vom Betriebsmittel abhängen, sondern von der höchsten Betriebsspannung des Netzes Us. Daher werden die Überspannungen, die massgebend sind zum Beispiel für die Auswahl der Dauerspannung für Ableiter, auf die Systemspannung Us des Netzes bezogen. Die Spannungen, die im Rahmen der Isolationskoordination zum Schutz der Isolation eines Betriebsmittels wichtig sind, werden jeweils von der höchsten Spannung für Betriebsmittel Um abgeleitet. In [1] werden zeitweilige und transiente Überspannungen detailliert unterschieden. Für die folgenden Betrachtungen ist es sinnvoll, drei Arten von Überspannungen anzuschauen:

Zeitweilige (temporäre) Überspannungen treten etwa bei Lastabwurf oder bei Fehlern mit Erdberührung auf. Die Dauer dieser betriebsfrequenten Überspannungen kann zwischen 0,1 Sekunden und mehreren Stunden liegen. Sie liegen im Allgemeinen nicht wesentlich über √3 p. u. und sind für den Netzbetrieb und die Geräteisolation meist ungefährlich, für die Dimensionierung der Ableiter jedoch massgebend.

Schaltüberspannungen (langsam ansteigende transiente Überspannungen) entstehen bei Schalthandlungen und bestehen meist aus stark gedämpften Schwingungen mit Frequenzen bis zu einigen kHz und einer Höhe bis zu 3 p. u.Beim Schalten induktiver Lasten können Überspannungen bis zu 4 p. u. auftreten.

Blitzüberspannungen (schnell ansteigende transiente Über-spannungen) haben ihre Ursache in atmosphärischen Ent-ladungen. Sie erreichen ihren Scheitelwert nach wenigen Mikrosekunden und klingen anschliessend schnell wieder ab. Die Höhe dieser unipolaren Überspannungen kann in Mittel-spannungsnetzen weit über 10 p. u. erreichen.

1 Einleitung



Bis Mitte der 80er-Jahre des vorigen Jahrhunderts wurden in Mittelspannungsnetzen fast ausschliesslich so genannte «konventionelle» Ableiter eingesetzt. Sie bestanden aus einer Serie schaltung von Siliziumkarbid-Widerständen (SiC) mit geringer Nichtlinearität 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 getrie-benen Folgestrom und ermöglicht so das Löschen des Licht-bogens in den Funkenstrecken beim nächsten Nulldurchgang des Stroms.In den letzten Jahren des vorigen Jahrhunderts gab es zwei wesentliche Verbesserungen bei Überspannungsableitern für den Einsatz in Mittelspannungsnetzen. Zum einen wurde die Serieschaltung von Funkenstrecken und SiC- Widerständen abgelöst durch Metalloxidwiderstände sehr hoher Nicht-linearität ohne Funkenstrecken in Serie, zum anderen wurden die bis dahin verwendeten Ableitergehäuse aus Porzellan abgelöst durch Gehäuse aus Polymermaterial (Kunststoff). Konventionelle Funkenstreckenableiter sind zwar noch in grosser Anzahl in Mittelspannungsnetzen installiert, werden aber nicht mehr hergestellt.

Der Fortfall der bei SiC-Überspannungsableitern nötigen Funkenstrecken hat die Konstruktion besonders von Über-spannungsableitern für Mittelspannungsnetze stark ver-einfacht. Einige Bauformen sind durch die Entwicklung der MO-Widerstände und die Einführung von Kunststoffgehäusen überhaupt erst möglich geworden. Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass es nur noch ein «aktives» Element im Überspannungsableiter gibt, nämlich den MO-Widerstand bzw. die Säule aus übereinander gestapelten MO-Wider-ständen, dem so genannten Aktivteil. An die MO-Wider-stände werden damit allerdings sehr hohe Anforderungen gestellt, da sie alle Funktionen, die in SiC-Überspannungs -ab leitern auf verschiedene Komponenten verteilt waren, allein übernehmen müssen. So sollen sie unter anliegender Dauer-betriebsspannung alterungsstabil sein, die während eines Ableitvorgangs umzusetzende Energie aufnehmen und anschliessend den Folgestrom (Leckstrom) auf für den Betrieb ungefährlich kleine Werte begrenzen können. Damit kommt der Entwicklung, der Herstellung und der Qualitäts-über wachung der MO-Widerstände sehr hohe Bedeutung zu.

2.1 Ableiteraufbau

Im Prinzip bestehen MO-Überspannungsableiter aus zwei Teilen: Aus einem Aktivteil mit einem oder mehreren über-einander gestapelten MO-Widerständen und aus einem isolierenden Ge häuse, das neben der Isolation auch die mechanische Festigkeit gewährleistet.Es gibt im Wesentlichen drei unterschiedliche Konstruktions-möglichkeiten [2]:• In ein mit Isoliermaterial beschirmtes glas faserverstärktes

Kunststoffrohr (GFK-Rohr) wird das Aktivteil eingebaut, ähnlich wie bei Porzellanisolatoren. Diese hohlen Verbund isolatoren haben die gleichen Nachteile wie Porzellan isolatoren, sie brauchen ein Dichtungs- und Druck entlastungssystem, und es können im Inneren Teil-entladungen auftreten.

• Das Aktivteil wird mit Glasfasermaterial umwickelt und mit Epoxydharz getränkt, was einen harten Körper ergibt. Über diesen wird das isolierende Kunststoffgehäuse geschoben oder aufgeschrumpft. Diese Konstruktion hat den Nachteil, dass bei Überlastung der Giessharzblock gewaltsam auf-bricht. Weiterhin sind auf Grund der verschiedenen Isolier-stoffe und damit mehrerer Grenzschichten besondere Massnahmen zur Dichtung nötig.

• Das Aktivteil wird mit glasfaserverstärkten Schlaufen oder Bändern mechanisch zusammengehalten. Der Kunststoff (zum Beispiel Silikon) wird direkt auf die MO-Widerstände aufgebracht. Dieser Direktverguss hat den Vorteil, dass kein Gasvolumen im Ableiter verbleibt. Dichtigkeits-probleme und innere Teilentladungen sind damit ausge-schlossen. Es gibt keine Schnittstellen zwischen mehreren Kunststoffen, in die Feuchtigkeit eindringen kann. Weiterhin ist die Gefahr einer Explosion des Gehäuses oder ein Zer-fallen gering.

2 Ableitertechnik



2.2 Metalloxid-Widerstände als Ableiter elemente

MO-Widerstände werden aus verschiedenen pulverförmigen Metalloxiden zu runden Blöcken gepresst und anschliessend gesintert [3]. Bild 1 auf der folgenden Seite zeigt den prin-zipiellen Herstellungsprozess. Die Durchmesser der MO-Widerstände der ABB Schweiz AG liegen zwischen 38 mm und 108 mm. Die Höhe der Blöcke liegt typisch zwischen 23 mm und 46 mm. Für Sonderanwendungen können MO-Widerstände bis zu einer Höhe von 0,8 mm geschnitten werden. Die Durchmesser der MO-Widerstände bestimmen die Stromtragfähigkeit, die Höhe der MO-Widerstände (oder des Widerstandstapels) die Dauerspannung und das Volu-men die Energieaufnahmefähigkeit. Die Durchmesser der MO-Wider stände korrelieren mit den Leitungsentladungs-klassen entsprechend IEC 60099-4, wie in Tabelle 1 gezeigt. Aus der Leitungsentladungsklasse und dem Nenn-Ableit-strom ergeben sich auch direkt die Strom- und Energiewerte für die Typenprüfungen.

Leitungsentladungsklasse IEC 60099-4 –/–* 1 2 2 3 4 5

Nenn-Ableitstossstrom In in kA 5 10 10 10 10 20 20

Hochstossstrom Ihc in kA 65 100 100 100 100 100 100

Schaltstossstrom Isw in A –/–** 125 / 500 125 / 500 125 / 500 250 / 1000 500 / 2000 500 / 2000

Arbeitsprüfung, durchgeführt mit 1 × Ihc 1 × Ihc 2 × I ld 2 × I ld 2 × I ld 2 × I ld 2 × I ld

W’ in kJ / kVUc 2,6 3,0 5,2 5,5 9,0 13,3 21,0

W’hc in kJ / kVUc 2,1 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 3,0

Langwelle Irw, 2 ms in A 250 250 500 550 1000 1350 2700

Durchmesser des MO-Widerstands in mm 38 38 42 47 62 75 108

* ohne Leitungsentladungsklasse ** in IEC 60099-4 nicht spezifiziert

Tabelle 1: Korrelation der Durchmesser der MO-Widerstände der ABB mit der Leitungsentladungsklasse und dem Nenn-Ableitstossstrom und direkt damit gekoppelte Parameter entsprechend IEC 60099-4. Die Angaben in den vier unteren Zeilen sind herstellerabhängige Werte. Die spezifische Energie W’ bezieht sich auf die Arbeitsprüfung der entsprechenden Ableiter (fett gedruckt) bzw. auf die Energie von zwei Langwellen mit den angegebenen Stromhöhen. Siehe dazu auch Tabelle 2. Die spezifische Energie W’hc ist die Energie, die sich ergibt, wenn ein vorgegebener Strom, in diesem Fall ein Hochstossstrom 4/10 µs, in den Ableiter eingeprägt wird. Diese Angabe ist rein informativ. Siehe dazu auch Kapitel 3.2, Energieaufnahmevermögen.



Der Rechteckstossstrom Ild ist in seiner Länge für die ver-schiedenen Leitungsentladungsklassen in IEC 60099-4 vor-gegeben. Die Höhe des Stroms ergibt sich aus der berech-neten einzubringenden Energie. Die Stirnseiten der MO-Widerstände sind mit Weichalumi-nium bis zum Rand des Blocks metallisiert, die Mantelfläche ist mit Glas passiviert. Somit ist bei den MO-Widerständen der ABB Schweiz AG das MO-Material vollständig bedeckt. Bild 2 zeigt eine Auswahl von MO-Widerständen. Bild 3 zeigt in starker Vergrösserung die innere Struktur des MO-Materials. Um eine hohe spezifische Energieaufnahme des MO-Widerstands zu erreichen, ist es unbedingt erforder-lich, eine sehr homogene Struktur des Materials zu erhalten. Die Energieaufnahmefähigkeit eines MO-Widerstands bzw. eines MO-Ableiters hängt neben dem Volumen des Aktivteils auch von der Konstruktion (Wärmeabfuhr) und der elektri-schen Auslegung ab.

Metalloxidwiderstände besitzen eine extrem nichtlineare Strom-Spannungs-Charakteristik, die mit der Beziehung

I = k × U

beschrieben wird. ist variabel zwischen ≤ 5 und ≈ 50.

Der genaue Wert für kann immer nur für einen Strom bzw. einen sehr engen Strombereich auf der Kennlinie angegeben werden.In Bild 4 ist die Kennlinie eines solchen MO-Widerstands dargestellt. In ist der Nenn-Ableit stoss strom, Upl ist der Blitz-stossschutz pegel des Überspannungsableiters. Er ist defi-niert als die maximale Spannung zwischen den Anschlüssen des Überspannungsableiters beim Fliessen von In. Die maxi-mal zulässige netzfrequente Dauerspannung des Über-spannungsableiters wird mit Uc bezeichnet und als Effektiv-wert angegeben, in IEEE/ANSI-Standards auch MCOV (Maximum Continuous Operating Voltage) genannt.

Bild 1: Herstellungsprozess von MO-Widerständen

1 2 3 4 5 / 6 7 8

Mischung der Sprühtrocknen Pressen der Sintern Metallisieren der Endprüfung der Fertige MO-Wider-

Metalloxid- der Pulver- MO-Widerstände Kontaktflächen; MO-Widerstände stände für den

pulver mischung Passivieren Einbau in Ableiter

der Mantelfläche



ZnO

Sp

Bild 3: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der MO-Struktur. Bruchfläche in 2000-facher Vergrösserung. Deutlich zu sehen sind die MO-Körner und die Korngrenzen zwischen den einzelnen Körnern.

Linienstärken für Grafiken

Linie aussen: 0.5 pt

Linie innen: 0.35 pt, gepunktet

log I

a

Ab

cB

dU

≤ 5 ≤ 5I = k x U mit ≈ 50

Bild 4: Nichtlineare Spannungs-Strom-Charakteristik eines

MO-Widerstands

a: kapazitiver linearer Bereich, Strom ≤ 1 mA

b: Kniepunkt der Kennlinie, Übergang vom sperrenden

in den leitenden Zustand

c: stark nichtlinearer Bereich

d: ohmscher linearer Bereich, Hochstrombereich

A: Bereich der Dauerspannung Uc

B: Restspannung Ures, Schutzbereich

Bild 2: MO-Widerstände (Auswahl), hergestellt bei ABB Schweiz AG.



2.3 Ableitergehäuse aus Silikon

Silikonkautschuk, auch Silikongummi, Silikon elast oder kurz Silikon genannt, ist ein hervor ragendes Isoliermaterial für Hochspannungs isolatoren. Silikon wird zum Beispiel bei Langstabisolatoren und Durchführungen seit ungefähr 40 Jahren in der Hochspannungstechnik erfolgreich einge-setzt. Die ersten MO-Ableiter mit dem typischen ABB-Direkt-verguss kamen 1986 ins Netz. Mittlerweile sind mehrere Millionen dieser Ableiter weltweit unter allen klimatischen Bedingungen störungsfrei im Einsatz.Charakteristisch ist für Silikon das Si-O-Si-O-Grundgerüst mit den daran angehängten CH3-Gruppen (Methyl). Füllstoffe und spezielle Additive bewirken die für Anwendungen in der Hochspannungstechnik erforderliche Lichtbogen- und Kriechstromfestigkeit. Neben der sehr hohen Elastizität und Reissfestigkeit, der hohen Temperaturbeständigkeit, der Schwerbrennbarkeit (Silikon ist ein selbstlöschendes Mate-rial) und der hohen elektrischen Durchschlagsfestigkeit ist die bemerkenswerteste Eigenschaft die Hydrophobie: Wasser perlt von Silikon-Oberflächen einfach ab. Diese Eigenschaft überträgt sich auch auf Fremdschichtbeläge, womit Sili konisolatoren selbst in stark verschmutztem Zustand wasserabweisend sind und somit den damit isolier-ten Geräten besonders gute Betriebseigenschaften unter Fremdschichtbedingungen verleihen.Unter länger einwirkender Feuchtigkeit oder elektrischen Oberflächenentladungen kann sich die Hydrophobie vermin-dern, kehrt aber nach kurzer Zeit (wenige Stunden bis Tage) wieder auf ihr ursprüngliches Mass zurück. Dieser Mechanis-mus wirkt nach heutigen Erkenntnissen zeitlich unbegrenzt.

2.4 MO-Überspannungsableiter der ABB

Alle MO-Ableiter der ABB Schweiz AG für den Einsatz in Mittelspannungsnetzen sind nach dem gleichen Prinzip auf-gebaut. Dieses von ABB patentierte Konstruktionsprinzip mit Silikon-Direktverguss besteht aus zwei Elektroden, die miteinander durch zwei oder mehrere glasfaserverstärkte Elemente verbunden sind. Es entsteht ein steifer Käfig oder Rahmen, der die mechanische Festigkeit gewährleistet. Im Innern werden die MO-Widerstände angeordnet. Zusätzliche Metallzylinderstücke mit gleichem Durchmesser wie die MO-Widerstände füllen den Innenteil völlig aus. Dadurch ent-steht ein gleichmässig runder Aktivteil. Ein Zylinderstift im Zentrum der unteren Elektrode wird mit einem definierten Dreh moment angezogen und in der Endstellung gesichert. Dadurch hat jeder Ableiter einer Typenreihe den gleichen Kontaktdruck. Bei einigen Bauformen geringer Bau höhe wird der Kontaktdruck durch Federelemente erreicht. Der Aktivteil wird nach Einlegen in eine Form vollständig mit Silikon umgossen. Dadurch entsteht ein komplett dichter Überspan-nungsableiter ohne Luftspalte oder Hohlräume im Innern. Bild 5 zeigt einen nach dieser Technik aufgebauten Ableiter vom Typ POLIM-D vor und nach dem Vergiessen mit Silikon. Die sehr flexible Bauweise gestattet es, im Baukasten-verfahren die Form der Ableiter allen gewünschten Anforde-rungen anzupassen.

Bild 5: MO-Ableiter Typ POLIM-DLinks: Aktivteil vor dem Verguss. Mitte: schematischer Aufbau. Rechts: kompletter Ableiter.



Die Anforderungen an die Überspannungsableiter sind abhängig von den Betriebsbedingungen und 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. Bild 6 zeigt als Beispiel drei Ab leiter mit gleichem Aktiv-teil, aber unterschied lichen Gehäuseformen, Bild 7 eine völlig berührungssichere Ausführung für den Einsatz in Schalt-anlagen zum Schutz von Kabelnetzen. Das komplette Port-folio der MO-Ableiter und ihre Einsatzgebiete werden in der Produktübersicht laufend nachgeführt.

Bild 6: MO-Ableiter MWK und MWD. Links: MWK..K4 mit alter-nierenden Schirmen und langem Kriechweg für Gegenden mit starker Verschmutzung. Mitte: MWK mit Standardgehäuse.Rechts: MWD für Innenraumanwendungen. Der MO-Aktivteil ist in allen drei Fällen gleich.

Bild 7: MO-Ableiter POLIM-D..PISteckbare, berührungssichere Ableiter für den Einsatz in Kabel anlagen. Für alle gängigen Schaltanlagen mit Innenkonus-Stecksystem, Konusgrössen 2 und 3.



Tabelle 2 und Tabelle 3 enthalten die technischen Haupt-daten der ABB-Überspannungsableiter für den Einsatz in Mittelspannungsnetzen. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die vorliegende Anwen-dungsrichtlinie keinem Revisionsstand unterliegt. Es können daher Unterschiede zwischen den in den Tabellen angegebe-nen technischen Daten und den Daten in den Datenblättern auftreten. Massgebend sind immer die Datenblätter.

In Tabelle 2 sind vier MO-Ableiter mit In = 10 kA und Leitungs-entladungsklasse 2 für den Einsatz in Mittelspannungsnetzen aufgeführt. Die vier Ableiter unterscheiden sich in den weiteren elektrischen Daten und damit in den Anwendungs-gebieten.

Ableitertyp LD* In Ihc Irw W’ Uc Upl/Uc

für Einsatz in 2 ms

Mittelspannungsnetzen kA kA A kJ / kVUc kV

POLIM-D..PI 1 10 65 250 2,6 4 bis 42 3,58

POLIM-D 1 10 100 250 3,6 4 bis 36 3,5

POLIM-K 2 10 100 500 5,2 4 bis 36 3,33

MWK/MWD 2 10 100 550 5,5 4 bis 44 3,07

POLIM-I..N 2 10 100 550 5,5 4 bis 44 3,07

POLIM-S..N 3 10 100 1000 9,0 4 bis 44 3,0

POLIM-H..N 4 20 100 1350 13,3 4 bis 44 3,19**

für Spezialanwendungen

POLIM-C..N 2 10 100 550 5,5 0,9 bis 7,5 3,5

POLIM-C..LB 2 10 100 550 5,5 2,3 bis 4,8 3,44

POLIM-C..ID*** 2 10 100 550 4,3 1,0 bis 2,2 3,2

POLIM-R..-1/-2 N –/– 20 100 / 200 1350 / 2400 12 / 24 0,11 bis 0,78 3,38/3,07

* Leitungsentladungsklasse nach IEC 60099-4. ** Bei einem Blitzstossstrom mit 10 kA Scheitelwert ergibt sich Ures/Uc = 2,9. *** Auch für Gleichstromanwendungen. Uc ist hier angegeben für den Einsatz in Gleichspannungsnetzen.

Tabelle 2: Elektrische Haupt daten der ABB-Überspannungsableiter für den Einsatz in Mittelspannungsnetzen

Ableitertyp Zulässiges MPSL* Torsion Zug Bemessungs-Kurz-

für Einsatz in Biegemoment 1 min vertikal schlussstrom Is, rms

Mittelspannungsnetzen Nm N Nm N kA

POLIM-D..PI –/–** –/– –/– –/– 16

POLIM-D 200 400/690 50 625 20

POLIM-K 200 400/690 50 1000 40

MWK/MWD 500 280/850 68 1200 20

POLIM-I..N 2500 3500 100 2000 40

POLIM-S..N 4000 5700 100 3000 50

POLIM-H..N 6000 8000 100 4000 63

POLIM-C..N 200 690 50 1000 20

* Höchste zulässige Betriebslast. MPSL ist per Definition die Kraft, die 60 s bis 90 s an den höchsten Ableiter einer Typenreihe angelegt werden kann, ohne dass dieser anschliessend eine bleibende Aus lenkung grösser als 5 % seiner Höhe hat. ** Ableiter ohne Angabe der mecha nischen Daten sollten nicht mit grösseren mechanischen Kräften belastet werden. Informationen zur mechanischen Belastbarkeit sind beim Hersteller erhältlich.

Tabelle 3: Mechanische Hauptdaten der ABB-Überspannungsableiter für den Einsatz in Mittelspannungsnetzen



POLIM-K: Für den Schutz von Freileitungen, Transformatoren in Stationen und als Leitungs ableiter einsetzbar. Mit flexiblem Gehäusekonzept, sodass der Ableiter an alle Verschmut-zungsanforderungen optimal angepasst werden kann. Mit der hohen Kurzschlussstromfestigkeit von 40 kA ist er besonders als Leitungsableiter geeignet. Der POLIM-K ist optimal für Anwendungen, bei denen Ableiter mit Leitungs-entladungsklasse 2 eingesetzt werden sollten.

MWK/MWD: Der klassische Ableiter mit be sonders günsti-gem Schutzverhältnis von Upl/Uc = 3,07 und hoher Energie-aufnahmefähigkeit. Besonders geeignet für den Schutz von SF6- gasisolierten Schaltanlagen, für den Schutz von Kabeln und Unterstationen. Mit isolierten Anschlüssen ist die Innen-raumausführung MWD passend für den Einbau auch in engen Schaltanlagen. Der MWK ist weiterhin aufgrund seiner tiefen Restspannung geeignet für den Generator- und Motor-schutz, als «Riser Pole»-Ableiter und zum Schutz von Kon-densatoren.

POLIM-I: Mit den gleichen günstigen elektrischen Daten wie der MWK/MWD, aber mit bedeutend höherer mechanischer Festigkeit, ist dieser Ableiter immer dort einzusetzen, wo hohe mechanische Anforderungen bestehen. Typische Anwendungsfälle sind der Einsatz auf Bahnen und als Lei-tungsableiter, wenn sehr hohe mechanische Anforderungen gestellt werden.

POLIM-C: Auch die MO-Ableiter der Typenreihe POLIM-C haben Leitungsentladungsklasse 2. Das Einsatzgebiet liegt im unteren Spannungs bereich bei Spezialanwendungen, wie zum Beispiel für den Kabelmantelschutz und den Schutz von Motoren.

ABB bietet somit eine breite Auswahl von MO-Ableitern für den Einsatz im technisch anspruchsvollen Segment der Klasse-2-Ableiter an.



Die Funktionsweise eines Überspannungsableiters, dessen Aktivteil nur aus einer Serieschaltung von MO-Widerständen besteht, ist sehr einfach. Bei einer Spannungserhöhung an den Ableiteranschlüssen steigt der Strom entsprechend der dargestellten Kennlinie, Bild 8, kontinuierlich und verzöge-rungsfrei an, das heisst, es gibt kein eigentliches Anspre-chen, sondern der Ableiter geht kontinuierlich in den leiten-den Zustand über. Nach dem Abklingen der Überspannung wird der Strom entsprechend der Kennlinie wieder kleiner. Einen Folgestrom, wie bei Funkenstrecken und Funkenstre-ckenableitern bekannt, gibt es nicht. Es fliesst nur der so genannte, nahezu rein kapazitive Leckstrom ic von ungefähr 1 mA.

Die Widerstandssäule des Überspannungsableiters verhält sich bei anliegender Dauerbetriebsspannung Uc nahezu rein kapazitiv. Die Streukapazitäten der einzelnen Widerstände gegen Erde bewirken daher, dass die Spannungsverteilung längs der Ableiterachse bei Uc nicht gleichmässig ist. Diese Ungleichmässigkeit nimmt mit der Länge der Widerstands-säule zu und kann gemäss [4] näherungsweise berechnet werden. Deshalb benötigen Hochspannungsableiter Steuer-elemente, zum Beispiel Steuerringe, welche den ungünstigen Einfluss der Streukapazitäten weitgehend kompensieren. Die Widerstandssäule bei Mittelspannungsableitern ist hingegen so kurz, dass hier die Versteuerung der Spannung zu ver-nachlässigen ist. Mittelspannungsableiter benötigen daher keine Steuerringe. Im Folgenden sind typische Strom- und Spannungsverläufe in verschiedenen Bereichen der Kennlinie gezeigt und ihre technische Bedeutung kurz erläutert.

3 Technische Daten und Funktion von MO-Ableitern




0

10−4 10−3 10−2 10−1 100 101 102 103 104 105

0,5

1,0

1,5

Ur

Uref

iref Isw In

DCAC

1/9 µs

30/60 µs

U/U

pl

I A

8/20 µs

4/10 µs

Uc

Bild 8: Spannungs-Strom-Charakteristik eines MO-Ableiters mit

In = 10 kA, Leitungsentladungsklasse 2. Die Spannung ist normiert

auf die Restspannung des Ableiters bei In. Für Spannung (lineare

Skala) und Strom (logarithmische Skala) sind jeweils die Scheitel-

werte angegeben. Eingetragen sind typische Werte.



3.1 Ströme und Spannungen

In [4] sind die folgenden auf den Ableiter be zogenen Begriffe gegeben:

Dauerspannung Uc: höchstzulässiger Effektiv wert der betriebsfrequenten Wechselspannung, die dauernd über den Ableiterklemmen anliegen darf.

Dauerstrom (ic): Strom, der durch den Ableiter bei Anlegen der Dauerspannung fliesst, ange geben als Effektivwert oder Scheitelwert. Im Bereich der Dauerspannung verhält sich ein MO-Ableiter nahezu rein kapazitiv. Der Strom liegt bei un gefähr 1 mA und ist gegenüber der Spannung um fast 90° elektrisch verschoben. Die Verlustleistung ist in diesem Bereich vernachlässigbar klein. Der Dauerstrom wird mitunter auch als Leckstrom bezeichnet.

Bemessungsspannung Ur: höchster zulässiger Effektivwert der Wechselspannung über den Ableiterklemmen, für die der Ableiter bemessen ist, um unter den Bedingungen zeitweili-ger Spannungserhöhungen, wie sie in den Arbeitsprüfungen festgelegt sind, bestimmungsgemäss zu arbeiten.Die Bemessungsspannung Ur ist der Spannungswert, der in der Arbeitsprüfung für t = 10 s angelegt wird, um eine tempo-räre Überspannung im Netz nachzubilden. Das Verhältnis zwischen der Bemessungsspannung Ur und der Dauerspannung Uc ist in der Regel Ur /Uc = 1,25. Dies hat sich eingebürgert, ist aber nirgends vorgegeben. Andere Verhältnisse von Ur /Uc können gewählt werden. Obwohl oft zur Auswahl von Ableitern herangezogen, hat die Bemes-sungsspannung keine weitere Bedeutung.

Referenzspannung Uref: Scheitelwert der betriebsfrequenten Spannung geteilt durch √2, die über die Ableiterklemmen angelegt werden muss, um den Referenzstrom zu erhalten.

Referenzstrom (iref): Scheitelwert (bei unsymmetrischen Strö-men der höhere Scheitelwert beider Polaritäten) der resisti-ven Komponente eines betriebsfrequenten Stroms, bei dem die Referenzspannung des Ableiters bestimmt wird.Der Referenzstrom wird vom Hersteller so gewählt, dass er oberhalb des Kniepunkts der Spannungs-Strom-Charakteris-tik liegt und eine deutlich überwiegende ohmsche Kompo-nente hat. Dadurch können die Einflüsse der Streukapazitä-ten des Ableiters bei der Messung der Referenzspannung vernachlässigt werden. Die an den einzelnen MO-Wider-ständen einer MO-Säule gemessenen Referenzspannungen können damit zur Referenzspannung des gesamten Ableiters addiert werden.

Referenzspannung (U1mA) und Referenzstrom bei Gleich-spannung: Anstelle eines für Wechselspannung angegebe-nen Referenzstroms werden häufig auch ein Referenzstrom und die dazugehörige Referenzspannung bei Gleich-spannung angefragt. Es hat sich generell einge bürgert, unabhängig vom Durchmesser der MO-Widerstände die Gleichspannung anzugeben, die bei einem Gleichstrom von 1 mA durch den Ableiter an den Klemmen anliegt. Beide Angaben, Referenzstrom und Referenzspannung bei Wechsel spannung und bei Gleichspannung, sind im Prinzip gleichwertig. Beide Angaben bezeichnen einen Punkt auf der Spannungs-Strom-Kennlinie eines Ableiters, bei dem ka pazitive Streueinflüsse vernachlässigt werden können. Bei allen nach IEC durchgeführten Prüfungen werden der Refe-renzstrom und die Referenzspannung bei Wechselspannung zugrunde gelegt. Die Angaben des Referenzstroms und der Referenzspannung bei Gleichspannung sind zusätzliche Informationen, die vom Hersteller auf Anfrage abgegeben werden können.

MWK/MWD

MO-Ableiter POLIM-D POLIM-K POLIM-I POLIM-S POLIM-H POLIM-X*

POLIM-C

Durchmesser MO-Widerstand in mm 38 42 47 62 75 108

iref in mA sw 1,4 1,6 2,2 3,6 5,0 10,0

* Der POLIM-X wird als Typ POLIM-X..ND zurzeit nur in Gleichstrombahnnetzen eingesetzt.

Tabelle 4: Referenzstrom iref für verschiedene MO-Ableiter der ABB



Restspannung Ures: Scheitelwert der Spannung an den Klem-men eines Ableiters beim Fliessen eines Stromstosses.Die Restspannung eines MO-Widerstands oder MO-Ableiters wird mit Stromstössen unterschiedlicher Wellenform und Stromhöhe ermittelt und in Tabellenform oder als Span-nungs-Strom-Charakteristik in Kurvenform angegeben. Die Messungen werden in der Regel an MO-Widerständen durchgeführt. Da auch hier die Messung im überwiegend ohmschen Bereich der Kennlinie durchgeführt wird, können kapazitive Streueinflüsse vernachlässigt werden. Die an ein-zelnen MO-Widerständen gemessenen Restspannungen können somit zur Restspannung des gesamten Ableiters addiert werden.

Blitzstossschutzpegel Upl: Der maximal erlaubte Scheitelwert der Spannung an den Klemmen eines Überspannungs-ableiters beim Fliessen des Nenn-Ableitstossstroms. Ent-spricht der garantierten Restspannung Ures bei In.

Schaltstossschutzpegel Ups: Der maximal erlaubte Scheitel-wert der Spannung an den Klemmen eines Überspannungs-ableiters beim Fliessen des Schaltstossstroms. Es ist jeweils der höhere der in Tabelle 1 angegebenen Schaltstossströme anzunehmen.

Blitzstossstrom: Stossstrom mit der Wellenform 8/20 µs. Die Stirnzeit beträgt 8 µs und die Rücken halbwertzeit 20 µs. Der Blitzstossstrom bildet näherungsweise den Stossstrom nach, der, verursacht durch einen Blitzeinschlag in ein Leiter-seil, nach einem Isolatorüberschlag als Wanderwelle weiter über das Leiterseil wandert. Nenn-Ableitstossstrom In: Scheitelwert des Blitzstroms, nach dem ein Ableiter eingeteilt wird. Der Nenn-Ableitstossstrom legt zusammen mit der Leitungsentladungsklasse eines Ableiters die Prüfparameter fest (siehe dazu Tabelle 1). In IEC sind Empfehlungen zur Auswahl der Nennströme und Leitungsentladungsklassen für die verschiedenen Netzspan-nungen gegeben [4], [5].

t ms




5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

i, u

ic

Uc

Bild 9: Dauerspannung Uc und Leckstrom ic eines MO-Ableiters.

Der Strom ist sinusförmig und nahezu rein kapazitiv.

Der ohmsche Anteil des Stroms bei du/dt = 0 im Scheitelwert der

Spannung beträgt ca. 15 % bis 20 % des Gesamtstroms.

t ms

Ur

i




5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

i, u

Bild 10: Bemessungsspannung Ur und der bei dieser Spannung

durch den MO-Ableiter fliessende Strom i. Der Strom beginnt sich

bereits zu verzerren, eine ohmsche Komponente im Bereich des

Scheitelwerts der Spannung ist deutlich zu sehen. Bei diesem

Beispiel liegt die Bemessungsspannung im Bereich des Kniepunkts

der Spannungs-Strom-Charakteristik des MO-Ableiters.



Hochstossstrom (Ihc): Scheitelwert eines Stossstroms mit der Wellenform 4/10 µs. Der Hochstossstrom soll einen ableiter-nahen Blitzeinschlag nachbilden und wird bei Mittel-spannungsab leitern mit Leitungsentladungsklasse 1 zum Nach weis der thermischen Stabilität benutzt. Aufgrund der bei einem Hochstossstrom mit einem Scheitelwert von 100 kA auftretenden hohen Restspannung stellt er neben einer energetischen Belas tung auch eine dielektrische Belas-tung dar. Es sei hier aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass ein Hochstossstrom mit einer Amplitude von 100 kA wenig mit einem wirklichen Blitzstrom gleicher Amplitude zu tun hat. Tatsächlich haben bei Gewittern gemessene Blitz-ströme mit dieser Amplitude eine Zeitdauer von mehreren 100 µs. Blitzströme dieser Höhe und Wellenform sind allerdings sehr selten und treten nur unter bestimmten Be-dingungen auf, zum Beispiel bei Wintergewittern in bergigen Küsten gegenden.

Schaltstossstrom (Isw): Scheitelwert eines Stossstroms mit einer Stirnzeit zwischen 30 µs und 100 µs und einer Rücken-halbwertzeit von un gefähr der doppelten Stirnzeit. Schalt-stossströme werden zur Ermittlung der Spannungs-Strom-Charakteristik benutzt und im Zusammenhang mit der Leitungsentladungsklasse zur Ermittlung der aufzunehmen-den Energie bei der Arbeits prüfung. Die Stromamplituden liegen im Bereich von 125 A bis zu 2 kA und bilden ungefähr die Belastung eines Ableiters aufgrund von Überspannungen nach, die durch Schalthandlungen verursacht werden.

t ms




5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

i, u

Uref

iref

Bild 11: Referenzstrom iref und Referenzspannung Uref. Die ohmsche

Komponente des Stroms im Bereich des Scheitelwerts der

Spannung dominiert eindeutig den Gesamtstrom. Dies bedeutet,

dass der Strom oberhalb des Kniepunkts liegt und kapazitive

Streueinflüsse bei der Messung vernachlässigt werden können.

t µs

u [kV] i [kA]

18

15

12

9

6

3

0

12

10

8

6

4

2

0

100 20 30 40




Bild 12: Strom- und Spannungsverlauf eines in einen MO-Wider-

stand eingeprägten Nenn-Ableitstossstroms mit In = 10 kA

(Wellenform 8/20 µs). Die Restspannung ergibt sich zu Ures = 15 kV.



Steilstossstrom: Stossstrom mit einer Stirnzeit von 1 µs und einer Rückenhalbwertzeit von maximal 20 µs. Steilstoss-ströme werden zur Ermittlung der Spannungs-Strom-Charak-teristik be nö tigt. Sie haben Amplituden bis zu 20 kA und bil-den steile Stossströme annähernd nach, wie sie bei Trennerschaltungen, Rückzündungen, rückwärtigen Über-schlägen und Vakuumschaltern auftreten können.Alle aufgeführten Stossströme mit Ausnahme des Hoch-stoss stroms werden für die Ermittlung der Spannungs-Strom-Charakteristik eines MO-Ableiters benutzt. Dabei sind für die Höhe der Restspannung nur die Stirnzeit und die Amplitude der Stossströme massgebend, nicht die Rücken-halbwertzeit. Aus diesem Grund sind die Toleranzen für die Stirnzeit sehr eng gehalten, jene für die Rückenhalbwertzeit sehr weit.

Rechteckstossstrom (I ld): Auch Rechteckwelle oder Lang-welle (Irw) genannt. Stossstrom, der rasch auf seinen Scheitel wert ansteigt und dann über eine vorgegebene Zeit-dauer konstant bleibt, bevor er wieder rasch zu null wird. Die Länge der Stromflussdauer ist abhängig von der Leitungs-entladungsklasse eines Ableiters. Rechteckstossströme wer-den im Labor eingesetzt bei den Typenprüfungen mit Recht-eckstossströmen und der Arbeitsprüfung bei MO-Ableitern mit Leitungsentladungsklasse 2 bis 5 zum Einbringen der Energie in den Ableiter. Die Stromamplituden betragen bis zu 2 kA und bilden die Belastung eines Ableiters nach, wenn sich eine aufgeladene Übertragungsleitung bei Auftreten einer Überspannung in den Ableiter entlädt. Obwohl nirgends genormt oder festgelegt, hat es sich ein-gebürgert, einen Rechteckstossstrom von 2 ms Stromfluss-dauer für Vergleiche zwischen verschiedenen MO-Ableitern heranzuziehen. Angegeben wird dann entweder die Ampli-tude des Rechteckstossstroms für einen bestimmten MO-Ableiter oder die Energie, die im Ableiter beim Fliessen des Rechteckstossstroms im Ableiter umgesetzt wird.

u [kV] i [kA]

24

20

16

12

8

4

0

120

100

80

60

40

20

0

50 10 15 20




t µs

Bild 13: Hochstossstrom der Wellenform 4/10 µs und einem

Scheitelwert von Ihc = 100 kA. Die Restspannung ist in diesem Fall

Ures = 23 kV. Bei den hier vorliegenden sehr hohen Strom steilheiten

und den relativ hohen Feldstärken ist eine genaue Messung

schwierig. Darum ist die Messung der Restspannung bei Hoch-

stossströmen nach IEC im Allgemeinen nicht gefordert.



Linie innen: 0.35 pt, gepunktetu [kV] i [A]

15

12

9

6

3

0

600

480

360

240

120

0

500 100 150 200

t µs

Bild 14: Schaltstossstrom Isw = 500 A mit der Wellenform 38/87 µs.

Die Restspannung ergibt sich zu Ures = 11,6 kV.



Leitungsentladungsklasse: Die Leitungsentladungsklasse ist die einzige in IEC 60099-4 vorgesehene Möglichkeit, das Energieaufnahmevermögen eines Ableiters zu spezifizieren. Es sind die Leitungsentladungsklassen 1 bis 5 mit wachsen-den Anforderungen definiert. Sie unterscheiden sich in den Prüfparametern für die Leitungsentladungsprüfung. In Verbin-dung mit der Restspannung des Schaltstossstroms wird aus der Leitungsentladungsklasse die Energie W berechnet, die bei der Prüfung mit dem Rechteckstossstrom I ld (Leitungs-entladungsprüfung) pro Entladung in einen MO-Widerstand eingebracht werden muss. Zum Nachweis der thermischen Stabilität während der Arbeitsprüfung werden zwei entspre-chende Leitungsentladungen in den Ableiter eingebracht.

W = Ures × (UL − Ures) × 1/Z × T

Ures = Restspannung des Schaltstossstroms. Hier ist Ures der niedrigste

Wert der an den Prüflingen gemessenen Restspannung mit dem

tieferen in Tabelle 1 angegebenen Schaltstossstrom.

UL = Ladespannung des Stossstromgenerators, mit dem I ld im Labor

erzeugt wird

Z = Wellenwiderstand des Stossstromgenerators

T = Zeitdauer des Rechteckstossstroms



Linie innen: 0.35 pt, gepunktetu [kV] i [kA]

18

15

12

9

6

3

0

12

10

8

6

4

2

0

50 10 15 20

t µs

Bild 15: Steilstossstrom der Wellenform 1/9 µs. Der Scheitelwert

beträgt 10 kA, und die Restspannung ergibt sich zu Ures = 16,2 kV.

Bei dieser Stromform ist aufgrund der sehr grossen Stromsteilheit

die in den Messkreis induzierte Spannung Ui = L × di/dt erheblich

und muss bei der Bestimmung der Restspannung kompensiert

werden.



Linie innen: 0.35 pt, gepunktetu [kV] i [A]

14

12

10

8

6

4

2

0

700

600

500

400

300

200

100

0

0,50 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

t ms

Bild 16: Rechteckstossstrom Ild = 506 A mit einer virtuellen

Stromflussdauer von t90 % = 2,15 ms. Die Restspannung ergibt sich

zu Ures = 11,1 kV.



Die Parameter der Leitungsentladungsklassen sind vom Energieinhalt langer aufgeladener Übertragungsleitungen abgeleitet [5], [6], siehe Tabelle 5. In Mittelspannungsnetzen haben Leitungsentladungsklassen daher keine direkte Bedeutung. Sie dienen hier nur zur Unterscheidung der Ener gieaufnahmefähigkeit verschiedener Ableiter.

Bemessungs-Kurzschlussstrom Is: Der Effektiv wert des sym-metrischen höchsten Kurzschlussstroms, der nach Über-lastung eines Ableiters über den die MO-Widerstände über-brückenden Lichtbogen fliessen kann, ohne zu einem gewaltsamen Zerbersten des Gehäuses zu führen. Der Nach-weis des vom Hersteller angegebenen Werts erfolgt durch die Kurzschlussprüfung.Die früher angegebene Druckentladungsklasse eines Ab- leiters und die damit verbundene Druckentlastungsprüfung nach IEC 60099-1 sind nicht mehr anwendbar.

3.2 Energieaufnahmevermögen

Die in technischen Dokumentationen angegebenen oder gefragten Energiewerte führen mitunter zu Missverständnis-sen, insbesondere, wenn mehrere Energiewerte angegeben werden. Daher soll hier kurz auf das Energieaufnahme-vermögen von MO-Widerständen und Ableitern eingegangen werden.Die Energieaufnahmefähigkeit von MO-Widerständen bzw. MO-Überspannungsableitern ist von wesentlicher Bedeutung für die thermische Stabilität der Ableiter im Netz. In Typen-prüfungen wie der Prüfung mit Rechteckstossstrom an ein-zelnen MO-Widerständen, der Arbeitsprüfung und der Über-prüfung der TOV-Kurve mit kompletten Ableitern wird mit verschiedenen Stromimpulsen die Energieaufnahmefähigkeit überprüft.Bei der Leitungsentladungsprüfung wird die Energieaufnahme-fähigkeit des MO-Widerstands mit insgesamt 18 Rechteck-stossströmen überprüft. Dies ist eine Materialprüfung der MO-Widerstände. Während dieser Prüfung wird keine netz-frequente Spannung an den Prüfling angelegt, es ist also keine Überprüfung der thermischen Stabilität der MO-Wider-stände.

Tabelle 5: Zusammenhang zwischen der Leitungsentladungs klasse und den Kennwerten von Übertragungsleitungen. Weiterhin ist die Zeitdauer T des Rechteckstossstroms Ild angegeben, wie sie für die Arbeitsprüfung und die Prüfung mit Rechteckstossstrom entsprechend der Leitungsentladungsklasse im Labor eingestellt werden muss. LD = LeitungsentladungsklasseL = ungefähre Länge der ÜbertragungsleitungZL = ungefährer Wellenwiderstand der Übertragungsleitung

In LD Us L ZL T

kA kV km Ω ms

10 1 ≤ 245 300 450 2,0

10 2 ≤ 300 300 400 2,0

10 3 ≤ 420 360 350 2,4

20 4 ≤ 525 420 325 2,8

20 5 ≤ 765 480 300 3,2



Bei der Arbeitsprüfung hängt die Form des Strom impulses, mit dem die Energie in den Ableiter eingebracht wird, von der Leitungsent ladungsklasse ab. Bei Ableitern der Leitungs-entladungsklasse 1 oder bei Ableitern ohne Leitungsentla-dungsklasse wird die Energie mit einem Hochstossstrom der Wellenform 4/10 µs eingebracht. Es wird also ein Strom vor-gegeben, die dabei auftretende Energie ist eigentlich nicht weiter von Bedeutung. Bei Ableitern mit Leitungsentladungsklasse 2 und höher wird die Energie mit zwei Rechteckwellenströmen eingebracht. Die einzubringende Energie bei Leitungsentladungsklasse 2 und höher richtet sich nach der Leitungsentladungsklasse und muss entsprechend der IEC-Vorschrift berechnet wer-den. Je höher die Leitungsentladungsklasse, desto höher die Energie. Die in Tabelle 1 angegebene Energie bei gleichem Hoch-stossstrom (100 kA 4/10 µs) für die unterschiedlichen Ableiter nimmt mit steigendem Durchmesser der MO-Widerstände ab. Bei gleichem Stromscheitelwert werden die Stromdichte und damit auch die Restspannung geringer. Dies führt folg-lich zu einer geringeren Energie und somit auch zu geringerer Erwärmung des Ableiteraktivteils. Diese Tendenz ist günstig, denn je geringer die auftretende Energie im Ableiter ist, desto sicherer und thermisch stabiler ist der Ableiter im Netz.Die in unseren technischen Dokumentationen angegebenen Energien stellen keine Grenz- oder Zerstörungswerte dar, sondern die in den verschiedenen Typenprüfungen bzw. bei verschiedenen Impulsströmen auftretenden Energien.Es ist also zu unterscheiden zwischen• der auftretenden Energie bei einem einge prägten Strom

(z. B. 100 kA 4/10 µs oder ein Rechteckstrom mit 2 ms Dauer). Diese Angaben dienen nur zur Information und sind kein Kriterium zum Bestehen oder Nichtbestehen einer Prüfung.

• der Energie, die zum Nachweis der thermischen Stabilität eines Ableiters in einer Prüfung oder im Netzbetrieb ein-gebracht wird;

• der Energie, die einen MO-Widerstand oder Ableiter durch Platzen, örtliche Strom einschnürung (puncture) oder Über-schlag zerstört.

Die Energie, die zur Zerstörung eines MO- Widerstands oder Ableiters führt, liegt über der Energie, die zum Nachweis der thermischen Stabilität bei der Arbeitsprüfung in den Ableiter eingebracht wird. Je nach Ableitertyp beträgt die Zerstörungs-energie ein Mehrfaches der garantierten Energie zur Über-prüfung der thermischen Stabilität.

3.3 Abkühlzeit

Damit die Ableiter im Netz zuverlässig und sicher arbeiten können, muss ihr Energieaufnahmevermögen grösser sein als die zu erwartende Energiebelastung beim Ableiten eines Stroms im Netz. Bei mehrmaligem Ableiten kurz nacheinan-der kumuliert die eingebrachte Energie im Ableiter, sofern ein zwischenzeitliches Abkühlen vernachlässigt werden kann. Hat der Ableiter die in der Arbeitsprüfung nachgewiesene und garantierte Energie erreicht, muss der Ableiter Zeit zur Abkühlung haben. Die benötigte Abkühlzeit ist abhängig vom Aufbau des Ableiters, von der Umgebungstemperatur und der anliegenden Spannung. Die Abkühlzeit liegt je nach Ableitertyp und Umgebungsbedingungen zwischen ungefähr 45 und 60 Minuten.



3.4 Stabilität eines MO-Ableiters

Es sind hier zwei Fälle zu unterscheiden:• die thermische Stabilität des MO-Ableiters nach einer

adiabatischen Energieaufnahme (auch als Kurzzeitstabilität bezeichnet)

• die Langzeitstabilität des MO-Ableiters im Netz

3.4.1 Thermische StabilitätIn Bild 17 ist P die Verlustleistung der MO-Widerstände eines Ableiters bei Uc. Es ist ersichtlich, wie P mit der MO-Tempe-ratur T exponentiell ansteigt, was eine immer stärkere Er wärmung des Aktivteils zur Folge hat. Die Kühlung der MO-Widerstände erfolgt durch den Wärmefluss Q vom Aktiv-teil des Ableiters an die äussere Umgebung. Im Temperatur-bereich oberhalb des kritischen Punkts ist P > Q. Hier reicht also die Kühlung nicht aus, um die erzeugte Verlustleistung nach aussen abzuführen. Die MO-Widerstände werden immer heisser, und der Ableiter zerstört sich selbst. Diesen Vorgang nennt man thermisches Weglaufen oder thermische Instabilität. Bleibt die Verlustleistung P unterhalb des kritischen Punkts, also P < Q, kann mehr Wärme abgeführt werden, als erzeugt wird, und der Aktivteil kühlt so weit ab, bis er wieder beim stabilen Arbeitspunkt angekommen ist. Das ist der Bereich der thermischen Stabilität.

Sofern der kritische Punkt nicht überschritten wird, kann der Ableiter die eingebrachte Energie beliebig oft ableiten, er kann also beliebig oft die Überspannung begrenzen.Durch geeignete Dimensionierung der Widerstände und konstruktive Massnahmen zur Wärmeabfuhr 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.

3.4.2 LangzeitstabilitätFür den zuverlässigen Betrieb eines funkenstreckenlosen MO-Ableiters im Netz ist es unabdingbar, dass sich die Spannungs-Strom-Kenn linie der MO-Widerstände unter anliegender Dauerspannung nicht verändert. Besonders Ver-schlechterungen, das heisst eine Verschiebung des Dauer-stroms ic zu höheren Werten und damit zu einer Zunahme der Verlustleistung, dürfen nicht auftreten.Bei nach heutigem Stand der Technik von den international führenden Herstellern gefertigten MO-Widerständen, die innerhalb des spezifizierten Bereichs belastet werden, ist eine elektrische Kennlinienänderung aufgrund anliegender Dauerspannung nicht zu erwarten.

T °C



Linie innen: 0.35 pt, gepunktetthermisches Kippen

QT

W

P, Q.

kritischer

Punkt

Pstabiler

Arbeitspunkt

Q.

Bild 17: Verlustleistung P der MO-Widerstände und der Wärmefluss Q

vom Aktivteil des Ableiters an die äussere Umgebung in Funktion der

Temperatur T der MO-Widerstände bei Dauer spannung Uc.



Unter bestimmten Bedingungen kann eine Verschlechterung der Spannungs-Strom-Kennlinie durch extreme Belastungen, wie zum Beispiel sehr hohe oder sehr steile Stossströme, auftreten. Weiterhin können bestimmte Zusammensetzungen der Materialien, welche die MO-Widerstände umgeben, im Randbereich zu einer Veränderung der Kennlinie führen. Aus diesem Grund sind die Mantelflächen der MO-Widerstände passiviert. Das heisst, sie werden mit einem widerstands-fähigen, gasundurchlässigen Glas beschichtet. Eine ständige, produktionsbegleitende Kontrolle des Lang-zeitverhaltens der MO-Widerstände ist daher unerlässlich. Sie wird mit der zeitraffenden Alterungsprüfung entspre-chend IEC realisiert. Neben der einmaligen Typenprüfung, die über 1000 Stunden läuft, sind selbstverständlich an jedem Produktionslos nach internen Herstellerangaben ent-sprechende zeitraffende Prüfungen durchzuführen. Es sei noch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die zeit-raffende Alterungsprüfung mit der Spannung durchgeführt werden muss, mit der die MO-Ableiter im Netz belastet wer-den. Also müssen MO-Widerstände für AC-Netze mit Wechsel-spannung und MO-Widerstände für DC-Netze mit Gleich-spannung geprüft werden. Die Erfahrung zeigt, dass zwar DC-stabile MO-Widerstände in der Regel auch unter AC-Belas-tung stabil sind, AC-stabile MO-Widerstände aber nicht un bedingt unter DC-Belastung. Daher ist bei MO-Ableitern für den Einsatz in Gleichspannungsnetzen genau darauf zu ach-ten, dass DC-stabile MO-Widerstände zum Einsatz kommen.

3.5 Schutzcharakteristik

Die Schutzcharakteristik eines Ableiters ist gegeben durch die maximale Spannung Ures an den Anschlüssen eines Ableiters beim Fliessen eines Ableitstroms. In der Regel wird von einem Blitzstossschutzpegel Upl ≤ 4 p. u. ausgegangen. Dies ist ein Wert, wie er allgemein für die Isolationskoordina-tion angenommen wird [7]. Die tatsächliche Restspannung beim Nenn-Ableitstossstrom In (also Upl) kann aber je nach Ableitertyp darüber oder darunter liegen. Setzt man Upl ins Verhältnis zur Dauerspannung Uc eines Ableiters, erhält man eine sehr gute Aussage über die Güte, mit welcher der Ableiter schützt. Je kleiner das Verhältnis Upl/Uc ist, umso besser ist der Schutz. Neben der Rest-spannung bei In sind die Restspannungen bei Steilstossstrom und bei Schaltstossstrom wichtig. Aus den Datenblättern der jeweiligen Ableiter ebenso wie aus der Spannungs-Strom-Charakteristik in Bild 8 ist zu ersehen, dass die Rest-spannung mit dem Strom, aber auch mit der Steilheit der Stromimpulse, leicht ansteigt. Je nach Anwendungsfall ist also neben der Restspannung bei In auch die Restspannung bei Steilstoss- oder Schaltstossstrom zu berücksichtigen.

1,1

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

2000 400 600 800 1000

P

t h




Bild 18: Beispiel einer zeitraffenden Alterungsprüfung (Typprüfung

über 1000 h). Der Prüfling befindet sich in einem Ofen bei konstant

115 °C und wird mit gegenüber Uc erhöhter Wechselspannung

belastet. Die Verlustleistung P wird aufgezeichnet und muss stetig

abnehmen bzw. konstant bleiben. Ein wesentlicher Anstieg über ein

einmal erreichtes Minimum deutet auf eine Instabilität hin und ist

nicht akzeptabel. Eine Prüfdauer von 1000 h bei 115 °C entspricht

einer Betriebsdauer von 110 Jahren im Netz bei einer Umgebungs-

temperatur von 40 °C.



3.6 Temporäre Überspannungen

Unter temporären respektive kurzzeitigen Überspannungen UTOV (Temporary Overvoltages) versteht man betriebs-frequente Überspannungen von begrenzter Dauer. Sie treten bei Schalthandlungen oder Netzfehlern auf und können in Mittelspannungsnetzen bei isoliertem Sternpunkt bis zu einer Dauer von mehreren Stunden anstehen. Ihre Höhe hängt von den Netzgegebenheiten und der Art der Sternpunktbehand-lung ab. Die Dauer ist gegeben durch die Zeit bis zum Regis-trieren und Abschalten des Netzfehlers.MO-Ableiter sind über eine bestimmte Zeit mit erhöhter Betriebsspannung belastbar. Die Festig keit T der Ableiter gegen solche temporären Überspannungen ist in Bild 19 an einem Beispiel dargestellt. T = UTOV /Uc ist ein Mass für die zu lässige Höhe von UTOV.

An einem Beispiel soll die Handhabung der TOV-Kurven in Bild 19 veranschaulicht werden. Wir nehmen an, ein Ableiter mit Uc = 24 kV sei während beliebig langer Zeit bei normalen ungestörten Netzverhältnissen mit Uc betrieben worden. Zur Zeit t = 0 werde der Ableiter mit der auf Uc bezogenen Energie W’ = 5,5 kJ/kVUc belastet. Unmittelbar anschliessend trete die temporäre Überspannung von UTOV = 28 kV auf. Es ist also T = UTOV /Uc = 28 kV / 24 kV = 1,17. Für T = 1,17 ergibt sich gemäss Kurve b eine Zeit t = 400 s. Das bedeutet, dass der Ableiter für 400 s mit der erhöhten Spannung be lastet werden kann, ohne thermisch instabil zu werden. Nach den 400 s muss die Spannung auf Uc zurückgehen, um den Ableiter nicht zu überlasten. Wird der Ableiter vor dem Auf-treten der temporären Überspannung nicht mit der Ener-gie W’ belastet, gilt Kurve a, und der Ableiter kann für 3000 s mit UTOV belastet werden. Höhe und Zeitdauer der zulässigen temporären Überspannung sind also direkt von der vorgängi-gen Energiebelastung des Ableiters abhängig.

t s

1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

1,25

1,30

1,35

1,40

T

1 10 100 1000 10 000

a

b




Bild 19: Festigkeit T = UTOV /Uc gegen temporäre Überspannungen in

Abhängigkeit von der Zeit t. Die Kurve a gilt für einen Ableiter ohne

Vorbelastung, die Kurve b bei Vorbelastung mit der garantierten

Energie W’. t ist die Dauer der Überspannung bei Betriebsfrequenz.

Die Kurven gelten für einen MO-Ableiter vom Typ MWK.



Sind die Ableiter entsprechend den Netzspannungen und den zu erwartenden elektrischen und mechanischen Belas-tungen richtig ausgewählt, kann bei normalen Betriebsbedin-gungen von einer Lebensdauer von dreissig Jahren oder länger im Netz ausgegangen werden. Die für MO-Ableiter normalen Betriebsbedingungen sind in [4] gegeben:• Umgebungstemperatur −40 °C bis +40 °C• Sonneneinstrahlung 1,1 kW/m2

• Aufstellungshöhe bis 1000 m über Meer• Frequenz der Wechselspannung zwischen 48 Hz und

62 Hz• netzfrequente Spannung an den Ableiter anschlüssen nicht

höher als die Dauer spannung Uc des Ableiters• Windgeschwindigkeiten ≤ 34 m/s• senkrechte AufstellungAlle Ableiter der ABB erfüllen oder übertreffen diese Betriebsbedingungen. Mechanische Anforderungen und Fremdschichtbedingungen für MO-Ableiter mit Kunststoff-gehäuse sind in den Normengremien zurzeit in Bearbeitung.

4.1 Besondere Betriebsbedingungen

Einige typische besondere Betriebsbedingungen sind:• Umgebungstemperatur über +40 °C oder unter −40 °C• Betrieb in Höhen über 1000 m über Meer• Gase oder Dämpfe, die zu Beschädigungen an den

Isolieroberflächen oder den Anschlüssen führen können• Starke Verunreinigung

(Rauch, Staub, Salz nebel, sonstige Ablagerungen)• Hohe Feuchtigkeit (Kondenswasser, Wasserdampf)• Abspritzen der Ableiter im Betrieb• Explosionsgefährdete Umgebung• Ungewöhnliche mechanische Bedingungen• Frequenzen der Betriebsspannung unter 48 Hz oder

über 62 Hz• Betrieblich bedingte Spannungsverzerrungen oder

Spannungen mit hochfrequenten ÜberlagerungenIm Folgenden sind einige spezielle Fälle diskutiert. Treten Betriebsbedingungen auf, die hier nicht erwähnt sind, ist mit dem Hersteller Rücksprache zu nehmen.

4.2 Überlastverhalten

Jeder Ableiter kann überlastet werden. Die Ursache dafür können extrem hohe bzw. energiereiche Blitzströme oder der so genannte Spannungsübertritt sein. Unter Letzterem versteht man einen Kurzschluss zwischen zwei verschieden hohen Spannungsebenen. In allen Fällen handelt es sich prinzipiell um eine energiemässige Überlastung. Die MO-Widerstände schlagen entweder über oder durch und bilden in der Regel einen bleibenden Kurzschluss. Es entsteht im Innern des Ableiters ein Lichtbogen, dessen Strom durch die Kurzschlussleistung des Netzes gegeben ist. Bei den ABB-Ableitern mit Silikongehäuse besteht bei Überlastung keine Berstgefahr. Zwischen dem Aktivteil und der Silikon-isolation befindet sich kein Hohlraum, in dem Druck auf-gebaut werden kann. Der Lichtbogen brennt beim Entstehen sofort durch die Silikonisolation und ist dann frei. Aufgrund der speziellen Konstruktion sind die Ableiter auch bei höchs-ten Kurzschlussströmen explosions- und zerfallsicher.

4 Betriebsbedingungen



4.3 Mechanische Festigkeit

Die Ableiter von ABB sind auch in Gegenden mit starker Erd-bebentätigkeit betriebssicher. Teilweise können sie Stützer-funktion oder als Leitungsableiter auch die Funktion von Hänge isolatoren übernehmen. Bei diesen Anwendungsfällen ist mit dem Hersteller Rücksprache zu nehmen. Die in Tabelle 3 angegebenen Werte dürfen dabei nicht überschrit-ten werden. Ableiter, die auf rollendem Material eingesetzt werden sollen, sind mit einer verstärkten Grundplatte erhält-lich und einer Vibrations- und Schockprüfung unterzogen worden.

4.4 Erhöhte Umgebungstemperatur

Die Garantiewerte der ABB-Ableiter (Wechsel- und Gleich-spannung) gelten für Umgebungs temperaturen bis zu 40 °C und einer maximalen Sonneneinstrahlung von 1,1 kW/m2 für Freiluft ableiter. Befinden sich in der Nähe der Ableiter Wärmequellen, so muss gegebenenfalls der höheren Um- gebungstemperatur durch die Erhöhung von Uc Rechnung getragen werden. Bei Umgebungstemperaturen > 40 °C muss pro 5 °C Temperaturerhöhung die Dauerspannung Uc um 2 % erhöht werden. Diese Korrektur ist zulässig bis maxi-mal 80 °C Umgebungstemperatur.

4.5 Verschmutzung und Reinigung

Silikon ist das beste Isoliermaterial, wenn Ableiter hoher Ver-schmutzung ausgesetzt sind. Dies insbesondere deshalb, weil es wasserabweisend (hydrophob) ist. Ein Ableiter mit Silikonisolation verhält sich deshalb bei starker Verschmut-zung günstiger als Ableiter mit Porzellangehäuse oder ande-ren polymeren Isolierstoffen.Entscheidend für das Langzeitverhalten einer Kunststoffisola-tion unter Verschmutzung ist die Dynamik der im Neuzustand immer vorhandenen guten Hydrophobie. Je nach Material kann ein Hydrophobieverlust permanent oder temporär sein. Im Gegensatz zu anderen Kunststoffen sind Silikone in der Lage, die Hydrophobie nach eingetretenem Verlust wieder zu erlangen. MO-Ableiter mit Silikongehäuse werden durch handelsübli-che umweltverträgliche Reinigungsmittel nicht in ihrer Funk-tion und Isolations festigkeit beeinträchtigt. Am einfachsten lässt sich die Silikonoberfläche mit einem weichen Tuch und klarem Wasser reinigen.

4.6 Höhenanpassung der Ableitergehäuse

Bis zu einer Einsatzhöhe von 1800 m über Meer können die ABB-Ableiter ohne Gehäuseanpassung verwendet werden. In höheren Lagen kann die Dichte der Luft so weit abgesunken sein, dass die Haltespannung der Ableitergehäuse nicht mehr ausreicht. Für diesen Fall muss der unveränderte Aktiv-teil der Ableiter in einem verlängerten Gehäuse mit entspre-chend grösserer Schlagweite untergebracht werden.Als Richtwert kann man annehmen, dass bei einer Einsatz-höhe über 1800 m über Meer die Schlagweite des Ableiter-gehäuses um 12 % je 1000 m Höhe vergrössert werden muss. Auf einer Höhe von beispielsweise 3300 m über Meer muss die Schlagweite der Gehäuse 18 % grösser sein als bei Standardausführungen.Es ist hierbei zu beachten, dass besonders bei Ableitern für die unteren Spannungsebenen die Schlagweiten von vorn-herein relativ gross sind, sodass sie die Mindestanforderungen an die Haltespannung in der Regel übertreffen. Es sollte also von Fall zu Fall nachgerechnet werden, ob die Standard-gehäuse nicht schon ge nügend Schlagweite haben für den Einsatz in grösseren Höhen.



Die Ableiter der ABB Schweiz AG werden entsprechend der jeweils aktuellen internationalen IEC-Norm geprüft. Für MO-Ableiter mit Polymergehäuse ist zurzeit die IEC 60099-4, Edition 2.1, 2006-07 [4] gültig.

5.1 Typprüfungen

Nach Abschluss der Entwicklung einer Ableiterkonstruktion werden Typprüfungen durchgeführt. Sie dienen dem Nach-weis der Einhaltung der gültigen Norm. Diese Prüfungen brauchen nur dann wiederholt zu werden, wenn Änderungen der Konstruktion auch Änderungen der nachgewiesenen Eigenschaften zur Folge haben. In solchen Fällen müssen jedoch nur die betroffenen Prüfungen wiederholt werden.Im Folgenden sind die für MO-Ableiter mit Polymergehäuse durchzuführenden Typprüfungen kurz erläutert.

Spannungsprüfung der AbleitergehäuseMit den Spannungsprüfungen wird die Spannungsfestigkeit der äusseren Isolation geprüft. Die nachzuweisenden Halte-werte berechnen sich aus den Restspannungen der Ableiter. Bei Ableitern mit Bemessungsspannungen < 200 kV, also allen Ableitern für Einsatz in Mittelspannungsnetzen, werden die Haltewerte mit der Blitz stoss spannung (Wellenform 1,2/50 µs) und mit einer einminütigen Wechselspannungsprüfung nach-gewiesen. Die Wechselspannungsprüfung wird unter Regen durchgeführt, sofern die Ableiter für den Freilufteinsatz vor-gesehen sind. Bei Ableitern für Innenraumanwendung kann die Wechselspannungsprüfung trocken durchgeführt werden. Siehe dazu auch Kapitel 7.3 Auswahl des Ableitergehäuses.

RestspannungsprüfungenMit dieser Prüfung wird die Spannungs-Strom-Charakteristik im Hochstrombereich ermittelt. Mit dem Steilstossstrom, dem Blitzstossstrom und dem Schaltstossstrom verschie-dener Amplituden wird die jeweilige Restspannung ermittelt und in Tabellen- oder Kurvenform angegeben. Die Restspan-nungsprüfungen werden in der Regel an MO-Widerständen durchgeführt.

Prüfung mit RechteckstossstromMit dieser Prüfung wird belegt, dass die MO-Widerstände die spezifizierte Energiebelastung ohne Durch- oder Überschlag überstehen. Es ist also eine Materialprüfung. Jede Prüfung mit Rechteckstossströmen besteht aus 18 Stössen, die in 6 Gruppen zu 3 Stössen aufgeteilt werden. Der zeitliche Abstand zwischen den Stössen innerhalb einer Gruppe ist 50 s bis 60 s, zwischen den Gruppen ist es gestattet, die MO-Widerstände auf Raumtemperatur abkühlen zu lassen. Die Prüfung wird in der Regel an einzelnen MO-Widerständen bei Raumtemperatur durchgeführt. Die anzuwendenden Ströme ergeben sich aus den Anforde-rungen an die Leitungsentladungsprüfung. Je höher die Leitungsentladungsklasse ist, desto höher ergibt sich die ein-zubringende Energie. Zeitraffende AlterungsprüfungMit dieser Prüfung werden die in der Arbeits prüfung anzu-legenden Spannungen Uc* und Ur* bestimmt. Dadurch ist es möglich, die Arbeits prüfung an neuen Widerständen durch-zuführen. Die Prüfung wird an MO-Widerständen durchgeführt, die sich im gleichen Medium befinden müssen wie in der vorgesehe-nen Ableiteranwendung. Bei direkt vergossenen Ableitern müssen die MO-Widerstände für die Alterungsprüfung also vom gleichen Material umgossen sein. Die MO-Widerstände werden im Ofen bei 115 °C für 1000 h mit einer gegenüber Uc erhöhten Spannung belastet. Dabei wird beobachtet, ob und wie stark die Verlustleistung mit der Zeit ansteigt. Aus dem Verlauf der Verlustleistung in der zeit-raffenden Alterungsprüfung kann auf den Verlauf der Verlust-leistung der MO-Widerstände im Netz während der gesamten Lebensdauer geschlossen werden. MO-Widerstände der ABB Schweiz AG sind im Langzeit-verhalten stabil. Dass heisst, sie zeigen keine Änderung der Verlustleistung, die eine Korrektur der anzulegenden Prüf-spannungen Uc* und Ur* nötig machen.

5 Prüfungen



ArbeitsprüfungenAbleiter müssen den kombinierten Beanspruchungen im Betrieb widerstehen, wie sie in der Arbeitsprüfung nach-gewiesen werden. Diese Belastungen dürfen zu keinem Schaden oder thermischen Versagen führen.Bei 10-kA-Ableitern der Leitungsentladungsklasse 1 (und Ableitern ohne Leitungsentladungsklasse) wird dies durch die Arbeitsprüfung mit Hochstossstrom nachgewiesen. Die ther-mische Belastung wird also durch einen spezifizierten Stoss-strom eingebracht.Bei 10-kA-Ableitern der Leitungsentladungsklassen 2 und 3 sowie 20-kA-Ableitern der Leitungsentladungsklassen 4 und 5 wird dies durch die Arbeitsprüfung mit Rechteckstossstrom nachgewiesen. Hier wird die einzubringende Energie ent-sprechend der Leitungsentladungsklasse für jeden Ableiter berechnet.Der Ableiter hat die Prüfung bestanden, wenn thermische Stabilität erreicht wurde, die Restspannung sich vor und nach der Prüfung um nicht mehr als 5 % verändert hat sowie die Kontrolle der Prüflinge keinen Durchschlag, Überschlag, Riss oder keine andere deutliche Beschädigung der nichtli-nearen Metalloxidwiderstände ergibt.Die Arbeitsprüfung wird an elektrisch-thermisch äquivalenten Modellen eines Ableiters durchgeführt. Bei Mittelspannungs-ableitern kann, sofern die Laboranlagen entsprechend aus-gelegt sind, die Arbeitsprüfung auch an kompletten Ableitern durchgeführt werden.

Nachweis der Wechselspannungs-Zeit-Kennlinie (TOV-Kurve)Für die experimentelle Ermittlung der TOV-Kurve wird der letzte Teil der jeweiligen Arbeits prüfung wiederholt. Anstelle der Bemessungsspannung Ur* wird nach der Energieeingabe und vor der Spannung Uc* eine in Höhe und Zeitdauer varia-ble Wechselspannung U angelegt. Es wird als ausreichend betrachtet, drei Punkte der TOV-Kurve experimentell zu über-prüfen.

KurzschlussprüfungenÜberspannungsableiter dürfen im Überlastungsfall nicht heftig zerbersten. Dies ist durch eine Kurzschlussprüfung nachzuweisen. Die Art der Einleitung des Kurzschlusses im Ableiter ist von der Konstruktion des Ableiters abhängig. Komplett vergossene Mittelspannungsableiter werden elekt-risch vorgeschädigt bzw. durch Anlegen einer erhöhten Spannung niederohmig gemacht und dann an den eigentli-chen Prüfkreis angeschlossen, sodass sich der Kurzschluss von selbst im Ableiter entwickelt. Dies ist eine Überlastungs-form, die sehr nah an die tatsächlichen Vorgänge bei einer Überlastung eines Ableiters im Netz herankommt.Die für einen Ableiter zulässigen Kurzschlussströme werden vom Hersteller angegeben.

Prüfung der inneren TeilentladungenDie Prüfung ist am längsten Ableiter durchzuführen. Neben möglichen inneren Teilentladungen werden bei komplett ver-gossenen Ableitern hauptsächlich eventuelle unzureichende Kontaktübergänge detektiert.

Prüfung des BiegemomentsDiese Prüfung weist nach, dass der Ableiter den vom Her-steller genannten Werten für Biegebelastungen standhält. Üblicherweise ist ein Ableiter nicht für Torsionsbeanspruchun-gen ausgelegt. Wird ein Ableiter auf Torsion beansprucht, kann in Absprache zwischen Hersteller und Anwender eine besondere Prüfung erforderlich sein.Die für Ableiter zulässigen mechanischen Belas tungen wer-den vom Hersteller angegeben.



FeuchtigkeitseindringprüfungDiese Prüfung ist eine Dichtigkeitsprüfung des kompletten Ableiters. Sie besteht aus einer thermomechanischen Vor-beanspruchung, bei welcher der Ableiter in unterschiedlichen Richtungen bei unterschiedlichen Temperaturen mechanisch belastet wird. Anschliessend wird der komplette Ableiter in siedendem Wasser für 42 Stunden gelagert. Auf die Wasser-lagerung folgt eine Funktionsprüfung, und die dabei gemes-senen Werte werden mit den Eingangsmessungen ver-glichen.

Alterungsprüfung durch BewitterungEs gibt zwei beschriebene Prüfreihen: • Bei Prüfreihe A ist eine Salznebelprüfung von 1000 h Dauer

gefordert. Die Prüfung muss an dem höchsten Teilableiter mit dem niedrigsten spezifischen Kriechweg durchgeführt werden. Bei Mittelspannungsableitern kann in der Regel der grösste Ableiter getestet werden.

Im Falle extremer Umgebungsbedingungen (starke Sonnen-einstrahlung, hohe Verschmutzung, Temperatur- und Feuchtig-keitsschwankungen etc.) und auf Vereinbarung zwischen Hersteller und Anwender kann eine Prüfung nach Prüfreihe B durchgeführt werden: • Prüfreihe B beinhaltet eine zyklische Belastung mit – Sonneneinstrahlung (UV-Belastung) – Beregnung – trockener Wärme – feuchter Wärme (nahe dem Sättigungspunkt) – hoher Feuchtigkeit bei Raumtemperatur – SalznebelEin Zyklus dauert jeweils 24 h, die gesamte Prüfzeit hat eine Dauer von 5000 h. Die Prüfungen gelten als bestanden, wenn keine leitfähigen Kriechspuren auftreten, wenn Erosionen nicht bis zur darun-ter liegenden Schicht vorgedrungen sind, wenn Schirme und Strunk keine Durchschläge oder Löcher zeigen und sich die elektrische Charakteristik nicht wesentlich verändert hat. Aufgrund der dynamischen Hydrophobie von Silikonisolationen ist der 5000-h-Zyklus für Ableiter mit Silikongehäuse problem-los zu bestehen.



5.2 Stückprüfungen

Stückprüfungen werden an jedem Ableiter oder an Teilen von ihm (z. B. an MO-Widerständen) durchgeführt. Entsprechend IEC ist mindestens durchzuführen:

Messung der ReferenzspannungBei vom Hersteller angegebenem Referenzstrom wird die Referenzspannung gemessen. Die Mess werte müssen in dem vom Hersteller angegebenen Toleranzbereich liegen. Diese Messung wird bei ABB an jedem MO-Widerstand und an jedem Ableiter durchgeführt.

Prüfung der Restspannung An jedem MO-Widerstand wird die Restspannung bei einem Blitzstossstrom mit einem Scheitelwert von 10 kA bei einer Anstiegszeit des Stroms von 8 µs gemessen. Die Rest-spannungen der in einem Ableiter eingebauten Widerstände können direkt addiert werden und ergeben in der Summe die Restspannung des Ableiters.

Prüfung der inneren TeilentladungenDiese Prüfung auf innere Teilentladungen und Kontaktstörun-gen wird an jedem Teilableiter durchgeführt. Bei Mittel-spannungsableitern wird in der Regel der komplette Ableiter geprüft. Diese Prüfung wird bei 1,05 × Uc durchgeführt. Der gemessene Wert für die inneren Teilent ladungen darf ent-sprechend IEC 10 pC nicht übersteigen. Die internen Vor-gaben der ABB Schweiz AG fordern einen Wert von ≤ 5 pC, also praktisch Teilentladungsfreiheit. Bei dieser Prüfung kann der Ableiter gegen äussere Teil ent ladungen abgeschirmt werden.

DichtigkeitsprüfungMit dieser Prüfung wird nachgewiesen, dass eine Ableiter-konstruktion dicht ist. Es ist vom Hersteller ein ausreichend empfindliches Verfahren zu wählen. Bei direkt und vollständig in Silikon vergossenen Ableitern ist diese Prüfung nicht anwendbar.

StromaufteilungsprüfungBei MO-Ableitern mit mehreren parallelen MO-Widerständen oder MO-Säulen ist eine Stromaufteilungsprüfung durchzu-führen. Bei einsäuligen Ableitern entfällt diese Prüfung natür-lich.

Zusätzlich zu den von IEC als Minimum vorgegebenen Stück-prüfungen werden bei ABB Schweiz AG zusätzliche Stück-prüfungen zur Sicherstellung der Qualität an MO-Widerstän-den und Ableitern durchgeführt. Sie umfassen die• Messung des totalen Leckstroms an jedem Ableiter bei Uc; • regelmässige Messung der Verlustleistung an MO-Wider-

ständen und Ableitern;• Überprüfung der Energieaufnahmefähigkeit der MO-Wider-

stände mit Stossströmen;• reduzierte zeitraffende Alterungsprüfung an einigen MO-

Widerständen aus jedem Fertigungslos.



5.3 Abnahmeprüfungen

Als Standard-Abnahmeprüfungen werden durchgeführt:• Messung der Referenzspannung am Ableiter• Messung der Restspannung am Ableiter oder an der

Ableitereinheit• Prüfung der inneren Teilentladungen Abnahmeprüfungen sind bei der Bestellung zu vereinbaren. Die Prüfungen werden durchgeführt an einer Anzahl der zu liefernden Ableiter, die sich aus der dritten Wurzel der zu liefernden Ableiter, ganzzahlig nach unten abgerundet, ergibt. Der Nachweis der thermischen Stabilität eines Ableiters im Rahmen einer Abnahmeprüfung erfordert zusätzliche Ver-einbarungen zwischen Hersteller und Anwender und ist bei der Bestellung ausdrücklich anzugeben. Dies, weil der Nach-weis der thermischen Stabilität bedeutet, dass ein Teil der Arbeitsprüfung durchgeführt werden muss. Das ist auf-wändig und kann nur in entsprechend ausgerüsteten Labo-ren durchgeführt werden, die rechtzeitig reserviert werden müssen.

5.4 Sonderprüfungen

Im Rahmen der Entwicklung der Ableiter wurden in Zusam-menarbeit mit Anwendern und wissenschaftlichen Instituten weitere Prüfungen durchgeführt, um das Verhalten von MO-Ableitern mit Silikongehäuse auch unter extremen Bedin-gungen zu untersuchen [2].

TemperaturzyklenDie Konstruktion und auch die verwendeten Materialien der MO-Ableiter der ABB Schweiz AG vertragen Temperaturen bis zu −60 °C und extreme Temperaturwechsel zwischen −40 °C und +40 °C ohne Veränderung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Zyklische Vereisungen haben gezeigt, dass die Konstruktion der Ableiter und insbesondere die Oberfläche des Silikons nicht durch die Eisbildung beein-trächtigt werden.

FeuchtigkeitsprüfungenLangzeitversuche mit Prüfdauern von bis zu über zwei Jah-ren, in denen die Ableiter einer relativen Luftfeuchte von über 90 % und regelmässiger Beregnung ausgesetzt waren, zeigen, dass das elektrische Verhalten direkt mit Silikon vergossener Ableiter nicht durch eindringende Feuchtigkeit beeinflusst wird.

BrandverhaltenSilikon ist ein selbstlöschendes Material. Wird es durch eine Flamme oder einen Lichtbogen entzündet, verlöscht das brennende Silikon ungefähr eine Minute nach Entfernen oder Abschalten der Brandursache von selbst. Zurück bleibt an der Brandstelle ungiftiges, verbranntes Silikon, was nichts anderes ist als feiner Quarzsand. Rauchgasanalysen haben gezeigt, dass beim Brennen keine toxischen Stoffe entstehen.



Die Art der Sternpunktbehandlung hat wesent lichen Einfluss auf die Grösse der bei Fehlern mit Erdberührung auftreten-den Ströme, auf betriebsfrequente Spannungserhöhungen und transiente Überspannungen. Einpolige Fehler (Erd-schlüsse, Erdkurzschlüsse) sind die häu figsten Fehler in Mit-tel- und Hochspannungs netzen. Kleine Ströme an der Fehlerstelle sind in der Regel mit hohen und lange anstehenden temporären Überspannungen der nicht fehlerbehafteten Leiter verbunden. Dies ist der Fall bei Netzen mit isoliertem Sternpunkt oder Erdschlusskompen-sation. In Netzen mit niederohmiger Sternpunkterdung wird der einpolige Erdschluss vom Netzschutz erfasst und schnell ausgeschaltet. Siehe auch [12].

Ein Netz gilt als wirksam geerdet, wenn der Erdfehlerfaktor k an keiner Stelle des Netzes den Wert 1,4 überschreitet. Dies ist in Netzen der Fall, die als starr oder direkt geerdet bezeichnet werden. Ist der Erdfehlerfaktor an einer beliebi-gen Stelle des Netzes grösser als 1,4, gilt das Netz als nicht wirksam geerdet. In solchen Netzen ist der Sternpunkt iso-liert (auch als offen bezeichnet) oder kompensiert. Im Folgen-den sind die unterschiedlichen Sternpunktbehandlungen kurz erläutert und die für die Auswahl der MO-Ableiter wichtigen Grössen angegeben.

6 Sternpunktbehandlung in Mittelspannungsnetzen




UMp-E = 0 ULE

ULL = UsULE

ULL

L1

L2

L2

L3

Trafo

Mp

iL1

L3

Bild 20: Prinzipdarstellung eines Mittelspannungstrans formators in Sternschaltung mit offenem Sternpunkt (Mp). Angegeben sind

die Span nungen und Ströme bei symmetrischer Belastung, d. h. im ungestörten Betriebsfall. Die Spannungen ULE sind alle gleich gross.

Die Spannung des Sternpunkts UMp-E gegen Erde ist null. Zur Veranschau lichung ist rechts das Spannungsdreieck angegeben.



6.1 Netze mit isoliertem Sternpunkt

Dies sind in der Regel Netze mit geringer Ausdehnung oder Eigenbedarfsanlagen von Kraftwerken. Im Fehlerfall fliesst ein kapazitiver Erdschlussstrom ICe von ungefähr 5 A bis 30 A. Der Erdfehlerfaktor ist

k ≈ √3

Bei intermittierenden Erdschlüssen kann der Erdfehlerfaktor bis zu k = 1,9 betragen. Die Fehlerdauer liegt zwischen eini-gen Minuten und einigen Stunden.

6.2 Netze mit Erdschlusskompensation

Dies sind meistens Freileitungsnetze mit Netzspannungen von 10 kV bis 110 kV. In diesen Netzen werden ein oder meh-rere Transformatorsternpunkte über Erdschlusslöschspulen (Petersenspulen) sehr hochohmig geerdet. Im Fehlerfall fliesst ein Erdschlussreststrom IRest von ungefähr 5 A bis zu 60 A.Der Erdfehlerfaktor beträgt

k ≈ (1,0 … 1,1) × √3

Bei ungünstigen Bedingungen, zum Beispiel intermittieren-den Erdschlüssen, kann ein Wert von 1,9 erreicht werden. Wie im Netz mit isoliertem Sternpunkt ist auch hier von Fehlerdauern von einigen Minuten bis zu mehreren Stunden auszugehen.

Bild 21: In dem in Bild 20 dargestellten System tritt ein einpoliger Erdfehler auf, d. h. der Leiter L3 hat Erdberührung. Die Spannung UL3-E

geht gegen null, die Spannungen UL1-E und UL2-E gehen auf den Wert der Systemspannung Us, wie in dem Spannungsdreieck (rechts)

dargestellt. Der Sternpunkt des Transformators hat die Spannung UMp-E = Us //√3. Der Erdschlussstrom ICe wird bestimmt durch die Kapazi-

täten Ck der Leiter L1 und L2 gegen die umgebende Erde.




UMp-E = ULE

Ck

U = Us = √3 × ULE

ICe ≤ 30A

U = 0

Trafo

Mp

ICe

RE

UL1-E UL2-E

UMp-E

ULL= Us

L1 L2L1

L2

L3

L3

i

ICe



6.3 Netze mit niederohmiger Sternpunkt erdung

Ein Netz mit niederohmiger Sternpunkterdung liegt dann vor, wenn der Sternpunkt eines oder mehrerer Transformatoren unmittelbar oder über strombegrenzende Impedanzen ge-erdet ist. Der Netzschutz ist so ausgebildet, dass es auch bei einem einpoligen Fehler mit Erdberührung an beliebiger Stelle im Netz zu einer selbsttätigen Ausschaltung kommen muss. Dies sind typischerweise Kabelnetze in Städten mit Netzspannungen von 10 kV bis 110 kV. Im Fehlerfall fliesst ein Erdkurzschlussstrom Ik, was zu einer Schnellausschaltung führt. Die Fehlerdauer wird in der Regel auf Tk < 0,5 s begrenzt. Wenn nicht anders festgelegt, ist in Mittelspannungsnetzen mit niederohmiger Sternpunkterdung mit einer maximalen Fehlerdauer von 3 s zu rechnen. Der Erdfehlerfaktor ist

k = (0,8 … 1,0) × √3

Man unterscheidet bei der niederohmigen Sternpunkterdung zwischen induktiver Erdung (Erdungsdrossel) und resistiver Erdung (Erdungswiderstand). Bei einpoligen Fehlern mit resistiver Strombegrenzung können Erdfehlerfaktoren von k = 2,0 auftreten.

Der Fehlerstrom beträgt zwischen 500 A und 2000 A. Die Fehlerzeiten liegen im Bereich von wenigen Sekunden. Ein besonderer Fall der niederohmigen Sternpunkterdung ist die so genannte starre oder direkte Sternpunkterdung. Dies wird prinzipiell in allen Netzen mit Netzspannungen von 220 kV und darüber angestrebt, ist aber auch in Mittelspan-nungsnetzen zu finden. Hier ist der Erdfehlerfaktor

k = (0,75 … ≤ 0,8) × √3, also k ≤ 1,4

Der Kurzschlussstrom beträgt in Mittelspannungsnetzen bis zu IK = 20 kA, und dementsprechend wird der Fehler spätes-tens nach 0,5 Sekunden weggeschaltet.

Bild 22: Hier ist ein Netz mit Erdschlusskompensation dargestellt. Der Sternpunkt Mp des Transformators ist über eine Erdschluss-

löschspule L (Petersenspule) hochohmig geerdet. Tritt ein einpoliger Erdfehler auf, ergeben sich die Spannungsverhältnisse wie in Bild 21.

Der Fehlerstrom kann über die Induktivität L ins Netz zurückfliessen. Der Erd schlussreststrom IRest ergibt sich aus den entgegengesetzt

gerichteten Strömen IC und IL.




RE RE

Ck

U = UsU = 0

Mp

LIC

L1

L2

L3

i

IRestIL

Trafo

IRest = Ic − IL ≤ 60A

L1 L2

L3

UL1-E UL2-E

UMp-E

ULL= Us



Bild 23: Der Sternpunkt des Transformators ist über einen ohmschen Erdungswiderstand niederohmig geerdet. Der Erdkurzschlussstrom Ik

kann im Fall eines Erdschlusses direkt über den ohmschen Widerstand ins Netz fliessen.



Linie innen: 0.35 pt, gepunkteti

L1 L2

L3

Trafo

Mp

R

RE

L1

L2

L3

Ik

Ik = 500… 2000A

U =

√3 × ULE

U = 0

UL1-E UL2-E

UMp-E

ULL = Us

Bild 24: Eine weitere Möglichkeit der niederohmigen Sternpunkterdung ist die Erdung des Sternpunkts über eine Erdungsdrossel.

Auch in diesem Fall fliesst der Erdkurzschlussstrom Ik durch die Fehlerstelle über die Erdungsdrossel direkt ins Netz zurück, ähnlich wie im

Fall gezeigt in Bild 23. Erdungsdrosseln können maximal 3 s belastet werden, daher muss bei nieder ohmiger induktiver Erdung das Netz

spätestens nach 3 s ab geschaltet werden.




UL1-E UL2-E

UMp-E

ULL = Us

U =

√3 × ULE

U = 0

Trafo

Mp

L

RE

L1

L2

L3

Ik

Ik = 500… 2000A

i

L1 L2

L3

Bild 25: Ist der Sternpunkt des Transformators direkt (oder starr) geerdet, fliesst bei Auftreten eines Kurzschlusses sofort ein sehr hoher

Kurzschlussstrom, und der Fehler wird sofort (t ≤ 0,5 s) weg geschaltet.




UL1-E UL2-E

UMp-E

ULL = Us

U =

√3 × ULE

U = 0

Trafo

Mp

RE

L1

L2

L3

IK

Ik ≤ 20 kA

i

L1 L2

L3

IK



7.1 Bestimmung der Dauerspannung Uc

Damit der Ableiter den Anforderungen des Netzbetriebs genügt, ist bei der Wahl seiner Dauerspannung Uc dafür zu sorgen, dass er in keinem Fall aufgrund netzfrequenter Spannungen überlastet werden kann. Die Dauerspannung Uc des Ableiters ist also so zu wählen, dass der Ableiter weder durch die dauernd anliegende, vom Netz gegebene Span-nung noch durch auftretende temporäre Überspannungen in einen instabilen Zustand kommen kann. Für die Wahl von Uc eines Ableiters im Drehstromnetz ist in erster Linie sein Einsatzort mass gebend: zwischen Leiter und Erde, zwischen dem Sternpunkt und Erde oder zwischen zwei Aussenleitern. Die höchste stationäre Spannung an den Anschlüssen des Ableiters lässt sich mit der höchs ten Systemspannung Us berechnen. In Mittelspannungsnetzen sind besonders die möglichen temporären Überspannungen UTOV zu berücksichtigen. Sie treten bei Erdschlüssen auf und sind von der Behandlung des Sternpunkts der Transformatoren und der Betriebsfüh-rung des Netzes abhängig. Damit ergibt sich allgemein die Forderung für die Dauerspan-nung

Uc ≥ UTOV

T(t)

In Mittelspannungsnetzen sind die Isolationshaltewerte bezo-gen auf die Systemspannung in der Regel recht hoch, siehe Tabelle 7. Das bedeutet, dass der Abstand zwischen der Bemessungs-Blitzstossspannung LIWV und der Rest-spannung Ures eines MO-Ableiters immer ausreichend gross ist. Andererseits sind Netzverhältnisse und die maximale Systemspannung Us nicht immer eindeutig bekannt. Darum ist es sinnvoll, die Dauerspannung Uc eines MO-Ablei-ters immer etwas höher zu wählen als den berechneten mini-mal erforderlichen Wert. Diese «Reserve» trägt zu einem sicheren und zuverlässigen Netzbetrieb bei. Sprechen nicht technische Gründe ausdrücklich dagegen, ist eine Sicher-heitsmarge von 10 % oder mehr bei der Wahl von Uc zu emp-fehlen.

Die Stabilität des Ableiters im Netz ist immer vorzuziehen gegenüber einem voll ausgenutzten Schutzpegel.

Eine Überprüfung der Restspannung des gewählten Ableiters und gegebenenfalls die sich ergebende Schutzdistanz sind allerdings in jedem Fall nötig.

7 Auswahl der Ableiter



7.1.1 Netze mit isoliertem Sternpunkt oder Erdschlusskompensation

Unter Erdschlussbedingungen steigt die Spannung an den «gesunden» Leitern höchstens auf Us an. Damit ergibt sich

Uc ≥ Us

für den Ableiter zwischen Leiter und Erde.

Die Spannung am Sternpunkt des Transformators kann höchstens Us / √3 erreichen. Damit ergibt sich

Uc ≥ Us

√3

für den Ableiter zwischen Transformator-Sternpunkt und Erde.In jedem Netz sind Induktivitäten und Kapazitäten vorhan-den, welche zusammen Schwingkreise bilden können. Liegt deren Frequenz in der Nähe der Betriebsfrequenz des Netzes, so könnte bei einpoligem Erdschluss die Spannung zwischen Leiter und Erde grundsätzlich höher als Us werden. Der Netzbetreiber ist bemüht, solche Resonanzerscheinun-gen zu vermeiden. Gelingt dies nicht, ist Uc entsprechend zu erhöhen. In Netzen mit Erdschlusskompensation kann unter ungüns-tigen Umständen der Erdfehlerfaktor einen Wert von 1,9 annehmen. Dies ist mit einer Erhöhung der Dauerspannung um 10 % zu berücksichtigen.

7.1.2 Netze mit hochohmig isoliertem Sternpunkt und Erdschlussabschaltung

Im Fall eines Erdfehlers ergeben sich die gleichen Spannun-gen wie unter 7.1.1. Durch eine gezielte, möglichst schnelle Abschaltung des Erdschlusses kann jedoch die Dauerspan-nung Uc des Ableiters um den Faktor T verkleinert werden. Es ist natürlich ausschlaggebend, dass sowohl die Höhe der möglichen temporären Überspannung wie auch die maximale Abschaltzeit des Erdfehlers bekannt sind. Unter Ausnutzung der TOV-Kurve ergibt sich damit

Uc ≥ Us

T

für den Ableiter zwischen Leiter und Erde,

Uc ≥ Us

T × √3

für den Ableiter zwischen Transformator-Sternpunkt und Erde.



7.1.3 Netze mit niederohmiger bzw. direkter Sternpunkterdung (k ≤ 1,4)

In solchen Netzen sind mindestens so viele Transformatoren im Sternpunkt niederohmig geerdet, dass bei Erdschlüssen die Leiterspannung im ganzen Netz nie über 1,4 p. u. ansteigt (Erdfehlerfaktor k ≤ 1,4). Daher ist UTOV ≤ 1,4 × Us / √3. Es darf davon ausgegangen werden, dass die Abschaltzeit des Erdschlusses höchs tens t = 3 s beträgt. Mit der in Bild 19 gezeigten TOV-Kurve für den Ableiter MWK ergibt sich T = 1,28, sodass geschrieben werden kann

Uc ≥ k × Us

T × √3 =

1,4 × Us

1,28 × √3 =

1,1 × Us

√3

für Ableiter zwischen Leiter und Erde.Diese einfache Beziehung kann allgemein für Netze mit direkt geerdetem Sternpunkt angewendet werden. Die Spannung an den Sternpunkten der geerdeten Transfor-matoren erreicht höchstens UTOV = 0,4 × Us. Damit ergibt sich

Uc ≥ 0,4 × Us

1,28 = 0,32 × Us

für Ableiter zwischen Transformator-Sternpunkt und Erde.

7.1.4 Netze mit niederohmig geerdeten Sternpunkten, aber nicht überall k ≤ 1,4

Für Ableiter in der Nähe des im Sternpunkt geerdeten Trans-formators kann Uc entsprechend Kapitel 7.1.3 gewählt wer-den, da hier k ≤ 1,4 zutrifft. Sind die Ableiter aber einige Kilometer vom Transformator entfernt, zum Beispiel bei einem entfernten Übergang von einer Freileitung zu einem Kabel, dann ist Vorsicht geboten. Bei hohen Erdungswiderständen aufgrund ausgetrockneten oder felsigen Erdreichs (zum Beispiel in Wüstengegenden und Gebirgen) kann es dazu kommen, dass am Ort des Ableiters die Leitererdspannung in die Nähe der Systemspannung Us kommt. In diesem Fall sollte wie unter 7.1.2 vorgegangen werden, mit

Uc ≥ Us

T

Unter extrem schlechten Erdungsbedingungen kann es aus-serdem vorkommen, dass der Fehlerstrom im Fall eines Erdfehlers so klein ist, dass keine automatische Abschaltung erfolgt. In solchen Fällen ist es vorzuziehen, das Uc für die Ableiter gleich der Systemspannung zu wählen, also

Uc ≥ Us

Bild 26: Überspannungsschutz zwischen den Leitern und zwischen Leiter und Erde. T ist der zu schützende Transformator.




Uc −≥ Us

Uc −≥ Us

L1

L2

L3

L1

L2

L3

T T

A1 A2

A4

A3

Uc −≥ 0,667 × Us

a) 6-Ableiter-Schaltung mit Uc ≥ Us für alle Ableiter. b) Neptunschaltung. A1, A2, A3 und A4 sind 4 gleiche Ableiter

mit je Uc ≥ 0,667 × Us.



7.1.5 Netze mit niederohmiger Sternpunkterdung und k > 1,4

Dies betrifft Netze, die mit einer Impedanz geerdet sind, damit der Fehlerstrom auf beispielsweise 2 kA begrenzt wird. Im Erdschlussfall steigt die Spannung in den «gesunden» Leitern bis auf Us. Bei rein ohmscher Sternpunkterdung kann die Spannung auch 5 % höher als Us sein. Geht man von einer automatischen Abschaltzeit von höchstens 10 Sekun-den aus, dann kann T = 1,25 gewählt werden, und es ergibt sich

Uc ≥ 1,05 × Us

T = 0,84 × Us

7.1.6 Ableiter zwischen den Leitern

7.1.6.1 6-Ableiter-SchaltungIn speziellen Fällen, wie zum Beispiel bei Transformatoren von Lichtbogenöfen, treten Schaltüberspannungen auf, die durch die Ableiter zwischen Leiter und Erde nur ungenügend begrenzt werden. In diesen Fällen sind zusätzlich Ableiter zwischen den Leitern einzusetzen, mit

Uc ≥ Us

für die Ableiter zwischen den Leitern. Der Schutz besteht dann aus insgesamt sechs Ableitern, drei zwischen den Leitern und der Erde und drei zwischen den Leitern (6-Ableiter-Schaltung), siehe Bild 26.

7.1.6.2 NeptunschaltungEine Abwandlung der 6-Ableiter-Schaltung ist eine Schal-tung, die wegen der Anordnung der Ableiter «Neptunschal-tung» genannt wird. Sie besteht aus vier gleichen Ableitern. Zwischen Leiter und Erde sowie zwischen den Leitern sind jeweils zwei Ableiter in Reihe geschaltet, wie in Bild 26 gezeigt. Diese Anordnung liefert daher einen Überspannungs-schutz sowohl zwischen den Leitern wie auch zwischen Leiter und Erde. Sie hat aber einen wesentlichen Nachteil gegenüber der 6-Ableiter-Schaltung: Bei einem Erdschluss zum Beispiel der Leitung 1 sind die Ableiter A1 und A4 paral-lel geschaltet. Da sich die Ableiter bei Dauerspannung kapa-zitiv verhalten, bilden alle 4 Ableiter ein unsymmetrisches kapazitives System. Dies hat zur Folge, dass die Spannung an den Ableitern A2 und A3 den Wert 0,667 × Us erreicht. Alle 4 Ableiter sind daher für

Uc ≥ 0,667 × Us

auszulegen.

Das Schutzniveau dieser Schaltung, bei der immer zwei Ableiter in Reihe liegen, entspricht also dem eines Ableiters mit Uc ≥ 1,334 × Us. Die Restspannung dieser Ableiter-kombination ist damit also auch 33 % höher als diejenige der 6-Ableiter-Schaltung.

7.1.7 Betriebsspannung mit Ober schwingungenOberwellenströme erzeugen in der betriebs frequenten Span-nung Oberschwingungen. Deshalb kann der Scheitelwert der verketteten Spannung Us unter Umständen grösser als √2 × Us sein. Liegt dieser Unterschied unterhalb 5 %, dann ist Uc entsprechend zu erhöhen. Ist hin gegen die Spannungs-erhöhung infolge der Oberwellen grösser als 5 %, so sollte die Wahl von Uc mit dem Ableiterhersteller abgesprochen werden. Dasselbe gilt für Spannungsformen, die oft in der Nähe von Thyristorventilen beobachtet werden können: Spannungssprünge, Zündspitzen, Unsymmetrien in den beiden Halb perioden. Mit hoher Wiederholrate auftretende Kommutierungsspitzen oder andere Überspannungsspitzen, wie sie typisch sind für Antriebe und Umrichter, können in der Regel nicht mit funkenstreckenlosen MO-Ableitern begrenzt werden, da dies keine klassische Ableiteranwendung ist. In solchen Fällen sind besondere Auslegungs kriterien zu beachten. Dies macht eine enge Zusammenarbeit zwischen Hersteller und Anwender nötig.



7.2 Auswahl von Nenn-Ableitstossstrom und Leitungsentladungsklasse

Der Nenn-Ableitstossstrom In dient der Klassifizierung der MO-Ableiter. IEC 60099-4 gibt fünf verschiedene Werte an, die jeweils unterschiedlichen Bereichen der Bemessungs-spannung Ur zugeordnet sind. Der Zahlenwert alleine sagt allerdings nichts über die Betriebseigenschaften eines Ab leiters aus. So kann zum Beispiel ein 10-kA-Ableiter ohne Weiteres bedeutend höhere Blitzstossströme ableiten, ohne Schaden zu nehmen. Die eigentliche Bedeutung dieser Klassifizierung liegt darin, dass abhängig von der Klasse unterschiedliche weitere Anforderungen und Prüfbedingun-gen spezifiziert sind.Bei Mittelspannungsableitern kommen haupt sächlich 5-kA- und 10-kA-Ableiter zum Einsatz. Den Nenn-Ableitstoss-strömen In sind Hochstoss ströme Ihc zugeordnet, wie in Tabelle 1 gezeigt. Weiterhin ist in der Tabelle auch jeweils die Leitungsentladungsklasse angegeben. Mit dem Nenn-Ableitstossstrom und der Leitungsentladungsklasse ist nun-mehr auch eindeutig die durchzuführende Arbeitsprüfung festgelegt. Bei 5-kA-Ableitern und 10-kA-Ableitern mit Leitungsentla-dungsklasse 1 wird die Energie zum Nachweis der thermi-schen Stabilität in der Arbeitsprüfung mit einem Hochstoss-strom von 65 kA bzw. 100 kA eingebracht. Es wird also ein Strom vorgegeben und eingeprägt und nicht eine Energie spezifiziert. Die beiden Klassen 10 kA und 20 kA unterscheiden sich hauptsächlich dadurch, welche Leitungsentladungsklassen ihnen zugeordnet werden. Bei 10-kA-Ableitern sind es die Klassen 1 bis 3 und bei 20-kA-Ableitern die Klassen 4 und 5. Entsprechend der Leitungsentladungsklasse muss die Ener-gie berechnet werden, die in der Arbeitsprüfung zum Nach-weis der thermischen Stabilität mit zwei Rechteckstoss-strömen eingebracht werden muss. In diesem Fall wird also die entsprechend einer Leitungsentladungsklasse einzubrin-gende Energie spezifiziert.

Mit steigender Leitungsentladungsklasse steigt auch die ein-zubringende Energie. Es zeigt sich also, dass MO-Ableiter mit In = 10 kA wie auch mit In =20 kA jeweils sehr unterschiedliche Betriebseigen-schaften haben können. Die Klassifizierung eines MO-Ableiters erfolgt also nicht alleine durch den Nenn-Ableit stossstrom In, sondern vielmehr durch die Kombination aus In und Leitungs-entladungsklasse. Es ist für die Spezifizierung eines MO-Ableiters ausreichend, den Nenn-Ableitstossstrom In und die Leitungsentladungs-klasse vorzugeben. Weitere zusätzliche Forderungen wie bestimmte Energien oder Ströme führen zwangsweise zu einer Überbestimmung und sogar zu Widersprüchen.

Verschmutzungsgrad Kleinster empfohlener Mögliche Reduktion des

Kriechweg in mm/kV* Kriechwegs bei Silikonisolation

I LEICHT 16 30 %

II MITTEL 20 20 %

III STARK 25 keine Reduktion empfohlen

IV SEHR STARK 31 keine Reduktion

* Nach IEC 815 kleinster Nennkriech weg für Isolatoren zwischen Leiter und Erde, bezogen auf die höchste Spannung für Betriebsmittel (Leiter gegen Leiter).

Tabelle 6: Zuordnung Ver schmutzungsgrad und Kriechweg



7.3 Auswahl des Ableitergehäuses

Wie bereits erwähnt, wird heutzutage fast ausschliesslich Silikon oder EPDM als Gehäusematerial für Mittelspannungs-ableiter verwendet. Silikon setzt sich aufgrund des hervorra-genden Isolationsverhaltens besonders bei Verschmutzung immer mehr durch. Die Auswahl des Gehäuses für MO-Ableiter in Mittelspan-nungsnetzen ist unkritisch. Zu beachten sind die Schlagweite (auch Fadenmass genannt) des Ableitergehäuses und der Kriechweg entlang der Oberfläche des Gehäuses. Die mindeste Schlagweite des Gehäuses ist gegeben durch die in der Spannungsprüfung der Ableitergehäuse nach-zuweisenden Haltewerte bei Blitzstossspannung und der ein minütigen Wechselspannungsprüfung. Die Höhe der anzulegenden Prüfspannung ist bezogen auf die Schutz-charakteristik der MO-Ableiter. Bei der Prüfung mit Blitzstossspannung muss die Prüf-spannung das 1,3-Fache der Restspannung des Ableiters bei In sein. Gehäuse für 10-kA- und 20-kA-Ableiter mit einer Bemessungsspannung Ur < 200 kV, also alle Mittelspan-nungsableiter, müssen eine Wechselspannungsprüfung mit einem Scheitelwert der Prüfspannung vom 1,06-Fachen des Schutzpegels für Schaltüberspannungen für eine Minute überstehen.Die sich ergebenden Werte für die Ableitergehäuse sind in der Regel geringer als die Isolationshaltewerte für Isolierun-gen von Geräten und Installationen. Dies ist vernünftig, da die Spannung am Ableiter durch die Spannungs-Strom-Kennlinie des Aktivteils gegeben ist und der Ableiter natürlich sein eigenes Gehäuse gegen Überspannungen schützt. Die tatsächlich nachgewiesenen Haltewerte der Gehäuse sind meist höher als die nach IEC geforderten Mindestwerte, besonders bei Ableitern für die unteren Spannungsebenen.Bei Verschmutzung ist das Verhalten der äusseren Isolierung gegenüber der Betriebswechselspannung wichtig und bestimmt somit den Kriechweg. In IEC 507 [14] und IEC 815 [15] sind Verschmutzungsklassen und zugeordnete spezi-fische Kriechstrecken gegeben, siehe Tabelle 6. Die Tabelle kann eigentlich nur für Glas- und Porzellanisolatoren an-gewendet werden. Sie wird hier trotzdem gezeigt, weil in vielen Spezifikationen Kriechwege angegeben oder gefragt werden und es noch keine entsprechenden Werte für Polymer isola tionen gibt.Für Kunststoffe mit regenerierender Hydrophobie wie Silikon lassen sich aber Reduktionen des Kriechwegs gegenüber keramischen Isolatoren angeben [16]. Diese Reduktionen sind in Tabelle 6 mit aufgeführt. Bei Kunststoffen mit dauerhaftem Hydrophobieverlust wie zum Beispiel EPDM müssen die gleichen Kriechwege zugrunde gelegt werden wie bei keramischen Isolatoren.

Anmerkung: Da Verschmutzungsprobleme und -überschläge immer an die am Ableiter tatsächlich anliegende Wechsel-spannung geknüpft sind, wird der Kriechweg oft auf die Dauerspannung Uc bezogen angegeben. Es ist daher darauf zu achten, welche Spannung als Bezug angegeben ist.

Bei Mittelspannungsableitern sind die mecha nischen Belas-tungen in der Regel gering. Alle ABB-Mittelspannungsableiter können in erd bebengefährdeten Gebieten eingesetzt werden. Horizontale Montage ist möglich. Haben die Ableiter neben dem Eigengewicht und den normalen Wind- und Eislasten zusätzliche mechanische Belastungen auszuhalten, die die Garantiedaten übersteigen, ist mit dem Hersteller Kontakt aufzunehmen.



Ein Betriebsmittel ist umso besser gegen Blitzüberspannun-gen geschützt, je mehr seine Bemessungs-Blitzstossspan-nung (Lightning Impulse Withstand Voltage = LIWV) oberhalb der Restspannung des Ableiters bei Nenn-Ableitstossstrom In liegt.

Anmerkung: Der oft benutzte Begriff BIL für «basic lightning impulse insulation level» ist ausschliesslich in US-ameri -ka nischen Standards (IEEE/ANSI Standards) definiert. Er ist gleichzusetzen mit der Bemessungs-Blitzstossspannung LIWV gemäss der IEC-Definition.

Moderne MO-Ableiter mit einer Restspannung von Ures ≤ 3,33 × Uc (VDE-Empfehlung) bei In halten einen Wert von Upl ≤ 4 p. u. ein, selbst bei hochohmig geerdeten oder isolierten Sternpunkten. Upl ist der Blitzstoss-Schutzpegel des Ableiters [1].

Tabelle 7 gibt eine Übersicht über typische Werte.Es ist zu beachten, dass die in Datenblättern angegebenen Restspannungen Ures für die Anschlüsse des Ableiters gelten und damit nur für den Ort, an dem der Ableiter eingebaut ist. Aufgrund von Reflektionen der Überspannungen an den Enden der Leitung ist die Spannung an den zu schützenden Geräten immer höher als die Spannung direkt an den Ableiter anschlüssen. Ab einer gewissen Entfernung zwischen Ableiter und zu schützendem Gerät ist der Überspannungsschutz also nicht mehr gegeben. Unter der Schutzdistanz L wird der maximale Abstand zwischen Ableiter und dem Betriebsmittel ver-standen, bei dem dieses noch ausreichend geschützt wird.

8 Schutzdistanz von MO-Ableitern

Um in kV eff 3,6 7,2 12 17,5 24 36

LIWV in kV sw 40 60 75 95 125 170

Upl in kV sw 11,8 23,5 39,2 57,2 78,4 117,6

LIWV/Upl 3,39 2,55 1,91 1,66 1,59 1,45

Tabelle 7: Typische Werte der Bemessungs-Blitzstossspannung LIWV gemäss IEC [1] und Blitzstossschutzpegel Upl = 4 p. u.

Bild 27 a) und b): Wanderwellenvorgänge auf einer Freileitung F mit dem Wellenwiderstand ZL = 450 Ω. Am Ende der Leitung ist ein Trans-

formator angeschlossen. Vor dem Transformator befindet sich ein MO-Ableiter.




Ures = 72 kV

i

ZL = 450 ΩXAF

x

150

120

90

60

30

0

−30

−60

−90

Uv

S

Ures = 72 kV

i

ZL = 450 Ω

ZT => ∞

XAF

x

150

120

90

60

30

0

−30

−60

−90

S 2 × S

UT ≈ 72 kV U1v

UrUr

U1v

U1r

a) Eine Überspannung Uv mit der Steilheit S läuft mit der Geschwindig-

keit v = 300 m/μs über die Leitung.

An der Stelle XA ist ein Ableiter installiert mit Ures = 72 kV. Erreicht die

vorlaufende Spannung den Wert von Uv = 72 kV, begrenzt der MO-Ableiter

und hält die Spannung auf diesem Wert konstant. Durch den Ableiter

fliesst der Blitzstrom i, d. h. der Ableiter stellt jetzt näherungsweise einen

Kurzschluss dar. Dadurch wird an der Stelle XA die weiter einlaufende

Spannung negativ reflektiert (Ur). Die Spannung U1v läuft mit gleicher

Steilheit S weiter über die Leitung in Richtung Leitungsende.

b) Trifft die Wanderwelle U1v am Ort XT auf einen Transformator mit

ZT = ∞, wird sie dort positiv reflektiert. Am Ort XT baut sich eine

Spannung UT mit doppelter Steilheit S auf, die zu dem dargestellten

Zeitpunkt ungefähr 72 kV erreicht hat. Die am Transformator reflektierte

Spannung U1r läuft in Richtung Ableiter zurück.

Der Ableiter am Ort XA ist nach wie vor leitend und stellt näherungsweise

einen Kurzschluss dar, an dem alle einlaufenden Spannungen negativ

reflektiert werden.



8.1 Wanderwellenvorgänge

Spannungs- und Stromimpulse, deren zeitliche Änderung kürzer ist als die Laufzeit einer elektromagnetischen Welle auf einer Leitung, laufen als Wanderwellen über die Leitung. Das bedeutet, bei Vernachlässigung von Dämpfungen, dass ein Strom- und Spannungsimpuls in seiner Form unverändert über die Leitung läuft, also zu einem späteren Zeitpunkt an einem anderen Ort ist. Strom und Spannung sind über den Wellenwiderstand der Leitung miteinander verknüpft. Der Wellenwiderstand ergibt sich unter Vernachlässigung des ohmschen Widerstands-belags und der Ableitung durch die Isolation aus den Induk-tivitäts- und Kapazitätsbelegen der Leitung zu

Z = √L’√C’

L’ = Induktivitätsbelag in H/km

C’ = Kapazitätsbelag in F/km

Für die Betrachtung von Überspannungen sind nur die Span-nungsimpulse von Bedeutung.

Entsprechend der Wanderwellengesetze ergeben sich an Stossstellen, das heisst bei Änderung des Wellenwider-stands, Reflektionen und Brechungen. Dies bedeutet, dass an Übergängen von Freileitungen auf Kabel und an Leitungs-enden Spannungsabsenkungen oder Spannungs erhöhungen auftreten. Insbesondere an Leitungsenden, also zum Beispiel an offenen Schaltern oder Transformatoren, treten Reflek-tionen auf, die zu einer Spannungsverdoppelung führen. Die Spannungshöhe zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort der Leitung ergibt sich aus der Summe der jeweiligen Augen-blickswerte aller einzelnen Spannungswellen. Die prinzipiellen Zusammenhänge sollen in den folgenden Bildern kurz erläu-tert werden.Eine Überspannungswelle läuft die Leitung entlang und wird am Ableiter auf Ures begrenzt. Die weiter laufende Welle wird am Transformator positiv reflektiert. Am Transformator ergibt sich eine mit doppelter Steilheit auftretende Spannung. Diese Spannung läuft zurück in Richtung Ableiter. Der Ableiter leitet den Blitzstrom gegen Erde ab und kann ab diesem Zeitpunkt als Kurzschluss betrachtet werden. Bei Eintreffen der Span-nungswelle am Ableiter wird die Spannung also negativ reflektiert und wiederum in Richtung Transformator geschickt, wobei sie wieder Höhe und Steilheit der Spannung zwischen Ableiter und Transformator abbaut.

Bild 27 c) und d): Wanderwellenvorgänge auf einer Freileitung F mit dem Wellenwiderstand ZL = 450 Ω. Am Ende der Leitung ist ein Trans-

formator angeschlossen. Vor dem Transformator befindet sich ein MO-Ableiter.




Ures = 72 kV

i

ZL = 450 Ω XT

ZT => ∞

XAF

x

S

2 × S

U2v

Ures = 72 kV

i

ZL = 450 Ω

UT = 2 × Ures = 144 kV

XT

ZT => ∞

XAF

x

150

120

90

60

30

0

−30

−60

−90

150

120

90

60

30

0

−30

−60

−90

Ur U2v Ur

U1v

U1r

c) Die Spannung U1r hat den Ableiter erreicht und wird dort negativ

reflektiert (U2v), um wieder in Richtung Transformator zu laufen. Am Ort

XA (Ableiter) wird die Spannung nach wie vor auf Ures = 72 kV gehalten,

am Ort XT (Transformator) hat sich die Spannung weiter aufgebaut. Die

Spannung Ur ist weiter entgegen der x-Richtung gelaufen und baut die

einlaufende Spannung Uv ab.

d) Die Spannung U2v ist wieder am Ort XT (Transformator) eingetroffen.

Am Transformator hat sich mittlerweile die maximal mögliche Spannung

von UT = 2 × Ures = 144 kV aufgebaut. Die Spannung U2v würde als

Nächstes wieder positiv reflektiert in Richtung Ableiter zurücklaufen, wobei

die Spannung UT entsprechend abgebaut werden würde. Dies bedeutet,

dass der Ableiter erst nach zwei Laufzeiten zwischen Transformator und

Ableiter die am Transformator auftretende Spannung UT begrenzt.

Am Ort XA (Ableiter) ist die Spannung Ures = 72 kV konstant gehalten

worden.



Gleichzeitig wird vom Ableiter, im Moment, in dem der Ab- leiter zu begrenzen beginnt, eine negative Spannungswelle in die entgegengesetzte Richtung der einlaufenden Überspan-nung geschickt.

Der Ableiter schützt also in beide Richtungen. Vereinfacht gesehen, ergibt sich vom Ableiter aus ein Spannungstrichter, wie in Bild 28 dargestellt.

Aus dieser Darstellung ist sofort ableitbar, dass ein Ableiter umso besser schützt, je näher er an dem zu schützenden Betriebsmittel, in diesem Fall einem Transformator, installiert ist.

8.2 Theoretischer Ansatz für die Schutzdistanz L

Auf der Freileitung in Bild 29 läuft eine Überspannung U als Wanderwelle mit der Geschwindigkeit v auf das Leitungs-ende zu. An der Stelle E befindet sich das zu schützende Betriebsmittel. Für die folgende Betrachtung wird angenom-men, dass das zu schützende Betriebsmittel hochohmig ist (Transformator, offener Schalter). Wenn die Wanderwelle E erreicht, wird sie positiv reflektiert und die Spannung steigt auf 2 × U an. Es ist die Aufgabe des Ableiters A, zu verhin-dern, dass die Spannung am zu schützenden Betriebsmittel unzulässig hohe Werte erreicht. Unter der vereinfachenden Annahme, dass die Frontsteilheit S der einlaufenden Über-spannungswelle zeitlich konstant ist, gilt für den Maximalwert von UE folgende Beziehung:

UE = Ures + 2 × S × (a + b)

v

v = 300 m/µs

Bild 28: Mit den vereinfachten Annahmen der Wanderwellen-

vorgänge, wie in Bild 27 erläutert, ergibt sich ein Spannungs trichter,

der am Einbauort XA seinen tiefsten Wert hat. Daraus ist sofort

abzulesen, dass nur am Ort des Ableiters die Spannung gleich der

Restspannung des Ableiters ist.

Mit einem angenommenen Um = 24 kV (wie in Bild 27) ergibt sich eine

LIWV von 125 kV für den Transformator. Mit der gegebenen

Anordnung wird also die Spannung U1 am Transformator grösser

als zulässig. Dies bedeutet, dass die Distanz zwischen Ableiter (XA1)

und Transformator (XT) zu gross ist. Wird der Ableiter bei XA2

montiert, verkürzt sich die Laufzeit, und damit reduziert sich die

Spannung am Transformator auf einen Wert deutlich unter den

Haltewert der Transformatorisolation (LIWV).

Bild 29: Annahmen zur Berechnung der Spannung am offenen Ende

einer Leitung und zur Bestimmung der Schutzdistanz L.

U: einlaufende Überspannungswelle

v: Geschwindigkeit der Wanderwelle

S: Frontsteilheit der Überspannung

A: Ableiter

Ures: Restspannung des Ableiters

a, b: Länge der Verbindungsleitungen

E: Ende der Leitung. Angeschlossen ist zum Beispiel

ein Transformator oder ein offener Schalter.

UE: Spannung am Ende der Leitung




Z L = 450 Ω

UT

U1

U2

LIWV

Ures

ZT => ∞

XA2XA1 XTF




b

Ures

SU va

E

UE

A



Zwischen dem LIWV des Betriebsmittels und der maximal auftretenden Blitzüberspannung wird ein Sicherheitsfaktor Ks empfohlen [7]. Dieser Sicherheitsfaktor berücksichtigt unter anderem eine mögliche Alterung der Isolation und die statis-tische Unsicherheit bei der Bestimmung der Bemessungs-Blitzstossspannung der Betriebsmittel.In [7] wird für die innere Isolierung Ks = 1,15 und für die äus-sere Isolierung Ks = 1,05 empfohlen. Für die Berechnung der Schutzdistanz in Mittelspannungsnetzen wird auch Ks = 1,2 angegeben [8]. Für die in diesen Anwendungsricht linien gerechneten Beispiele wurde, sofern nicht anders angege-ben, Ks = 1,2 gesetzt. Somit ergibt sich:

LIWVKs

≥ UE = Ures + 2 × S × L

v

L = a + b

Die gesuchte Gleichung für die Schutzdistanz erhält man damit zu

L ≤ v

2 × S × (

LIWVKs

− Ures )

Es sei darauf hingewiesen, dass die angegebene Näherungs-formel für L streng genommen nur für b = 0 gilt, für die Praxis aber ausreichend genaue Werte liefert.

Bei der durchgeführten Betrachtung wird selbstverständlich davon ausgegangen, dass der Ableiter und das zu schüt-zende Betriebsmittel am selben Erdungssystem angeschlos-sen sind. Als prinzipielle Regel kann also gesagt werden, dass der Ableiter so dicht wie möglich am zu schützenden Betriebsmittel zu installieren ist. Die Verbindungen müssen hochspannungs- und erdseitig kurz und gerade ausgeführt werden. Insbesondere die Verbindung b sollte so kurz als möglich ausfallen. Darum ist es sinnvoll, mit der Freileitung erst zum Ableiter zu gehen und von dort aus zum Beispiel direkt zur Durchführung des Transformators.

8.3 Zu erwartende Steilheiten S von Blitz überspannungen in MS-Schaltanlagen

Damit wie oben beschrieben die Schutzdistanz ermittelt wer-den kann, muss die Steilheit S der einlaufenden Überspan-nungswelle bekannt sein. Die Häufigkeit von Blitzeinschlägen und die damit verbunde-nen Überspannungen können nur aus Statistiken abgeleitet werden. Somit sind keine allgemeingültigen Angaben für die Steilheit der auftretenden Überspannung möglich. Der Erwar-tungswert einer Steilheit ist damit immer gekoppelt mit der Wahrscheinlichkeit des Eintreffens. Bild 30 zeigt einen Blitzeinschlag in ein Leiterseil. Die Zeit-funktion des Blitzstroms ist mit i(t) bezeichnet. Im Leiterseil fliessen vom Einschlag ort aus nach beiden Seiten die Blitz-ströme i(t)/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 Spannungs-anstiegs S(t). Wie in Bild 30 angedeutet, ist S(t) im Allgemeinen nicht konstant. Im Folgenden wird die maximale Steilheit im Anstieg der Überspannungswelle mit S bezeichnet.

Bild 30: Entstehen der Blitzüberspannung bei einem Blitzeinschlag

in eine Freileitung

F: Freileitung

Z: Wellenwiderstand der Freileitung

t: Zeit

i(t): Totaler Blitzstrom in Funktion der Zeit

di/dt: Maximale Steilheit des Blitzstromes

u(t): Blitzüberspannung in Funktion der Zeit

S: Maximale Steilheit der Blitzüberspannung




i(t)i/2 U(t)

Z

t

i/2

F

S = Z × d /dt

i(t)2

i2

U(t) = Z



Bei 10 % aller Blitze ist die maximale Stromänderung di/dt grösser als 32 kA/µs. Ist Z = 450 Ω, so wird also jeder zehnte Blitzeinschlag eine maximale Spannungssteilheit S > 7200 kV/µs bewirken. Eine solche Steilheit ist in der Schaltanlage nur zu erwarten, wenn der Blitzeinschlag in der Nähe der Anlage auftritt, zum Beispiel 25 m vor dem zu schützenden Betriebs-mittel. Die Wahrscheinlichkeit für das Eintreffen eines solchen Ereignisses ist allerdings sehr gering. Erfolgt der Blitzeinschlag weit entfernt von der Schaltanlage, so sind wesentlich kleinere Spannungssteilheiten in der Anlage zu erwarten. Auf dem Weg vom Einschlagort bis zur Schaltanlage erfährt nämlich die Front der Überspannungs-welle infolge Koronadämpfung eine Abflachung. Ist S0 die Steilheit beim Einschlagort, so reduziert sich die Steilheit längs der Leiterstrecke d auf den Wert

S = 1

1/S0 + K × d

Die Konstante K ist von der Geometrie der Freileitung ab-hängig und wurde für Mittelspannungsfreileitungen zu K = 5 × 10−6 µs/kVm abgeschätzt [9]. Ist der Einschlagort 135 m von der Anlage entfernt, verursacht ein Blitz dort eine unendlich grosse Spannungssteilheit S0. Nach obiger Formel wird aufgrund der Koronadämpfung eine Steilheit in der Schaltanlage von S < 1500 kV/µs auftreten.Diese zwei willkürlich ausgewählten Beispiele geben die Grössenordnung der Spannungssteilheiten an und sollen zeigen, dass grosse Spannungssteilheiten seltener auftreten als kleine. Wesentliche Bedeutung kommt ferner dem Umstand zu, dass der Anstieg der Blitzströme konkav verläuft [10]. Deshalb tritt die höchste Steilheit der Überspannung, wie in Bild 30 angedeutet, erst im Bereich des Spannungsmaximums auf. Bei Spannungswellen von Blitzen mit hohem Stromscheitel-wert tritt vor Erreichen des Scheitelwerts ein Überschlag von Leiter gegen Erde auf. Dadurch wird der obere Teil der Spannungswelle abgeschnitten, sodass die maximale Steil-heit nicht erreicht wird.

Aus Störungs- und Schadensstatistiken, zum Beispiel [11], lässt sich ableiten, dass in Mittel europa im Durchschnitt 8 Blitze pro Jahr und 100 km Freileitungen von Mittel-spannungsnetzen einschlagen. Dabei ist aber zu beachten, dass unter topographisch ungünstigen Bedingungen und besonders in Gegenden mit hoher Gewittertätigkeit 100 Blitze pro Jahr und 100 km Freileitungslänge nicht aus-zuschliessen sind.Für Betriebsmittel in Freiluftschaltanlagen kann unter Annahme von 8 Blitzeinschlägen pro Jahr und 100 km Frei-leitungslänge mit Steilheiten von

S = 1550 kV/µsfür Freileitungen mit Holzmasten und

S = 800 kV/µsfür Freileitungen mit geerdeten Traversen gerechnet werden.

Dabei wird davon ausgegangen, dass Freilei tungen mit Holz-masten eine Überschlagsspannung von 3000 kV haben und Freileitungen mit geerdeten Traversen eine Überschlags-spannung von 660 kV. Diese Werte gelten für Freileitungs-isolatoren in einem 24-kV-Mittelspannungsnetz bei Bean-spruchung mit steilen Spannungsimpulsen. Die kleineren Werte für S bei Leitungen mit geerdeten Traversen sind eine Folge der geringeren Überschlagsspannungen – und damit geringeren Steilheiten – der Isolatoren gegen über der Über-schlagsspannung entlang der Holzmasten.



8.4 Zu erwartende Blitzströme in Mittel spannungsnetzen

Die Blitzstromparameter werden aus statistischen Auswer-tungen von weltweiten Blitzstrommessungen abgeleitet [13]. Die hauptsächlich auftretenden negativen Wolke-Erde-Blitze haben Stromscheitelwerte von 14 kA (95 % Wahrscheinlich-keit) bis 80 kA (5 % Wahrscheinlichkeit). Mit einer Wahr-scheinlichkeit von 50 % werden die folgenden Werte erreicht oder überschritten:

Scheitelwert: 30 kAAnstiegszeit: 5,5 µsRückenhalbwertzeit: 75 µs

Extreme Blitze erreichen Scheitelwerte bis zu 250 kA mit einer Rückenhalbwertzeit von bis zu 2000 µs.In der Normung und für Prüf- und Koordina tionszwecke wird für Überspannungsableiter oft ein Scheitelwert von 20 kA bei einer Wahrscheinlichkeit von 80 % zugrunde gelegt. Die bei einem direkten Blitzeinschlag auf das Leiterseil auf-gebrachte Ladung fliesst in Form zweier gleich hoher Strom-wellen in beide Richtungen ausgehend vom Einschlagpunkt ab. Über den Wellenwiderstand der Oberleitung sind mit den Stromwellen Spannungswellen verknüpft.

8.5 Beeinflussung der Schutzdistanz durch die Betriebsmittel, den Ableiter und die Anordnung der Ableiter

Setzt man die oben angegebenen Werte für S in die Glei-chung (Kapitel 8.2) ein, so ergeben sich mit dem LIWV und Upl aus Tabelle 7 etwa folgende Schutzdistanzen

L = 2,3 m bei Freileitungen mit HolzmastenL = 4,5 m bei Freileitungen mit geerdeten Traversen

Dies gilt für Netze mit Systemspannungen Us = 3,6 kV bis Us = 36 kV und der Annahme, dass die Transformatoren einen isolierten Sternpunkt haben oder mit Erdschlusskompensa-tion betrieben werden, also die Dauerspannung Uc des Ablei-ters gemäss Kapitel 7.1.1 gewählt wird.In Netzen, in denen der Transformatorsternpunkt direkt ge-erdet ist und die Dauerspannung Uc gemäss Kapitel 7.1.3 gewählt werden kann, ergeben sich mit den gleichen Annah-men Schutzdistanzen wie in Tabelle 8 angegeben. Durch Ausnutzung der TOV-Kurve kann Uc deutlich reduziert werden. Die entsprechend tiefere Restspannung der Ableiter ergibt einen grösseren Schutzbereich. Ganz allgemein gilt, dass ein Ableiter mit einer tieferen Restspannung auch einen grösseren Schutzbereich hat.

Tabelle 8: Schutzbereich für MO-Ableiter in Netzen mit direkt geerdeten Sternpunkten der Transformatoren.

Us L in m, L in m,

in kV Holzmast geerdete Traverse

3,6 2,3 4,4

7,2 3,3 6,3

12 3,5 6,7

17,5 3,8 7,3

24 5,0 9,6

36 6,3 12,2



Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die Zahlenbeispiele in diesen Richtlinien sich immer nur auf einen typischen Ableiter der ABB beziehen. Bei Einsatz anderer Typen ergeben sich leicht abweichende Zahlen. Die berechneten Werte gelten für die vereinfachenden Annahmen nach Bild 29. Alle Betriebsmittel wie Transforma-toren, Spannungswandler, Kabel haben eine Eigenkapazität gegen Erde. Der Einfluss dieser Kapazität auf die Funktion des MO-Ableiters muss bei genauerer Betrachtung berück-sichtigt werden. Die Kapazität des Betriebsmittels verursacht eine Spannungsschwingung, was zu einer merklichen Erhö-hung der Spannung am Transformator führen kann. Dies würde eine Reduzierung der Schutzdistanz zur Folge haben.Einen gegenteiligen Einfluss bewirkt hingegen der parabel-förmige Anstieg der Blitzüberspannung und die Tatsache, dass ein funkenstreckenloser MO-Ableiter nicht erst bei Erreichen der Restspannung Ures bei In die Überspannung begrenzt, sondern entsprechend seiner Spannungs-Strom-Charakteristik schon bedeutend früher.

Der MO-Ableiter begrenzt daher die einlaufende Überspan-nung weit unterhalb ihres Scheitelwerts, sodass sich die maximale Steilheit des Spannungsanstiegs gar nicht aus-wirkt.Für eine einfache und schnelle Abschätzung des Schutz-bereichs in der Praxis geben die oben gerechneten Werte ausreichend genaue Anhaltswerte.

Bild 31: Bewertung verschiedener Anschlussmöglichkeiten eines MO-Ableiters an einen Transformator



Linie innen: 0.35 pt, gepunktetFreileitung

a

C

T

1

C

T

2

bb b a a

C

T

3

1: Schlecht. Ableiter und Transformator haben

nicht den gleichen Erdungspunkt. Die ein-

laufende Überspannung trifft zuerst auf die

Transformatordurchführung. Die Verbindung b

ist zu lang.

2: Gut. Ableiter und Transformator sind am

gleichen Punkt geerdet. Die Verbindungen a

und b sind etwa gleich lang.

3: Sehr gut. Der Ableiter ist direkt am Trans-

formatorkessel geerdet. Die Verbindung b ist

nahezu null. Damit trif ft die einlaufende

Überspannung zuerst auf den Ableiter, der

ohne Verzögerung die Überspannung begrenzt.



Wie bereits weiter oben erwähnt, sollte der Ableiter prinzipiell immer so dicht wie möglich beim zu schützenden Betriebs-mittel angebracht werden. Insbesondere die Verbindung b (siehe Bild 29) sollte so kurz wie möglich sein. Am bes ten ist es, wenn man, wie in Bild 31 und 32 gezeigt, mit dem hoch-spannungsseitigen Anschluss zuerst und direkt an den Ablei-teranschluss geht und von dort aus kurz und gerade zur Durchführung des Transformators. Auch die Erdverbindung sollte kurz und direkt vom Fuss des Ableiters an den Kessel des Transformators geführt werden.

Bild 32: Beispiel einer optimalen Installation. Ein MO-Ableiter Typ POLIM-D 12 mit Abtrennvorrichtung ist über einen Isolierträger direkt am Kessel eines Mittelspannungstransformators montiert. Die flexible Erdverbindung ist auf kürzestem Weg am Trafokessel angeschlossen. Der hochspannungsseitige Anschluss geht von der Freileitung direkt an den Ableiter und von dort auf kürzestem Weg zur Transformatordurchführung.



Aufgrund des begrenzten Schutzbereichs von Ableitern und der räumlichen Abstände zwischen den Betriebsmitteln in den Schaltanlagen ist es mitunter nicht ausreichend, nur einen Ableiter in der Schaltanlage zu installieren. Sind die Betriebsmittel zu weit auseinander angeordnet, muss über-legt werden, wo ein zweiter Ableiter eingebaut werden soll. Im Folgenden werden einige typische Fälle behandelt.

9.1 Überspannungsschutz bei Kabelstrecken

Der wesentliche Unterschied in den elektrischen Daten von Freileitung und Kabel ist der Wellenwiderstand der Leiter gegen Erde. Er liegt bei Freileitungen in Mittelspannungs- Verteilnetzen etwa bei 300 Ω bis 450 Ω und bei Kabeln im Bereich von 30 Ω bis 60 Ω. Dieser Unterschied bewirkt vor-erst eine starke Verkleinerung der Blitzüberspannung, sobald die Wanderwelle das Kabel erreicht hat. Die reduzierte Span-nungswelle läuft durch das Kabel und wird am Ende wieder positiv reflektiert, sodass sich die Spannung dort erhöht. Anschliessend kehrt die Welle an den Kabelanfang zurück und wird dort wiederum reflektiert usw. Auf diese Weise wird die Überspannung im Kabel stufenweise wieder aufgebaut. Die Steilheit der Überspannung im Kabel ist zwar geringer, aber der Maximalwert liegt in der Nähe der Blitzüberspan-nung auf der Freileitung. Durchschläge in der Kabelisolation führen zu schwerwiegen-den Störungen und teuren und aufwändigen Reparatur-arbeiten. Überschläge längs des Kabelendverschlusses können diesen beschädigen und damit die gleichen Folgen zeigen wie ein Isolationsdurchschlag.Weiterhin ist bekannt, dass wiederholte Überspannungs-belastungen das Alterungsverhalten der Kabelisolation nega-tiv beeinflussen, das heisst die Lebensdauer der Kabel ver-kürzen. Kabel sind daher wie Stationsmaterial zu behandeln und mit Ableitern gegen Überspannungen zu schützen.Auch hier sind die Ableiter unmittelbar neben den Kabelend-verschlüssen aufzustellen. Die Anschlussleitungen sollen möglichst kurz sein. Es ist darauf zu achten, dass der erd-seitige Anschluss des Ableiters direkt mit dem Kabelmantel verbunden ist. Längere Kabel benötigen an beiden Enden einen Ableiterschutz. Bei kurzen Kabelstrecken kann ein ein-seitiger Schutz ausreichend sein. Dies deshalb, weil aufgrund des Schutzbereichs ein Ableiter auf einer Seite des Kabels das andere Kabelende noch ausreichend schützen kann. Ein Kabel, das eine Freileitung mit der Schaltanlage verbindet, ist oft nur auf der Freileitungsseite blitzgefährdet.Der Ableiter muss daher beim Übergang von der Freileitung zum Kabel angebracht werden. Auf der anderen Seite des Kabels ist kein Schutz nötig, sofern die in Tabelle 9 angege-bene Länge LK des Kabels nicht überschritten wird. Auf den

ersten Blick fällt auf, dass LK im 3,6-kV-Netz unbegrenzt ist. Der Grund liegt in dem relativ hohen LIWV in dieser Netz-ebene. Selbst die am Kabelende reflektierte Überspannung liegt unter dem LIWV, sodass die Isolation nicht gefährdet ist. Dies gilt allerdings nicht für die Betriebsmittel innerhalb der Schaltanlage. Diese können durch zusätzliche Spannungs-reflektionen gefährdet werden, sodass gegebenenfalls Ablei-ter vorzusehen sind. 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 die-sem Fall wird die Schutzwirkung des Ableiters auf der ande-ren Kabelseite 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 9 ersichtlich ist. Die angegebenen Werte gelten für Kabelstrecken mit konstantem Wellenwiderstand. Andernfalls bewirken Spannungsreflektionen eine Verkürzung von LK. Dies ist beispielsweise der Fall bei Kabelverzweigungen oder wenn ein doppelt geführtes Kabel mit einem einfachen Kabel verbunden ist.

9 Spezifische Anwendungen



9.2 Kabelmantelschutz

Aus thermischen Gründen ist der Kabelmantel von Einleiter-kabeln in Hochspannungsnetzen nur auf einer Seite geerdet. Bei längeren Mittelspannungskabeln wird zunehmend genauso verfahren, um Zusatzverluste im Kabelmantel zu vermeiden [17]. Wenn die eine Seite des Kabelmantels offen bleibt, kann der Mantel auf der ungeerdeten Seite bis zu 50 % einer einlaufenden Überspannung auf dem Innenleiter anneh-men. Die Mantelisolation ist dieser Überspannungsbeanspru-chung nicht gewachsen. Es können kurzzeitige Überschläge zwischen Mantel und Erde auftreten, welche die äussere Iso-lation des Mantels beschädigen.

Es ist daher notwendig, den Kabelmantel auf der ungeerde-ten Seite mit einem Ableiter gegen Überspannungen zu schützen [18]. Für die Dauerspannung Uc des Ableiters ist die längs des Kabelmantels induzierte Spannung im Kurz-schlussfall massgebend. Die induzierte Spannung ist abhän-gig von der Verlegungsart der Kabel und kann nach [19] höchstens 0,3 kV pro kA Kurzschlussstrom und Kilometer Kabellänge betragen. Die zu wählende Dauerspannung für den Ableiter zum Kabelmantelschutz ergibt sich zu

Uc ≥ Ui

T × IK × LK in kV, mit

IK: maximaler 50-Hz-Kurzschlussstrom pro Leiter in kA

LK: Länge der ungeerdeten Kabelstrecke in km

U i: Längs des Kabelmantels induzierte Spannung in kV

T: Festigkeit der Ableiter gegen temporäre Überspannungen

gemäss TOV-Kurve.

Art der Freileitung Holzmasten geerdete Traverse Holzmasten geerdete Traverse

Us ZK LK LK LK LK

kV Ω m m m m

3,6 30 ∞ ∞ 8 19

60 ∞ ∞ 4 13

7,2 30 85 110 11 27

60 75 100 5 17

12 30 45 50 8 22

60 33 39 4 16

17,5 30 35 36 6 19

60 27 30 3 15

24 30 34 36 9 21

60 27 30 4 17

36 30 30 30 7 19

60 24 26 4 17

Tabelle 9: Maximal zulässige Länge LK einer Kabelstrecke bei nur einseitigem Ableiterschutz. Das Kabel ist mit einer blitzgefährdeten Leitung verbunden. Die Anschluss länge vom Ableiter zum Kabel sollte maximal 1 m sein. Die Zahlenwerte gelten für einen Ableiter mit Upl = 4 p. u. und In = 10 kA.




ULK

ULK



Mit Ui = 0,3 kV und T = 1,28 für eine maximale Abschaltzeit von t = 3 s des Kurzschlussstroms ergibt sich

Uc ≥ 0,24 × IK × LK in kV

Für den Schutz von Kabeln in Mittelspannungsnetzen wie auch für den Kabelmantelschutz werden MO-Ableiter mit mindestens Leitungsentladungsklasse 2 empfohlen. Bei Hochspannungskabeln können höhere Leitungsentladungs-klassen zum Einsatz kommen. Die Ableiter sollten in Energie-aufnahme und Spannungs-Strom-Charakteristik aufeinander abgestimmt sein. In [5] wird empfohlen, für den Kabelmantel-schutz MO-Ableiter mit gleichem In wie für den Kabelschutz selbst einzusetzen.

9.3 Transformator am Ende eines Kabels

In der Anordnung nach Bild 33 ist ein mindes tens 100 m lan-ges Kabel auf der einen Seite an eine blitzgefährdete Frei-leitung angeschlossen. Auf der anderen Seite verbindet eine Sammelschiene bestehend aus den Abschnitten a und b das Kabelende mit dem Transformator. Der Ableiter A1 über-nimmt freileitungsseitig den Überspannungsschutz. Sowohl das Kabelende als auch der Transformator müssen mit je einem weiteren Ableiter geschützt werden, wenn die Verbin-dung dazwischen sehr lang ist. Im Folgenden wird gezeigt, unter welchen Umständen nebst dem Ableiter A1 der Ablei-ter A2 für den Überspannungsschutz ausreichend ist.

MO-Ableiter mit Upl = 4 p. u. bei In = 10 kA Freileitung mit Holzmasten Freileitung mit geerdeten Traversen

ZK 30 60 30 60

Ω

Us a a a a

kV m m m m

3,6 100 100 500 500

7,2 45 40 60 55

12 17 12 22 15

17,5 15 9 20 13

24 13 9 18 11

36 7 6 18 11

Tabelle 10: Maximal zulässiger Abstand a zwischen Kabelende und Transformator nach Bild 33 mit b = 0. Das Kabel ist mit einer blitz-gefährdeten Leitung verbunden und beidseitig mit MO-Ableitern (mit Uc = Us) geschützt. Der Transformator hat keinen zusätzlichen Schutz.



Die Reflektion der Überspannung U am Übergang von der Leitung zum Kabel bewirkt eine starke Abflachung der Span-nungssteilheit im Kabel. Dies hat aber praktisch keinen Ein-fluss auf die zulässige Länge der Verbindung b, da mit b die Spannung UK sehr rasch zunimmt. Ein guter Überspannungs-schutz des Kabels erfordert also, den Ableiter A2 möglichst dicht am Kabelende anzubringen, damit die Strecke b kurz wird. Anders verhält es sich beim Leitungsabschnitt a. Hier nimmt UT mit zunehmender Länge von a langsamer zu. Deshalb ist der Transformator auch bei relativ grosser Entfernung a vom Ableiter noch ausreichend geschützt. Die maximal zulässigen Werte für a sind in Tabelle 10 angegeben. Die Kapazität des Transformators wurde zu 2 nF angenommen. Kleinere Kapa-zitätswerte ergeben längere Abstände a.

9.4 Transformator nur einseitig mit einer blitzgefährdeten Leitung verbunden

Grundsätzlich sind alle Transformatorabgänge, die direkt mit blitzgefährdeten Leitungen verbunden sind, mit Ableitern zwi-schen Leiter und Erde zu schützen. Verbindet ein Transforma-tor ein Hochspannungsnetz mit einem Mittelspannungsnetz und ist nur die Leitung auf der Oberspannungsseite blitz-gefährdet, muss trotzdem auch auf der Unterspannungsseite ein Ableiter eingebaut werden.Transiente Überspannungen können bis zu 40 % kapazitiv von der Oberspannungsseite auf die Unterspannungsseite übertragen werden [7]. Daher ist es nötig, auch auf der Mit-telspannungsseite einen Ableiter einzusetzen, obwohl die Mittelspannungsleitung nicht direkt blitzgefährdet ist. Ähnlich sind die Verhältnisse bei Transformatoren, die ein Mittelspannungsnetz mit einem Niederspannungsnetz verbin-den. Auch hier werden hochfrequente Überspannungen von der Mittelspannungsseite auf die Niederspannungsseite kapazitiv übertragen. Somit sollten auch bei Mittelspannungs-transformatoren auf der Niederspannungsseite prinzipiell Ableiter eingebaut werden. In [20] wird über Ausfälle von Mittelspannungstransformatoren berichtet, die nur auf der Niederspannungsseite mit Ableitern ausgerüstet waren. Die Schäden traten in diesen Fällen auf der Mittelspannungsseite auf. Die Autoren sind der Meinung, dass die Überspannun-gen in diesem Fall, sofern sie nicht kurzzeitig sind, induktiv mit dem Windungsverhältnis übertragen werden.Besonders in Gegenden mit hoher Gewittertätigkeit ist es daher immer empfehlenswert, alle Transformatoren auf bei-den Seiten mit Ableitern auszurüsten.

Bild 33: Transformator am Ende eines Kabels

F: blitzgefährdete Freileitung

U: einlaufende Blitzüberspannung

K: Kabel

A1, A2: MO-Ableiter

a, b: Länge der Verbindungsleitung

UK: maximale Spannung am Kabelende

UT: maximale Spannung am Transformator




F

U

UK UT

A1 A2

b a



Weiterhin ist auch die resistive Übertragung von Überspan-nungen in einer Unterstation zu berücksichtigen. Je nach Ausführung der Erdungen auf der Mittel- und Niederspan-nungseite eines Mittelspannungstransformators können Überspannungen über das Erdungssystem von der einen auf die andere Seite übertragen werden. In Bild 34 sind stark vereinfacht die möglichen Spannungsübertragungen darge-stellt. Die Höhe der möglichen übertragenen Impulsspannung sei mit einer einfachen Betrachtung grob abgeschätzt. In einem Netz mit einer Systemspannung von Us = 24 kV und isoliertem Sternpunkt ist ein MO-Ableiter mit einer Dauer-spannung Uc = 24 kV direkt an der Mittelspannungsdurchfüh-rung des Transformators angeschlossen. Dieser Ableiter hat typisch einen Blitzstossschutzpegel von Upl = 78,4 kV. Die Isolation des Transformators mit einer Bemessungs-Blitz-stossspannung von LIWV = 125 kV ist also auf der Mittelspan-nungsseite sehr gut geschützt. Allerdings werden nach [7] bis zu 40 % der an der Durchführung auftretenden Spannung kapazitiv auf die Niederspannungsseite übertragen. Auf der Niederspannungsseite kann also theoretisch eine Spannung von 31,36 kV auftreten. Die Isolation im Transformator ist damit wahrscheinlich nicht gefährdet, aber die niederspan-nungsseitigen Durchführungen und angeschlossene Leitungen können überschlagen oder zerstört werden.

Betrachten wir nun die mögliche resistive Übertragung der Überspannung. Der Blitzstossstrom von I = 10 kA Scheitel-wert fliesst gemäss Bild 34 durch den Ableiter und über den Erdungswiderstand RE gegen Erde ab. Nehmen wir einen typischen Erdungswiderstand von RE = 10 Ω an, so tritt eine kurzzeitige Potenzialanhebung des Transformatorgehäuses von 100 kV auf. Diese Potenzialdifferenz besteht dann auf der Niederspannungsseite auch zwischen dem Leiter und dem Erdungssystem. Diese stark vereinfachte Betrachtung gibt sicher keine absolute Aussage über die Höhe von resistiv übertragenen Überspannungen, erläutert aber sehr gut die Problematik. Es ist also in jedem Fall mit auf der Niederspannungsseite auftretenden Überspannungen zu rechnen.

Bild 34: Durchkopplung einer Blitzüberspannung durch einen Mittelspannungstransformator. Neben einer Durchkopplung aufgrund der

Kapazitäten im Transformator gibt es auch eine resistive Übertragung über das Erdungssystem eines Teils der Blitzüberspannung auf

die jeweils andere Seite des Transformators. Im dar gestellten Beispiel tritt die von einem Teil des Blitzstroms am Erdungswiderstand RE

auf tretende Spannung U auch zwischen den Leitern und dem Mittelpunktsleiter auf der Niederspannungsseite auf.




Uresi

0,4 Ures

MS NS

C

RE U

U



9.5 Ableiter in gekapselten Mittelspannungsschaltanlagen

Oft ist es erforderlich, Ableiter in gekapselte MS-Schaltanla-gen einzubauen. Verbindet ein Kabel die Schaltzelle mit einer blitzgefährdeten Leitung, dann sollte ein Ableiter mit einem Nennstrom von In = 10 kA am Kabelendverschluss eingesetzt werden. Wenn die Ableiter nicht Blitzüberspannungen, sondern Schalt-überspannungen begrenzen müssen, reichen Ableiter aus, die mit einem Hochstossstrom von Ihc = 65 kA getestet wurden, denn die Strombelastung ist in diesem Fall gering. Schaltüberspannungen können entstehen, wenn bei Schalt-handlungen induktive Ströme vor dem natürlichen Null-durchgang unterbrochen werden. Weiterhin können Vakuum-schalter hohe und sehr steile Schaltüberspannungen erzeugen.

9.6 Generator, verbunden mit einer blitz gefährdeten MS-Leitung

Wird ein belasteter Generator plötzlich vom Netz getrennt (Lastabwurf), so steigt seine Klemmenspannung an, bis der Spannungsregler die Generatorspannung nach einigen Sekunden zurückgeregelt hat. Das Verhältnis dieser tempo-rären Überspannung zur normalen Betriebsspannung wird Lastabwurffaktor L genannt. Dieser Faktor kann bis zu 1,5 erreichen. Die Ableiter werden also im ungünstigsten Fall mit einer temporären Überspannung UTOV = L × Us belastet, was bei der Wahl von Uc zu berücksichtigen ist.

Uc ≥ L × Us

T

Die Zeitdauer t von UTOV ist für T bestimmend. Sie liegt im Bereich von 3 Sekunden bis 10 Sekunden. Wegen der hohen Anforderungen an die Betriebssicherheit von Generatoren ist es empfehlenswert, Ableiter mit niedriger Restspannung Ures und hoher Energieaufnahmefähigkeit W’ einzusetzen. Des-halb wird für diesen Einsatz der Typ POLIM-H..N empfohlen.

Anhand eines Beispiels soll das Uc für einen Ableiter für den Generatorschutz ermittelt werden. Mit Us = 24 kV, Lastabwurffaktor L = 1,4 und t = 10 s ergibt sich für den Typ POLIM-H..N:

Uc ≥ 1,4 × 24 kV

1,31 = 25,6 kV

Damit kann der Typ POLIM-H 26 N für diesen Fall gewählt werden.Generatoren besitzen eine grosse Kapazität zwischen Leiter und Erde. Da eine grosse Kapazität zu einer Verkürzung der Schutzdistanz führen kann, ist es bei Generatoren besonders wichtig, den Ableiter dicht bei den Generatorklemmen zu ins-tallieren.

9.7 Schutz bei Motoren

Hochspannungsmotoren können nach Ausschaltungen während des Anlaufs durch multiple Wiederzündungen über-beansprucht werden. Dies trifft dann zu, wenn der Ausschalt strom geringer als 600 A ist. Zum Schutz dieser Motoren sind Überspannungsableiter unmittelbar an den Motorklemmen oder alternativ am Leistungsschalter einzu-setzen. Die Auslegung von Uc erfolgt nach den Empfehlun-gen in Kapitel 7.Die Isolation der Maschinen, die allgemein und mit dem Alter zunehmend empfindlich ist gegen Überspannungen, macht es nötig, Ableiter mit möglichst tiefer Restspannung Upl einzusetzen. Darum sollten Ableiter mit besonders günstigem Verhältnis Upl/Uc gewählt werden. Unter Umständen kann man mit dem Uc des Ableiters an die untere vertretbare Grenze gehen. Uc darf aber unter keinen Umständen kleiner als Us/√3 gewählt werden. Typische Ableiter für den Schutz von Motoren sind der MWK bzw. der MWD für Innenraum-anwendungen.



9.8 Ableiter parallel zu einer Kondensator batterie

Beim Ausschalten einer Kondensatorbatterie treten üblicher-weise 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 der 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 Verlauf dieses Vorgangs wird der Kondensator auf ein höhe-res Potenzial aufgeladen [21]. Diese Überspannung am Kon-densator zwischen Leiter und Erde erreicht dabei höchstens 3 p. u.Sind die Kondensatoren im Stern geschaltet, so werden sie durch die zur Kondensatorbatterie parallelen Ableiter zwi-schen Leiter und Erde entladen. Während dieser Entladung bis auf die Spannung √2 × Uc werden die Ableiter energie-mässig belastet mit:

Wc ≥ SK

× [ 3 − (Uc /Us)2 ]

SK: 3-Phasen-Blindleistung der Kondensatorbatterie

Wc: vom Ableiter aufgenommene Entladeenergie

Unter der Annahme, dass der Ableiter diesen Vorgang drei-mal ohne Abkühlpause beherrschen soll, folgt mit Uc ≥ Us

Wc

Uc ≥

6 × SK

× Us

Das auf Uc bezogene Energieaufnahmevermögen W des Ableiters muss also der Blindleistung der Batterie angepasst sein. In Tabelle 11 ist die maximal zulässige Blindleistung der parallelen Kondensatorbatterie für verschiedene Typen von Ableitern angegeben.

Ist der Sternpunkt der Kondensatorbatterie isoliert, dann kann der Ableiter zwischen Leiter und Erde den aufgelade-nen Kondensator nicht entladen. Er wird also nicht belastet. Hier gilt es jedoch zu berücksichtigen, dass nach einer Rück-zündung des Leistungsschalters der Sternpunkt der Konden-satorbatterie auf 2 p. u. ansteigt. Ein Spannungsüberschlag des Sternpunkts nach Erde hätte zur Folge, dass nun der Ableiter den Kondensator entladen muss. Auch die Ableiter parallel zu einer Kondensatorbatterie mit isoliertem Stern-punkt müssen also energiemässig deren Blindleistung ange-passt sein. Bleibt die Kondensatorbatterie nach der Abschaltung vom Netz getrennt, dann entladen die Ableiter die Kondensatoren nicht nur bis auf die Spannung √2 × Uc, sondern bis auf null. Unterhalb √2 × Uc ist aber der Entladestrom durch den Ablei-ter sehr klein, sodass die restliche Ent ladung sehr lange dau-ert. In dieser Zeit kann sich der Ableiter abkühlen. Bei der obigen Berechnung von Wc war es deswegen gerechtfertigt, nur die vom Ableiter aufgenommene Energie bis zur Entladung auf √2 × Uc zu berücksichtigen.Überschreitet für einen bestimmten Ableitertyp die Blindleis-tung der parallelen Kondensatorbatterie den in Tabelle 11 angegebenen Grenzwert, dann muss ein energiemässig stärkerer Typ gewählt werden. Für Netze, die 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 parallel geschaltete Ableiter vorzusehen. In diesem Fall ist der Hersteller zu informieren, damit Massnahmen ergriffen werden, um eine ausreichend gute Stromaufteilung zwischen den parallelen Ableitern zu gewährleisten. Der Hersteller sollte auch dann angefragt werden, wenn Ableiter mit Uc < Us eingesetzt werden.



9.9 Hochfrequenzsperren (Parallelschutz)

Hochfrequenzsperren sind Luftdrosseln, die im Zuge von Hochspannungsleitungen geschaltet sind. Ihre Induktivität L ist im Bereich von mH. Wenn keine Massnahmen getroffen werden, müssen die Blitzströme im Leiterseil durch die Sperre fliessen. Bereits relativ kleine Stromsteilheiten von einigen kA/µs würden längs der Sperre Überspannungen von mehreren 1000 kV erzeugen und zu einem Überschlag füh-ren. Um dies zu verhindern, werden parallel zur Sperre Ableiter geschaltet, die den Blitzstrom übernehmen und die Überspannung auf ihre Restspannung Ures begrenzen.Bei einem Erdschluss oder Kurzschluss im Hochspannungs-netz fliesst der Kurzschlussstrom 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:

Uc ≥ UTOV

T =

× L × IK

T

IK: maximaler Kurzschlussstrom durch die Sperre

L: Induktivität der Sperre

Für eine Dauer des Kurzschlussstroms von t < 3 s kann T = 1,28 angenommen werden (aus TOV-Kurve für den MWK).

9.10 Leitungsableiter

Als Leitungsableiter werden Ableiter bezeichnet, die auf Mas-ten im Zuge einer Freileitung parallel zu den Isolatoren instal-liert sind. Der Grund für den Einsatz von Leitungsableitern ist, das Auftreten von Kurzunterbrechungen oder Abschal-tungen von Freileitungen aufgrund von Blitzüberspannungen zu vermeiden oder deren Häufigkeit zu reduzieren. In der Regel werden Leitungsableiter im Zusammenhang mit einem zusätzlich mitgeführten Erdseil installiert. Leitungsableiter werden eingesetzt in Gebieten mit starker Gewittertätigkeit und sehr schlechten Erdungsverhältnissen. Die Dauerspannung Uc für MO-Ableiter für den Einsatz als Leitungsableiter wird genauso bestimmt wie für MO-Ableiter für den Stations- oder Transformatorschutz. Da Leitungs-ableiter hauptsächlich gegen die Auswirkungen von Blitzen schützen sollen, ist bei der Dimensionierung auf die in der betroffenen Gegend vorkommenden Blitzstromparameter abzustellen (Häufigkeit, Stromsteilheit Ladung, usw.). In der Regel werden Leitungsableiter mit Abtrennvorrichtungen ausgerüstet, damit ein überlasteter Ableiter selbsttätig vom Netz getrennt wird und keinen Erdschluss verursacht.

Ableitertyp POLIM-D POLIM-K POLIM-I POLIM-S POLIM-H

Uc ≥ Us MWK/MWD

W/Uc in kJ/kV 3,6 5,2 5,5 9,0 13,3

Us in kV SK in MVAr SK in MVAr SK in MVAr SK in MVAr SK in MVAr

3,6 0,67 0,97 1,03 1,69 2,50

7,2 1,35 1,95 2,07 3,39 5,01

12 2,26 3,27 3,45 5,65 8,35

17,5 3,29 4,77 5,03 8,24 12,18

24 4,52 6,58 6,90 11,30 16,70

36 6,78 9,81 10,36 16,95 25,05

Tabelle 11: Ableiter parallel zu einer Kondensatorbatterie. Maximal zulässige Blind leistung SK der Kondensator batterie für den ange gebenen Ableitertyp. Es sind drei Entladungen der Batterie ohne Abkühlpause für den Ableiter zulässig. W/Uc: auf Uc bezogenes Energieaufnahmevermögen der Ableiter.



Ein besonderer Anwendungsfall von Leitungs ableitern sind MO-Ableiter mit einer externen seriellen Funkenstrecke. Diese so genannten EGLAs (Externally Gapped Line Arresters) sind in einigen Ländern in Anwendung, jedoch in Mittel-europa nicht üblich. Bild 35 zeigt die prinzipielle Anordnung eines EGLA. Die Problematik besteht in der Koordination der Funkenstrecke in Serie mit dem MO-Ableiter und der Funken-strecke parallel zum zu schützenden Isolator sowie der Restspannung des eingesetzten MO-Ableiters. Anwendungs-richtlinien und Prüfverfahren für Leitungsableiter, besonders für EGLAs, sind zurzeit in den entsprechenden Gremien in der Diskussion.

9.11 Ableiter für hohe Blitzstrombelastungen

In Hochspannungsnetzen kann davon ausgegangen werden, dass Ableiter nicht mit direkten Blitzeinschlägen oder sehr nahen Einschlägen belastet werden. Da in Mittelspannungs-netzen kaum Erdseile installiert sind, können Ableiter unter Umständen – zum Beispiel auf Masten – durch Direkt- oder Naheinschläge belastet werden. In solchen Fällen müssen sie zumindest einen Teil des Blitzstroms tragen können.Ableiter für hohe Blitzstrombelastungen im Spannungs-bereich von 1 kV bis 52 kV müssen entsprechend [4] mit einer besonderen Arbeits prüfung geprüft werden. Die zum Nachweis der thermischen Stabilität erforderliche Energie ist mit Schaltstossströmen einzubringen anstatt mit Rechteck-wellen. Die spezifische Energieaufnahmefähigkeit eines MO-Ableiters für hohe Blitzstrombelastungen in Mittelspannungs-netzen entspricht ungefähr der eines MO-Ableiters mit Leitungsentladungsklasse 5 oder darüber, wie in Über-tragungsnetzen mit einer Systemspannung von Us = 765 kV empfohlen [5].

Bild 35: Mögliche Ausführungen von Leitungsableitern (Prinzipdarstellung)




RE

RE,M

RE,M

NGLA

Mast Mast

Isolator mit FunkenhornIsolator mit Funkenhorn

Erdseil

LeiterseilEGLA

MO-Ableiter parallel zu einem Isolator in einer

Freileitung. Diese so genannten NGLA (non

gapped line arrester) werden wahlweise mit

oder ohne Abtrennvorrichtung installiert.

MO-Ableiter mit einer externen Funkenstrecke

in Reihe parallel zu einem Isolator in einer

Freileitung (EGLA = externally gapped line

arrester).



Prinzipiell treten auch in Gleichspannungsnetzen durch Blitz-einwirkungen oder Schalthandlungen verursachte Überspan-nungen auf, die Geräte und Isolationen gefährden können. Auch in diesem Fall ist ein Ableitereinsatz zum Schutz gegen Überspannungen notwendig. Es eignen sich dazu besonders funkenstreckenlose MO-Ableiter, da sie nach der Überspan-nungsbegrenzung keinen Folgestrom führen, abgesehen von einem Leckstrom von wenigen μA, und somit nicht das Problem besteht, einen Gleichstrom-Lichtbogen löschen zu müssen. Beim Einsatz von MO-Ableitern in Gleichspannungsnetzen ist zu beachten, dass nur MO-Widerstände eingesetzt werden, die bei Gleichspannungsbelastung langzeitstabil sind (siehe Kapitel 3.4.2 Langzeitstabilität). Alle Typenprüfungen, bei denen Dauerspannung angelegt wird, sollten selbstverständ-lich mit Gleichspannung durchgeführt werden. Typische Gleichspannungsbelastungen findet man in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ). Hinweise zur Auswahl und zum Einsatz sind in [22] zu finden. Zurzeit gibt es keine IEC- oder CENELEC-Norm zur Prüfung von MO-Ableitern für den Einsatz in HGÜ-Anlagen. Es ist daher in jedem Fall mit dem Hersteller Kontakt aufzunehmen, wenn MO-Ableiter in HGÜ-Anlagen eingebaut werden sollen.

Weit verbreitet sind Gleichspannungsnetze bei den Bahnen. Die Nennspannungen in den öffentlichen Gleichstrom-Bahn-netzen liegen zwischen Un = 750 V bis Un = 3000 V. Neben den hohen elektrischen Anforderungen an MO-Ableiter für Bahnnetze sind besonders auch die mechanischen und sicherheitsrelevanten Anforderungen zu beachten. Die ABB Schweiz AG ist seit 2007 entsprechend dem Internatio-nal Rail Industry Standard (IRIS) zertifiziert. Die MO-Ableiter der ABB Schweiz AG erfüllen ausserdem alle Anforderungen der VDV Schrift 525 [23].Aufgrund der Wichtigkeit eines optimalen Überspannungs-schutzes und der besonderen Be dingungen in Bahnnetzen wurde eine separate Anwendungsrichtlinie für MO-Ableiter in Bahn netzen erstellt [24]. Weitere Gleichspannungsanwendungen finden sich in Um- richter anlagen, bei Antrieben und in der Photovoltaik. Bei Einsatz von MO-Ableitern in solchen Anlagen ist unbedingt mit dem Hersteller Kontakt aufzunehmen.

10 Ableiter für Gleichspannung



Neben den Netzfrequenzen von f = 50 Hz und f = 60 Hz hat noch die «Bahnfrequenz» mit f = 16,7 Hz technische Bedeu-tung. MO-Ableiter ohne Funkenstrecke können bei diesen Frequenzen problemlos eingesetzt werden. Da sich MO-Ableiter im Bereich der Dauerspannung nahezu rein kapazitiv verhalten, ist zu beachten, dass sich der Dauer -strom ic mit der Frequenz ändern wird. Wegen

Xc = 1

× C

Xc = kapazitiver Blindwiderstand = 2 × π × f = KreisfrequenzC = Kapazität des MO-Ableiters

wird der kapazitive Blindwiderstand mit steigender Frequenz kleiner, und folglich steigt der kapazitive Strom mit zunehmender Frequenz. In Tabelle 12 sind als Beispiel für einen typischen MO-Ableiter mit Uc = 20 kV und Leitungsentla-dungsklasse 2 die Verlustleistung Pv und der Strom ic bei unterschiedlichen Frequenzen angegeben.

Auf die Dimensionierung und den Einsatz von MO-Ableitern für Bahnnetze mit f = 50 Hz und f = 16,7 Hz wird in [24] ausführlich eingegangen. Sollen MO-Ableiter bei höheren Frequenzen als 60 Hz eingesetzt werden, ist mit dem Her-steller Kontakt aufzunehmen.

11 Ableiter bei unterschiedlichen Frequenzen

Tabelle 12: Typische Verlustleistung Pv und Dauerstrom ic in Abhängigkeit der Frequenz für einen MO-Ableiter mit Uc = 20 kV und Leitungsentladungsklasse 2.

Frequenz f in Hz 60 50 16,7

Verlustleistung Pv in W 1,32 1,2 0,6

Dauerstrom ic in mA, rms 0,44 0,36 0,12



Ableiter werden generell als Einzelgeräte angesehen. Das heisst, sie erfüllen ihre Funktion mit den spezifizierten Daten am installierten Ort, unabhängig von anderen Geräten in der näheren Umgebung. Darum können prinzipiell unterschied-liche Ableiter nebeneinander in einer Leitung im Netz installiert sein. Es muss dabei beachtet werden, dass aufgrund unter-schiedlicher Funktionsweisen – zum Beispiel SiC-Ableiter und MO-Ableiter parallel oder MO-Ableiter mit unterschied-lichen Spannungs-Strom-Charakteristiken parallel – einige Ableiter ihre Funktion verlieren und andere dagegen über-lastet werden können. Gezielte Parallelschaltungen von MO-Ableitern werden vorgenommen, wenn die Energie-aufnahme erhöht werden soll, die Restspannung etwas tiefer sein soll oder wenn gezielt Energieaufnahme und Restspan-nung unterschiedlich ausgelegt werden sollen.

12.1 Parallelschaltung zur Erhöhung der Energieaufnahmefähigkeit

Ergeben sich bei einem Anwendungsfall Energien, die von einem einzelnen MO-Ableiter nicht beherrscht werden kön-nen, können zwei oder mehrere MO-Ableiter zur Erhöhung der Energieaufnahmefähigkeit parallel geschaltet werden. Bedingung für eine gleichmässige Strom- und damit Energie-aufteilung zwischen den Ableitern ist, dass die Ableiter nahezu identische Spannungs-Strom-Charakteristiken haben. Aufgrund der extremen Nichtlinearität der MO-Wider-stände bringen geringe Unterschiede in der Restspannung im Schaltstossbereich grosse Unterschiede im Strom. Bei einem Nichtlinearitätsfaktor von ≈ 30 ergibt sich bei einem Spannungsunterschied (Restspannung im Schaltstoss-bereich) von 5 % eine Stromaufteilung von 1:4 zwischen den Ableitern.Es ist also zwingend nötig, eine Stromaufteilungsmessung bei allen parallel zu schaltenden MO-Ableitern durchzuführen. Ist eine Parallelschaltung mehrerer MO-Ableiter vorgesehen, muss dies dem Hersteller bei Bestellung mitgeteilt werden. Ferner ist darauf zu achten, dass die Ableiter räumlich dicht nebeneinander aufgestellt und mit kurzen induktivitätsarmen Verbindungen zusammengeschaltet werden. Andernfalls kön-nen Abstandseffekte zu einer ungleichmässigen Stromvertei-lung und damit zur Überlastung eines Ableiters führen. Die Parallelschaltung von MO-Ableitern hat neben der Auf-teilung des Stroms auf mehrere Ableiter den zusätzlichen positiven Effekt eines besseren, das heisst tieferen Schutz-niveaus. Dies, weil aufgrund der Stromaufteilung die Stromdichte pro Ableiter geringer wird und damit eine tiefere Restspannung auftritt. Installiert man zum Beispiel zwei MO-Ableiter parallel, so tritt bei einem Gesamtstrom von 10 kA mit der Wellenform 8/20 µs eine Restspannung an der Parallelschaltung auf, die einem Strom von 5 kA mit 8/20 µs eines einzelnen Ableiters entspricht. Es sei aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass es immer besser ist, einen MO-Ableiter mit einem grösseren Durch-messer des MO-Widerstands einzusetzen, als mehrere MO-Ableiter mit kleineren Durchmessern des MO-Widerstands parallel zu schalten.

12 Parallelschaltungen von MO-Ableitern



12.2 Koordination von parallelen MO-Ableitern

In einigen Fällen ist es notwendig oder vorteilhaft, zwei MO-Ableiter in einer Anlage räumlich getrennt, aber elektrisch parallel in derselben Leitung zu installieren. Dies ist zum Bei-spiel der Fall, wenn aufgrund der räumlichen Ausdehnung einer Unterstation ein Ableiter am Eingang der Station einge-baut wird und ein anderer in einiger Entfernung direkt vor dem Transformator. In so einem Fall können zwei Ableiter gleichen Typs und mit gleicher Dauerspannung eingesetzt werden. Beide MO-Ableiter werden im Fall einer einlaufenden Über-spannung an der Stromableitung gegen Erde beteiligt sein und einen sehr guten Überspannungsschutz gewährleisten. Man kann aber nicht davon ausgehen, dass die auftretende Energie gleichmässig aufgeteilt wird.

Aufeinander abgestimmte MO-Ableiter unterschiedlichen Typs oder gleichen Typs mit unterschiedlichen Charakteris-tiken werden gezielt eingesetzt, wenn eine ungleichmässige Aufteilung der Energieaufnahme gewünscht wird. Dies ist zum Beispiel der Fall bei Stationen, bei denen der Trans-formator über ein Kabel an eine Freileitung angeschlossen ist, siehe Bild 36. Auf dem Mast, am Übergang der Frei-leitung zum Kabel, wird ein Ableiter eingesetzt, der ein höhe-res Energieaufnahmevermögen und eine tiefer liegende Rest-spannungscharakteristik hat als der Ableiter in der Station vor dem Transformator. Damit wird erreicht, dass der grösste Teil der Energie im Ableiter draussen auf dem Mast aufge-nommen wird bei gleichzeitiger Begrenzung der Spannung auf einen möglichst tiefen Wert. Der Ableiter in der Station muss nur noch einen geringen Teil des Stroms ableiten und schützt gleichzeitig den Transformator gegen Überspannun-gen aufgrund von Reflektionen. In der Praxis kann dieses Prinzip umgesetzt werden, indem man zwei MO-Ableiter gleichen Typs wählt – zum Beispiel MWK mit Leitungs-entladungsklasse 2 –, bei denen der Ableiter in der Station eine ca. 10 % höhere Dauerspannung Uc hat als der Ableiter draussen auf dem Mast.

Bild 36: Anordnung zweier MO-Ableiter zum Schutz einer Station mit Kabeleinführung. Der MO-Ableiter auf dem Mast direkt am Kabel-

endverschluss ist zum Beispiel ein MWK 20 mit einem Upl = 61,4 kV, der Ab leiter in der Station zum Beispiel ein POLIM-D 20 mit Upl = 70 kV.

Durch diese Koordination von Restspannung und Energie aufnahme fähigkeit ist sichergestellt, dass der grösste Teil des Stroms ausserhalb

der Station gegen Erde abgeleitet wird. Bei ungünstigen Erdungs verhältnissen oder in stark blitzgefährdeten Gegenden empfiehlt es sich,

ein Erdseil vor der Station über einige Spannlängen anzuordnen.




R E,S

MastMast

Unterstation

Kabelendverschluss

Kabel

Erdseil

Leiterseil

R E, MR E, M



Dasselbe Resultat erreicht man, wenn zwei MO-Ableiter mit gleicher Dauerspannung Uc, aber unterschiedlichen Typs – zum Beispiel ein MWK mit Leitungsentladungsklasse 2 auf dem Mast und ein POLIM-D mit Leitungsentladungsklasse 1 in der Station – vor dem Transformator eingesetzt werden. Aufgrund des geringeren Querschnitts der MO-Widerstände des POLIM-D gegenüber dem MWK liegt seine Restspan-nungscharakteristik automatisch höher als diejenige des MWK. Im englischen Sprachraum wird der Ableiter draussen auf dem Mast als «riser pole»-Ableiter bezeichnet. Dies ist keine Typ bezeichnung für einen Ableiter, sondern gibt den Einbauort an, nämlich dort, wo das Kabel den Mast hochge-führt und an die Freileitung angeschlossen wird.

12.3 MO-Ableiter und Funkenstreckenableiter parallel

Es gibt keinen technischen Grund, MO-Ableiter und SiC-Ableiter mit Funkenstrecke parallel zu schalten. Sind in einem Netz ältere SiC-Ableiter mit Funkenstrecke installiert und es werden MO-Ableiter im Rahmen einer Stationserweiterung oder aus ähnlichen Gründen zusätzlich installiert, werden die Ableiter unabhängig voneinander funktionieren. Es empfiehlt sich allerdings, in einer Station oder Anlage nur Ableiter eines Typs oder zumindest eines Funktionsprinzips zu installieren. Bei einer Parallelschaltung von SiC-Ableitern mit Funken-strecke und MO-Ableitern gibt es keine Stromaufteilung zwi-schen den beiden Ableitern. Der MO-Ableiter wird den Strom führen und die Spannung begrenzen, bevor die Funken-strecke des SiC-Ableiters anspricht. Der MO-Ableiter schützt also den SiC-Ableiter und übernimmt die volle Energie, der SiC-Ableiter bleibt wirkungslos.



Isolationskoordination ist die Abstimmung zwischen der dielektrischen Festigkeit von Betriebsmitteln unter Berück-sichtigung der Umgebungsbedingungen und den in einem Netz möglichen Überspannungen. Da aus wirtschaftlichen Gründen die Betriebsmittel nicht gegen alle auftretenden Überspannungen isoliert werden können, werden Über-spannungsableiter eingesetzt, um Überspannungen auf ein für die Betriebsmittel ungefährliches Mass zu begrenzen. Ein MO-Ableiter sorgt also dafür, dass die an einem Betriebs-mittel auftretende maximale Spannung immer unter dem garantierten Haltewert der Isolation des Betriebsmittels bleibt. In [1] und [7] sind die Grundlagen und Methoden der Isola-tionskoordination eingehend beschrieben, [5] gibt allgemeine Richtlinien für die Auswahl von Überspannungsableitern zum Schutz verschiedener Betriebsmittel in allen Spannungs-ebenen.Im Folgenden werden die grundlegenden Zusammenhänge und wichtigsten Auswahlkriterien für MO-Ableiter in Mittel-spannungsnetzen kurz dargestellt, siehe dazu auch Bild 37.

Ein Ableiter hat zwei wesentliche Aufgaben zu erfüllen: • er muss auftretende Überspannungen auf ein für die

Betriebsmittel ungefährliches Mass begrenzen und • er muss im Netz einen sicheren und fehlerfreien Betrieb

gewährleisten.Die Auswahl der Dauerspannung Uc ist in Kapitel 7 aus-führlich beschrieben, sodass im Folgenden nur die benötigte Energieaufnahmefähigkeit und die Schutzcharakteristik für MO-Ableiter in Mittelspannungsnetzen kurz behandelt werden. Die Dauerspannung Uc ist so zu wählen, dass in allen Fällen sichergestellt ist, dass der Ableiter alle netzfrequenten Span-nungen unter Berücksichtigung temporärer Überspannungen ohne Risiko einer Überlastung aushält. Dies bedeutet, dass T × Uc immer höher sein muss als die maximal möglichen temporären Überspannungen UTOV im Netz.

Anmerkung: Eine Ausnahme davon sind Ferroresonanzen. Ferroresonanzen können so hoch werden und lange anstehen, dass sie bei der Dimensionierung der Dauerspannung nicht berücksichtigt werden können, wenn der Ableiter seine Schutzfunktion noch sinnvoll ausüben soll. Sollten Ferro-resonanzen auftreten, wird der MO-Ableiter in der Regel überlastet. Zur Vermeidung von Ferroresonanzen ist der Netzbetreiber gehalten, geeignete Massnahmen zu ergreifen.

13 Isolationskoordination und Auswahl von Ableitern

Bild 37: Gegenüberstellung der möglichen auftretenden Spannungen im Netz, der Haltespannung der Betriebsmittel und der Kenngrössen

eines MO-Ableiters. In Mittelspannungsnetzen sind die Überspannungen aufgrund von Blitzeinwirkungen dimensionierend. Darum sind nur

die für Blitzüberspannungen wichtigen Grössen dargestellt.




UL-E

UTOV

Kenngrössen der Betriebsmittel,

bezogen auf Um

Kenngrössen der MO-Ableiter Kenngrössen des Netzes, bezogen auf Us

LIWV

Ungeschützter,

gefährdeter Bereich

Blitzüberspannungenp.u.

Upl

Ks

U

T × Uc

1 p.u. = Us × √2 / √3

Uc

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1



Damit der MO-Ableiter die Schutzfunktion wahrnimmt, muss andererseits der Blitzstossschutzpegel Upl deutlich unter der Bemessungs-Blitzstossspannung (LIWV) des zu schützenden Betriebsmittels liegen, wobei der Sicherheits faktor Ks zu berücksichtigen ist. Es geht also darum, die Spannungs-Strom-Charakteristik des MO-Ableiters so zu legen, dass beide Anforderungen erfüllt werden. Die Bemessungs-Blitzstossspannung (Haltespannung der Isolation) ist, wie in Bild 37 für ein typisches Mittelspannungs-netz mit Us = 24 kV gezeigt, relativ hoch gegenüber der System spannung. Damit ergibt sich automatisch ein grosser Abstand zwischen der maximal zulässigen Spannung am zu schützenden Betriebsmittel und dem Blitzstossschutzpegel des Ableiters, siehe dazu auch Tabelle 7. Wie bereits weiter oben erwähnt, ist es sinnvoll, die Dauer-spannung Uc etwas (z. B. 10 %) höher zu wählen als berech-net. Es bleibt in der Regel genügend Abstand zwischen der maximal zulässigen Spannung am Betriebsmittel und dem Schutzpegel des Ableiters.

13.1 Nenn-Ableitstossstrom In und Leitungs entladungsklasse

Wie bereits erwähnt, sind die Blitzstromparameter aus Blitz-statistiken abgeleitet, und die Leitungsentladungsklassen ergeben sich aus der in aufgeladenen Übertragungsleitungen gespeicherten Energie. Wie auch schon erläutert, haben die Leitungsentladungsklassen an sich in Mittelspannungsnetzen keine direkte Bedeutung, werden aber benutzt, um die für einen Ableiter geforderte Energieaufnahmefähigkeit anzu-geben. Es kommt also darauf an, die in einem Netz befind-lichen möglichen Energiespeicher wie Kabel, Kondensatoren oder Kondensatorbänke und Induktivitäten zu kennen. Kann die mögliche gespeicherte Energie berechnet werden, kann man den Wert einer Leitungsentladungsklasse zuordnen.

Bild 38 zeigt eine statistische Auswertung aller gemessenen Blitzströme [10] [13]. Die eingetragene Mittelwertkurve gibt einen guten Über blick über die Häufigkeit auftretender Blitz-strom-Scheitelwerte. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 80 % werden 20 kA erreicht oder überschritten, während Blitzströme mit Scheitel werten über 100 kA sehr selten sind. Aus diesen Blitzstromstatistiken sind die genormten Blitzstossströme und Hochstossströme abgeleitet. Geht man davon aus, dass sich ein Blitzstrom bei einem Direkteinschlag aufteilt und jeweils die Hälfte in eine Richtung als Wanderwelle über die Leitung läuft, erhält man den bekannten Nenn-Ableitstossstrom In = 10 kA. Die Wellenform von 8/20 µs ergibt sich für den Blitzstrom unge- fähr, wenn an einem Isolator ein Überschlag stattgefunden hat.

Bild 38: Statistische Auswertung weltweit gemessener Blitz ströme.

Dargestellt ist die Wahrscheinlichkeit des Auftretens über dem

Scheitelwert der Blitzströme.




0 10,0 100,0 I kA

99,0

90,0

70,0

50,0

20,0

10,0

2,0

0,2

P%



Je nach Gewitteraktivität in einem Gebiet bzw. entsprechend der Blitzgefährdung einer Anlage kann also der Nenn- Ableit stossstrom ausgewählt werden. Zusammen mit der Leitungsentladungsklasse ergeben sich dann eindeutig die Anforderungen an den zu bestimmenden Ableiter (siehe auch Kapi tel 7.2). In Mittelspannungsnetzen kommen für Standard-anwendungen MO-Ableiter mit In = 10 kA und Leitungs - ent ladungsklasse 1 oder 2 zur Anwendung. Höhere Nenn-Ableitstossströme (In = 20 kA) und höhere Leitungsentladungs-klassen (3 bis 5) werden in Mittelspannungsnetzen nur in Sonderfällen gewählt, wie zum Beispiel• in Regionen mit extremer Gewittertätigkeit und der Gefahr

direkter Blitzeinschläge (Ableiter für hohe Blitzstrombelas-tungen);

• bei Freileitungen mit Beton- oder Holz masten und nicht geerdeten Traversen;

• bei Ableitern an Standorten, in deren Nähe sich oft Personen aufhalten (zum Beispiel in Bahnnetzen und auf elektrischen Bahnen);

• im Zuge von Leitungen, die hinsichtlich der Betriebs-sicherheit aussergewöhnlich hohe Anforderungen stellen;

• zum Schutz von Motoren, Generatoren und Kabeln; • bei Lichtbogenöfen;• bei grossen Kondensatorbatterien;• bei sehr langen Kabelstrecken;• bei teuren rotierenden Maschinen.

Es sei noch erwähnt, dass bei den hauptsächlich auftreten-den negativen Wolke-Erde-Blitzen pro Blitz typisch 3 bis 4 Einzelentladungen im Abstand von ca. 30 bis 50 ms statt-finden. Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Belastung energetisch für MO-Ableiter unkritisch ist, aber bei ungenü-gender Passivierung der MO-Widerstände oder nicht völlig vergossenen Ableitern Oberflächenprobleme, z. B. Über-schläge entlang des Aktivteils, auftreten können [25]. Diese so genannten Multi-Pulse haben keinen Einfluss auf die Auswahl des Nenn-Ableitstossstroms oder der Leitungs-entladungsklasse. Im australischen Standard [26] ist eine optionale Arbeits prüfung mit Multi-Pulsen beschrieben.



13.2 Schutzpegel

In den Übertragungsnetzen höherer Systemspannungen ist der Schaltstossschutzpegel Ups massgebend für die Isola-tionskoordination. In den hier betrachteten Mittelspannungs-netzen spielt er jedoch eine untergeordnete Rolle. Hier sind hauptsächlich der Blitzstossschutzpegel Upl wichtig und gegebenenfalls der Schutzpegel bei Steilstossströmen, wenn z. B. Vakuumschalter im Netz sind. Generell sollte im Sinne eines optimalen Schutzes der Schutz pegel so tief wie möglich sein. Andererseits ist, wie weiter oben mehrfach betont, die Betriebssicherheit des Ableiters im Netz immer vorzuziehen gegenüber der völligen Ausnutzung des Schutzpegels. Diese gegensätzlichen Anforderungen sind in Mittelspannungsnetzen im Allgemei-nen unkritisch, wie anhand von Bild 37 erläutert.Von wesentlicher Bedeutung ist das Schutzverhältnis Upl /Uc. Je kleiner dieses Verhältnis ist, desto tiefer ist der Schutz-pegel bei gleichem Uc und umso besser der Schutz. Ist also in einem Anwendungsfall ein sehr tiefer Schutzpegel tech-nisch zwingend, kann ein Ableiter mit einem besseren Schutzverhältnis gewählt werden. Dies ist in der Regel ein Ableiter mit einer höheren Leitungsentladungsklasse, da diese Ableiter MO-Widerstände mit grösserem Querschnitt als Aktivteil haben (siehe dazu Tabelle 1 und 2). Die Wahl eines MO-Ableiters mit gleichem Uc, aber höherer Leitungs-entladungsklasse bringt also bei gleicher Betriebssicherheit im Netz einen besseren Schutz und zusätzlich auch eine höhere Energieaufnahmefähigkeit. Ausserdem hat ein MO-Ableiter mit tieferem Schutzpegel auch immer einen grösseren Schutzbereich.

Neben dem Nenn-Ableitstossstrom und der Energieaufnah-mefähigkeit, gegeben durch die Leitungsentladungsklasse, ist also bei der Wahl eines Ableiters oder dem Vergleich ver-schiedener Produkte auch immer das Schutzverhältnis Upl /Uc zu berücksichtigen. In diesem Zusammenhang ist auch die zeitweilige Überlastbarkeit der MO-Ableiter mit temporären Überspannungen zu beachten. Eine hohe Festigkeit gegen temporäre Überspannungen bedeutet in der Regel, dass die Spannungs-Strom-Charakteristik eines MO-Ableiters so hoch gelegt wurde, dass alle auftretenden netzfrequenten Über-spannungen nicht wesentlich über den Kniepunkt der Kenn-linie hinausgehen. Dies hat aber den Effekt, dass auch die Restspannung des MO-Ableiters entsprechend hoch liegt, was einen ungüns tig hohen Schutzpegel zur Folge hat.



13.3 Beispiele

Anhand einiger typischer, aber willkürlich gewählter Beispiele soll das Vorgehen bei der Be stimmung eines MO-Ableiters gezeigt werden. In [4], Anhang G, ist aufgeführt, welche Angaben bekannt sein sollten, um einen Ableiter bestimmen zu können. Die wichtigsten und für die Bestimmung eines Ableiters für Mittelspannungsnetze mindestens notwendigen Angaben sind:• Höchste Systemspannung Us

• Netzfrequenz• Behandlung des Transformatorsternpunkts • Maximale Erdfehlerdauer• Art des zu schützenden Betriebsmittels (Transformator,

Kabel, Kondensatorbank, Generator, etc. …)• Isolationspegel (Bemessungs-Blitzstossspannung) des zu

schützenden Betriebsmittels• Umgebungsbedingungen, sofern von den normalen

Bedingungen abweichend• Nenn-Ableitstossstrom und Leitungsent ladungsklasseWerden keine oder wenige Angaben gemacht, so nimmt man für die Bestimmung der Ableiter typische Werte an.

13.3.1 Netz mit isoliertem Sternpunkt

Angaben • Überspannungsschutz einer Unterstation in einem

Freileitungsnetz• Mittlere Verschmutzung• Us = 12 kV• Sternpunkt isoliert

Ohne weitere Angaben wird angenommen• Um = 12 kV • LIWV = 75 kV• Erdschlussdauer > 30 min, d. h. Dauerbetrieb• Nenn-Ableitstossstrom In = 10 kA• Leitungsentladungsklasse 1• Kurzschlussstrom des Netzes Is = 20 kA• Verschmutzungsgrad II (Mittel)

Damit ergibt sichWahl der Dauerspannung gemäss Kapitel 7.1.1:

Uc ≥ Us

Mit 10 % Sicherheitsmarge für Uc folgtUc = 1,1 × Us = 13,2 kV Es ergibt sich also ein Ableiter mit Uc = 14 kV.

Kontrolle des Schutzpegels Es muss sein Upl ≤ LIWV/Ks

Es ergibt sich mit Ks = 1,2:75 kV/1,2 = 62,5 kV als maximal zulässige Spannung am Betriebsmittel.Wegen In = 10 kA und Leitungsentladungsklasse 1 wird ein MO-Ableiter Typ POLIM-D gewählt mit Upl /Uc = 3,5.

Damit ergibt sich Upl = 49 kVDie Bedingung Upl ≤ LIWV/Ks ist damit klar erfüllt. Die Forderung nach einem Kurzschlussstrom von Is = 20 kA wird vom Typ POLIM-D ebenfalls erfüllt.



Bei einem vorgegebenen Verschmutzungsgrad «mittel» werden 20 mm Kriechweg pro kV Sys temspannung empfoh-len. Damit ergibt sich ein minimaler Kriechweg von Us × 20 mm/kV = 12 kV × 20 mm/kV = 240 mm. Bei einem MO-Ableiter mit Silikongehäuse kann der Kriechweg um 20 % reduziert werden, damit ergibt sich ein benötigter minimaler Kriechweg von 192 mm. Gemäss Datenblatt des POLIM-D ergibt sich ein Ableiter POLIM-D 14-05.Das Ableitergehäuse hat einen Kriechweg von 460 mm, ist also völlig ausreichend.

Die minimal benötigten Haltewerte des leeren Ableiter-gehäuses berechnen sich entsprechend IEC zu:Blitzstossspannung 1,2/50 µs: 1,3 × Upl = 1,3 × 49 kV = 63,7 kV Wechselspannungsprüfung 1 min, nass:1,06 × Ups = Uprüf, sw = 41,1 kV, sw. Daraus folgt ein Haltewert von41,1 kV / √2 = 29 kV, rms, 1 min, nass. Die nachgewiesenen Haltewerte gemäss Datenblatt sind Blitzstossspannung 1,2/50 µs: 140 kVWechselspannungsprüfung: 38 kV, rms, 1 min nass.Das Gehäuse des POLIM-D 14-05 hat also bedeutend höhere Haltewerte als nach IEC min des tens gefordert.

13.3.2 Netz mit direkter Sternpunkterdung

Angaben• Überspannungsschutz in einem Kabelnetz• Systemspannung Us = 24 kV• Direkt geerdeter Sternpunkt

Ohne weitere Angaben wird angenommen• Um = 24 kV• LIWV = 125 kV• Erdschlussdauer ≤ 3 s, d. h. sofortige Abschaltung• Nenn-Ableitstossstrom In = 10 kA• Leitungsentladungsklasse 2, gibt für Kabel ein günstiges,

d. h. tiefes Schutzniveau bei hoher Energieaufnahme-fähigkeit.

• Kurzschlussstrom des Netzes Is = 20 kA• Verschmutzungsgrad I (gering)

Damit ergibt sichWahl der Dauerspannung gemäss Kapitel 7.1.3:

Uc ≥ 1,1 × Us

√3

Mit 10 % zusätzlicher Sicherheitsmarge für Uc ergibt sich Uc = 15,2 kV × 1,1 = 16,8 kV. Daraus folgt ein Ableiter mitUc = 17 kV.

Kontrolle des SchutzpegelsEs muss sein Upl ≤ LIWV/Ks.Mit LIWV = 125 kV und Ks = 1,2 ergibt sichUpl ≤ 125 kV / 1,2 = 104,2 kV.Zum Schutz von Kabeln ist ein tiefer Schutzpegel besonders wichtig (Verlangsamung der Isolationsalterung etc.). Daher wird ein MO-Ableiter Typ MWK mit Uc = 17 kV mit Upl /Uc = 3,07 gewählt. Für einen MWK 17 ergibt sich gemäss Datenblatt Upl = 52,2 kV. Der MWK 17 hat also einen hervorragend tiefen Schutzpegel, was besonders für den Schutz von Kabelisolationen wichtig ist. Die Forderung nach einem Kurzschlussstrom von 20 kA wird vom MWK erfüllt.



Gemäss Annahme ist nur geringe Verschmutzung zu berück-sichtigen, also wird von einem Kriechweg von 16 mm/kV ausgegangen. Es ergibt sich eine Mindestanforderung von 384 mm Kriechweg. Bei einem Silikongehäuse und leichter Verschmutzung (Verschmutzungsgrad I) kann der Kriechweg um 30 % verringert werden. Daraus ergibt sich endlich ein Kriechweg von mindestens 269 mm. Gemäss Datenblatt hat der MWK 17 einen Kriechweg von 492 mm und bietet auch hier grosse Reserven.Die nach IEC geforderten und für den MWK 17 nachgewiese-nen Haltewerte des leeren Gehäuses sind:Blitzstossspannung 1,2/50 µs: 67,9 kV = > geprüft 152 kVWechselspannungsprüfung 1 min, nass: 31,4 kV = > geprüft 50 kV.Der MWK 17 erfüllt also alle Anforderungen mit grossen Sicherheitsmargen und gewährleistet einen sicheren Netz-betrieb und einen hervor ragenden Schutz.

13.3.3 Netz mit Erdschlussabschaltung

Angaben• Transformatorschutz in einer Freiluftanlage • Aufstellungshöhe 3600 m• Saisonbedingt hohe Gewittertätigkeit• Systemspannung Us = 24 kV• Sternpunkt hochohmig isoliert mit Erdschluss abschaltung

nach maximal 60 s

Weitere Annahmen• Um = 24 kV• LIWV = 125 kV• Erdschlussdauer t = 60 s• Nenn-Ableitstossstrom In = 10 kA• Leitungsentladungsklasse 2, wegen erhöhter Gewitter-

aktivität• Kurzschlussstrom des Netzes Is = 20 kA• Verschmutzungsgrad I (gering)

Damit ergibt sichWahl der Dauerspannung gemäss Kapitel 7.1.2

Uc ≥ Us

T

Mit der Annahme Leitungsentladungsklasse 2 aufgrund erhöhter Gewitteraktivitäten wird der Typ POLIM-K gewählt. Aus der TOV-Kurve ergibt sich für t = 60 s ein Faktor von T = 1,225. Damit berechnet sich die Dauerspannung zu

Uc ≥ 24 kV1,225

= 19,6 kV

Mit einer Reserve von 10 % ergibt sich Uc zu 21,6 kV.

Gewählt wird also ein POLIM-K mit Uc = 22 kV. Kontrolle des Schutzpegels Es muss sein Upl ≤ LIWV/Ks.Mit LIWV = 125 kV und Ks = 1,2 ergibt sich die ma ximale Spannung am Betriebsmittel zu 104,2 kV. Der POLIM-K 22 hat ein Upl von 73,3 kV und erfüllt die Bedin-gung mit gutem zusätzlichem Sicherheitsabstand.Gemäss Annahme ist nur geringe Verschmutzung zu berück-sichtigen, also wird von einem Kriechweg von 16 mm/kV ausgegangen. Es ergibt sich eine Mindestanforderung von 384 mm Kriechweg. Bei einem Silikongehäuse und leichter Verschmutzung (Verschmutzungsgrad I) kann der Kriechweg um 30 % verringert werden. Daraus ergibt sich endlich ein Kriechweg von mindestens 269 mm. Gemäss Datenblatt hat der POLIM-K 22-04 einen Kriechweg von 770 mm und bietet auch hier grosse Reserven.Die minimal benötigten Haltewerte des leeren Ableiter-gehäuses berechnen sich entsprechend IEC zu:Blitzstossspannung 1,2/50 µs: 1,3 × Upl = 1,3 × 73,3 kV = 95,3 kV Wechselspannungsprüfung 1 min, nass: 1,06 × Ups = Uprüf, sw = 59,7 kV, sw. Daraus folgt ein Haltewert von59,7 kV / √2 = 42,2 kV, rms, 1 min, nass. Die nachgewiesenen Haltewerte gemäss Datenblatt sind Blitzstossspannung 1,2/50 µs: 200 kVWechselspannungsprüfung: 54 kV, rms, 1 min nass.Das Gehäuse des POLIM-K 22-04 hat also höhere Halte-werte als nach IEC mindestens gefordert.



Aufgrund der Aufstellungshöhe von 3600 m muss überprüft werden, ob eine Verlängerung des Ableitergehäuses nötig ist.Oberhalb einer Aufstellungshöhe von 1800 m müsste das Gehäuse um 12 % pro 1000 m verlängert werden bzw. eine entsprechend höhere Haltespannung nachgewiesen werden. Bei 3600 m muss also um 22 % korrigiert werden.Für die mindestens erforderliche Haltespannung ergab sich:Blitzstossspannung 1,2/50 µs: 95,3 kV. Eine Erhöhung von 22 % ergibt 116,3 kV. Wechselspannungsprüfung 1 min, nass: 42,2 kV rms. Eine Erhöhung von 22 % ergibt 51,5 kV rms. Beide entsprechend der Höhenkorrektur errechneten Werte liegen unterhalb der nachgewiesenen Haltewerte. Es braucht also kein verlängertes Gehäuse.Der POLIM-K ist mit einem Kurzschlussstrom von 40 kA geprüft und erfüllt die Forderung nach einem Kurzschluss-strom von 20 kA problemlos.Für diese Anwendung ist der POLIM-K 22-04 in jeder Bezie-hung der richtige Ableiter.

13.4 Wirtschaftliche Betrachtungen

Um einen angemessenen Überspannungsschutz in Mittel-spannungsnetzen zu erreichen, muss der beste Kompromiss zwischen den Kosten und dem Nutzen der einzusetzenden Schutzgeräte gefunden werden. Es ist das technisch-wirt-schaftliche Optimum anzustreben. Richtig angewendeter Überspannungsschutz reduziert• Ausfälle von Leitungen und Unterstationen;• Unterbrüche kritischer Herstellungsprozesse, die hohe

Spannungsstabilität erfordern;• Kosten für Unterbrüche in der Energie versorgung;• Kosten für Ersatz und Reparatur von Betriebsmitteln;• Alterung der Isolation (z. B. bei Kabeln);• Wartungsarbeiten;• etc.Das Ziel des Überspannungsschutzes ist, so gut wie möglich eine unterbrechungsfreie Versorgung mit elektrischer Energie hoher Spannungsstabilität zu gewährleisten.In [27] und [28] wird berichtet, dass mit auf umfassenden Stu-dien beruhendem optimiertem Einsatz von Überspannungs-ableitern die Ausfälle von Mittelspannungstransformatoren in kritischen Gebieten drastisch reduziert werden konnten. Es sind also nicht hauptsächlich die Kosten für einen Satz Überspannungsableiter zu betrachten, sondern die Kosten, die langfristig auftreten können, wenn an einem adäquaten Überspannungsschutz gespart wurde.



In der jeweiligen Betriebsanleitung für die MO-Ableiter sind Angaben gemacht über Montage und Installation, Wartung, Transport, Lagerung und Entsorgung. Damit der MO-Ableiter seine Funktion richtig erfüllen kann, sind einige Punkte besonders zu beachten.

14.1 Anschlüsse

Prinzipiell sind für die Anschlüsse die nationalen Vorschriften und Anforderungen der Anlagenbetreiber zu beachten. Der Querschnitt der Anschlüsse muss aber mindestens so gewählt werden, dass der für den jeweiligen Ableiter ange-gebene Kurzschlussstrom (für die angegebene Stromfluss-dauer) nicht zum Schmelzen oder Abreissen der Anschlüsse führt. Dies gilt für die Hochspannungsanschlüsse und auch für die Erdverbindungen.Die Anschlüsse müssen so kurz und gerade ausgeführt wer-den wie möglich. Der Grund ist folgender: An jedem Leiter treten aufgrund der Eigeninduktivität beim Fliessen eines Impulsstromes induktive Spannungen auf. Bei grossen Strom änderungen di/dt, wie sie bei Blitzströmen auftreten, sind diese induzierten Spannungen beträchtlich. Das MO-Material selbst reagiert nahezu verzögerungsfrei auch bei sehr steilen Spannungs- und Stromimpulsen [29]. Auf-grund der räumlichen Ausdehnung der Ableiter selbst und der Anschlüsse sind aber immer induktive Spannungen vorhanden und müssen besonders bei Steilstossströmen berücksichtigt werden [4]. Die in den Datenblättern ange-geben Restspannungen sind immer die zwischen dem Kopf- und Fussteil, also direkt an den Ableiterklemmen auftreten-den Spannungen, siehe zur Erläuterung auch Bild 39.

Die zusätzlich induzierte Spannung berechnet sich entspre-chend

Ui = L × di/dt

Bei einer Induktivität von L = 1 µH für einen geraden Draht von 1 m Länge und einem Blitzstrom von 10 kA Scheitelwert der Wellenform 8/20 µs ergibt sich ungefähr eine induktive Spannung von Ui = 1,2 kV pro Meter Verbindungsleitung. Bei einem Steilstossstrom mit einer Anstiegszeit von 1 µs und 10 kA Scheitelwert ergibt sich eine Spannung von Ui = 10 kV pro Meter Verbindungsleitung.Daraus folgt, dass die Verbindungen und die gesamte Schlaufe so induktivitätsarm wie möglich ausgeführt werden müssen. Es ist selbst verständlich, dass der Ableiter und der Transformator am gleichen Erdungspunkt angeschlossen sein müssen. Erdausbreitungswiderstände sollten so klein wie möglich sein. Ein Wert von RE ≤ 10 Ω wird als ausreichend angesehen. Es ist noch zu beachten, dass Erdungswider-stände meist mit Gleichstrom oder 50 Hz Wechselstrom ausgemessen werden, bei hohen Frequenzen (oder Stoss-strömen mit hohen Frequenzanteilen) aber einen weit höheren Wert haben können. Zur wirksamen Ableitung von Stossströmen werden darum speziell ausgeführte Erdungs-anlagen eingesetzt.

14 Montage und Wartung

Bild 39: Typische Anordnung eines Transformators mit angeschlosse-

nem Ableiter. Die induktive Spannung Ui der gesamten Anschluss-

längen addiert sich zu der Restspannung Ures des Ableiters.




Freileitung

CT

S

a

UT

UT = Ures + U i (b)

b = b1 + b2

Ures

U v

b1

b2



14.2 Wartung

MO-Ableiter mit Silikongehäuse im Direktverguss enthalten keine Verschleissteile und sind wartungsfrei. Weiterhin wirken sich Verschmutzungen des Silikongehäuses nicht negativ auf die Isolationsfestigkeit des Gehäuses aus. Bei sehr starker Verschmutzung kann der Ableiter gereinigt werden. Dabei sind lösungsmittelhaltige und abrasive Reinigungsmittel zu vermeiden. Am besten reinigt man die Silikonoberfläche mit sauberem warmem Wasser und einem fusselfreien weichen Tuch. Nach der Reinigung sollte der Ableiter nicht mit Silikon-fett oder -öl behandelt werden.Im Rahmen einer allgemeinen Kontrolle einer Unterstation oder Anlage genügt es, am Ableiter eine visuelle Inspektion durchzuführen, z. B. eine Kontrolle• der Ansprechzähler und mA-Meter, sofern vorhanden;• des Gehäuses auf Risse oder sonstige Beschädigung;• der Anschlüsse, inklusive der Abtrennvorrichtungen,

sofern vorhanden.

14.3 Messungen vor Ort

Im Rahmen der Routineprüfungen wird jeder einzelne MO-Widerstand und jeder MO-Ableiter im Werk geprüft. Kontroll-messungen an den Ableitern vor Einbau in eine Anlage sind nicht nötig.Wenn aus besonderen Gründen, zum Beispiel nach einem Fehler (Erd- oder Kurzschluss) in der Anlage oder im Rahmen einer routinemässigen Überprüfung aller Betriebsmittel, eine Überprüfung des Ableiters auf korrekte Funktion durchge-führt werden soll, ist der Ableiter vom Netz zu trennen und in einem entsprechend eingerichteten Labor von dazu ausgebil-deten Fachkräften zu überprüfen. Dabei sind vom Hersteller die nötigen Informationen über die zu prüfenden Parameter und die dazu benötigten Einrichtungen einzuholen.Die beste Lösung ist, jeweils den Ableiter ins Werk zurückzu-schicken und dort die Routineprüfung wiederholen zu lassen.Messungen vor Ort mit Kurbelinduktoren (Megger) oder ein-fache Widerstandsmessungen mit einem Ohmmeter bringen keine zuverlässige und ausreichende Aussage über den Zustand eines MO-Ableiters.In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass bei Isolationsmessungen in einer Anlage oder Station der Ablei-ter vom Netz getrennt werden muss. Andernfalls kann das Messergebnis verfälscht werden und zu falschen Schlüssen führen. Unter Umständen kann auch der Ableiter zerstört werden.



Abtrennvorrichtungen (auch Diskonnektoren genannt) werden eingesetzt, um einen Ableiter, der überlastet wurde, auto-matisch vom Netz zu trennen. Die Abtrennvorrichtung wird im Allgemeinen erdseitig direkt unter dem Ableiter montiert. Der Ableiter ist in solchen Fällen auf einem Isolierträger montiert, siehe auch das Beispiel in Bild 32. Die Erdverbindung muss in diesem Fall flexibel ausgeführt sein und es muss genügend Platz unter dem Ableiter sein, damit die abgetrennte Erd-verbindung frei hängen kann und die in diesem Fall am Fuss des Ableiters anliegende Betriebsspannung nicht zu Über-schlägen führt. Bild 40 zeigt einen überlasteten abgetrennten Ableiter. Der Sinn von Abtrennvorrichtungen ist, dass überlastete Ableiter nicht zu einem bleibenden Kurzschluss und damit zur Abschaltung des Netzes führen. Die Verbraucher können also weiterhin mit elektrischer Energie versorgt werden. Dies ist in unzugänglichen Gegenden, oder wenn der überlastete Ableiter nicht kurzfristig ersetzt werden kann, von Vorteil.Der Nachteil ist, dass die Phase, in der der abgetrennte Ableiter ist, keinen Überspannungsschutz mehr hat. Auch vom Netz getrennte defekte Ableiter sollten daher so schnell als möglich ersetzt werden.

Sind Hochspannungssicherungen im gleichen Strompfad mit Abtrennvorrichtungen installiert, müssen die Ansprech-charakteristiken beider Schutzgeräte aufeinander abgestimmt sein. Die Abtrennvorrichtung muss zeitlich vor der Sicherung bzw. gleichzeitig mit der Sicherung auslösen. Es wird damit vermieden, dass bei Einsetzen einer neuen Sicherung auf einen noch existierenden Kurzschluss geschaltet wird.

15 Abtrennvorrichtungen

Bild 40: Ableiter mit angesprochenem Diskonnektor



Anzeigeeinheiten (oder Indikatoren) sind Geräte, die einen überlasteten und damit einen Kurzschluss darstellenden Ableiter deutlich anzeigen. Solche Geräte werden hoch-spannungsseitig oder erdseitig direkt am Ableiter montiert. Im Fall einer Überlastung bleibt der Kurzschluss bestehen und das Netz abgeschaltet, der betroffene Ableiter ist aber eindeutig und sicher zu erkennen und kann dadurch schnell ausgewechselt werden. Anzeigeeinheiten werden in Lei-tungen und Stationen eingesetzt, bei denen eine einfache visuelle Kontrolle der Ableiter aus nächster Nähe nicht mög-lich ist.

16 Anzeigeeinheiten



Ausser bei den zeitlich sehr kurzen Ableitvorgängen verhält sich ein MO-Ableiter wie ein Isolator. Der bei Dauerspannung fliessende Leckstrom ist sehr gering. Wie in Kapitel 3.4.2 beschrieben, ist es unabdingbar, dass sich die Spannungs-Strom-Charakteristik unter dauernd anliegender Spannung nicht ändert. Insbesondere ist ein Anstieg des Leckstroms und damit der Verlustleistung und der Temperatur des Aktiv-teils nicht akzeptierbar.Zur Zustandsüberwachung von MO-Ableitern wurden ver-schiedene Diagnosemethoden und Indikatoren diskutiert und entwickelt [5]. Die oben genannten Abtrennvorrichtungen und Anzeigeein-heiten zeigen die völlige Zerstörung eines Ableiters an. Wenn es von Interesse ist, die Häufigkeit des Ansprechens eines Ableiters im Netz zu überwachen, können Ansprech-zähler eingesetzt werden. Diese Ansprechzähler zählen alle Ansprechereignisse oberhalb eines Schwellenwerts des Stroms durch den Ableiter. Moderne Ansprechzähler klassie-ren diese Ansprechereignisse nach der Stromhöhe und registrieren auch den Zeitpunkt des Ableitvorgangs. Soll der dauernd fliessende Leckstrom eines MO-Ableiters überwacht werden, können Strommesser (mA-Meter) einge-setzt werden. Neuere Entwicklungen bieten beide Möglich-keiten in einem Gerät, zum Teil mit Schnittstellen, um die gespeicherten Daten auslesen zu können.Werden Ansprechzähler oder Strommessgeräte eingesetzt, muss der Ableiter isoliert aufgestellt werden. In Netzen mit Systemspannungen von 72,5 kV und höher werden zur Überwachung der Ableiter häufig Ansprechzähler und mA-Meter eingesetzt.

In Mittelspannungsnetzen hingegen ist der Einsatz solcher Überwachungseinrichtungen auf wenige Sonderfälle begrenzt. Das liegt zum einen an den Kosten für die Überwa-chungsgeräte, die teurer sein können als die MO-Ableiter für Mittelspannungsnetze selbst. Zum anderen ist die Aussage-kraft der gemessenen Daten in der Regel gering.Die Anzahl der gemessenen Ansprechereignisse eines Ablei-ters gibt keine Aussage über den Zustand oder die Funktions-fähigkeit eines Ableiters. Wenn die garantierten Energie- oder Stromwerte nicht überschritten werden, treten keine mess-baren Veränderungen am Ableiter auf. Werden die garantier-ten Werte deutlich überschritten, führt das zur Zerstörung des Ableiters. Eine Zwischenstufe gibt es in der Regel nicht.Überwachungseinrichtungen, die zum Beispiel den Leck-strom auf Oberwellen hin untersuchen oder die 3. Harmoni-sche herausfiltern und bewerten, haben den Nachteil, dass in der Praxis die im Netz gemessenen Werte schwer zu inter-pretieren sind. Die Messung des gesamten Stroms ist wenig aussagekräftig, weil bei Dauerspannung der Leckstrom hauptsächlich kapa-zitiv ist, etwaige Veränderungen aber in der sehr kleinen ohmschen Komponente auftreten und daher kaum erfasst werden. Da der Leckstrom im Bereich der Dauerspannung temperaturabhängig ist, muss für eine korrekte Bewertung der Mess ergebnisse jeweils auch eine Temperaturkorrektur durchgeführt werden. Die Verlustleistung gibt eine gute Aussage über den Zustand des Ableiters. Allerdings ist die Messung der Verlustleistung eines Ableiters im Netz aus praktischen Gründen nicht mög-lich, denn es müsste neben jedem Ableiter ein Spannungs-teiler installiert sein. Ausserdem ist die Verlustleistung im Bereich der Dauerspannung gering und stark temperatur-abhängig. Das erfordert sehr genaue, temperaturkompen-sierte Messungen, die im Netzbetrieb mit vernünftigem Auf-wand nicht möglich sind.

17 Überwachung von MO-Ableitern



Die Messung der Temperatur des Aktivteils im Ableiter ist sehr aufwändig und wird bei Mittelspannungsableitern nicht angewendet. Ausserdem müssten sehr kleine Temperatur-änderungen registriert werden. Dies bedeutet, dass die Umgebungstemperatur und Temperaturänderungen aufgrund von normalen Ableitvorgängen berücksichtigt, d. h. kompen-siert werden müssten. Einige Anwender setzen Thermovisionskameras ein, um Betriebsmittel oder Anlageteile auf erhöhte Temperatur hin zu untersuchen. Dies ist eine gangbare Möglichkeit, auch MO-Ableiter regelmässig im Rahmen einer allgemeinen Kontrolle der Anlage zu kontrollieren. Die Anwendung beschränkt sich aber auf Hochspannungsableiter, die eine genügend grosse Fläche haben, um genau angepeilt werden zu können. Werden Überwachungseinrichtungen eingesetzt und zum Beispiel der Dauerstrom durch einen Ableiter gemessen, kommt es darauf an, die Tendenz des Stroms zu beobach-ten. Augenblickswerte alleine bringen keine ausreichende Aussage über den Zustand eines Ableiters. Dazu gehört es, dass die erste Messung sofort bei Inbetriebsetzung des Ableiters gemacht wird und die Randbedingungen während der Messung (Spannung, Umgebungstemperatur, Ver-schmutzung des Ableitergehäuses, etc.) festgehalten werden. Wie die Erfahrung der letzten Jahrzehnte zeigt, sind die modernen MO-Ableiter von sehr hoher Zuverlässigkeit. Dies zeigt sich auch in den sehr geringen Ausfallraten im Netz. In Mittelspannungsnetzen genügt es also, für einen störungs-freien und zuverlässigen Netzbetrieb qualitativ hochwertige und richtig dimensionierte MO-Ableiter einzusetzen. Zusätz-lich installierte Überwachungseinrichtungen sind im Allgemei-nen nicht nötig.

Die bei MO-Ableitern in Hochspannungsnetzen häufig ein-gesetzten Ansprechzähler geben, wie ausgeführt, wenig Information über den Zustand des Ableiters selbst, aber wertvolle Informationen über die Aktivitäten im Netz. Es ist also mehr eine Überwachung der Unterstation oder einer Leitung als eine Überwachung des Ableiters. In diesem Sinn kann ein Ableiter mit Ansprechzähler wichtige Daten liefern, die zu Analysen der Vorgänge im Netz herangezogen werden können. Überwachungseinrichtungen für Ableiter in Mittelspannungs-netzen werden aufgrund der obigen Ausführungen in der Regel nicht empfohlen. Eine Ausnahme sind Abtrennvorrich-tungen, die eingesetzt werden, wenn die Versorgung mit elektrischer Energie Vorrang hat vor dem sofortigen Aus-tauschen eines defekten Ableiters.



Die Zuverlässigkeit moderner MO-Ableiter ist sehr hoch. Die Ausfallwahrscheinlichkeit von Hochspannungsableitern ist nahezu null, bei Mittelspannungsableitern liegt sie im welt-weiten Schnitt bei 0,1 %, wobei es regional erhebliche Unter-schiede gibt. Bei den veralteten Konstruktionen mit Porzellan-gehäusen war bei einigen Produkten das Dichtungssystem eine Schwachstelle. Aufgrund von Korrosion an den Metall-teilen oder nachlassender Dichtigkeit der Dichtungsringe konnte nach Jahren im Betrieb Feuchtigkeit in das Gehäuse eindringen, was in der Folge nach einer gewissen Zeit zu einem Versagen der Ableiter führte. Für moderne, direkt mit Silikon vergossene MO-Ableiter gibt es nur zwei Gründe für eine Überlastung. Diese können sein: extreme Blitzeinschläge in die Leitung in unmittelbarer Nähe der Ableiter oder unerwartet hohe netzfrequente Über-spannungen aufgrund von Erdfehlern, Ferroresonanzen oder einem Spannungsübertritt.

Im Fall einer Überlastung bildet der MO-Ableiter in der Regel einen bleibenden Erd- oder Kurzschluss. Bild 41 zeigt einen im Labor im Rahmen einer Typprüfung überlasteten Ableiter.Versagt ein Ableiter im Netz, kann unter Umständen aus dem Ausfallbild auf die Fehlerursache geschlossen werden. Die Aussagekraft etwaiger Analysen an überlasteten Ableitern ist aber eher vage, da in der Regel nicht festgestellt werden kann, was tatsächlich die Ursache war und was eine Folge-schädigung aufgrund des Stromflusses und der Lichtbogen-wirkungen. Soll ein Überlastungsfall untersucht werden, müs-sen folgende Informationen zur Verfügung stehen:• alle Blitzeinschläge vor dem Ausfall und in der Nähe des

Ableiters, möglichst auch die Höhe des Blitzstromes• alle Schalthandlungen vor dem Ausfall der betroffenen

Leitung• die vor dem Ausfall vorhandene Spannung an den Ableiter-

klemmen, wenn möglich eine Mitschrift des Spannungs-verlaufs

• etwaige Erdfehler an anderer Stelle im betroffenen Netzteil• ein Übersichtsschaltbild der Leitung oder der Anlage mit

Einbauort des Ableiters vor dem Ausfall • Zählungen der Ansprechzähler, soweit vorhanden• Umgebungsbedingungen zum Zeitpunkt des Ausfalls

18 Überlastung, Fehlerabklärung, benötigte Informationen

Bild 41: MO-Ableiter POLIM-K 36-08 nach einer Kurzschluss prüfung im Labor



Ist ein MO-Ableiter in einer Phase ausgefallen und wird ersetzt, sollten auch die beiden Ableiter in den Nachbar phasen ersetzt oder zumindest auf ihre Unversehrtheit hin untersucht werden. Es empfiehlt sich daher, alle drei Ableiter zur Abklä-rung an den Hersteller zu schicken.Es sei noch darauf hingewiesen, dass ein MO-Ableiter auch im Fall einer Überlastung seine Schutzfunktion erfüllt. Durch das Herstellen eines Erd- oder Kurzschlusses wird die Spannung gegen Null gehen, und somit werden parallel zum Ableiter angeschlossene Geräte gegen zu hohe Spannungen geschützt.Der Schutz auch im Überlastungsfall wird in einigen Sonder-fällen gezielt als letzte Möglichkeit des Schutzes sehr wichti-ger und teurer Betriebsmittel eingesetzt. Will man erreichen, dass bei einem kritischen Netzzustand ein MO-Ableiter an vorbestimmter Stelle überlastet wird – zum Beispiel ausser-halb eines Gebäudes – wird dieser spannungsmässig bewusst etwas schwächer dimensioniert als die anderen in der Anlage befindlichen Ableiter. Diese so genannten «Opfer»- oder «Selbstmordableiter» kann man als elektrische Sollbruchstelle im Netz ansehen.



Moderne MO-Ableiter mit direktem Silikonverguss sind in einer alle Anwendungsfälle abdeckenden Vielzahl vorhanden und haben sich in den vergangenen Jahrzehnten als sehr zuverlässige Schutzelemente im Netz erwiesen. Sie schützen weit teurere Betriebsmittel und gewährleisten somit eine hohe Zuverlässigkeit und Güte der Energieversorgung. Sie sind eine Versicherung gegen Ausfälle aufgrund hoher Über-spannungen.In immer stärker vermaschten Netzen und bei immer weniger verfügbarem Platz werden zunehmend integrierte Lösungen eingesetzt und entsprechende Anlagen, Geräte und Kon-zepte entwickelt. Das bedeutet, dass ein Gerät unter Umständen mehrere Funktionen übernehmen muss. Ein Ableiter könnte also neben der Funktion des Überspannungs-schutzes auch die Funktion eines Stützers übernehmen. Dies bedeutet aber auch eine ständige Weiterentwicklung und Optimierung der MO-Ableiter und anderer Betriebsmittel. Gleichzeitig müssen auch Normen und Anwendungs-richtlinien überarbeitet werden, denn die Anforderungen und Möglichkeiten an Prüfungen werden sich auch ändern. In den internationalen Normungsgremien des IEC und der CENELEC werden die existierenden Normen ständig über-arbeitet und an neueste Entwicklungen angepasst. Für neue Anwendungsfälle, wie zum Beispiel bei erneuerbaren Ener-gien (z. B. Photovoltaik und Windkraft), werden neue Normen erstellt. In der Cigré und CIRED werden in verschiedenen Arbeitsgruppen vermehrt Fragen des Blitz- und Überspan-nungsschutzes bearbeitet und dazu technische Broschüren und Richtlinien erstellt. Auch hier bringen neue Erkenntnisse und Methoden regelmässigen Fortschritt. In der Cigré-Arbeitsgruppe «Überspannungsableiter» läuft zurzeit ein For-schungsprogramm zum Thema «Energie aufnahmefähigkeit von MO-Widerständen».

Die dabei gewonnenen Ergebnisse werden eine bessere und klarere Definition für den Begriff «Energieaufnahmefähigkeit» bringen und auch Einfluss auf Prüfungen und die dafür mass-geblichen Normen haben. In den vorliegenden Anwendungs-richtlinien sind der aktuelle Stand unseres Produkteportfolios und die Auswahl sowie die typische Anwendung der MO-Ableiter beschrieben. Der neueste Stand der Normung wurde berücksichtigt.Es können prinzipiell nicht alle vorkommenden Anwendungen erfasst und beschrieben werden. Auch ist es im Rahmen der vorliegenden Broschüre nicht möglich, bei der Darstellung der Grundlagen und speziellen Anwendungen alle Aspekte abzudecken und zu vertiefen. Bei offenen Fragen sind wir gerne bereit, weiterführende Informationen zu geben. Neue spezielle Anwendungen brauchen in der Regel eine enge Zusammenarbeit zwischen Hersteller und Anwender, um eine passende Lösung zu finden. Wir sind gerne bereit, bei auf tretenden Fragen zum Überspannungsschutz mögliche Lösungen zu diskutieren.

Schlussbemerkungen



a in m Länge eines Leiters –/– NichtlinearitätskoeffizientANSI American National Standards Instituteb in m Länge eines LeitersBIL in kV Basic lightning impulse insulation

level, Blitzstoss-Haltespannung (Scheitelwert), entspricht LIWV. Der Begriff BIL ist nur in den US-amerikanischen Standards definiert.

C in F Kapazität (meist angegeben in nF oder µF)

CENELEC European Committee for Electro technical Standardization

Ck in F Kapazität zwischen Leiter und Erded in m Länge eines Leiterabschnitts vor der

Schaltanlagef in 1/s Frequenz, meist angegeben in Hz.

Typische Frequenzen in Energie netzen sind f = 16,7 Hz, 50 Hz, 60 Hz

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

ic in A Dauerstrom durch den Ableiter bei an liegender Dauerspannung Uc. Wird auch als Leckstrom bezeichnet (meist angegeben in mA, Effektivwert oder Scheitelwert)

ICe in A Erdschlussstrom (meist angegeben in A, Effektivwert)

Ihc in A Hochstossstrom mit Wellenform 4/10 µs (meist angegeben in kA, Scheitelwert)

Ik in A Erdkurzschlussstrom (meist angegeben in A, Effektivwert)

IK in A 50-Hz-Kurzschlussstrom (meist angegeben in kA, Effektivwert)

I ld in A Rechteckstossstrom (long-duration current impulse), meist in Zu sammen hang mit einer Leitungs-entladungsklasse oder -prüfung (meist angegeben in A, Scheitelwert und einer zugehörigen Stromlänge, z. B. 2,4 ms)

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

iref in A Referenzstrom eines Ableiters (meist angegeben in mA, Scheitelwert)

IRest in A Erdschlussreststrom, im Zusammen-hang mit Erdschlusslöschspulen (Petersenspulen, meist angegeben in A, Effektivwert)

Irw in A Rechteckwelle, Langwelle. Im Prinzip das Gleiche wie I ld, hier speziell für die oft gefragte «Rechteckwellen festigkeit», bei der meist eine Recht eck welle von 2 ms Dauer gemeint ist.

Is in A Bemessungs-Kurzschlussstrom. Der Strom, meist in kA, Effektivwert, mit dem das Überlastverhalten des Ableiters geprüft wird.

Isw in A Schaltstossstrom mit der Wellenform von mindestens 30/60 µs. Angegeben in A, Scheitelwert.

i(t) –/– Zeitfunktion des BlitzstromsIEC International Electrotechnical

CommissionIEEE Institute of Electrical and Electronics

Engineers, Inc. k –/– Erdfehlerfaktor, k × Us /√3 ist die

maximale Spannung zwischen Leiter und Erde im Erdschlussfall

k –/– ProportionalitätsfaktorK –/– Konstante der KoronadämpfungKs –/– SicherheitsfaktorL in H Induktivität L in m Schutzdistanz eines AbleitersLK in m Länge eines KabelsLIWV in V Bemessungs-Blitzstossspannung

(meist angegeben in kV, Scheitel-wert)

MCOV in V Maximum Continuous Operating Vol-tage (= Uc, meist angegeben in kV, Effektivwert)

P, Pv in W Verlustleistung eines Ableiters bei Uc

p. u. –/– per unit, 1 p. u. = √2 × Us /√3Q in W Wärmefluss vom Aktivteil eines

Ableiters zur äusseren UmgebungRE in Ω ErdungswiderstandRE,M in Ω Erdungswiderstand des MastesRE,S in Ω Erdungswiderstand der UnterstationS in V/s maximale Steilheit im Spannungs-

anstieg (meist angegeben in kV/µs)SiC –/– SiliziumkarbidSK in VAr Dreiphasen-Blindleistung einer

KondensatorbatterieS0 in V/s Steilheit der Blitzüberspannung

beim Einschlagort (meist angegeben in kV/µs)

S(t) in V/s Steilheit des Spannungsanstiegs in Funktion der Zeit (meist angegeben in kV/µs)

t in s Zeit

Verzeichnis der verwendeten Symbole und Abkürzungen



T –/– Festigkeit des Ableiters gegenüber temporären Überspannungen, UTOV = T × Uc

T in °C TemperaturT in s Zeitdauer des Rechtecktstromes

(meist angegeben in ms)Tk in s Fehlerdauer (bei Erdschlüssen),

angegeben in s, min oder hts in s Zeitintervallt 90 % in s Virtuelle Zeitdauer eines Rechteck-

stoss stromes (auch Rechteckwelle oder Langwelle). Gemeint ist die Zeitdauer, während der der Strom grösser oder gleich 90 % des maxi-malen Stroms ist. Angegeben in µs oder ms.

U in V Scheitelwert der Überspannung einer Wanderwelle (meist angegeben in kV)

Uc in V Dauerspannung (auch Ableiter-Dauer spannung) des Ableiters (meist angegeben in kV, Effektivwert)

Uc* in V erhöhte Dauerspannung (meist angegeben in kV, Effektivwert)

UE in V maximale Überspannung am Ende einer offenen Leitung (meist ange-geben in kV, Scheitelwert)

Ui in V in den Kabelmantel induzierte Spannung (meist angegeben in V oder kV, Effektivwert)

UK in V Überspannung am Ende des Kabels (meist angegeben in kV, Scheitel-wert)

UL in V LadespannungULE in V Spannung zwischen Leiter und Erde

(meist angegeben in kV)ULL in V Spannung zwischen zwei Leitern,

auch Aussenleiterspannung genannt (meist angegeben in kV)

Um in V höchste Spannung für Betriebsmittel Leiter gegen Leiter (meist angegeben in kV, Effektivwert)

UMp-E in V Spannung zwischen dem Trans-formatorsternpunkt und der Erde (meist angegeben in kV)

Upl in V Blitzstossschutzpegel, angewendet in der Isolationskoordination (meist angegeben in kV oder p. u.)

Ups in V Schaltstossschutzpegel, angewendet in der Isolationskoordination (meist angegeben in kV oder p. u.)

Ur in V Bemessungsspannung (meist angege-ben in kV, Effektivwert)

Ur* in V erhöhte Bemessungsspannung (meist angegeben in kV, Effektivwert)

Uref in V Referenzspannung (meist angegeben in kV, Effektivwert, bzw. Upeak /√2)

Ures in V Scheitelwert der Spannung an den Klemmen eines Ableiters beim Fliessen eines Stromstosses (meist angegeben in kV, Scheitelwert)

Us in V höchste Systemspannung Leiter gegen Leiter (meist angegeben in kV, Effektivwert)

u(t) –/– Zeitfunktion einer BlitzüberspannungUT in V Überspannung beim Transformator

(meist angegeben in kV, Scheitel-wert)

UTOV in V betriebsfrequente Überspannung begrenzter Dauer (meist angegeben in kV, Effektiv wert)

U1mA in V Spannung an den Ableiterklemmen, wenn 1 mA Gleichstrom durch den Ableiter fliesst. Wird oft als Referenz-spannung angefragt, angegeben in kV.

v in m/s Geschwindigkeit einer Wanderwelle, v = 300 m/µs bei Freileitungen, v ≈ 150 m/µs in Kabeln

W in J dem Ableiter zugeführte Energie (meist angegeben in kJ oder kJ/kVUc )

W’ in J/V spezifische Energie, meist bezogen auf die Dauerspannung Uc (meist angegeben in kJ/kVUc)

Wc in J vom Ableiter aufgenommene Entla-deenergie (meist angegeben in kJ)

W’hc in J/V von einem Hochstossstrom im Ablei-ter umgesetzte Energie, bezogen auf die Dauerspannung (meist angegeben in kJ/kVUc )

Xc in Ω kapazitiver BlindwiderstandZ in Ω Wellenwiderstand einer Freileitung,

Z ≈ 300 Ω … 450 ΩZK in Ω Wellenwiderstand eines Kabels,

ZK ≈ 20 Ω … 60 ΩZL in Ω Wellenwiderstand einer Übertra-

gungsleitungL –/– Lastabwurffaktor eines Generators in 1/s Kreisfrequenz, = 2 × π × f.

Bei 50 Hz ist = 314 s−1



[1] IEC 60071-1, Edition 8.0 2006-01: Insulation co-ordination – Part 1: Definitions, principles and rules bzw. DIN EN 60071-1, Juli 1996: Isolationskoordination – Teil 1: Begriffe, Grundsätze und Anforderungen.[2] Richter, B.: Konstruktion, Einsatz und Prüfung von Mittelspannungs-Überspannungsableitern mit Silikon-isolation. ETG-Workshop Silikonelastomere, Berlin, 20.3.2003. [3] Greuter, F., Perkins, R., Rossinelli, M., Schmückle, F.: Der Metalloxid-Widerstand: Kernelement moderner Über-spannungsableiter. ABB Technik 1/89.[4] IEC 60099-4, Edition 2.1, 2006-07: Surge arresters – Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a. c. systems bzw. DIN EN 60099-4, Juni 2005: Über-spannungsableiter – Teil 4: Metalloxidableiter ohne Funken-strecken für Wechselspannungsnetze.[5] IEC 60099-5, Edition 1.1, 2000-03: Surge arresters – Part 5: Selection and application recommendations bzw. DIN EN 60099-5, August 1997: Überspannungsableiter – Teil 5: Anleitung für die Auswahl und die Anwendung.[6] IEEE Std C62.11-2005: IEEE Standard for Metal-Oxide Surge Arresters for AC Power Circuits (> 1 kV).[7] IEC 60071-2, Edition 3 1996-12: Insulation co-ordi - nation – Part 2: Application guide bzw. DIN EN 60071-2, September 1997: Isolationskoordination – Teil 2: Anwendungsrichtlinien.[8] Protection of Medium Voltage and Low Voltage Networks Against Lightning, Part 2: Lightning protection of Medium Voltage Networks. Cigré-CIRED Working Group C4.402, Draft November 2007.[9] Balzer, G., Weck, K. H.: Isolationskoordination von gasisolierten Schaltanlagen. ETG-Fachbericht 32 (1990), S. 71–89.[10] Eriksson, A. J. et al.: Guide to procedures for estimating the lightning performance of transmission lines. Report of WG 01 of Cigré Study Committee 33, Oct. 1991.[11] VDEW Störungs- und Schadensstatistik 1990. Verlags- und Wirtschaftsgesellschaft der Elektrizitätswerke m. b. H.[12] D. Oeding, B. R. Oswald; Elektrische Kraftwerke und Netze, 6. Auflage, Springer Verlag.[13] Cigré TB 287, February 2006: Protection of MV and LV networks against lightning Part 1: Common Topics.[14] IEC 507, second edition 1991-04: Artificial pollution tests on high-voltage insulators to be used on a. c. systems.[15] IEC 815, first edition 1988: Guide for the selection of insulators in respect of polluted conditions. [16] W. Petrusch: Einflüsse der Umgebungsbedingungen auf die Freiluftisolation. AKEI-Seminar Isolations koordination-Überspannungen, Überspannungsschutz und Isolations-bemessung in Drehstromnetzen. 22. bis 23. November 2004 in Deidesheim.

[17] W. Heiss, G. Balzer, O. Schmitt, B. Richter: Surge Arresters for Cable Sheath Preventing Power Losses in M. V. Networks. CIRED 2001, Amsterdam, 18.–21. Juni 2001. [18] R. Rudolph, A. Mayer: Überspannungsschutz von Mittelspannungskabeln. Bull. SEV/VSE 76 (1985) 4, Seiten 204–208.[19] A. Braun: Schirmspannungen und Schirmverluste bei Mittelspannungs-VPE-Kabeln. Elektrizitätswirtschaft 88 (1989) 26, S. 1898–1906. [20] M. Darveniza, D. R. Mercer: Lightning protection of pole mounted transformers. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 4, No. 2, April 1989, Page 1087–1093.[21] G. Balzer: Schaltvorgänge in Mittelspannungsnetzen und deren Berücksichtigung bei der Planung. Brown Boveri Technik, 73 (1983) 5, S. 270–278.[22] Cigré TB 34: Guidelines for the Application of Metal Oxide Arresters Without Gaps for HVDC Converter Stations. Working Group 33/14.05, Edited by A. Ekström.[23] VDV Schrift 525, 12/01: Schutz der Fahrstrom-versorgungs anlagen von Gleichstrombahnen bei Blitz-einschlag. Verband Deutscher Verkehrsunternehmen (VDV).[24] Anwendungsrichtlinien Überspannungsschutz: Bemessung, Prüfung und Einsatz von Metalloxidableitern in Bahnanlagen, zweite Auflage 2007. ABB Schweiz AG, Teilbereich Überspannungsableiter, Wettingen/Schweiz.[25] M. Darveniza, L. R. Tumma, B. Richter, D. A. Roby; Multipulse Lightning Currents and Metal-Oxide Arresters. IEEE/PES Summer Meeting, 96 SM 398-8 PWRD, 1996.[26] Australian Standard AS 1307.2-1996; Surge arresters Part 2: Metal-oxide surge arresters without gaps for a. c. systems.[27] I. Alexandri, E. Fournarakis; Lightning Protection of PPC’s Distribution Networks. Med Power ’98 Conference, Nov. 16–18, 1998, Lefkosia (Nikosia), Cyprus.[28] V. Efthymiou; Surge Protection of Distribution Lines. Med Power ’98 Conference, Nov. 16–18, 1998, Lefkosia (Nikosia), Cyprus.[29] W. Schmidt, J. Meppelink, B. Richter, K. Feser, L. Kehl, D. Qiu; Behaviour of MO-Surge-Arrester Blocks to Fast Transients. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 4, No. 1, January 1989.

Literaturverzeichnis


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