Lektion 4 von 7

Überspannungen: Blitz- & Schaltüberspannungen

Der BIL-Wert aus der letzten Lektion existiert, um etwas Bestimmtes zu überstehen: einen schnellen, hochamplitudigen Spannungstransienten. Diese Lektion schaut sich an, woher diese Transienten tatsächlich kommen, und warum sie sich eher wie Wanderwellen verhalten als wie eine einfache Spannungsspitze an einem Punkt.

Zwei grundlegend unterschiedliche Quellen

Blitzüberspannungen

Verursacht durch einen Blitzeinschlag direkt in eine Leitung oder nahe genug, um einen großen Transienten zu induzieren. Vollständig außerhalb des Energiesystems — ihre Schwere hängt von der Blitzphysik und der Leitungs-/Mastkonstruktion ab, nicht von irgendetwas, das das Netz selbst tut.

Schaltüberspannungen

Intern erzeugt, durch die eigenen Schalthandlungen des Energiesystems — das Zuschalten einer langen Übertragungsleitung, das Klären eines Fehlers, oder das Abschalten einer Kondensatorbatterie. Im Allgemeinen langsamer ansteigend und niedrigerer Amplitude als Blitzüberspannungen, aber in Höchstspannungssystemen (IEC-Bereich II, über 245 kV) können Schaltüberspannungen statt Blitz zum dominierenden Auslegungskriterium werden.

Warum sich Stoßspannungen als Wellen ausbreiten, nicht als Spitzen

Eine Übertragungsleitung hat über ihre gesamte Länge verteilte Induktivität und Kapazität (wie im Grundlagen-Track behandelt), was bedeutet, dass eine plötzliche Spannungsstörung an einem Punkt nicht sofort überall auf der Leitung erscheint — sie breitet sich als Wanderwelle nach außen aus, typischerweise nahe der Lichtgeschwindigkeit bei Freileitungen. Das ist wichtig, weil überall dort, wo diese Welle auf eine Impedanzunstetigkeit trifft — das Ende einer Leitung, einen Transformator, einen offenen Leistungsschalter —, ein Teil der Welle reflektiert wird, und je nach Art der Unstetigkeit kann die reflektierte Welle den ankommenden Stoß teilweise auslöschen oder, im ungünstigsten realistischen Fall, sich zu ihm addieren und die Spannung an diesem Punkt etwa verdoppeln.

Schaltüberspannungen: ein konkretes Beispiel

Das Zuschalten einer langen, zuvor spannungsfreien Übertragungsleitung ist eine klassische Quelle von Schaltüberspannungen: Die Kapazität der Leitung selbst bildet zusammen mit der Induktivität der Quelle einen Kreis, der schwingen und eine transiente Spannung deutlich über dem stationären Wert erzeugen kann, bevor er sich einschwingt. Bei sehr langen Höchstspannungsleitungen ist die Kontrolle genau dieses Transienten ein Hauptgrund, warum Leistungsschalter mit Vorwiderständen oder gesteuertem (phasensynchronem) Schalten ausgestattet werden — Schalttechniken, die allein darauf ausgelegt sind, diesen einen Stoßmechanismus zu bändigen.

Warum Überspannungen statistisch beschrieben werden

Weder die Parameter eines Blitzeinschlags noch der exakte Moment, in dem ein Leistungsschalter relativ zur Netzspannungskurve schließt, lassen sich für ein einzelnes Ereignis vorhersagen. Deshalb werden Überspannungen in Isolationskoordinationsstudien statistisch beschrieben — als Verteilung möglicher Stoßamplituden mit zugehöriger Wahrscheinlichkeit — statt als eine einzelne garantierte Worst-Case-Zahl, und deshalb werden Isolationskoordinationsmargen so gewählt, dass Versagen akzeptabel selten wird, nicht physikalisch unmöglich.