Aufgrund des globalen Klimawandels treten Gewitter immer häufiger auf. Laut Statistiken der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) stieg die weltweite durchschnittliche Anzahl von Gewittertagen im Jahr 2023 im Vergleich zum Vorjahr um 18 %, wobei der Anstieg in Südostasien, Afrika und Nordamerika besonders stark war. Blitzeinschläge und Überspannungen verursachen jährlich direkte Schäden in den globalen Stromnetzen in Höhe von über 5 Milliarden US-Dollar. Transformatoren – die Kernausrüstung der Stromnetze – sind aufgrund ihrer Isolierungssysteme am anfälligsten.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) und das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) mehrere Normen (wie IEC 60099-4 und IEEE C62.11) veröffentlicht, die die Entwicklung gemeinsamer Schutztechnologien für Blitzableiter und Transformatoren fördern. Dieser Artikel analysiert, wie die Sicherheit von Stromversorgungsanlagen durch eine mehrstufige Schutzstrategie gewährleistet werden kann, die internationale Normen und globale technische Verfahren kombiniert.

Inhalt

1. Blitzeinschlagmechanismen und direkte Gefahren

Blitzströme zeichnen sich durch eine hohe Amplitude (10–200 kA) und eine schnelle Anstiegszeit (1–10 μs) aus. Ihre Energie kann Isoliermaterialien schlagartig zerstören. Beispielsweise setzt ein typischer negativer Blitz mit einer Wellenform von 10/350 μs (gemäß IEC 62305) und einem Spitzenstrom von 100 kA Energie frei, die der Explosion von 1/10 einer Tonne TNT entspricht. Wenn Blitzströme über Übertragungsleitungen in Umspannwerke eindringen, verursachen sie in Transformatorwicklungen folgende Auswirkungen:

(1) Elektromagnetische Induktion:Das transiente Magnetfeld induziert in den Wicklungen Spannungen von mehreren Kilovolt.

(2)Erdpotentialanstieg (GPR):Wenn das Erdungssystem einen hohen Widerstand aufweist, verursachen Blitzströme einen plötzlichen Anstieg des lokalen Erdpotenzials und erzeugen so eine „Rückschlagspannung“.

●Ohne angemessenen Schutz können Blitzeinschläge zu Folgendem führen:

(1) Isolationsdurchschlag:Hohe Spannungsgradienten verkohlen die Öl-Papier-Isolierung des Transformators und verursachen interne Kurzschlüsse.

(2) Wicklungsdurchbrennen:Durch die Joule-Erwärmung (Q=I²Rt) von Blitzströmen können die Temperaturen lokal auf über 1000 °C ansteigen.

(3)Geräteexplosion:Isolieröl zersetzt sich bei hohen Temperaturen in brennbare Gase (z. B. Wasserstoff), was bei Lichtbögen zu Explosionen führen kann.

Fallstudie:Im Jahr 2022 verursachte ein Blitzeinschlag einen Ausfall der Transformatordurchführung in einem Umspannwerk in Mumbai, was zu einem Ölbrand, einer Explosion, einem 12-stündigen Stromausfall und direkten Schäden in Höhe von 2 Millionen US-Dollar führte.

2. Kerntechnologien von Blitzableitern: Von der „passiven Entladung“ bis zur „intelligenten Spannungsbegrenzung“

● Nichtlineare Eigenschaften von Metalloxid-Ableitern (MOA)

Herkömmliche Siliziumkarbid-Ableiter (SiC) werden aufgrund ihrer langsamen Reaktionszeit (~100 ns) und hohen Restspannung durch Metalloxid-Ableiter (MOA) ersetzt. MOA verwenden Zinkoxid (ZnO), das mit Spurenmetallen (z. B. Bi₂O₃, CoO) dotiert ist und nichtlineare Volt-Ampere-Kennlinien aufweist:

(1) Niederspannungszone (<1 kV/mm):Der spezifische Widerstand erreicht 10⁸ Ω·m, sodass fast kein Stromfluss möglich ist.

(2) Hochspannungsbereich (>3 kV/mm):Der spezifische Widerstand sinkt auf 1 Ω·m, wodurch ein Entladungspfad mit geringem Widerstand entsteht.

Wirkung:MOAs reagieren innerhalb von 25 ns und reduzieren die Restspannung im Vergleich zu herkömmlichen Ableitern um 40 %. Beispielsweise begrenzen MOAs bei einem 100-kA-Einschlag die Leitungsspannung auf unter 300 kV (gemäß IEC 60099-4) und verhindern so einen Ausfall der Transformatorisolation.

Fallstudie:Im thailändischen EGAT-Netz wurden MOAs in 230-kV-Umspannwerken eingesetzt, wodurch die Zahl der Transformatorausfälle von 1.5 auf 0.2 Vorfälle pro Jahr gesenkt wurde – eine Verbesserung der Schutzeffizienz um 86 %.

● Isolationskoordination zwischen Ableitern und Transformatoren

Die Wirksamkeit von Ableitern hängt von der Anpassung der Isolationspegel des Transformators ab. Gemäß IEC 60071-1:

Uprotect ≤ 0.85 × Uwithstand
wo:

(1)Uprotect: Ableiter-Restspannung

(2) Uwithstand: Grundlegender Blitzstoß-Isolationspegel (BIL) des Transformators

Ingenieurpraktiken:

(1)Distanzoptimierung:Installieren Sie Ableiter ≤50 Meter von Transformatoren entfernt (Empfehlung IEEE C62.22), um Leitungsinduktivitätseffekte zu minimieren.

(2) Mehrstufiger Schutz:Verwenden Sie dreistufige MOAs an Leitungseinführungen, Sammelschienen und Transformatoranschlüssen, um die Stärke der Überspannung schrittweise zu reduzieren.

3. Verstärkte Transformator-Isolierung gegen Blitzeinschläge

● Gradientenisolierung und Ausgleich des elektrischen Feldes

Moderne Transformatoren verwenden eine abwechselnde Öl-Papier-Gradientenisolierung, bei der die Dielektrizitätskonstanten (εᵣ) mit der Entfernung von den Wicklungen exponentiell ansteigen:

εᵣ(x) = εr₀ · eᵏˣ

Dieses Design reduziert die elektrischen Spitzenfelder von 8 kV/mm auf unter 3 kV/mm.

Anwendung:Ideal für Umspannwerke in Regionen mit vielen Gewittern (z. B. Südostasien, Afrika), erfüllt die erweiterten BIL-Anforderungen der IEC 60076-15 (20–30 % Verbesserung).

● Blitzbeständige Wicklungsoptimierung

Wichtige Designs zur Minderung von Stromungleichgewichten und Überhitzung:

(1) Kontinuierliche Transpositionswicklung:Jede Umdrehung wird 3–4 Mal transponiert, wodurch die Wirbelverluste um 60 % reduziert werden.

(2) Elektrostatische Abschirmung:Kupferabschirmungen zwischen Wicklungen und Kernen gleichen elektrische Felder durch kapazitive Kopplung aus und reduzieren die lokale Feldstärke um 50 %.

Wirkung:Die optimierten Transformatoren von ABB reduzieren den Anstieg der Wicklungstemperatur bei 120-kA-Einschlägen von 65 °C auf 10 °C und verdreifachen so die Lebensdauer der Isolierung.

4. Synergie zwischen Erdungssystemen und intelligenter Überwachung

● Erdungsgitter mit niedriger Impedanz

Gemäß IEEE 80 muss der Erdungswiderstand folgende Anforderungen erfüllen:

Rground ≤ (Spannungsgrenzen) / (Blitzstrom)
Bei 50 kA-Einschlägen ist Rground ≤ 0.001 Ω. Lösungen            umfasst:

(1)Tieflochelektroden:30–100 Meter tief in Erde mit geringem Widerstand (<50 Ω·m) vergraben.

(2) Kupfernetzgitter:Querschnittsfläche ≥120 mm², Abstand ≤5 Meter, Reduzierung der Stufenspannung auf <40 V.

Anwendung:Wirksam in Gebieten mit hohem Widerstand (z. B. Wüsten im Nahen Osten).

● Online-Überwachungssysteme

Echtzeitsensoren liefern frühzeitige Fehlerwarnungen:

(1) Ableitstrom:Ersetzen Sie MOA-Ventile, wenn der Widerstandsstrom (IR) 15 % des Gesamtstroms überschreitet (IEC 60099-5).

(2) Teilentladung des Transformators:UHF-Sensoren (300 MHz-3 GHz) lokalisieren Defekte mit≤10 cm Fehler bei Verwendung von Zeitdifferenzalgorithmen (TDOA).

Fallstudie:Deutschland'Das E.ON-Netz hat die Ableiteraustauschzyklen von 5 auf 8 Jahre verlängert, die Wartungskosten um 40 % gesenkt und eine Fehlergenauigkeit von 95 % erreicht.

Tabelle 1: Blitzschutzmaßnahmen und Anwendungen

Zusammenfassend

Blitzschutz basiert auf Energiekontrolle und Systemsynergie. Ableiter leiten Blitzströme ab, Transformatoren halten Überspannungen dank optimierter Isolierung stand, und Erdungs-/Überwachungssysteme sorgen für Zuverlässigkeit. Für globale Anwender ist die Auswahl IEC/IEEE-konformer Lösungen, die auf das regionale Klima zugeschnitten sind, unerlässlich. Zukünftige Entwicklungen wie Wide-Bandgap-Ableiter (SiC/GaN) und selbstheilende Isolierung könnten Blitzschäden verhindern.

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