Elektrische und Magnetische Felder

Stromdurchflossene Leiter gehen mit magnetischen und elektrischen Feldern einher. Da es im Falle von Hochspannungsleitungen um sehr hohe Spannungen und auch sehr hohe Ströme geht, sollen hier ein paar Grundlagen vorgestellt werden, um diese ein wenig nachvollziehen zu können. Wir beginnen mal mit den offiziellen Grenzwerten, welche für Feldstärken gelten. Diese sind der 26. BImSchV (https://www.gesetze-im-internet.de/bimschv_26/anhang_1.html) entnommen.

Anregung Elektrische Feldstärke E Magnetische Durchflutung B
Gleichstrom (0Hz) 500µT
Wechselstrom (50Hz) 5kV/m 200µT

 

Elektrostatische Felder

Elektrostatische Felder bilden sich entweder da, wo ein Potentialunterschied herrscht. Dies kann zwischen zwei Polen sein, welche unterschiedliche Potentiale aufweisen und somit eine elektrische Spannung (U) bilden. Dies ist im Falle einer Freileitung zum Beispiel zwischen Leiter und Erde. Die Erde ist normalerweise auf Potential 0V, die Freileitung in unserem Fall bei 380kV. Falls sich keine Materialien zwischen Leiter und Erde befinden außer beispielsweise Luft, bildet sich ein gleichmäßiges elektrisches Feld. Bei einem Abstand von 20m ergibt sich somit eine elektrische Feldstärke von E = (380kV-0V)/20m = 19kV/m. In diesem Fall würde dies als Unipolare Anordnung bezeichnet.

Bei Ultranet soll es eine bipolare Anordnung geben. Das bedeutet, dass auf der obersten Leitung eine positive Spannung (+380kV) angelegt wird, auf der mittleren Leitung eine negative (-380kV) und auf der untersten eine Masseleitung. Der Stromfluss ist im Normalbetrieb lediglich in den oberen beiden Leitungen. Die elektrischen Felder sind sogenannte Vektorfelder. Das heißt, sie haben eine Richtung. Wenn sich jetzt zwei Felder mit gegensätzlicher Richtung addieren, kommt es zur Kompensation. Da sich die beiden besagten Leiter allerdings nicht direkt übereinander befinden, kann es nur zu einer Teilkompensation kommen.

 

Magnetostatische Felder

Darstellung eines Strommastes mit den konzentrischen Magnetfeldlinien um einen Leiter. Die Stromrichtung ist in diesem Fall in die Bildebene hinein.

Magnetische Felder entstehen, zumindest im bei einem elektrostatischen Problem, über stromdurchflossene Leiter. Dieses Feld ist ein Vektorfeld und bildet sich nach der „Rechten-Hand-Regel“ aus. Dies kann bei einem Radius r, welcher größer ist als der Radius des Leiters, mit Hilfe der Formel

B = µ0 * I / (2*π*r)

ausgerechnet werden. Der Strom I wird hier mit I = 5500 A angenommen. Dieser ergibt sich durch die Übertragungsleistung von 2GW/380kV. Es ist zu vermuten, dass der Stromwert auf die beiden Energie-führenden Leiterseile verteilt wird und sich der Wert nochmal halbiert, dies ist jedoch nicht gesichert.

Der Mindestabstand zur Erde ist laut einer mündlichen Überlieferung r=12m und mu0 = 4*π*10^-7. Dabei ergibt sich eine magnetische Durchflutung B = 92µT. Dieser Wert ist also weit weg von den besagten Werten

(Das Prinzip kann auch hier nachgelesen werden.)

Existieren jetzt mehrere Leiter, welche einen gegensätzlichen Stromfluss haben, dann können die Feldvektoren an einer jeweiligen Stelle addiert werden. Dies kann dazu führen, dass es zu Überhöhung kommt, an anderer Stelle aber auch zu einer Reduktion der eigentlichen Feldstärke.

Bezogen auf das obere Beispiel gehen wir davon aus, dass wir eine zweite Leitung haben, welche genau 4m über der ersten Leitung angebracht ist (gleiche Vertikalebene) und somit zur Person einen Abstand von 16m hat. Diese Leitung dient als Rückleiter und führt einen Strom von -5500A. Dann ergibt sich für diese Leitung eine magnetische Durchflutung von B = 68,75µT. Die Durchflutungswerte beider Leitungen können in diesem vereinfachten Fall direkt von einander abgezogen werden und wir erhalten einen effektiven Wert von B = 92µT-68,75µT = 23,25µT.

Da die Leiterseile meistens versetzt von einander angebracht werden, muss die Richtung in der zwei dimensionalen Ebene berücksichtigt werden. Man sieht im Bild, dass die Feldlinien konzentrische Kreise um den Leiter bilden. daher wird im allgemeinen Fall eine Vektoraddition von Nöten sein.

Ein kleiner Fun-Fact: Wenn wir die obere Gleichung nehmen, und den Grenzwert von 500µT für ein Leiterseil annehmen und die Gleichung zur Entfernung r auflösen, dann kommt raus, dass wir mit einer Stromstärke von 5500 A einen Mindestabstand von 2,2m haben. Der Grenzwert ist also so hoch gewählt, dass die Leitung knapp über unseren Köpfen verlaufen könnte. Und das elektrische Feld verhindert das auch nicht, da wir ja gar keine Grenzwerte haben. Bei dieser Betrachtung habe ich die Kompensation durch den Rückleiter noch gar nicht in die Betrachtung einfließen lassen.

Hybridleitung

Die Hybridleitung zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl Wechsel- als auch Gleichstrom über den gleichen Freileitungsmast geführt wird. Die schematische Zeichnung zeigt auf der einen Seite den Wechselstrom (rot, 3-Phasen AC) und auf der anderen Seite die HGÜ-Leitungsführung (blau, DC) mit dem Gleichstrom. Die von Amprion vorgestellte Topologie ist die Bipolaranordnung.