Aufbau elektrischer Energiesysteme und Freileitungen

1.1 Subsysteme der elektrischen Energieversorgung

Erzeugungssystem: Gesamtheit aller Kraftwerke zur Erzeugung elektrischer Energie.

Übertragungssystem: Umspannwerke zur Spannungserhöhung an Kraftwerken, Übertragungsleitungen und Hochspannungsnetze.

Verteilungssystem: Letztes Glied des elektrischen Systems. Es besteht aus primären Verteilungsnetzen, Transformator- und Schaltstationen sowie sekundären Verteilungsnetzen.

Merkmale eines elektrischen Systems

Zu den wesentlichen Kenngrößen gehören:

• Phasenanzahl
• Betriebsspannung
• Netzfrequenz

Nennspannung: Vereinbarter Effektivwert der Leiterspannung, nach dem die Leitung bezeichnet wird und der bestimmte Betriebseigenschaften festlegt. Sie wird mit dem Buchstaben U bezeichnet und in Kilovolt (kV) angegeben.

Klassifizierung elektrischer Leitungen

1. Leitungen mit einer Nennspannung von über 66 kV.
2. Leitungen mit einer Nennspannung zwischen 30 kV und 66 kV (einschließlich).
3. Leitungen mit einer Nennspannung von 1 kV bis einschließlich 30 kV.

Typische Spannungsebenen sind: 20 – 66 – 132 – 220 – 380 kV.

Aufbau der Verteilungsnetze

Hochspannungs-Verteilungsnetze bestehen aus zwei Bauarten:

• Erd- oder Freileitungen mit 45 kV, 66 kV oder 132 kV.

Mittel- und Niederspannungsnetze bestehen aus:

1. Erd- oder Freileitungen mit 15 bis 20 kV.
2. Mittel-/Niederspannungs-Transformationsstationen (MS/NS).
3. Niederspannungs-Freileitungen (Bündelleitungen) oder Erdkabeln.

Struktur der Niederspannungs-Verteilungsnetze

1. Strahlennetz in NS: Besteht aus einer oder mehreren Niederspannungsleitungen, die von einer bestehenden Transformatorstation im Versorgungsgebiet ausgehen.
2. Lineares Netz: Verteilungsleitung mit maximal 10 Transformator- und Verteilungsstationen für die erforderlichen Niederspannungsabgänge.
3. Ringnetz: Eine in sich geschlossene Verteilungsleitung mit bis zu 9 Transformatorstationen und entsprechenden Niederspannungsabgängen.
4. Mehrfach-Ringnetz: Verbund mehrerer Ringnetze, die an ein Umspannwerk angeschlossen sind. Jeder Ring verfügt über maximal 10 Transformator- und Verteilungsstationen in Niederspannung.
5. Mehrfach gespeistes Normalnetz: Besteht aus mehreren Normalleitungen, die an ihren Enden mit verschiedenen Verteilerzentren oder Umspannwerken verbunden sind.
6. Gestütztes Netz: Besteht aus maximal 6 Verteilungsleitungen, die an zwei Umspannwerke angeschlossen sind; bei Ausfall eines Stromkreises übernehmen Reserveverbindungen die Versorgung von bis zu 10 Transformatorstationen je Leitung mit entsprechenden Niederspannungsabgängen.

1.2 Elektrische Freileitungen

Eine elektrische Freileitung ist die Gesamtheit von Leitern, die in einer bestimmten Höhe über dem Gelände montiert sind und elektrische Energie übertragen.

• Spannfeld (Spannweite): Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stützpunkten (Masten) einer Leitung.
• Durchhang: Größter senkrechter Abstand zwischen der Verbindungslinie zweier aufeinanderfolgender Stützpunkte und dem tiefsten Punkt des Leiters.

Klassifizierung der Leitungsträger (Maste)

1. Tragmast (Fluchtungsstützpunkt): Trägt Leiterseile und Erdseile gegen vertikale Lasten und nimmt Querbeanspruchungen (z. B. Wind) auf.
2. Winkelmast: Trägt Leiter- und Erdseile an den Scheitelpunkten von Richtungsänderungen zweier Trassenfluchten; ausgelegt für vertikale und resultierende Querbeanspruchungen.
3. Abspannmast: Dient als Festpunkt der Trasse, um die Längszugkräfte zu begrenzen; wird üblicherweise etwa alle 3 km gesetzt.
4. Endmast: Muss die einseitig angreifenden Längszugkräfte aller Leiter- und Erdseile am Leitungsende aufnehmen.
5. Spezialmaste: Für Sonderaufgaben wie Trassenkreuzungen, Überquerungen von städtischen Straßen, Anbringung von Hinweisschildern oder Telekommunikationseinrichtungen.

Mechanische Beanspruchungen der Träger

• Vertikale Beanspruchungen: Hauptsächlich hervorgerufen durch das Eigengewicht der Leiter und Zusatzlasten.
• Querbeanspruchungen (Transversalkräfte): Entstehen durch Windeinwirkung auf Träger und Leiter sowie durch Seilzugkomponenten an Winkeln.
• Längsbeanspruchungen: Entstehen durch den einseitigen Leiterzug bei Leitungsunterbrechungen oder an Abspann- und Endpunkten.

Mastkonstruktionen und Baustoffe

1. Laschen- und Blechbandmaste (Stahlbauteile)

Maste werden aus offenen Walzprofilen aus mindestens 4 mm dickem Stahl gefertigt (Streckgrenzen zwischen 275 und 355 daN/mm²).

• Aufbau: Bestehend aus zwei Schüssen, verschraubt; jeder Schuss setzt sich aus vier gleichschenkligen Winkelprofilen zusammen, die über angeschweißte Laschen verbunden sind. Typische Einzellängen betragen 6 m; der untere Schuss kann 4 bis 6 m messen, sodass Gesamthöhen von 10 bis 12 m entstehen. Nennlaststufen: P400, P750, P1250.
• Kopfausbildung und Armaturen: Kombination von Traversen und Mastkopf für unterschiedliche Bauarten (Stützisolatoren „R“ oder Hängeisolatoren „S“).
• Bereiche: Schaft, Übergang/Gewölbe und Mastkopf.
• Fundament: Aus unbewehrtem oder bewehrtem Beton ausgeführt; Nachweis der Standfestigkeit mit einem Sicherheitskoeffizienten von mindestens 1,5 gegen Kippen/Verschiebung.

2. Gittermaste

Einteilung in zwei Kategorien nach zulässiger Spitzenzugkraft: bis 4.500 daN sowie von 7.000 bis 9.000 daN. Gittermaste bestehen aus Kopf (C), Mittelteilen bzw. Schüssen (E) und Verankerungselementen (A).

• Berechnung: Bemessung als räumliches Fachwerk unter Zug- und Druckbeanspruchung der Einzelstäbe.
• Höhenanpassung: Durch Schussverlängerungen und Fußverlängerungen realisierbar.
• Traversenanordnungen: Horizontal, Dreieck, Dreiecksverband (Tresbolillo), Sechseck, Rechteck, Portal- oder Gewölbeform.
• Traversenformen: Flach-, Schalen-, Tonnen- und Bogenkopftraversen.

Traversen für Betonmaste

Träger und Traversen für starre Isolatoren sowie Konsolen für Hängeisolatoren.

Sicherheits- und Schutzeinrichtungen

• Steigschutz / Kletterschutz: An den unteren Mastschüssen angebracht, um unbefugtes Besteigen zu verhindern; versehen mit Warnhinweisen vor elektrischer Spannung.
• Elektrische Sicherheitskennzeichnung: Rechteckige Schilder aus verzinktem Stahlblech, Aluminium oder Edelstahl (1 mm Stärke) mit Gefahrenlogo und Text zur Warnung vor Hochspannung; Abmessungen: 250 × 220 mm.

Betonmaste

Wichtigste Eigenschaft von Betonmasten ist die Druckfestigkeit, die zwischen 230 und 430 kg/cm² liegt und vom Wasser-Zement-Wert abhängt. Bauarten umfassen Stahlbeton-, Rüttelbeton-, Schleuderbeton- und Spannbetonmaste. Am Mastkopf (Zopf) befinden sich Montagebohrungen zur Befestigung der Armaturen und Isolatorträger.

Fundamente

Monoblock-Betonfundamente, deren Festigkeit und Tragfähigkeit mindestens der des aufstehenden Leitungsträgers entspricht; die Bodenpressung und Gleitsicherheit sind rechnerisch nachzuweisen.