Überspannungsableiter zum Schutz der

Überspannungsableiter zum Schutz der Bahnstromversorgungsanlagen
und der elektrischen Triebfahrzeuge
1.
Allgemeines
Die elektrische Energie für die Bahnstromversorgung wird in der Regel durch Hochspannungsfreileitungen mit Nennspannungen von 110 kV oder
132 kV bei einer Frequenz von 50 Hz, 60 Hz oder
16,7 Hz zu den Bahnschaltanlagen übertragen. Die
Spannung wird dort auf die Speisespannung der
Oberleitungs-Bahnnetze herabtransformiert und
ggf. in Gleichspannung umgeformt. Sowohl die
Hochspannungsfreileitungen und die Schaltanlagen als auch die Oberleitungsnetze und die elektrischen Triebfahrzeuge sind Gewitterüberspannungen ausgesetzt, die zu schweren Schäden an der
Isolation der elektrischen Geräte führen können.
Von jeher war deshalb ein Überspannungsschutz
der Transformatoren in den Schaltanlagen, der
Einspeisestellen in den Oberleitungsnetzen und der
Triebfahrzeuge erforderlich. Neben der Isolation
müssen heute auch die immer häufiger zum Einsatz kommenden elektronischen Einrichtungen in
der Nähe oder innerhalb der Gleise gegen Überspannungen geschützt werden, ebenfalls eine
Aufgabe, die mit modernen Ableitern ohne weiteres gelöst werden kann.
Dass Überspannungsableiter bisher trotzdem nicht
immer eingesetzt wurden, lag daran, dass die
Anwender häufig Vorbehalte bezüglich ihrer Be-
2.
triebszuverlässigkeit hatten. Die Einführung der
funkenstreckenlosen Metalloxidableiter, für die
mittlerweile eine mehr als zwanzigjährige überaus
positive Betriebserfahrung vorliegt, die permanente
Weiterentwicklung der Dichtungssysteme sowie die
zunehmende Verwendung von Kunststoffgehäusen
stellen heute jedoch ein so hohes Maß an Zuverlässigkeit selbst noch im Ausfallverhalten nach einer
erfolgten Überlastung sicher, dass absolut kein
Grund mehr für einen Verzicht auf Überspannungsschutz sämtlicher Betriebsmittel im Bahnbereich
besteht.
Elektrische Eigenschaften der Ableiter
Die elektrisch aktiven Teile eines modernen Ableiters sind die spannungsabhängigen Metalloxid(MO)-Ableitwiderstände. Deren Spannungsabhängigkeit ist so groß, dass sie ohne in Reihe geschaltete Funkenstrecken eingesetzt werden können.
Bei anliegender Betriebsspannung fließt lediglich
ein Leckstrom von weniger als 1 mA.
Die Anforderungen an funkenstreckenlose MOAbleiter für Wechselspannungen größer 1 kV sind
in der Vorschrift IEC 60099-4 (VDE 0675 Teil 4)
festgelegt. Die Vorschrift DIN EN 50123-5 (VDE
0115 Teil 300-5) nennt spezielle Anforderungen an
Ableiter im DC Bahnbereich. Hinweise zum Einsatz
von Ableitern werden in der Anwendungsrichtlinie
IEC 60099-5 (VDE 0675 Teil 5) und der Vorschrift
DIN EN 50124-2 (Bahnanwendungen - Isolationskoordination) gegeben.
Nachfolgend werden einige wichtige Begriffe aus
diesen Schriften erläutert:
© 12/2002 ∙ Siemens AG
Bemessungsspannung Ur
Die Bemessungsspannung ist die Wechselspannung
(Effektivwert) bzw. die Gleichspannung, die mindestens 10 s an einem vorbelasteten (und damit
erwärmten) Ableiter liegen kann, ohne dass dieser
thermisch instabil wird.
Dauerspannung Uc
Die Dauerspannung ist der höchstzulässige Effektivwert der betriebsfrequenten Wechselspannung
bzw. die höchstzulässige Gleichspannung, die dauernd am Ableiter anliegen darf.
Spannungs-Zeit- (U-t-) Kennlinie
Die Spannungs-Zeit-Kennlinie gibt die höchstzulässige Zeitdauer an, während der eine die Dauerspannung übersteigende Spannung am Ableiter
liegen darf.
-2-
Nenn-Ableitstoßstrom In
Der Nenn-Ableitstoßstrom ist der Blitzstoßstrom,
für den der Ableiter ausgelegt ist. Er wird bei den
Bahnableitern aus Sicherheitsgründen größer gewählt als der größte zu erwartende Blitzstoßstrom
am Einbauort des Ableiters. Aus Gründen erhöhter
Auslegungssicherheit weisen sämtliche in dieser
Unterlage vorgestellten Ableiter einen NennAbleitstoßstrom von 10 kA der Form 8/20 µs auf.
Jedoch sind in Bahnanlagen Blitzstoßströme > 5 kA
nicht zu erwarten.
tens ein Hängeisolator oder Stützer befindet, der
durch seinen Überschlag den Ableiter entlastet. Ist
das nicht der Fall, so spricht man von einem Naheinschlag. Dieser kann von keinem Ableiter beherrscht werden und führt praktisch immer zu dessen Überlastung. Während in Hochspannungsanlagen Naheinschläge u.a. durch mitgeführte Erdseile weitestgehend vermieden werden, lassen sie
sich jedoch in Mittelspannungsanlagen aus wirtschaftlichen Gründen nicht völlig ausschließen.
Trotzdem bleibt die Ableiterüberlastung ein äußerst
seltenes Ereignis und betrifft jährlich weitaus weniger als 1% aller eingesetzten Ableiter.
Kurzschlussstromfestigkeit Is und Überlastverhalten
Blitz-Schutzpegel eines Ableiters
Der Blitz-Schutzpegel eines Ableiters ist identisch
mit
dessen
Restspannung
beim
NennAbleitstoßstrom. Die Restspannung eines Ableiters
ist der Spannungsfall am Ableiter beim Durchgang
eines Blitzstoßstromes. Ihre Höhe ist nicht nur abhängig von der Stärke eines Ableitstoßstromes
sondern auch von dessen Steilheit. Für Stoßströme
sehr großer Frontsteilheit liegt die Restspannung
etwa 6% höher als bei einem vergleichbaren Blitzstoßstrom der Form 8/20 µs. Da jedoch die Stoßstromamplituden in Bahnanlagen selten 3 kA überschreiten, treten trotzdem nie Restspannungen
oberhalb des Blitz-Schutzpegels auf.
Schutzbereich eines Ableiters
Wichtig ist zu beachten, dass ein Ableiter einen
begrenzten räumlichen Schutzbereich hat. Dieser
hängt ab von der Höhe der Restspannung des
Ableiters, der Steilheit des Überspannungsvorganges und der Stehspannung der zu schützenden
Isolation. Der Ableiter soll sich so dicht wie möglich
an dem zu schützenden Betriebsmittel befinden.
Die empfohlene maximale Leitungslänge zwischen
dem Einbauort des Ableiters und dem zu schützenden Betriebsmittel in Mittelspannungsanlagen beträgt 10 bis 15 m.
Naheinschlag
Die Überlegungen zur Belastbarkeit eines Ableiters
und zu dessen Schutzvermögen setzen voraus, dass
sich zwischen der Einschlagstelle des Blitzes in die
Leitung und dem Einbauort des Ableiters mindes-
Die Kurzschlussstromfestigkeit ist diejenige Kurzschlussstromstärke, bis zu der ein Ableiter nach
einer erfolgten Überlastung einen Kurzschlussstrom führen kann, ohne zu bersten.
Da Ableiter im Bahnbereich häufig an öffentlich
zugänglichen Stellen eingesetzt werden, kommt
dem Verhalten bei Überlastung eine ganz besondere Bedeutung zu.
Das Überlastverhalten wird bei den SiemensAbleitern durch die Verwendung einer Druckentlastungsmembran kontrolliert. Diese Membran weist
gegenüber starr wirkenden Überdrucksicherungen
vor allem den Vorteil extrem kurzer Öffnungszeiten
auf. Die Überdruckmembran wird für Ableiter aller
Spannungsebenen eingesetzt und hat sich seit über
drei Jahrzehnten bestens bewährt.
Eine weitere Verbesserung des Kurzschlussverhaltens wird durch die Verwendung von Kunststoffgehäusen anstelle von Porzellangehäusen erreicht,
bei denen die Möglichkeit eines thermischen Bruches völlig ausgeschlossen ist. Jedoch ist auch bei
Verwendung von Kunststoffgehäusen das Überlastverhalten stark von der Konstruktion abhängig.
Bei den Gleichspannungs-Bahnableitern vom Typ
3EB2, die in nicht öffentlich zugänglichen Anlagen
eingesetzt werden, sind die Ableitwiderstände direkt in Silikongummi vergossen. Im Fall einer Überlastung reißt der entstehende Lichtbogen sehr
schnell das Gehäuse auf, so dass sich kein Überdruck aufbauen kann. Damit ist weitgehend sichergestellt, dass keine Teile von einem ausfallenden
Ableiter weggeschleudert werden. Für die Bahnableiter vom Typ 3EB1, die auf den Masten der
Oberleitung und auf den Triebfahrzeugen der Vollbahnen eingesetzt werden, wird dieselbe Technik
angewendet
wie
für
die
Siemens-Hochspannungsableiter: auf ein faserverstärktes Kunststoffrohr hoher mechanischer Festigkeit sind
Schirme aus hochtemperaturvernetztem Silikon
aufvulkanisiert. Der untere Flansch enthält die auch
in den Hochspannungsableitern tausendfach bewährte Dichtung und Überdruckmembran. Im Falle
einer Ableiterüberlastung führt das dazu, dass das
Gehäuse mechanisch völlig intakt bleibt und nicht
-3aufreißt. Der Lichtbogen brennt sich nicht durch
das Kunststoffgehäuse, sondern die heißen Gase
werden durch die Druckentlastungsöffnung gezielt
nach außen geführt, was eine Kommutierung des
Lichtbogens von innen nach außen bewirkt. Selbst
kleinste Bruchstücke können das Ableiterinnere
nicht verlassen, die mechanische Festigkeit des
Ableiters bleibt erhalten. Der Ableiter kann daher
sogar bedenkenlos auch als Stützer eingesetzt werden.
3.
Speisespannungen von Bahnnetzen
Die Speisespannungen von Bahnnetzen sind in der
Vorschrift DIN EN 50163 (VDE 0115 Teil 102) angegeben. Dort werden u.a. folgende Begriffe und
Definitionen verwendet:
Nennspannung Un
Der für ein Betriebsmittel des Netzes festgelegte
Wert
Höchste Dauerspannung Umax1
Höchster Wert der Spannung, der mit unbestimmter Dauer auftreten kann
Höchste nichtpermanente Spannung Umax2
Höchster Wert der Spannung, der als höchste
nichtpermanente Spannung auftreten kann (gilt für
Langzeitübergangszustände)
Höchste Langzeitüberspannung Umax3
Effektivwert einer Wechselspannung als Höchstwert der Langzeitüberspannung für T = 20 ms
Langzeitüberspannung
Überspannung > Umax2 und > 20 ms, z.B. bei Anstieg der Primärspannung von Unterwerken
Es sind folgende Speisespannungen für Bahnnetze festgelegt:
Un
Umax1 (V)
Umax2 (V)
Umax3 (V)
4.
750
V DC
900
1000
1270
1500
V DC
1800
1950
2540
3000
V DC
3600
3900
5075
15000
V 16,7 Hz
17250
18000
25300
25000
V 50 Hz
27500
29000
38750
A1 - A2 Ableiterkonzept gemäß VDV-Schrift 525 bei Anwendung in Gleichspannungsnetzen
Mit seiner Schrift Nr. 525 gibt der Verband deutscher Verkehrsunternehmen (VDV) dem Betreiber
von Gleichstrombahnen Empfehlungen zum wirksamen Schutz vor Überspannungen bei Blitzeinschlägen.
Eine besondere Bedeutung bei der Planung von
Blitzschutzkonzepten kommt der Erdung des
Stromsystems zu. Werden die Fahrschienen von
Gleichstrombahnen zur Verringerung der Streustromkorrosion gegen Erde isoliert, wie dies bei
neu zu verlegenden Gleisen gefordert wird, so sind
sie als Blitzschutzerder ungeeignet. In diesem Falle
sind je nach den örtlichen Gegebenheiten an der
Strecke niederohmige Mastfundamente, Rammrohre, Bewehrungen von Stahlbetonfahrwegen oder
separate Tiefenerder als Blitzschutzerder zu verwenden. Sind die Fahrschienen jedoch ohne weitere Maßnahmen zur Isolierung verlegt, weisen sie
i.a. einen nur kleinen Ableitwiderstand auf und
können als Blitzschutzerder verwendet werden.
Allerdings wird der Ableitstoßstrom dann über die
Gleise zur Erde abgeführt, was elektrische oder
elektronische Einrichtungen gefährdet, die sich in
der Nähe der Gleise oder in den Gleisen befinden.
Eine wirkungsvolle Abhilfe gegen Überspannungen
durch diesen Vorgang sind zusätzliche Überspannungsableiter in den Einrichtungen.
Für einen umfassenden Schutz der Oberleitungsanlage sollten freilufttaugliche, nach VDV 525 als
„A1“ bezeichnete Ableiter an jedem Speisepunkt, an
den Enden von Speiseabschnitten und Ausläuferstrecken, an Kuppelstellen sowie an Stromentnahmestellen installiert werden. Zusätzliche A1Ableiter sind empfehlenswert, wenn Streckenabschnitte besonders häufig von Blitzeinschlag betroffen sind, so z.B. auf Brücken oder freien Überlandstrecken.
-4-
Die Beschaltung der Speiseleitungen und der
Rückleiter in den Unterwerken mit Ableitern bildet
einen wesentlichen Bestandteil eines Blitzschutzkonzeptes für ein Bahnstromsystem. Dabei werden
zwei unterschiedlich dimensionierte Ableiter eingesetzt. Die A1-Ableiter werden zwischen die Streckenschalter bzw. Kabelanschlüsse und die Rückleitung geschaltet. Die unvermeidliche Potentialanhebung des Rückleiters infolge eines Blitzstoßstromes wird durch die A2-Ableiter zwischen Rückleitung und Bauwerkserde begrenzt.
Obwohl MO-Überspannungsableiter außerordentlich zuverlässige Betriebsmittel sind, deren Ausfallraten deutlich kleiner als 1%/Jahr sind, kann es
5.
unter ungünstigen Umständen doch zu einem Ausfall kommen, was dann zu einer dauerhaften Leitfähigkeit des A1-Ableiters führt. Weisen die Fahrschienen einen kleinen Ableitungsbelag auf, kann
der Erder in diesem Fall für längere Zeit eine unzulässig hohe Fehlerspannung annehmen. Wird jedoch ein zusätzlicher A2-Ableiter mit einer kleinen
Dauerspannung (120 V £ Uc £ 300 V) zwischen
Erder und Rückleiter geschaltet, so wird dieser beabsichtigt ebenfalls überlastet, begrenzt auf diese
Weise die Fehlerspannung und bewirkt durch das
Nachspeisen aus der Fahrleitungsanlage eine Auslösung des Streckenschalters.
Auswahl der Ableiter
Bei der Auswahl der Ableiter für die o.g. Netze ist
lediglich darauf zu achten, dass die Dauerspannung
des Ableiters gleich oder größer ist als die höchste
nichtpermanenten Spannung des Netzes, also
Uc ≥ Umax2
Gewählt wird derjenige Ableiter, dessen Uc entweder gleich Umax2 ist oder dessen Uc innerhalb einer
Typenreihe auf Umax2 folgt. Damit sind automatisch
alle anderen Einsatzbedingungen des Ableiters
erfüllt.
Die Typenreihen der Siemens-Ableiter wurden so
ausgelegt, dass sie den Anforderungen der üblichen Bahnnetze entsprechen. Bei Bedarf lassen sich
jederzeit Sonderauslegungen verwirklichen.
Folgende Ableitertypen stehen für die einzelnen
Einsatzorte der Bahnstromversorgung zur Verfügung:
Schutz der Betriebsmittel in den Hochspannungs - Schaltanlagen 110 kV bis 380 kV:
Ableiter 3EP4, 3EP2 oder 3EP3 mit Porzellangehäuse oder Ableiter 3EQ1, 3EQ4 oder 3EL2 mit Kunststoffgehäuse
Schutz der Oberleitungsanlagen
bei Vollbahnen:
Ableiter 3EB1 mit Kunststoffverbundgehäuse
bei Straßenbahnen:
auch Ableiter 3EC3 mit Porzellangehäuse
(seit Jahrzehnten bewährt)
Schutz der Triebfahrzeuge
bei Vollbahnen:
Ableiter 3EB1 mit Kunststoffverbundgehäuse
bei Straßenbahnen:
auch Ableiter 3EC3 mit Porzellangehäuse
Schutz der Gleichspannungs-Unterwerke
und Begrenzung der Potentialanhebung der
Fahrschienen:
Ableiter 3EB2 mit Kunststoffgehäuse
(Direktumguss)
Mehr Info?
Wenn Sie mehr über unsere Überspannungsableiter wissen
möchten, rufen Sie uns bitte an. Wir informieren Sie gerne
ausführlich.
Tel.
Fax
E-Mail:
+49 (0)30 - 386 2 33 90
+49 (0)30 - 386 2 67 21
[email protected]
Power Transmission and Distribution
High Voltage Division
Surge Arresters
Nonnendammallee 104
D-13629 Berlin
http://www.siemens.com/ableiter
Siemens Aktiengesellschaft