Untersuchungen zu Blitz- und Schaltüberspannungen mit Ableitermodellen

Wichtigste Erkenntnisse

• • Die Koordinationsziele für die Isolationskoordination legen den Maßstab fest, der jedem Ableiter- und Transienten-Ergebnis seine Bedeutung verleiht.

  • Der Schutzumfang hängt von der Ausbreitung der Überspannung, den Spezifikationen der Leistungsschalter und den anlagenspezifischen Prüfungen auf dem gesamten Gelände ab.

  • Die Auswahl eines Ableiters gilt erst dann als abgeschlossen, wenn sowohl die Leistung der Ableiterklemme als auch die Energieaufnahme unter extremen Bedingungen überprüft wurden.

Präzise Modelle von Überspannungsableitern zeigen, wo der Schutz in Umspannwerken funktioniert und wo er versagt.

Nach den gängigen Faustregeln kann ein Ableiter zwar in der Nähe einer Leitungsbuchse angebracht werden, dennoch bleibt eine Transformator-Durchführung einer höheren transienten Überspannung ausgesetzt, als es Ihre Isolationsreserve zulässt. Blitz- und Schaltstöße halten nicht an der nächstgelegenen Schutzeinrichtung an. Sie breiten sich aus, werden reflektiert und nehmen an Steilheit zu, während sie sich durch Sammelschienenabschnitte, Zuleitungen, Anschlüsse und Geräte bewegen. Etwa 25 Millionen Wolke-Boden-Blitze schlagen jedes Jahr in den Vereinigten Staaten ein. Diese Größenordnung ist von Bedeutung, da jeder ungeschützte Netzanschluss einen schnellen Stoß in Ihr Umspannwerk einspeisen kann; daher muss eine fundierte Blitzschutzstudie für Umspannwerke das Netz als eine Reihe von Wanderwellenpfaden mit endlichen Schutzreserven betrachten.

Untersuchungen zu transienten Überspannungen beginnen mit den Koordinierungszielen für die Isolierung

Untersuchungen zu transienten Überspannungen beginnen mit der Isolationskoordination, da jede spätere Entscheidung bei der Modellierung von der erforderlichen Sicherheitsmarge abhängt, die es zu schützen gilt. Ist dieses Ziel unklar, verlieren die Nennwerte der Ableiter, die Leitungslängen und die Einschlagstellen ihre Bedeutung. Man überprüft dann nicht mehr den Schutz, sondern zeichnet lediglich Wellenformen auf.

Ein praktisches Beispiel ist ein Transformatoranschluss mit einer Blitzstoßfestigkeit von 650 kV, der über mehrere Meter Leitungslänge an eine Sammelschiene angeschlossen ist. In Ihrer Untersuchung müssen Sie die Spitzenwertspannung am Anschluss mit diesem Grenzwert vergleichen, nachdem Sie die Restspannung des Ableiters, die Leitungsinduktivität und lokale Reflexionen berücksichtigt haben. Ein Ergebnis von 540 kV bietet eine ausreichende Sicherheitsmarge. Ein Ergebnis von 640 kV erscheint auf dem Papier akzeptabel und lässt dennoch wenig Spielraum für Modellierungsfehler, Alterungseffekte oder Parameterunsicherheiten.

Die gleiche Logik gilt auch für Schaltstudien. Ein Leistungsschalter, der eine unbelastete Leitung unter Spannung setzt, kann Transformatoren, Drosseln und Kabelanschlüsse einer zwar geringeren, aber länger anhaltenden Belastung aussetzen. Wenn Sie zunächst für jeden exponierten Anschluss klare Festigkeitsziele festlegen, wissen Sie, wo ein vereinfachtes Modell akzeptabel ist und wo zusätzliche Details zwingend erforderlich sind. Durch diese Vorgehensweise wird die Studie von einer allgemeinen Simulation zu einer Schutzprüfung, auf deren Grundlage Sie Maßnahmen ergreifen können.

Ein Überspannungsableitermodell muss die Restspannung nachbilden

„Ein Überspannungsableiter ist nur dann sinnvoll, wenn seine Restspannung mit den Stromverläufen übereinstimmt, die tatsächlich an ihm anliegen.“

Die Nennspannung und die Dauerbetriebsspannung reichen für Blitzschutzberechnungen nicht aus. Das Modell muss korrekt auf steile Flanken und schwankende Stromstärken reagieren. Diese Reaktion bestimmt die Spannung, der Ihre Geräte ausgesetzt sind.

Ein Metalloxid-Varistor-Modell sollte an die vom Hersteller angegebenen Restspannungspunkte bei den entsprechenden Entladungsströmen angepasst und anschließend mit einer realistischen Leitungsinduktivität verbunden werden. Die meisten negativen Blitzschläge führen etwa 30.000 A; daher wird ein Modell, das nur auf einen Nennprüfpunkt abgestimmt ist, den Strombereich verfehlen, der das Klemmniveau bei einem Nahschlag bestimmt. Eine steile Front, die durch eine Leitungsfalle eintritt, kann den Ableiter auf eine höhere Momentanspannung zwingen, als eine statische Kurve vermuten lässt.

Schaltvorgänge erfordern eine ähnliche Sorgfalt. Bei der Einschaltung eines Transformators kann über einen längeren Zeitraum ein geringerer Strom fließen, wodurch derselbe Ableiter ein anderes Schutzniveau und eine andere Energieaufnahme aufweist. Wenn Ihr Modell weder das Verhalten bei Blitzeinschlag noch das bei Schaltvorgängen reproduzieren kann, wird die Analyse der Ableiterplatzierung zu reiner Spekulation. Sie erhalten zwar immer noch ein Diagramm, wissen aber nicht, ob der geschützte Anschluss tatsächlich geschützt ist.

Blitzschutzstudien müssen die Überspannungswege in Umspannwerken erfassen

Blitzschutzstudien müssen den Weg darstellen, den eine Überspannungswelle vom Netzeintritt bis zu jedem freiliegenden Anschluss zurücklegt. Die eintreffende Welle teilt sich an Verbindungsstellen, wird an Diskontinuitäten reflektiert und steigt an offenen Enden steil an. Diese Pfadeffekte bestimmen, wo die höchste Spannung auftritt. Eine einzelne Messung am Leitungsende lässt dieses Muster außer Acht.

Ein gängiges Anlagenschema verdeutlicht dies anschaulich. Ein Blitzschlag, der über eine Freileitung eintritt, erreicht den ersten Portalkonverter, durchläuft die Messgeräte und teilt sich dann zwischen dem Hauptsammelschienensystem und einem Transformatorzweig auf. Ein offener Trennschalter an einem Zweig kann eine reflektierte Welle zurück in Richtung des Sammelschienen-T-Stücks leiten, während ein Kabelabschnitt an einem anderen Zweig die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Impedanz der Stoßspannung verändert. Die höchste Spitze kann an einer Klemme auftreten, die physisch weiter vom Einschlagpunkt entfernt ist als der erste Ableiter.

Auch hier kommt es auf die Details der Erdung an. Eine lange Ableiterleitung, eine hohe Stützkonstruktion oder ein falsch dargestellter Sammelschienenabschnitt führen zu Spannungen an Stellen, an denen man sie nicht erwartet. Deshalb müssen bei der Simulation von transienten Überspannungen die Leiterlängen und Verbindungspunkte berücksichtigt werden, die die Ausbreitung der Welle beeinflussen. Wenn man den Pfad sehen kann, lässt sich die Abdeckung des Blitzschutzes im gesamten Umspannwerk überprüfen, anstatt davon auszugehen, dass sich der Schutz gleichmäßig von einem Gerät aus erstreckt.

Für die Simulation von Schaltüberspannungen sind zuverlässige Angaben zum Zeitablauf des Leistungsschalters erforderlich

Für die Simulation von Schaltüberspannungen sind detaillierte Angaben zum Zeitablauf des Leistungsschalters erforderlich, da Nachschläge, Vorauslösungen, die zeitliche Verzögerung zwischen den Polen und die Stromunterbrechung die Spitzenbelastung der Geräte beeinflussen. Ein Leistungsschaltervorgang ist kein einzelner, idealer Öffnungs- oder Schließzeitpunkt. Jeder Pol schaltet zu einem leicht unterschiedlichen Zeitpunkt. Dieser zeitliche Ablauf verändert den Verlauf der transienten Welle und die Auslastung des Ableiters.

Ein Beispiel zur Einschaltung einer 230-kV-Leitung verdeutlicht, warum dies von Bedeutung ist. Ein Pol kann sich einige Millisekunden vor den anderen schließen, in der Leitung kann noch Ladung aus einer vorherigen Unterbrechung zurückbleiben, und die quellseitige Spannung kann bereits nahe ihrem Spitzenwert liegen. Diese Abfolge kann am entfernten Ende zu einer Spitze führen, die deutlich über dem Wert liegt, der bei einem gleichzeitigen dreipoligen Schließen entstehen würde. Ein Leistungsschaltermodell mit identischem Polzeitablauf glättet das Ereignis und unterschätzt die Schaltstoßspannung.

Das Öffnen von Schaltvorgängen erfordert die gleiche Sorgfalt. Eine Reaktorunterbrechung kann zu Stromunterbrechungen führen, gefolgt von einer Erholungsspannung, die einen erneuten Zündvorgang an einem Pol auslöst. Die daraus resultierende Schwingung kann vom Leistungsschalteranschluss auf nahegelegene Transformatoren oder Kondensatorbänke übergreifen. Wenn Sie Schaltüberspannungen zuverlässig simulieren möchten, müssen die Details des Leistungsschalters in das Schutzmodell einfließen und umfassend berücksichtigt werden.

Die Anordnung der Ableiter sollte sich nach der Exposition der Geräte an jedem Anschluss richten

Die Platzierung von Ableitern funktioniert nur, wenn Sie die Exposition jedes Anschlusses bewerten, und nicht, wenn Sie die Geräte in einem festen Abstand anbringen und davon ausgehen, dass das gesamte Gelände abgedeckt ist. Die Exposition eines Anschlusses hängt vom Eintrittsweg des Überspannungsimpulses, von lokalen Reflexionen, der Leitungslänge und der Isolationsfestigkeit ab. Der nächstgelegene Ableiter sorgt nicht immer für die niedrigste Anschlussspannung. Der Abstand auf einem Plan entspricht nicht der Schutzreserve.

Ein Transformator, der über eine Abzweigung vom Hauptsammelschienenfeld angeschlossen ist, veranschaulicht das Problem. Ein am Netzeintritt installierter Ableiter dämpft dort die erste Welle, doch an der Hochspannungsdurchführung des Transformators kann dennoch eine steile reflektierte Spitze auftreten, wenn die Abzweigung lang ist und der Transformatorableiter zu weit entfernt sitzt. Bei Kabelanschlüssen tritt das gleiche Problem auf, da die Ausbreitung der Welle durch das Kabel und die Reflexion am offenen Ende die lokale Spannung nach der ersten Dämpfung erhöhen können.

Die Entscheidungen zur Platzierung werden klar, sobald Sie jede Klemme mit ihrer jeweiligen Belastungsgrenze vergleichen. Dieser Ansatz führt oft dazu, dass mehr als ein Überspannungsableiter in derselben Feldgruppe installiert wird, und manchmal bestätigt er, dass ein einziges Gerät ausreicht. Entscheidend sind dabei die Messdaten. Sie installieren den Schutz an den Klemmen, an denen die Überspannung eine Belastung verursacht, und stützen sich dabei auf gemessene Belastungswerte statt auf Faustregeln.

Der Schutzumfang muss an jedem kritischen Knotenpunkt überprüft werden

Der Schutzumfang lässt sich nur dann überprüfen, wenn Sie die transiente Spannung an jedem Knotenpunkt messen, an dem es zu einem Isolationsdurchschlag kommen könnte. Es reicht nicht aus, lediglich die Klemme des Ableiters zu überprüfen. Entscheidend sind die Spitzenwerte, die Wellenfrontform und die Sicherheitsreserve an den Klemmen der Geräte.

 „Die Berichterstattung hängt von der Gesamtleistung des Netzwerks während desselben Ereignisses ab.“

Ein sinnvoller Arbeitsablauf untersucht dasselbe Ereignis am Netzeintritt, an Busknoten, an Schalterklemmen und an Geräte-Durchführungen. SPS SOFTWARE eignet sich für diese Aufgabe, da Sie das Verhalten der Ableiter und die Ausbreitung der Welle in einem bearbeitbaren Netzwerkmodell untersuchen können, anstatt jedes Gerät als Blackbox zu behandeln. Das erleichtert das Testen eines Nahschlags, eines Fernschlags und eines Schaltvorgangs, ohne dass für jeden Fall die Schaltanlage neu aufgebaut werden muss. Wenn ein Knoten den Sollwert überschreitet, können Sie erkennen, ob die Lösung in einem neuen Ableiter, einer kürzeren Zuleitung oder einer anderen Platzierung besteht.

• Messen Sie gleichzeitig die Eingangsspitzenspannung und den Wert an der ersten Klemme.
• Überprüfen Sie jeden Transformator- und Drosselanschluss anhand seines jeweiligen Festigkeitsziels.
• Prüfen Sie bei Schaltvorgängen (Schließen und Öffnen) beide Seiten jedes Leistungsschalters.
• Überprüfen Sie Bus-T-Verzweigungen und Abzweigungen, an denen Reflexionen lokale Spitzen verursachen können.
• Kabelanschlüsse und offene Enden auf reflektierte Überspannung prüfen

Abdeckungsprüfungen gewährleisten zudem die Zuverlässigkeit von Studien, wenn sich das Layout in einer späten Projektphase ändert. Schon eine geringfügige Änderung der Leiterlänge oder eine neue T-Verbindung kann dazu führen, dass sich die ungünstigste Spitze auf einen anderen Knoten verlagert. Wenn Ihre Studie nur eine oder zwei Spannungen erfasst, wird Ihnen diese Verschiebung entgehen. Eine vollständige Knotenprüfung macht den Blitzschutz von einer bloßen Anmerkung in der Zeichnung zu einem verifizierten elektrischen Ergebnis.

In schwerwiegenden Fällen muss die Energieaufnahme des Ableiters überprüft werden

Die Energiebelastbarkeit des Ableiters muss überprüft werden, da ein Gerät, das die Spannung in akzeptablem Rahmen begrenzt, dennoch mehr Energie absorbieren kann, als seine thermische Auslegung zulässt. Spannungsschutz und Energiebelastbarkeit hängen zwar zusammen, sind jedoch nicht dasselbe. Bei extremen Blitz- und Schaltfällen kann ein Test bestanden und der andere nicht bestanden werden. Sie benötigen beide Ergebnisse, bevor ein Fall abgeschlossen werden kann.

Ein Blitzschlag in unmittelbarer Nähe einer Zuleitung ist ein anschauliches Beispiel dafür. Der erste Stromimpuls versetzt den Ableiter in den Leitungszustand, anschließend kann die vom Freiluftgelände und der angeschlossenen Leitung reflektierte Energie den Stromfluss länger aufrechterhalten, als es eine einfache Wellenform vermuten lässt. Ein Schalt-Wiederblitz kann etwas Ähnliches bewirken, allerdings mit geringerem Strom und längerer Dauer. Die Energiebelastung muss anhand der Ableiterspannung und des Stroms über die Zeit berechnet werden und darf nicht allein anhand des Spitzenstroms geschätzt werden.

Auch Fälle mit mehreren Ereignissen verdienen Beachtung. Ein erneutes Schließen nach einem Fehler, wiederholte Auslösungen oder eine Abfolge von Vorgängen während der Inbetriebnahme können zu einer kumulativen thermischen Belastung desselben Geräts führen. Aus diesem Grund gehört die Berechnung der Energiebelastung des Ableiters in die Transientenanalyse selbst. Wenn Sie die simulierte Belastung mit der Leistungsfähigkeit des Geräts in den Extremfällen vergleichen, erfahren Sie, ob der Ableiter nach Erfüllung seiner Schutzfunktion noch über eine Sicherheitsreserve verfügt.

Vereinfachte Annahmen können schädliche Überspannungsspitzen verschleiern

Vereinfachte Annahmen verschleiern schädliche Spitzen, da sie die Details ausblenden, die diese verursachen. Ideale Leistungsschalter, Leitungen mit Null-Länge, Einpunkt-Spannungsmessungen und generische Ableiterkurven vermitteln allesamt ein falsches Gefühl der Sicherheit. Die übersehene Spitze tritt in der Regel an einem entfernten Anschluss auf. Genau dort liegt die Lücke einer regelbasierten Platzierungsmethode.

Ein Umspannwerk kann geschützt erscheinen, wenn das Modell einen Ableiter am Netzeintritt, ideale Schaltvorgänge und keine Reflexionen in den Abzweigen berücksichtigt. Das Bild ändert sich jedoch, sobald man realistische Leiterlängen, einen Transformatorzweig, die Polverteilung des Leistungsschalters und die tatsächliche Restkurve des Ableiters einbezieht. Eine Transformator-Durchführung, die bei 520 kV sicher erschien, kann bei einem Nahschlag oder einem Nachschlag deutlich über ihre Koordinationsreserve hinausgehen. Diese Verschiebung ist kein Modellierungsproblem. Es ist der elektrische Zustand, den Ihre Isolierung überstehen muss.

Eine fundierte Simulation von transienten Überspannungen bietet Ihnen eine verlässliche Entscheidungsgrundlage. Sie erkennen, wo der Blitzschutz greift, wo die Anordnung der Überspannungsableiter optimiert werden muss und welche Extremfälle die tatsächliche Auslegungsgrenze darstellen. SPS SOFTWARE ist ein unverzichtbarer Bestandteil dieses Prozesses, wenn Sie transparente Modelle benötigen, die das Verhalten der Ableiter und den Verlauf der Überspannung im gesamten Umspannwerk veranschaulichen – denn klare physikalische Zusammenhänge führen zu klaren Entscheidungen beim Schutzausbau. So schließen Sie Schutzlücken, bevor ein tatsächlicher Blitzeinschlag diese offenbart.