Hochspannungsleitung | <<< | >>> | Feedback |
Definition: Leitungen zur Fernübertragung von elektrischer Energie mit hoher elektrischer Spannung
Abbildung 1: Eine Hochspannungs-Leitungstrasse. Bild: Axpo AG.
Hochspannungsleitungen werden zur Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen eingesetzt. Sie werden mit besonders hohen elektrischen Spannungen von mindestens 60 kV (Kilovolt) bis hin zu Höchstspannungen von etwa 1 MV = 1000 kV betrieben. So kann eine hohe elektrische Leistung mit relativ geringer Stromstärke übertragen werden, und dies wiederum erlaubt die Verwendung dünnerer Kabel bei trotzdem nicht allzu hohen Energieverlusten. Tendenziell wird die Spannung umso höher gewählt, je höher die übertragene Leistung und die Länge der Leitung sind.
Die meisten Hochspannungsleitungen sind Freileitungen mit an hohen Masten aufgehängten Kabeln. Es gibt aber auch Hochspannungs-Erdkabel, die im Boden verlegt werden, sowie Seekabel für den Einsatz am Meeresboden.
Freileitungen
Hochspannungs-Freileitungen enthalten in der Regel mehrere (mindestens drei) dicke und mit hohen Stromstärken (teils über 1 kA) belastbare Leiterseile. Diese werden an hohen Masten aufgehängt, so dass ein Sicherheitsabstand von etlichen Metern nicht nur vom Boden, sondern auch von Gebäuden, Bäumen etc. unter allen Umständen (auch Wind) eingehalten wird. Wegen der hohen Spannungen ist eine elektrische Isolation nicht mit Kunststoffbeschichtungen möglich, wie bei Niederspannungs-Kabeln, sondern nur über ausreichenden Abstand.
Durch die hohen Stromstärken und den (wenn auch geringen) elektrischen Widerstand der Kabel werden die Leitungen zumindest bei Volllast recht heiß. Sie werden durch die Umgebungsluft gekühlt. Die Erwärmung führt zu einer Ausdehnung des Materials und somit zu stärkerem Durchhängen der Leitung. Der erforderliche Mindestabstand zum Boden kann die übertragbare Leistung begrenzen. Im Rahmen des Freileitungsmonitorings (FLM) wird die maximale Belastung von Leitungen der Umgebungstemperatur und den Windverhältnissen angepasst, um die vorhandenen Transportkapazitäten maximal ausnutzen zu können. Die erzeugte Heizleistung bedeutet natürlich verlorene elektrische Leistung; die Energieeffizienz wäre bei geringerer Auslastung der Leitungen (also auch bei stärkerer Auslegung der Kapazitäten) höher.
Leistungsverluste in Übertragungsleitungen entstehen auf unterschiedliche Weisen:
- Der elektrische Widerstand der Kabel führt zu einer Erwärmung der Leitung und zu einem entsprechenden Abfall der übertragenen Spannung. Die verlorene Leistung steigt mit dem Quadrat der übertragenen Leistung, und sie begrenzt wegen der Erhitzung der Kabel die maximal übertragbare Leistung. Bei kaltem, windigen Wetter werden die Kabel von Freileitungen besser gekühlt, so dass die übertragene Leistung dann ggf. auch deutlich höher gewählt werden kann, wobei allerdings erhöhte relative Leistungsverluste auftreten.
- Außerdem führen die hohen Spannungen zu Koronaentladungen, die auch für die oft hörbaren Geräusche (Brummen und Knistern) verantwortlich sind. Dieser Teil der Verluste tritt unabhängig von der Strombelastung auf, hängt dagegen von den Wetterbedingungen ab. Im Zusammenhang mit diesen Entladungen tritt auch eine teilweise Ionisierung der Luft ein, was zur Bildung von Ozon führt.
- Indirekt kann die von einem Kabel benötigte Blindleistung zu zusätzlichen Verlusten an anderen Stellen im Übertragungsnetz führen, z. B. in Einrichtungen zur Blindstromkompensation. Dieses Problem tritt allerdings nur bei Wechselstrom- bzw. Drehstrom-Leitungen auf, nicht bei Gleichstromübertragung.
- Ebenfalls treten gewisse Verluste in den Transformatoren auf, die für das Umspannen (Hoch- und Heruntersetzen der elektrischen Spannung) benötigt werden.
Die gesamten Leistungsverluste betragen häufig wenige Prozent pro 100 km. Allerdings ist es bei modernen Projekten mit Hochspannungs-Gleichstromübertragung auch möglich, die Verluste auf wenige Prozent pro 1000 km zu reduzieren.
Eine einzige 400-kV-Hochspannungsleitung kann viele hundert Megawatt übertragen. Zum Vergleich beträgt die abgegebene Leistung eines großen Kraftwerks zwischen hunderten Megawatt bis zu einigen Gigawatt.
Erdkabel
Erdkabel basieren auf Kabeln, die mit einer dicken elektrischen Isolierung versehen sind. Gerade für hohe Spannungen wird meist nur ein einziger Leiter verwendet. Das Kabel wird in einen Graben eingebettet, häufig mit einer Schutzschicht aus Sand. Die Isolationsschicht besteht häufig aus Kunststoff.
Erdkabel haben gegenüber Freileitungen einige Vorteile:
- Das Landschaftsbild wird kaum gestört.
- Gefahren z. B. für tief fliegende Flugzeuge oder Helikopter werden vermieden.
- Die Anfälligkeit auf Schäden durch Blitzeinschläge, Hagel und Sturm wird weitestgehend vermieden.
- Die Energieverluste sind geringer, da weniger Wärme abgeführt werden kann und deswegen ein größerer Leitungsquerschnitt verwendet wird.
- Die Belastung durch Elektrosmog (siehe unten) wird stark reduziert, und die Ionisierung der Luft, die zur Bildung von Ozon führt, wird vermieden.
Andererseits sind Erdkabel in der Regel um ein Mehrfaches teurer als Freileitungen, was ihren Einsatz meist auf besondere sensible Gebiete beschränkt. Übrigens ist auch die Verlegung von Erdkabeln nicht völlig ohne Beeinträchtigungen der Landschaft möglich; insbesondere gibt es verstärkte Eingriffe in den Boden.
Betrieb mit Wechselstrom oder Gleichstrom
Die meisten Hochspannungsleitungen werden mit Wechselstrom betrieben: Strom und Spannungen oszillieren periodisch mit einer Frequenz von meist 50 Hz (in Europa). Die Verwendung von Wechselstrom hat den großen Vorteil, dass Transformatoren eingesetzt werden können, um das Spannungsniveau für die Leitung anzuheben und danach bei der Feinverteilung wieder zu senken. Für den Betrieb mit Gleichstrom (→ Hochspannungs-Gleichstromübertragung, HGÜ) wird technisch kompliziertere Leistungselektronik benötigt, die für sehr hohe Leistungen erst seit einigen Jahren erhältlich sind. Insbesondere werden zur Verbindung von Gleichspannungs- und Wechselspannungssystemen Hochleitungs-Gleichrichter und -umrichter benötigt.
Der Wechselstrombetrieb hat auch etliche Nachteile:
- Es treten Blindströme auf, die mit zusätzlichen Maßnahmen kompensiert werden müssen und zusätzliche Verluste verursachen. Besonders hoch werden solche Verluste für Seekabel und Erdkabel.
- Weil die Stärke von Koronaentladungen den Spitzenwert von Wechselspannung begrenzt, ist der realisierbare Effektivwert der Wechselspannung kleiner als für Gleichspannung, was höhere Verluste bzw. eine deutlich tiefere Leistungsgrenze der Leitung bedeutet.
- Die Bedenken wegen Elektrosmog (siehe unten) sind bei Wechselspannungsleitungen wesentlich ausgeprägter.
Weitere Nachteile von Wechselstrom treten beim Betrieb von Verbundnetzen ein. Insbesondere müssen die elektrischen Schwingungen im ganzen Netz synchronisiert sein, was einigen Aufwand erfordert.
Einbettung in das Stromnetz
Ein relativ grobmaschiges Netz von Höchstspannungsleitungen mit meist 400 kV bildet das Rückgrat z. B. des europäischen Verbundnetzes. Großkraftwerke speisen meist direkt in solche Höchstspannungsleitungen ein. Die Feinverteilung in die Regionen erfolgt auf niedrigeren Spannungsebenen von z. B. 110 kV. Transformatoren dienen in den üblichen Wechselspannungsnetzen zum “Umspannen” auf andere Spannungsniveaus.
Gleichstromübertragung wird bisher meist nur vereinzelt für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit hohen übertragenen Leistungen benutzt. Bei Einbettung in ein Wechselspannungs- bzw. Drehstromnetz ist am eine Ende ein Gleichrichtersystem notwendig, am anderen Ende ein Umrichter.
Elektrosmog und andere Belastungen
Wegen des Vorhandenseins elektrischer und magnetischer Felder (oft als Elektrosmog bezeichnet) bestehen verbreitete gesundheitliche Bedenken gegen den längeren Aufenthalt in der Nähe von Hochspannungsleitungen, insbesondere gegen das Wohnen unter solchen Leitungen. Ausgedehnte epidemiologische Untersuchungen wurden in verschiedenen Ländern durchgeführt, allerdings ohne klare Resultate. Außerdem ist nicht klar, welche Wirkungsmechanismen eventuelle Schädigungen verursachen könnten. Denkbar (aber ohne wissenschaftlich belegte schädliche Wirkungen) sind unter anderem Auswirkungen auf der Basis der folgenden Einwirkungen:
- Die starken Ströme in den Leitungen erzeugen Magnetfelder. Bei Wechselstrom sind dies oszillierende Magnetfelder, die sogenannte Wirbelströme in elektrisch leitenden Gegenständen und auch in Organismen verursachen können. Die magnetischen Feldstärken nehmen mit zunehmendem Abstand von den Leitungen schnell ab, insbesondere bei Leitungssystemen mit mehreren Phasen. Bei Gleichstrom-Übertragung entstehen nur zeitliche konstante Magnetfelder, von denen kaum angenommen werden kann, dass sie sich anders auswirken als z. B. das natürliche Magnetfeld der Erde.
- Die hohen elektrischen Feldstärken in unmittelbarer Nähe der Leitungen führen zu einer teilweisen Ionisierung der Luft und damit auch zur Bildung von giftigem Ozon. Solche Effekte können bei Freileitungen auftreten, insbesondere bei sehr hohen Spannungen, nicht dagegen bei Erd- und Seekabeln.
- Auch direkte Wirkungen der elektrischen Felder auf Organismen sind denkbar. Allerdings nehmen auch die elektrischen Feldstärken mit zunehmenden Abstand von den Leitungen schnell ab.
Die wissenschaftliche Klärung der Frage, ob und ggf. wie elektrische oder magnetische Felder von Hochspannungsleitungen gesundheitliche Schäden verursachen könnten, ist sehr schwierig und dürfte noch lange Zeit brauchen. Dies liegt unter anderem daran, dass die Betroffenen auch einer Vielzahl anderer Belastungen ausgesetzt sind (so dass die Ursache von Gesundheitsproblemen nicht klar ist), dass negative Wirkungen unter Umständen erst nach sehr langer Zeit auftreten und dass eine gute Kontrollgruppe (ohne jede Elektrosmog-Belastung) nicht vorhanden ist. Wegen den wohl noch lange verbleibenden Unsicherheiten erscheint es geboten, entsprechend dem Vorsorgeprinzip die Feldstärken, denen Menschen längerfristig ausgesetzt sind, so weit wie mit vertretbarem Aufwand möglich zu begrenzen bzw. reduzieren.
Literatur
| [1] | Daten und Fakten Stromnetze in Deutschland 2007 vom Verband der Netzbetreiber (VDN) |
Siehe auch: elektrische Energie, Hochspannungs-Gleichstromübertragung, Versorgungssicherheit, Stromausfall