Wenn der kürzeste Weg nicht der Weg des Stroms ist
Eine technische Untersuchung zur Stromverteilung in Freileitungstrassen bei 50-Hz-Fehlerströmen und Blitzimpulsen.
Dieselbe Freileitungstrasse kann sich bei einem 50-Hz-Erdschluss wie ein verteiltes Erdungsnetz verhalten, unter Blitzbeanspruchung hingegen wie ein lokales Impulsstromproblem. Dieser Unterschied verändert Strompfade, das Risiko durch Berührungsspannungen und die Beanspruchung der Infrastruktur.
Wichtigste Erkenntnisse
- Die Stromverteilung in linearer Infrastruktur hängt nicht nur vom Ort, sondern auch von der Anregungsart ab.
- Bei 50 Hz kann eine Freileitungstrasse den Fehlerstrom auf die Erdungsanlagen vieler Masten verteilen.
- Unter Blitzimpulsbedingungen kann der größte Teil des Stroms nahe der Einspeisestelle verbleiben.
Stromverteilung in Freileitungstrassen unter Fehler- und Blitzbedingungen.
Einleitung
Bei Untersuchungen von Energieversorgungsanlagen und Blitzschutzsystemen liegt eine vereinfachte Vorstellung des Stromflusses nahe: Der Strom tritt in ein Bauwerk ein, sucht sich den kürzesten oder „besten“ Weg zur Erde und fließt überwiegend über die nächstgelegene Erdungsanlage ab.
Für einen einzelnen Mast einer Hochspannungsfreileitung führt diese Vorstellung zu einer verbreiteten Annahme: Bei einem Erdschluss müsste der größte Teil des Stroms in das Fundament des betroffenen Masts eintreten und über dessen Erdungsanlage lokal zurückfließen.
Lineare Infrastruktur verhält sich jedoch nicht wie eine isolierte Elektrode.
Eine Freileitungstrasse ist ein elektrisch gekoppeltes System: Gittermasten, Erdseile, Phasenleiter, Mastfundamente, Bodenschichten, Erdungsanlagen der Umspannwerke und benachbarte Infrastrukturen sind Teil derselben elektromagnetischen Umgebung. Die Stromverteilung hängt daher nicht nur von der Geometrie, sondern auch von der Anregungsart ab.
Ein 50-Hz-Erdschluss und ein Blitzimpuls können dieselbe Trasse, dieselben Masten und dieselben Erdungsanlagen beanspruchen – dennoch nutzen sie nicht zwangsläufig denselben Rückstrompfad.
Um diesen Effekt sichtbar zu machen, betrachten wir ein einfaches, repräsentatives Beispiel: eine 220-kV-Freileitungstrasse mit Gittermasten, einem Erdseil, einem Phasenleiter, unterschiedlichen Masterdungswiderständen und äquivalenten Abschlüssen an beiden Enden der Trasse.
Drei Anregungsarten werden verglichen:
- ein 50-Hz-Erdschluss mit überwiegend ohmscher Stromumlagerung,
- ein 50-Hz-Erdschluss unter Berücksichtigung der Kopplung mit dem Phasenleiter,
- ein Blitzimpuls 10/350 µs auf derselben Trasse.
Das Ziel besteht darin, einen praxisrelevanten technischen Effekt zu zeigen: Dieselbe Infrastruktur kann je nach Anregung durch einen netzfrequenten Fehler oder einen Blitzimpuls völlig unterschiedliche Stromverteilungen aufweisen.
Dies ist relevant für Berührungsspannungen am Mastfuß, die Beurteilung von Erdungsanlagen, benachbarte Pipelines, Kabelsysteme, Bahninfrastruktur, Zäune und die Auslegung des Überspannungsschutzes.
Die untersuchte Freileitungstrasse
Das Beispiel ist bewusst einfach gehalten: eine repräsentative 220-kV-Freileitungstrasse zwischen zwei Umspannwerken. Die Trasse umfasst Gittermasten, ein Erdseil, einen Phasenleiter und individuelle Erdungsanlagen an jedem Mast.
Repräsentative Freileitungstrasse mit mehreren Masten, anhand derer das Verhalten bei 50-Hz-Fehlern und Blitzimpulsen für dieselbe physische Geometrie verglichen wird.
Mast 10 dient als Stromeinspeisepunkt. Dadurch lässt sich dieselbe Geometrie unter verschiedenen Anregungsarten vergleichen: bei einem 50-Hz-Erdschluss und bei einem Blitzimpuls.
Um das Beispiel praxisnäher zu gestalten, werden für die Masterdungswiderstände keine einheitlichen Werte angenommen. Das ist wichtig, da reale Trassen nur selten an jedem Mast identische Boden- und Erdungsbedingungen aufweisen. In diesem Beispiel besitzt ein Mast einen sehr niedrigen Erdungswiderstand, während der Einspeisemast einen vergleichsweise hohen Wert aufweist. Daraus ergibt sich eine aufschlussreiche Frage: Bleibt der Strom in der Nähe der Einspeisestelle oder fließt er entlang der Trasse, um einen günstigeren Rückstrompfad zu finden?
Dieselbe Trasse, drei Anregungsarten
Dieselbe Trasse wird unter drei verschiedenen Anregungsarten untersucht:
- ohmsche Umlagerung eines Erdschlussstroms,
- ein 50-Hz-Fehler unter Berücksichtigung der Phasenleiterkopplung,
- ein Blitzimpuls an Mast 10.
Der erste Fall entspricht der klassischen Betrachtung des Erdseils als Leiterstruktur mit mehreren geerdeten Knoten. Der zweite Fall ergänzt die elektromagnetische Kopplung zwischen Phasenleiter und Erdseil. Im dritten Fall ändert sich die Problemstellung grundlegend: Aufgrund der hochfrequenten Anteile des Blitzimpulses wird die induktive Impedanz des Erdseils zum dominierenden Einfluss.
Gleiche Geometrie. Gleiche Erdungsanlagen. Andere Anregungsart – anderer Strompfad.
Das Gesamtbild in einer Abbildung
Bevor wir die Ströme an den einzelnen Masten betrachten, lohnt sich ein Blick auf das Erdoberflächenpotential entlang der Trasse.
Die folgende Abbildung zeigt dieselbe Trasse unter den drei Anregungsarten. Geometrie und Erdungsanlagen bleiben unverändert. Nur die Art der Anregung ändert sich.
Erdoberflächenpotential derselben Trasse bei ohmscher Stromumlagerung, 50-Hz-Phasenleiterkopplung und Blitzimpulsbeanspruchung.
Der Unterschied ist sofort erkennbar.
Bei der ohmschen Stromumlagerung ist die Potentialverteilung weiträumig. Die Trasse verhält sich wie ein elektrisch verbundenes System, und der Rückstrom verteilt sich über einen großen Teil der Leitung.
Beim 50-Hz-Fehler unter Berücksichtigung der Phasenleiterkopplung wird das Bild stärker strukturiert: An jedem Mast tritt eine lokalere Potentialanhebung auf, während der gesamte über die Erde zurückfließende Stromanteil abnimmt.
Unter Blitzimpulsbedingungen ändert sich das Verhalten grundlegend. Die Potentialanhebung konzentriert sich um Mast 10 und bildet dort nahezu ein Zielscheibenmuster. Die Trasse verhält sich nicht länger wie eine niederimpedante Leiterstruktur zur Stromverteilung; der Impuls bleibt überwiegend lokal begrenzt.
Das ist die Kernaussage dieses Artikels:
Dieselbe Trasse, dieselben Erdungsanlagen – aber ein völlig anderer Strompfad.
Ergebnis 1 – der 50-Hz-Strom „sieht“ das gesamte Erdungsnetz
Bereits der 50-Hz-Fall ist weniger intuitiv als zunächst angenommen.
Am Einspeisemast „sieht“ der Strom nicht nur die lokale Erdungsanlage. Über das Erdseil sind auch die Erdungsanlagen der benachbarten Masten in beiden Richtungen wirksam.
Vereinfacht gesagt: Viele Masterdungsanlagen bilden gemeinsam einen verteilten parallelen Rückstrompfad.
Deshalb tritt der Strom nicht zwangsläufig dort in den Boden ein, wo der Fehler eingespeist wird.
Im ohmschen Fall führt Mast 10 etwa 8,9 % des eingespeisten Fehlerstroms ab. Mast 5, der mehrere Spannfelder entfernt steht, führt dagegen etwa 10,1 %.
Warum? Weil Mast 5 den niedrigeren Erdungswiderstand besitzt. Für den Strom stellt er schlicht den günstigeren Übergang in den Boden dar.
Wird der Phasenleiter in die Betrachtung einbezogen, fällt der Anteil an Mast 10 noch geringer aus. Dies zeigt, dass die Kopplung zwischen Phasenleiter und Erdseil den über die Masterdungsanlagen zurückfließenden Strom deutlich beeinflussen kann.
Bei 50 Hz verteilt sich das Problem über die gesamte Trasse.
Der Fehlerort ist wichtig – aber er ist nicht der einzige entscheidende Faktor.
Mastfußstrom je Mast für die beiden 50-Hz-Fälle. Die Verteilung zeigt, wie die Trasse als vernetzter Rückstrompfad wirkt.
Ergebnis 2 – der Blitzstrom bleibt lokal
Der Blitzstromfall zeigt ein völlig anderes Bild.
Beim Impuls 10/350 µs führt Mast 10 etwa 89 % des eingespeisten Stroms ab. Die direkt benachbarten Masten sind noch beteiligt, doch bereits nach wenigen Spannfeldern wird ihr Stromanteil sehr gering.
Warum?
Bei 50 Hz wirkt das Erdseil wie eine niederimpedante Verbindung zwischen den Erdungsanlagen der Masten. Dadurch kann sich der Strom entlang der Trasse verteilen.
Unter Blitzbedingungen verändern die hochfrequenten Anteile die Situation grundlegend. Die induktive Impedanz des Erdseils wird dominant, und jedes Spannfeld erhöht die Impedanz.
Der Impulsstrom breitet sich daher nicht in gleicher Weise entlang der Trasse aus. Er bleibt größtenteils dort, wo er eingespeist wird.
Damit gewinnt die lokale Erdungsanlage des Einspeisemasts erheblich an Bedeutung – für die Potentialanhebung, das Risiko durch Berührungsspannungen und die Beanspruchung benachbarter Infrastruktur.
Mastfußstrom je Mast im Blitzstromfall, bei dem der größte Teil des eingespeisten Impulsstroms nahe Mast 10 verbleibt.
Ergebnis 3 – die Stromverteilung wird zur Sicherheitsfrage
Die Berührungsspannung unmittelbar am Mastfuß ist häufig nicht das entscheidende praktische Arbeitsszenario. In vielen Fällen ist nicht davon auszugehen, dass Personen während eines Fehlers einen Freileitungsmast berühren.
Das Ergebnis am Mastfuß eignet sich dennoch gut zur Veranschaulichung: Es zeigt, wie die lokale Potentialanhebung und Stromverteilung zu einer Sicherheitsfrage für benachbarte Infrastruktur werden können.
Realistische Beispiele sind:
- ein Techniker an einer Messstelle einer Pipeline,
- Personen bei Arbeiten an einem Kabelschirm oder an einer Telekommunikations- beziehungsweise LWL-Trasse,
- ein Zaun, Tor, Schaltschrank oder Verteilerkasten in der Nähe des betroffenen Leitungsabschnitts,
- eine Pipeline- oder Bahntrasse in der Nähe der Freileitung.
Zur Orientierung nehmen wir eine kurze Fehlerabschaltzeit von 250 ms und einen Referenzwert von etwa 1 kV für die zu erwartende Berührungsspannung an.
An Mast 10 liegt der berechnete Wert in beiden 50-Hz-Fällen deutlich über diesem Niveau.
Die praktische Aussage lautet:
Ein Mast muss nicht den größten Anteil des gesamten Fehlerstroms führen, um sicherheitskritisch zu werden.
Ein hoher lokaler Erdungswiderstand kann dennoch eine kritische Potentialanhebung verursachen – und auch benachbarte Infrastruktur kann davon betroffen sein.
Ungünstigster Wert der zu erwartenden Berührungsspannung an jedem Mastfuß für die beiden 50-Hz-Fälle. Die Darstellung verdeutlicht, warum die Stromverteilung sicherheitsrelevant ist.
Ergebnis 4 – die zentrale Erkenntnis: gleiche Trasse, anderer Strompfad
Hier ist das gesamte Ergebnis auf einen Blick.
Im ohmschen Fall verteilt sich der Strom über die Trasse.
Unter Berücksichtigung der Phasenleiterkopplung verändert sich die Verteilung erneut.
Unter Blitzimpulsbedingungen kehrt sich das Bild um: Der größte Teil des Stroms bleibt in der Nähe von Mast 10.
Gleiche Trasse.
Gleiche Erdungsanlagen.
Andere Anregungsart.
Anderer Strompfad.
Andere Beanspruchung der Infrastruktur.
Anderes Sicherheitsrisiko.
Stromaufteilung auf den Einspeisemast, die benachbarten Masten und die übrige Trasse für jede Anregungsart.
| Fall | Einspeisemast (M10) | 4 nächste Nachbarmasten | 15 weitere Masten |
|---|---|---|---|
| Ohmsche Stromumlagerung | 9 % | 30 % | 60 % |
| 50 Hz mit Phasenleiterkopplung | 8 % | 26 % | 66 % |
| Blitzstrom, 10/350 µs | 85 % | 15 % | < 1 % |
Gleiche Anlage. Andere Anregungsart. Eine vollständig andere Stromaufteilung.
Was ich aus dieser Untersuchung mitnehme
Die wichtigste Erkenntnis ist einfach:
Die Stromverteilung in linearer Infrastruktur ist nicht nur eine Frage des Ortes.
Sie ist auch eine Frage der Anregungsart.
Dieselbe Trasse kann sich bei einem Erdschluss wie ein verteiltes Erdungsnetz verhalten – und bei einem Blitzimpuls wie ein lokales Impulsstromproblem.
Das ist relevant für Berührungsspannungen, die Beurteilung von Erdungsanlagen, Pipelines, Kabeltrassen, Bahnsysteme, Zäune, Schaltschränke und die Auslegung des Überspannungsschutzes.