Überspannungen in Energiesystemen verstehen: Ursachen und Auswirkungen

In diesem Artikel betrachten wir Überspannungen und ihre Ursachen. Quellen sind Generatoren, Transformatoren, Leitungen. Auslöser: Blitzeinschlag, Schalteröffnung, Leitererdung usw. Die Überspannungen müssen nicht groß sein, können aber Schutzsysteme oder angeschlossene Geräte stören. Ingenieure versuchen stets, die Auswirkungen auf Betriebsmittel zu begrenzen. Wir analysieren die Hauptursachen, ihre Entstehung und Systemauswirkungen.

Diese Transienten oder Überspannungen sind temporär und kurz (einige hundert µs), verursachen aber Überspannungen im Netz. Sie entstehen durch Schalthandlungen und andere Ursachen, doch die wichtigsten Transienten stammen von natürlichen Blitzeinschlägen auf Freileitungen. Trifft Blitz eine Leitung, rast die Welle entlang der Leitung und spült eine Flut riesiger Spannungen in das System, die jedes Schutz- und elektrische Gerät beschädigen kann.

Die Abbildung zeigt die Blitzüberspannungs-Wellenform: Spannung auf der x-Achse, Zeit auf der y-Achse. Deutlich sichtbar: sehr steiler Anstieg (Wellenfront) in 1–5 µs. Die Rückseite (Wellenende) verläuft langsamer und dauert länger.

Ursachen von Überspannungen

Überspannungen lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen:

A) Interne Ursachen   B) Externe Ursachen

Interne Ursachen erzeugen keine extrem großen Überspannungen. Erfahrungswerte zeigen, dass interne Überspannungen die Systemspannung kaum auf das Doppelte des Nennwerts anheben.

• Schaltüberspannungen: Überspannungen durch Schalthandlungen. 1) Anschluss unbelasteter Leitung an Spannungsquelle. 2) Anschluss belasteter Leitung. 3) Wichtigste Ursache: Stromabschneiden (Current Chopping) – erzeugt Hochspannungstransienten an den Kontakten von Druckluft-Leistungsschaltern.
• Isolationsversagen: Wichtigster Fall: Leitererdung. Erdung in der Leiter Mitte erzeugt negative Spannungswellen, die in beide Richtungen laufen.
• Lichtbogen-Erdung (Arcing Ground): Intermittierender Lichtbogen bei Einphasen-Erdschluss in 3-Phasen-Systemen mit resultierenden Transienten. Diese sind kumulativ, sehr gefährlich und können durch Isolationsversagen schwere Schäden verursachen. Verhinderung durch Sternpunkterdung.
• Resonanz: Induktiver Blindwiderstand gleich kapazitivem Blindwiderstand. Impedanz wird rein ohmsch, cos φ = 1. Resonanz verursacht Überspannungen in Leitungen.
• Externe Ursache: Ausschließlich Blitz. Definition wie oben. Detaillierte Behandlung im nächsten Artikel.