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Überspannungsschutz von Kabelanlagen Aufgabe des Überspannungsschutzes Überspannungsschutzgeräte Schutz gegen Schaltüberspannungen Schutz gegen Blitzüberspannungen Eigenschaften des Blitzes Eigenschaften des Ableiterschutzes Zusammenfassung Dr.-Ing. Karl-Heinz Weck Forschungsgemeinschaft für Elektrische Anlagen und Stromwirtschaft e.V. Aufgabe des Überspannungsschutzes u u ZN I ÜS IBlit t t ZV I z ÜS Überspannung durch Schalten des Leistungsschalters Überspannung durch Blitzeinschlag in Freileitung Überspannung durch Schwingung Netzreaktanz mit Kabelkapazität Überspannung durch Blitzstrom und Netzimpedanzen Aufgabe des Überspannungsschutzes (ÜS) Aufgabe des Überspannungsschutzes (ÜS) Stromübernahme zur Dämpfung der Schwingung Übernahme des Blitzstroms 1 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 ZV Entwicklung der Überspannungsschutzgeräte Bis etwa 1950 Schutzfunkenstrecken Durchschlag bei Überschreiten der Durchschlagspannung Nachteil: Kurzschluss im Netz Schutzfunkenstrecke Bis etwa 1980 Ventilableiter Funkenstrecke in Reihe mit nichtlinearem SiliziumkarbidWiderstand Nachteil: komplizierter Aufbau Ventilableiter Metalloxidableiter 2 Bis heute Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Metalloxidableiter Nichtlinearer Widerstand ohne Funkenstrecken Einfacher und zuverlässiger Aufbau Varianten der Metalloxidableiter 3 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Varianten der Metalloxidvaristoren Ø 70 mm Ø 100 mm 380 kV 10 kA 800 kV 20 kA Ø 48 mm 110 kV 10 kA Ø 58 mm 220 kV 10 kA "MO" ≈ 90 % ZnO ≈ 10 % Additive (z.B. Oxide seltener Erden) Ø 41 mm Ø 78 mm MS 10 kA 550 kV 20 kA Ø 32 mm MS 5 kA Beispel: EPCOS/Siemens 4 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Kennlinien der Metalloxidvaristoren U-I-Kennlinien U-I-Kennlinien verschiedener verschiedener MO-Widerstände MO-Widerstände Gemeinsame Gemeinsame E-J-Kennlinie E-J-Kennlinie J 5 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Kennlinien der Metalloxidvaristoren Schutz bei Blitz ca 80 kV BlitzstoßSchutzpegel =80 kV Schutz beim Schalten ca 55 kV Bemessungsspannung 30•√2 = 42 kV Dauerspannung 24•√2 = 34 kV Nennableitstoßstrom 10 kA 6 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Kennwerte der Metalloxidableiter Überspannungsschutz durch Metalloxidableiter im Netz mit Erdschlusslöschung NetzAbleiterNennspannung Dauer-spannung (Gelöscht) kV kV 7 Schutzpegel Schalt Blitz kV kV 10 12 28 40 20 24 55 80 110 123 280 350 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Überspannungen durch Schalthandlungen Netzspannung sinusförmig Spannung in kV 40 Zuschalten meist im Spannungsmaximum 30 Vorzündung des Leistungsschalters 20 Ausgleichsschwingung auf zugeschalteter Leitung 10 0 Gedämpfte (1-cos)-Schwingung -10 Überspannung bei einpoliger Schaltung max. Zeit 2fach Scheitelwert Leiter-Erde-Spannung Bei dreipoliger Schaltung Kopplung zwischen Leitern Überspannung max. ZN ÜS ZV 2,6fach Scheitelwert Leiter-ErdeSpannung 8 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Überspannungen durch Schalthandlungen Netz-Nennspannung Ableiter-SchaltstoßSchutzpegel (Fol. 7) Höchste SchaltÜberspannung kV kV kV 10 20 110 28 55 280 26 52 260 Keine AWE im Kabelnetz Dreipolige Zuschaltung mit Leistungsschalter einzige Schalthandlung Ableiter arbeitet nicht Ableiter im Kabelnetz nicht erforderlich Vorsicht bei Erdschlusssuche durch Umschalten der Netztrennstelle Ableiter dann von Vorteil 9 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Überspannungen durch Blitzeinschlag Überspannungsschutz gegen Blitzüberspannungen in Netzen mit Freileitungsanteil Zulässige Beanspruchung Koordinations − Blitzstoßspannung = Bemessungs − Blitzstoßspannung Sicherheitsfaktor (1,15) NetzNennspannung Ableiter-BlitzstoßSchutzpegel (Fol. 7) BemessungsBlitzstoßspannung KoordinationsBlitzstoßspannung kV kV kV kV 10 20 110 40 80 350 75 125 550 65 109 478 10 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Kennwerte des Blitzes Mittlerer Stromverlauf des ersten Teilblitzes Wichtige Daten des Blitzes Erdblitzdichte: Polarität 3,6/km2a 90% negativ Mehrfachblitze à 60% 2 Teilblitze oder mehr à 30% 4 Teilblitze oder mehr à 10% 9 Teilblitze oder mehr à Zeit zwischen Teilblitzen zwischen 1 und 400 ms, im Mittel 25 ms Nach 100 ms in 30% der Fälle noch ein Blitz Folgeblitze im Mittel 30% der Amplitude und 1,7fache Steilheit des 1.Teilblitzes 11 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Kennwerte des Blitzes Statistische Verteilung des Blitzstroms, 1. Teilblitz Enstehung durch Blitzeinschläge in Freileitung Auffangbreite: 0,03 H0,6 km H: Masthöhe in m Anzahl der Blitzeinschläge in Freileitung durch Auffangbreite, Leitungslänge und Erdblitzdichte bestimmt Beispiel: à Masthöhe:10 m à Auffangbreite: 120 m à Erdblitzdichte: 3,6/km2a à Blitzeinschläge: 5,2/100kma Gute Übereinstimmung mit Beobachtung( 6/100kma) In MS kein Erdseilschutz Alle Einschläge in Leiterseile 12 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Ausbreitung der Blitzüberspannung vom Einschlagort Blitzeinschlag Bei Blitzeinschlag entsteht Spannung U= Leiterseil 1 ⋅I ⋅Z 2 Z: Wellenwiderstand, etwa 500 Ω I: Blitzstromstärke, im Mittel 30 kA Ergibt Spannung von 7500 kV Mast In MS führt nahezu jeder Blitz-einschlag zu Überschlag der Isolation gegen Erde und zwischen Leitern Spannung dann U = I ⋅R Erdungswiderstand R: Erdungswiderstand, z.B. 10 Ω Ergibt Spannung von 300 kV Im 110-kV-Netz Erdseilschutz Rückwärtige Überschläge (ca 1 pro 100 km und Jahr) Ursache von Blitzüber-spannungen 13 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Dämpfung der Steilheit von Blitzüberspannungen Richtwerte: - Einfachseil: K = 1,5 10-6 µs/kVm - 2er-Bündel: K = 1,0 10-6 µs/kVm - 4er-Bündel: K = 0,6 10-6 µs/kVm 14 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Überspannungsvorgänge am Kabeleingang Überspannungswelle S = 1000 kV/µs v = 300 m/µs Sk ≈ 100 kV/μs V ≈ 180 m/μs Kabel Ableiter Refraktion am Kabeleingang S Kabel = S ⋅ 15 2 ⋅ Z Kabel = (0,10 − 0,15) ⋅ S Z Freileitung + Z Kabel Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Überspannungsvorgänge am Kabelende Sk ≈ 100 kV/μs V ≈ 180 m/μs Kabel Reflektion am Kabelende ⎛ Z − Z Kabel S Kabelende = S k ⋅ ⎜⎜1 + Ende ⎝ Z Ende + Z Kabel ⎞ ⎟⎟ = (0 − 2) ⋅ S ⎠ Reflektion +1, wenn Ende offen: Verdopplung von Steilheit/Spannung Reflektion 0, wenn ein weiteres Kabel angeschlossen ist: Welle läuft durch Reflektion < 0, wenn mehr als 2 Kabel angeschlossen sind: Spannung kleiner 16 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Überspannungsableiter in Kabelanlagen L Überspannungswelle Ableiter Sk ≈ 100 kV/μs V ≈ 180 m/μs MS-Holzmast: 2000 kV MS-Stahlmast: 250 kV 110 kV: 700 kV Kabel Für MS-Holzmastfreileitung Ableiter an Kabelaufführung schon für einlaufende Blitzüberspannung nötig Schutzbereich L des Ableiters zu beachten Für Stahlmast-Freileitungen Selbstschutz des Kabels bei Ferneinschlag 17 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Überspannungsableiter in Kabelanlagen Überspannungswelle auf Freileitung Überspannungswelle durch das Kabel mit max. Blitzstoß-Schutzpegel Überspannungswelle auf Freileitung mit max. 2fach Blitzstoß-Schutzpegel Aber: Überspannungswelle läuft in Schaltanlage durch Wird an Freileitungsanschluss des zweiten Kabels verdoppelt Ableiter am Kabelaufführungsmast immer nötig! 18 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Überspannungsableiter in Kabelanlagen Schutzbereich Beispiel zur Erläuterung für 20-kV-Freileitung mit Holzmast Einlaufende Spannung 2000 kV, 800 kV/μs Refraktionsfaktor des Kabels 0,1 In Kabel einlaufende Überspannung 200 kV, 80 kV/μs Schutzbereich eines im (oder am) Kabel installierten Ableiters à Dauerspannung: 24 kV à Blitzstoß-Schutzpegel: 80 kV Beispiel nach Prof. V. Hinrichsen (TU Darmstadt) (FGH-Seminar „Isolationskoordination“, modifiziert. 19 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Schutzbereich von Überspannungsableitern tt == 00 µs µs 200 160 160 uAbl (x = 0) kV 120 120 80 80 40 40 0 0 -40 0 0,5 1 1,5 2 µs 2,5 1,5 2 µs 160 -80 uE (x = ℓ) kV -120 x=0 x=ℓ xx == 0: = 0 kV 0: u uAbl Abl = 0 kV 120 80 40 xx == ℓ: = 0 kV ℓ: u uTr Tr = 0 kV 0 0 20 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 0,5 1 2,5 Schutzbereich von Überspannungsableitern tt == 0,5 0,5 µs µs 200 160 160 uAbl (x = 0) kV 120 120 80 80 40 40 u1v 0 0 -40 0 0,5 1 1,5 2 µs 2,5 1,5 2 µs 160 -80 uE (x = ℓ) kV -120 x=0 x=ℓ xx == 0: = u 1v == 40 0: u uAbl 40 kV kV Abl = u1v 120 80 40 xx == ℓ: = u 1v == 00 kV ℓ: u uTr kV Tr = u1v 0 0 21 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 0,5 1 2,5 Schutzbereich von Überspannungsableitern tt == 11 µs µs 200 160 160 uAbl (x = 0) kV 120 120 80 80 u1v 40 40 0 0 -40 0 0,5 1 1,5 2 µs 2,5 1,5 2 µs 160 -80 uTr (x = ℓ) kV -120 x=0 x=ℓ xx == 0: = u 1v == 80 0: u uAbl 80 kV kV Abl = u1v 120 80 40 xx == ℓ: = u 1v == 00 kV ℓ: u uTr kV Tr = u1v 0 0 22 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 0,5 1 2,5 Schutzbereich von Überspannungsableitern tt == 1,5 1,5 µs µs 200 160 160 uAbl (x = 0) kV 120 120 u1v 80 40 80 40 u1r 0 u2v 0 -40 0 0,5 1 1,5 2 µs 2,5 160 -80 uE (x = ℓ) kV -120 x=0 x=ℓ xx == 0: = u 1v ++ uu2v = 0: u uAbl Abl = u1v 2v = 120 Anstieg mit doppelter Steilheit! 80 (120 (120 –– 40) 40) kV kV == 80 80 kV kV 40 xx == ℓ: = u 1v ++ uu1r1r == ℓ: u uTr Tr = u1v (40 (40 ++ 40) 40) kV kV == 80 80 kV kV 23 0 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 0 0,5 1 1,5 2 µs 2,5 Schutzbereich von Überspannungsableitern tt == 22 µs µs 200 160 160 uAbl (x = 0) kV 120 u1v 120 80 80 u1r 40 40 0 0 -40 0 u2v -80 1,5 2 µs 2,5 1,5 2 µs uTr (x = ℓ) kV x=ℓ xx == 0: = u 1v ++ uu2v = 0: u uAbl Abl = u1v 2v = 1 160 -120 x=0 0,5 120 80 (160 (160 –– 80) 80) kV kV == 80 80 kV kV 40 xx == ℓ: = u 1v ++ uu1r1r == ℓ: u uTr Tr = u1v (80 (80 ++ 80) 80) kV kV == 160 160 kV kV 24 0 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 0 0,5 1 2,5 Schutzbereich von Überspannungsableitern tt == 2,5 2,5 µs µs 200 160 u1v 160 uAbl (x = 0) kV 120 120 80 u1r 80 40 40 0 u3v -40 -80 0 u2r 0 1 1,5 2 µs 2,5 1,5 2 µs 160 u2v uTr (x = ℓ) kV -120 x=0 0,5 x=ℓ xx == 0: = u 1v ++ uu1r1r ++ uu2v + u 3v == 0: u uAbl Abl = u1v 2v + u3v 120 80 (200 (200 ++ 40 40 –– 120 120 –– 40) 40) kV kV == 80 80 kV kV 40 xx == ℓ: = u 1v ++ uu1r1r ++ uu2v + u 2r == ℓ: u uTr Tr = u1v 2v + u2r (120 (120 ++ 120 120 –– 40 40 –– 40) 40) kV kV == 160 160 kV kV 25 0 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 0 0,5 1 2,5 Schutzbereich von Überspannungsableitern Folgerung Ableiter am Leitungseingang schützt offenes Kabelende nur, wenn à Einlaufende Überspannung kleiner als halbe zulässige KoordinationsBlitzstoßspannung (109 kV im 20-kV-Netz) à Die Kabellänge zwischen Ableiter und offenem Kabelende kleiner als der Schutzbereich L= L: v: Ucw: Upl: 26 v (U cw − U pl ) 2⋅S Schutzbereich Wanderwellengeschwindigkeit 300 m/μs auf Freileitung 180 m/μs im Kabel Koordinations-Blitzstoßspannung nach Folie 10 Blitzstoß-Schutzpegel des Ableiters nach Folie 10 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Schutzbereich von Überspannungsableitern Repräsentative Steilheit der Überspannung auf Freileitung Schutzbereich L in m 300 1000 kV/μs 200 Schutzbereiche: 100 0 0 500 1000 1500 Steilheit in kV/µs Kabel 20 kV Kabel 110 kV Freileitung 20 kV 2000 4m 18 m 25 m 75 m Offenes Kabelende selten Freileitung 110 kV Schutzbereich von ÜberspannungsAbleitern in Abhängigkeit von der Steilheit der auf der Freileitung einlaufen Welle 27 20-kV-Holzmastleitung: 110-kV-Freileitung: 20-kV-Kabel: 110-kV-Kabel: Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Stichanschluss Zeitweise Abschaltung bei AWE Risiko des Folgeblitzes mit Abschaltzeit absinkend à Nach 300 ms < 10% der Blitze Risiko aus Erfahrung gering Schutzbereich von Überspannungsableitern Ferneinschlag mit max. 700 kV 100 kA Kabelaufführung Ableiter Welle in Kabel 0,15x700 = 105 kV Verdopplung am Ende = 210 kV Völlig ungefährlich! Selbstschutz des Kabels Blitzeinschlag in Mast Spannung an Erdungswiderstand: U = IxR = 1.000 kV Leiterseil bleibt etwa auf Erdpotential 10 Ω 110-kV-Kabelaufführung Ableiter Uc = 123 kV am Kabeleingang Tranformator • Ist ein Ableiter am Transformator nötig? • Direkte Kabeleinführung, SF6-Anlage 28 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Überschlagspannung der Isolation Etwa 600 kV Rückwärtiger Überschlag Spannung am Kabel steigt schlagartig an, Ableiter begrenzt auf 350 kV Verdopplung am Ende: 700 kV Schutzbereich von Überspannungsableitern 1000 kV 100 kA τ 200 m 10 Ω τ= LFreileitung 200 μH τ = = 5μs RErdung + Z Kabel 10Ω + 30Ω Rückwärtiger Überschlag am 2. Mast Welle 1000 kV auf Kabel, refraktiert zu 150 kV im Kabel, ungefährlich Negative Reflektionen am Kabel und am Erdungswiderstand Langsamer Anstieg der Spannungswelle im Kabel mit Steilheit 200 kV/μs Schutzbereich ca. 400 m, Gefahr, wenn Kabel länger Ableiter am Kabelende oder niedriger Erdungswiderstand (3 Ω) an den ersten Masten abhängig von Kabellänge 29 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007 Überspannungsschutz von Kabelanlagen Zusammenfassung Überspannungsschutz heute durch Metalloxidableiter Ableiter ohne Funkenstrecken Möglichkeit zu neuen Bauformen Schutz gegen Schaltüberspannungen nicht erforderlich Keine schnelle AWE in reinen Kabelnetzen Überspannungen liegen unterhalb Schutzpegel der Ableiter Gefährdung nur durch Erdschlusssuche durch Umschalten Wenn Freileitungsanteil mit AWE, dann Ableiter zum Blitzschutz ohnehin erforderlich Bei Kabelanlagen am Freileitungsnetz Ableiter zum Schutz gegen Blitzüberspannungen erforderlich In jedem Fall am Übergang Kabel auf Freileitung à Ableiter nahe dem Endverschluss und Erde über Kabelschirm Geschützte Kabellängen kurz, wenn Kabel am Ende offen à Stichanschluss, zeitweise während AWE à Ableiter in Schaltanlagen oder Netzstation in einigen Fällen erforderlich 30 Weck – Überspannungsschutz von Kabelanlagen Kabelseminar der TU Hannover, 12./13. 02. 2007
