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Hochspannungsleitung

Hochspannungsleitungen werden zur Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen im Verbundnetz eingesetzt. Sie werden mit besonders hohen elektrischen Spannungen von mindestens 60 kV (Kilovolt) bis hin zu Höchstspannungen von etwa 1 MV = 1000 kV betrieben. Ab ca. 1 kV Wechselspannung oder 1,5 kV Gleichspannung spricht man von Hochspannung. Höchstspannung bedeutet mindestens 220 kV Leiterspanung bei Drehstrom.

Mit Hochspannung kann eine hohe elektrische Leistung trotz moderater 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 länger die Leitung ist.

Die meisten Hochspannungsleitungen sind Freileitungen mit an hohen Masten aufgehängten Leitern. Es gibt aber auch Hochspannungs-Erdkabel, die im Boden verlegt werden, sowie Seekabel für den Einsatz am Meeresboden.

Stromleitungen, die auf niedrigeren Spannungsniveaus betrieben werden, werden als Mittelspannungs- oder Niederspannungsleitungen bezeichnet.

Freileitungen

Hochspannungs-Freileitungen enthalten in der Regel mehrere (mindestens drei) dicke und mit hohen Stromstärken belastbare Leiterseile. Typische Leiterseile, bestehend aus Aluminium mit einer Stahl-Seele, können mit bis zu ca. 2 kA belastet werden, werden im Dauerbetrieb aber weniger ausgelastet (siehe unten).

Meist werden nicht einfache Leiterseile, sondern Bündelleiter bestehend aus typischerweise 3 bis 6 Leitern verwendet, weil sich so die Tendenz zu Glimmentladungen reduzieren lässt, was eine höhere Betriebsspannung möglich macht. Die Leiterseile 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 eingehalten wird. Wegen der hohen Spannungen ist eine elektrische Isolation mit Kunststoffbeschichtungen zwar möglich (wie bei Niederspannungs-Kabeln), würde aber eine sehr hohe Dicke der Isolationsschicht erfordern. Deswegen verwendet man zur Isolation einfach Luftstrecken, d. h. einen ausreichenden Abstand. Die Leiterseile müssen so angebracht sein, dass sie auch bei starkem Wind nie zusammenschlagen oder sich zu nahe kommen können, da dies sonst zu einem Kurzschluss oder zu einem Lichtbogen führen könnte.

Die Spitzen der Masten sind meist durch ein Erdseil verbunden, das auf Erdpotenzial ist (durch Verbindung über Erder). Es führt normalerweise kaum Strom, aber es nimmt die meisten Blitzeinschläge auf, die sonst die Leiter treffen und so Schaden anrichten könnten.

Als Beispiel betrachte man eine 400-kV-Drehstromleitung mit drei Leiterseilen, die je 2 kA führen. Die übertragene Gesamtleistung ist dann (wenn reiner Wirkstrom übertragen wird, kein Blindstrom) 3 · 230 kV · 2 kA = 1,4 GW. (Man beachte, dass hier die Spannung gegen Erde und nicht die Spannung zwischen den Leitern relevant ist, also 230 kV und nicht 400 kV.) Dies entspricht der Leistung eines Großkraftwerks und ist die in Deutschland heute übliche Leistung im Höchstspannungsnetz. Die Wirkleistung kann etwas geringer sein, wenn ein Blindstromanteil auftritt. Höhere Leistungen sind möglich durch Verwendung zusätzlicher Leiterseile.

Durch die hohen Stromstärken und den (wenn auch geringen) elektrischen Widerstand der Kabel werden die Leitungen bei Volllast recht heiß (z. B. 80 °C, bei Hochtemperaturseilen auch 150 °C). Die maximale Verlustleistung beträgt typischerweise einige hundert Watt pro Meter Übertragungslänge, aber bei der Auslegung strebt man eine im Durchschnitt deutlich geringere Belastung an, um die Energieverluste zu begrenzen. Die im Beispiel oben genannte Leitung wird mal also meist nur mit einigen hundert Megawatt auslasten. Bei Verwendung von Bündelleitern ist natürlich entsprechend mehr möglich – auch eine Dauerlast in der Größenordnung von 1 GW.

Die Leiterseile 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 Maximalleistung der Leitung) höher.

Energieverluste 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 (ohmsche Verluste). Die verlorene Leistung steigt mit dem Quadrat der übertragenen Leistung, und sie begrenzt wegen der Erhitzung der Kabel die maximal übertragbare Leistung. Bei kaltem, windigem 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.
• Nur bei Wechselstrom werden in den Leitungen auch Wirbelströme induziert, und der Skin-Effekt verdrängt den Strom tendenziell etwas von innen nach außen, so dass er nicht gleichmäßig verteilt fließt. Beides führt zu zusätzlichen ohmschen Verlusten.
• Außerdem führen die hohen Spannungen zu Koronaentladungen (Glimmentladungen), 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 Stromnetz 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. Bei Hochspannungs-Gleichstromübertragung gibt es Verluste in Umrichtern, die höher sind als in Transformatoren.

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.

Zur Erhöhung der Versorgungssicherheit durch Redundanz verwendet man häufig Trassen mit zwei unabhängigen Leitungssystemen; wenn eines davon ausfällt, kann das andere die volle Leistung immer noch übernehmen. Insofern ist eine solche Lösung sinnvoller als beispielsweise die Verwendung nur eines Leitungssystems mit doppelter Querschnittsfläche.

Erdkabel

Erdkabel basieren auf Kabeln, die mit einer dicken elektrischen Isolierung versehen sind. Die Kabel werden in einen Graben eingebettet, häufig mit einer Schutzschicht aus Sand. Die Isolationsschicht besteht meist 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 Ausfallhäufigkeit wird hierdurch stark reduziert. Allerdings führen beispielsweise Baggerarbeiten doch gelegentlich zu Ausfällen, die dann wesentlich länger dauern aufwendiger zu reparieren sind als bei Freileitungen.
• Die Energieverluste sind geringer, da weniger Wärme abgeführt werden kann und deswegen ein größerer Leitungsquerschnitt verwendet wird.
• Die Belastung durch sogenannten Elektrosmog (siehe unten) wird stark reduziert (außer in unmittelbarer Nähe des Kabels), 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 besonders 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, und zugängliche Muffenbauwerke werden benötigt.

Gasisolierte Rohrleiter

Die Technik gasisolierter Rohrleiter ist eine Alternative zu Freileitungen und auch zu konventionellen Erdkabeln. Ein solcher Rohrleiter besteht aus einem dünneren Rohr, welches innerhalb eines dickeren Rohrs geführt wird. Die beiden Rohre sind gegeneinander elektrisch isoliert: Die Aufhängung des Innenrohrs erfolgt mit Isolatoren, und der Hohlraum wird mit einem Gas gefüllt, welches besonders durchschlagfest ist, also eine sehr hohe elektrische Spannung (hunderte von Kilovolt) zwischen den Rohren ermöglicht. Das äußere Rohr ist im Betrieb auf Erdpotenzial, so dass seine Berührung von außen ungefährlich ist. Das innere Rohr führt die Hochspannung.

Als Isoliergas wird Schwefelhexafluorid (SF₆) oder ein Gemisch desselben mit Stickstoff verwendet. Sein Druck kann z. B. 5 bar betragen, also dem fünffachen Atmosphärendruck entsprechen, weil dies die Durchschlagfestigkeit und somit die mögliche Spannung erhöht. Schwefelhexafluorid ist ein starkes Treibhausgas, so dass sein Austreten sehr klimaschädlich wäre. In der Praxis ist ein solcher Gasaustritt allerdings kaum zu erwarten.

Gasisolierte Rohrleiter können direkt in der Erde verlegt werden oder auch in einem Tunnel. Da die Energieverluste in ihnen sehr gering sind, ist meist keine aktive Kühlung notwendig. Ein solches rein passives System ist sehr robust, wartungsarm und langlebig.

Im Vergleich zu konventionellen Erdkabeln ergeben sich nicht nur geringere Energieverluste, sondern auch geringere Kapazitäten und entsprechend niedrigere kapazitive Blindleistungen (bei Wechselstrombetrieb). Die übertragbare Leistung kann mehrere Gigawatt betragen, entsprechend der Leistung mehrerer großer Kraftwerke. Die Kosten sind allerdings mehrfach höher als bei einer Freileitung.

Betrieb mit Wechselstrom oder Gleichstrom

Die meisten Hochspannungsleitungen werden mit Wechselstrom betrieben: Strom und Spannung 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 Hochspannungs-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.

Natürliche Leistung

Bei geringer Strombelastung verursacht eine Hochspannungsleitung kapazitive Blindströme, bei hoher Strombelastung dagegen induktive. Dazwischen, bei der natürlichen Leistung, liegt ein Betriebspunkt, in dem die Leitung keine Blindleistung verursacht oder kompensiert.

Bei Freileitungen liegt die natürliche Leistung häufig bei einem kleinen Bruchteil der maximalen Leistung. Deswegen werden sie oft im übernatürlichen Bereich betrieben, wo sie induktive Blindleistung verursachen. Deren Ausgleich ist möglich mit Anlagen zur Blindleistungskompensation.

Bei Erdkabeln ist die Situation anders. Weil die Wärmeabfuhr schwieriger ist, werden sie meist im unternatürlichen Bereich betrieben, wo sie kapazitive Blindleistung erzeugen. Bei gasisolierten Rohrleitern liegt die natürliche Leistung ebenfalls meist über der Betriebsleistung, jedoch wird hier ohnehin wesentlich weniger Blindleistung erzeugt als bei einem mit Feststoffen isolierten Erdkabel.

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.

Hochspannungs-Gleichstromübertragung wird bisher meist nur vereinzelt für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit hohen übertragenen Leistungen benutzt. Bei Einbettung in ein Wechselstrom- bzw. Drehstromnetz ist am einen Ende ein Gleichrichtersystem notwendig, am anderen Ende ein Wechselrichter.

Wirtschaftliche Aspekte

Der Bau von Hochspannungsleitungen ist kostspielig. Bei Freileitungen sind HGÜ-Ausführungen absolut gesehen besonders teuer. Wegen der sehr hohen übertragenen Leistungen können die Kosten pro Megawatt trotzdem geringer sein. Im Allgemeinen ist die Amortisation von Hochspannungsleitungen wegen ihrer sehr langen Lebensdauer (Größenordnung von 100 Jahren) und des hohen Energiedurchsatzes kein Problem, außer bei den sehr teuren Erdkabeln. Im Vergleich zu den Kosten der Stromerzeugung und auch zu denen für die Verteilungsnetze (Mittel- und Niederspannungsebene) sind die Kosten für das Hochspannungs-Übertragungsnetz gering.

Um teure Investitionen in neue Hochspannungsleitungen zu vermeiden, wird oft versucht, die Übertragungskapazität bestehender Leitungen kostengünstig zu erhöhen. Eine Option hierfür ist die Ausstattung mit Hochtemperaturleiterseilen. Diese dürfen im Betrieb heißer werden (z. B. durch Beimischung von Zirkon) und erlauben deswegen um z. B. 50 % höhere Leistungen. (Zwar steigen dann auch die Energieverluste stark an, jedoch ist dies zu verkraften, wenn die volle Belastung nur zeitweise auftritt.) Eine andere Option ist manchmal die Ausstattung von Masten mit zusätzlichen Leiterseilen, soweit dafür noch Platz zur Verfügung steht.

Eine wesentlich stärkere Erhöhung der Kapazitäten ist möglich, wenn auf Hochspannungs-Gleichstromübertragung umgestellt wird. Gleichzeitig können sogar optisch weniger auffällige Masten verwendet werden. Bei Verwendung derselben Trasse wie früher für die Wechselstromübertragung wird die Realisierung gegenüber einer völlig neuen Trasse stark erleichtert.

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 Hinweise auf Gefährdungen. 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 zeitlich konstante Magnetfelder, von denen kaum angenommen werden kann, dass sie sich anders auswirken als z. B. das natürliche Magnetfeld der Erde, so dass eine Schädlichkeit nicht zu befürchten ist.
• Auch andere direkte Wirkungen der elektrischen Felder auf Organismen sind denkbar. Beispielsweise gibt es Hinweise, dass niederfrequente elektromagnetische Strahlung in Zellen vermehrten oxidativen Stress verursachen kann, der u. U. schädliche Wirkungen haben könnte. Allerdings nehmen auch die elektrischen Feldstärken mit zunehmenden Abstand von den Leitungen schnell ab auf ein Niveau, das auch diverse andere Quellen verursachen können.
• 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.

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, aber mit ähnlicher Lebensweise) 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. Im Übrigen sollte beachtet werden, dass die Stromerzeugung insbesondere in Kohlekraftwerken nachweislich massive Umwelt- und Gesundheitsprobleme verursacht und deswegen weit mehr Aufmerksamkeit verdient als zwar denkbare, aber unbewiesene Gesundheits­gefährdungen durch Elektrosmog. Es wäre beispielsweise mit großer Sicherheit schädlich für die Gesundheit der Bevölkerung, wenn Kohlekraftwerke länger als eigentlich nötig betrieben würden, weil für die Energiewende gebrauchte Hochspannungsleitungen aufgrund von Elektrosmog-Befürchtungen nicht gebaut werden.

Siehe auch: elektrische Energie, Hochspannungs-Gleichstromübertragung, Erdkabel, Versorgungssicherheit, Stromnetz, Stromausfall, Blindleistungskompensation, Ferranti-Effekt