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Gewittermessungen der Jahre 1936und 1937
Bericht an die Forschungskommission des SEV und VSEfür Hochspannungsfragen (FKH)
Von
K. Berger, Zürich
Sonder-Abdruckaus dem Bulletin des Schweizerischen Elektrotechnischen Vereins
Jahrgang 1943, Nr. 13
1943A.-G. Fachschriften .Verlag & Buchdruckerei, Zürich
S 1360- 250 - VII. 43
SCHWEIZERISCHER ELEKTROTECHNISCHER VEREIN
Sonder-Abdruck aus dem Bulletin des SEV, Jahrgang 1943, Nr. 13
Gewittermessungen der Jahre 1936 und 1937Bericht an die Forschuugskommission des SEY und YSE für Hochspannungsfragen (FKH)
von K. Berger, Zürich 621.3 015.3.0014
Als Fortsetzung der zuletzt im Jahr 1936 veröffentlichtenBerichte des Versuchsingenieurs über die Messungen derFKH an Hochspannungsleitungen zur Bestimmung der durchGewitter verursachten Ileberspannungeti werden im folgendendie Resultate der Messungen aus den Jahren 1936 und 1937veröffentlicht. Diese Messungen wurden an der Gotthardleitung (150 kV) und an der Leitung Lavorgo-Veveri (80 kV)gemacht. Als Messinstrumente dienten wieder die im SBBMesswagen eingebauten Kathodenstrahloszillographen. Weiterwurden Messungen mit Klydonographeti ztlld mit Stahlstäbchen gemacht. Die Messungen bestätigen die Resultate derfrüheren Untersuchungen. Die Form der Gewitterüberspannungeti ist sehr mannigfaltig. Ganz hohe Spannungen kommennur bei nahen Blitzeinschlägen in die Leitung vor. Soweitdie Frage der Leitungsiiberspannungen mit dem Kathodenstrahloszillographen abgeklärt werden kann, dürften dieseMessungen mit dem Bericht praktisch abgeschlossen sein. InZukunft werden sich die Studien auf die Vorgänge in unmittelbarer Nähe des Blitzeinschlags. also au] die Messungdes Stromes im Blitz selber konzentrieren.
Im Anhang wird über die Bestimmung der Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit längs der Gotthardleitung alsGrundlage der Fehlerortsmessung mit dem Kathodenstrahloszillographen berichtet.
1. Untersuchte ObjekteIn den Gewitterperioden der beiden Jahre 1936
und 1937 standen die gleichen Hochspannungsleitungen für die Gewitteruntersuchungen zur Verfügung wie in den Vorjahren 1934 und 1935. Es istdies hauptsächlich die mit 150-kV-Drehstrorn betriebene Gotthardleitung Lavorgo-Amsteg mit denAusläufern nach den Endstationen Bodio (Tessin)und Rathausen (1936), bzw. Gösgen (1937), wodie Energie transformiert wird. Ebenso wurde dieBO-kV-Drehstromleitung von Lavorgo über Bodionach Reazzino-Ponte Tresa-Italien (Veveri) mitden 3 im Eisenhahnwagen eingebauten Kathodenstrahl-Oszillographen (KO) überwacht.
Eine Beschreibung dieser beiden Leitungenwurde im letzten Bericht über unsere Gewittermessungen bereits gegeben; wir verweisen darauf 1). Eine Aenderung gegenüber damals entstandlediglich durch die Weiterführung der 150-kVLeitung von Rathausen bis Gösgen seit Ende 1936.Die Ausrüstung beider beobachteten Leitungen warbis auf hier belanglose Einzelheiten die gleichewie in den Vorjahren 1934 und 1935. Dagegen
1) Bull. SEY 1936, Nr. 6, S. 145.
Faisant suite altX rapports pub lies en 1936 pur l'ingenieurchurge des essais entrepris par la FKH, en vue de deserminerles surtensions prouoquees par les orages dans les lignes ahaute tension, le present rapport est consacre aux mesuresejiectuees en 1936 et 1937 sur la ligne du Gothard (150 kV)et sur celle de Lavorgo-Veveri (80 kV). Ces mesures, [aitesa l'aide des oscillographes cathodiques instolles dans. une voiture des CFF, ainsi que de clytlonographes et de barreauxd'acier, conjirment les resuluüs precedents, La forme des surtensions dues aux orages varie beaucoup. Des tensions treseleuees ne se presentent qu'a proximite immediate des coupsde [oudre dans les lignes. Pour autant que la questioti dessurtensions dans les ligties aeriennes puisse etre elucidee al'aide d'oscillographes cathodiques, ces mesures pezwent etremaintenant considerees comme terminees. A I'ouenir, les etudes porterout plus particulierement sur les plienomenes quise produisent alt point d'impact de la [oiulre, c'est-a-dire surla mesure du COlu'ant de [oudre proprement dito
En. annexe figure un. rapport sur la determination de lavitesse de propagutioti des ondes le long de la ligne duGothard, en VZte de la localisatioti des defaztts a l'aide del'oscillographe cathodique..
schien es, als ob sich die Masterdungen der Bergstrecke der Gotthardleitung gegenüber früher verschlechtert hätten, da bei Widerstandskontrollenhöhere Ohmwerte festgestellt wurden. Die Erscheinung hängt möglicherweise mit dem Ausschwemmen des beim Bau verwendeten Lehmes zusammen.
2.. MesseinrichtungenWie in beiden Vorjahren kamen zur Ausmes
sung «ler atmosphärischen Ueberspannungen folgende Messmittel zur Anwendung:
a) Der aus 3 einzelnen Kathodenstrahloszillographen zusammengebaute KO der FKH, der, wie früher, in einenBahnwagen dcr SBB eingebaut war.
b) Je ein Klydonograph in den Anlagen Bodio, Lavorgo,Amsteg und Rathausen an der 150-kV-Leitung, ferner je einweiterer in den 80-kY-Anlagen Bodio und Lavorgo.
c) Stahlstäbchen zur Messung des Scheitelwertes von Blitzströmen.
d) Steilheitsmeseer zur Messung der grössten Steilheit vonBlitzströmen. Die Einrichtungen c und d waren in erster Linieauf Masten der Gotthardleitung eingebaut, daneben wurdenaber auch Teilstücke von 3 andern Höchstspannungsleitungenmit Stahlstäbchen ausgerüstet, ferner 2 Berggipfel, nämlichder Windmesser auf dem Säntis und der Aussichtsturm aufdem Bachtel im Zürcher Oberland.
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Zu a}: Zu den oszillographischen Messungenmit dem KO-Messwagen wurden die gleichen Gaborschen Spannungsteiler benutzt wie in den Vorjahren. Diese sind zusammengesetzt einerseits ausje 2 Widerständen zu ca. 5500 Q pro Phase, bestehend aus Manitlösung in Porzellanrohren mit Silberelektroden. Der Widerstandswert der 12 benutzten Rohre hat in den 4 Jahren nicht wesentlichgeändert; dagegen nahm die Abhängigkeit desWiderstandes von der Temperatur, die ja für Manit ausserordentlich klein sein soll, mit der Zeitzu. Es scheint sehr schwierig zu sein, einen ManitWiderstand so rein herzustellen, dass er seine Unabhängigkeit von der Temperatur jahrelang beibehält. Als Kapazitäten der Spannungsteilung wurdenstets Kabelstücke benutzt, und zwar für 150 kVdieselben Oelkabel, für 80 kV die gleichen Massekabel wie in den beiden Vorjahren. Trotzdem dieseKabelstücke der grellen Sonne ausgesetzt waren,hielten sie sich anstandslos. Die Prüfung der Oelkabel geschah jeweils im Frühling mit Wechsel-spannung von 170 kV Effektivwert gegen Erdewährend ca. 1/2 Stunde. Das Uebersetzungsverhältnis der Spannungsteiler in 150 und 80 k V wurdeauf denselben Wert eingestellt.
Die Kathodenstrahl-Oszillographen (KO) warengenau dieselben wie in den Vorjahren. Wegen desDauerbetriebs wurden alle 3 Kathoden erstmalsdrehbar gemacht, um mehrere Ansatzstellen desKathodenstrahls ausnützen zu können, bevor eineAuswechslung der Kathode nötig wird.
Die Zeitablenkung der Kathodenstrahlen geschahim Sommer 1936 wie in den Vorjahren mit Hilfeeiner sinusförmigen Hilfsspannung, die von einem300-Hz-Generator geliefert wurde. Im Sommer 1937wurde dagegen zum ersten Mal eine neue Schaltung zur Erzielung einer beliebig oft wiederholtenund linearen Zeitablenkung angewendet. Sie bestehtin einer Elektronenröhre und einer einstellbarenFunkenstrecke, über welche ein Kondensator periodisch geladen und entladen wird. Das Bedürfniszu einer solchen Schaltung entstand aus den schlechtauswertbaren Umkehrpunkten der sinusförmigenZeitablenkung. Wenn ein Ueberspannungsvorganggerade im Moment der Umkehr der Zeitablenkungauftritt, kannxlie Zeitdauer der Ueberspannungennicht ausgewertet werden. Mit dem neuen «Zeitrelais» ist dies dagegen in allen Fällen möglich.Die Gesamtzeitdauer für die Niederschrift einesOszillogramms beträgt ca. 0,02 s, d. h. 1 Periodeder Betriebsfrequenz 50/s, bei einem KO etwasweniger. Leider zeigte sich erneut, dass bei Mehrjachblitzen ein Teil der Ueberspannung für dieAufzeichnung verloren gehen kann. Nach einerOszillogramm-Aufzeichnung braucht nämlich derKO bzw. sein Zeitrelais mehrere Zehntelsekunden,bis es zur nächsten Aufzeichnung wieder bereitist. Entstehen innert diesen Zehntelsekunden weitere Teilblitze eines und desselben Gesamtblitzes,so ist der KO noch nicht schreibbereit. Will es derZufall, dass der erste Teilblitz die Leitung nichtdirekt traf, wohl aber der 2. oder 3. Teilblitz, danngeht er für die Aufzeichnung verloren. Ein Beispiel
eines Mehrfachblitzes, bei dem die Auslösung desOszillogramms auf Grund einer nur kleinen Ueberspmmung geschah, und wo dann nach etwas mehrals 1150 s ein wesentlich stärkerer Ueberspannungsstoss folgte, der von 2 KO gerade noch erfasstwurde, während der dritte KO bereits gesperrt war,zeigt :Fig. 18. Wäre der zweite Teilblitz, der diegrössere Ueberspannung veranlasste, nur eine weitere i/50 s später erfolgt, so würde sich im Oszillogramm nur die unbedeutende erste Ueberspannungzeigen.
Man könnte Abhilfe suchen durch sofortige Wiederbereitstellung des KO, nachdem er ein Oszillogramm geschrieben hat. Leider entstehen dann soviele Auslösungen kurz nacheinander, dass die Oszillogramme überladen werden. Eine Registriereinrichtung für die Erfassung aller Ueberspannungen bietet somit noch ein interessantes Problem,dessen Lösung vermutlich in der Bereitstellung vieler und beliebig rasch nacheinander erfolgenderAuslösungen (Entsperrungen) des Kathodenstrahlsliegt, wobei jede Auslösung ein Oszillogramm mitbeschränkter Zeitdauer (z, B. 5000 j.ts) niederschreibt. Eine andere Möglichkeit wäre die, dieIntensität des Kathodenstrahls durch die zu messende Ueberspannung modulieren zu lassen, derart, dass er nur während der Ueberspannungsdauer sehr intensiv, sonst aber nur sehr lichtschwachschreibt.
Zu b): Die Klydonographen-Insto'zlation wurdegegenüber den Vorjahren nicht geändert. Trotzder weitgehend glimmfreien Luftkondensatoren zurHochspannungsteilung sind wir zur Ueberzeugunggekommen, dass diesen Einrichtungen Fehler anhaften, welche ihre Verwendung als Messinstrument in Frage stellen, solange sie nicht in jedemFall mit dem KO kontrolliert werden können.
Zu c) und d): Die Anordnung der «Blitzstäbchen»und Steilheitsmesser auf den Masten der Gotthardleitung blieb die gleiche wie in den Vorjahren.Aus rein praktischen Gründen wurde die Befestigung der «Blitzstäbchen» verbessert durch Einbauin isolierende, geschlossene Röhrchen, weil es sicherwiesen hatte, «lass eine grössere Anzahl Stäbchenim Winter durch Schnee und Eisabfall von denMasten beschädigt worden war. Auch die an denErdseilen befestigten Stäbchen wurden derart eingeschlossen, weil die vorher in Bohrungen einerhorizontalen Holzleiste lose von oben eingesteckten Stäbchen spurlos verschwanden. Die Erscheinung war am deutlichsten in vogelreichen Gegenden, insbesondere in der Westschweiz. Es mussangenommen werden, dass Vögel, vor allem wohlElstern, für ·dieses Verschwinden der losen Erdseilstäbchen verantwortlich sind.
Die auf einigen Berggipfeln ausgesetzten Stahlstäbchen wurden aus obigen Gründen von Anfangan in Holzleisten mit durch Korkzapfen abgeschlossenen Bohrungen hineingesteckt.
Sodann wurden an der Gotthardleitung aucheinige Aufhängebolzen der Isolatorenketten mitStäbchen ausgerüstet, um unterscheiden zu können,ob Ueberschläge infolge Ueberspannung des Pha-
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Ueherspannungen von doppelter Scheitelwerthöhe der Betriebsspannung entstehen im 80-kV-Netz 8 20mal pro Sommer, im 150-kV-Netz nurmehr 2 6mal pro Sommer. Diese Angaben bezie-hen sich naturgemäss auf den Messpunkt Lavorgo,der für das 80-kV-Netz eine Kopjsuuion, für das150-kV-Netz eine Durchgangsstation darstellt.
Fig. 1 und 2.Häufigkeitskurven verschieden hoher atmosphärischer Uehersnannungen anf Grund der oszillographischen l\lessungen in
Lavorgo in den Sommern 1936 und 1937uoo Scheitelwert der normalen Betriebs-Sternspannung.ttvn Scheitelwert der normalen verketteten Betriebsspannung.Abszisse ;Um : Höhe der vom Blitz erzeugten, der momentanen
Betriebs-Wechselspannung überlagerten Ueberspannung.
Ordinate n : Anzahl jener Ueberspannungen, deren Höhe denAbszissenwert erreleht oder übersteigt.
Da die atmosphärischen Ueberspannungen nurinfolge der Spannungsbegrenzung durch die Anlagenisolation mit der Betriebsspannung zusammenhängen, könnte man die Ueberspannungen beiderNetze auch absolut,d. h. ohne Rücksicht auf dieBetriehsspannung, vergleichen. Es würde sich folgendes ergeben:
In der Kopfstation (80 kV) entstehen pro Sommer ca. 15...30 Ueberspannungen von mindestens100 kV Höhe, in der Durchgangsstation (150 kV)jährlich ca. 8...25 solche. Ueherspannungen vonmehr als 50 kV Höhe sind etwa 3mal häufiger alssolche mit mehr als 100 kV. Ueberspannungen vonmehr als 200 kV kommen pro Sommer nur wenigevor, im Durchschnitt etwa 5. Die Anzahl derarthoher Ueberspannungen wird etwa gleich grosswie die Anzahl direkter Blitzeinschläge in dieLeitung pro Jahr.
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wertete OszillogrammeAnzahl Oszillogramme, die
innert ca, 1/50 s 2 Teilblitze erkennen lassen
Anzahl Oszillogramme mit3 Teilblitzen innert ca,l/ED s .
senleiters oder «les Mastes (Rücküberschlag) entstehen (siehe Fig. 12).
3. Resultate
a] Oszillographische Messungen.Die 3 KO waren im Sommer 1936 vom 11. Mai
bis Mitte Oktober im Betrieb, im Sommer 1937vom 30. Mai bis zum 3. Oktober. In dieser Zeitwurden insgesamt ca. 850 + 450 dreiphasige Oszillogramme atmosphärischer Ueberspannungen aufgenommen. Die meisten davon zeigen eine einmalige Ueherspannung, welche die Leitung wenigeMale durchläuft und dann abgeklungen ist. EinTeil der Oszillogramme dagegen zeigt nach Ab- 1
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klingen der 1. Ueberspannung und bereits wiederberuhigter Leitungsspannung plötzlich einen 2. odersogar 3. Ueberspannungsstoss. Es ist anzunehmen,dass diese Mehrfach-Ueberspannungen von Mehrfachblitzen herstammen. In Tabelle I ist die Häufigkeit solcher Teilblitze innert «ler OszillogrammDauer, d. h, innert ca, 1/50 s, angeführt.
JO
Anzahl registrierter Teilblitze. Lavorgo 1936/37Tabelle 1.
Ueher die Häufigkeit der verschieden hohenatmosphärischen Ueberspannungen auf den beidenLeitungen für 150 und 80 kV geben Fig. 1 und 2Auskunft. Verglichen mit den Vorjahren 1934 und1935 ist die Zahl der aufgenommenen Oszillogrammeeher kleiner, insbesondere derjenigen, welche kleineUeberspannung zeigen. Dies hängt mit einer etwasweniger empfindlichen Einstellung des Auslöserelais zusammen. Die grössern Ueherspanmmgensind dagegen im 150-kV-Netz im Mittel etwa gleichhäufig wie in den Vorjahren. Im 80-kV-Netz istdas Jahr 1935 durch abnormal starke Gewittertätigkeit ausgezeichnet. Es muss erwähnt werden, dassdie Höhe der Ueherspannungen wie in den Vorjahren als Abweichung von der sinusförmigen Betriehsspannung gezählt wurde. Je nach dem Phasenmoment der Betriebsspannung kommt daher diegemessene Ueberspannnng nicht als absolute Ueberspannurig gegen Erde in Erscheinung; die Zahlder Ueherschreitungen des Scheitelwerts der normalen Betriebsspannung ist somit wesentlich kleiner als die Zahl der in den Kurven dargestellten«Ueberspannungen».
Die Anzahl «Ueherspannungen» pro Sommer,welche den Scheitelwert der verketteten Betriebsspannung an Grösse übertreffen, beträgt in den 4Beobachtungsjahren im 80-kV-Netz 25...100, im150-kV-Netz 7...18.
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Magnetisierte Stahlstäbchen 1936 und 1937Tabelle 11.
grösster Vorsicht aufzunehmen sind. Eine Diskussion der Häufigkeitskurven erübrigt sich hier.
c] Blitzstrommessungen.
Die Gesamtzahl der an Masten und Erdseilenvom Blitz magnetisierten «Stahlstäbchen» in denbeiden Sommern 1936 und 1937 betrug ca. 100.Davon weist ein Teil so schwache Magnetisierungauf, dass sie nicht ausgewertet wurde. Die restlichen 86 Stück ergeben Häufigkeiten von Blitzstromanteilen in Masten und Erdseilen nach Tabelle H.
Fig.4.
Häufigkeitskurve der an der80.kY.Leitung in Lavoreo imSommer 1937 mit Klvdonog'ra-
phen gemesseueu absolutenUeberspnnnungen
Abszisse: Höhe der Ueberspannung 'Um inkV.bzw. als Vielfaches p des Scheitelwertes der normalen BetriebsSternspannung,
Ordinate: Zahl n der überspannungen vonmindestensAbszlssenbetrug.
Fig.5.
Häutlgkeltskurve der an der 80·kY·Leitung in Bodio im Sommer1937 mit Klydonographen gernesse-neu absoluten Ueherspannungen
Abszisse: Höhe der Ueberspannung Um in kV. bzw.als Vielfaches p desScheitelwertes dernormalen BetriebsSternspannung.
Ordinate: Zahl n der Ueberspan·nungen von mindestens Abszissenbetrag.
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b) Klydonographen.Messungen.
Die Häufigkeitskurven der in einigen Stationenmit Klydonographen gemessenen absoluten Ueberspannungen gegen Erde sind in Fig. 3...5 dargestellt.
Wie betont wurde, sind die gemessenen Zahlenwerte der Spannungen stets die ,dem momentanen Wert der Betriebsspannung überlagertenSpannungen, nicht die absoluten Ueberspannungengegen Erde, deren Anzahl naturgemäss kleiner ist.Es ist ersichtlich, dass die Anzahl wirklich hoherUeberspannungen pro Sommer an einem bestimmten Messpunkt auch bei hochisolierten Leitungen,wie dies bei den beobachteten Leitungen der Fallist, in unsern Gegenden sehr klein ist. Ein Ahleiter für atmosphärische Ueberspannungen muss proSommer nur wenige Male in Aktion treten, wenn essich um Uebertragungsnetze handelt. Zugleich mussauch hier auf die grosse Bedeutung einer gewissenMinimal-Isolation für an Freileitungen angeschlossene Anlagen hingewiesen werden. Hochspannungsanlagen ohne Ableiter sollten mehr als ca. 50 kVStossüberschlagsspannung der Isolatoren aufweisen; wenn nicht, sind bei Gewitter allzu oft Ueberschläge zu erwarten. Es ist bemerkenswert, dasssich diese Isolationshöhe rein empirisch in denWerkbetrieben ergeben hat, denn auch unsere 8-kVAnlagen wurden allmählich so isoliert, dass siedieser Anforderung entsprechen.
Auf der Leitung selber können die Ueberspannungen wesentlich höher sein, als sie in der Messstation Lavorgo waren. Dies gilt besonders für hoheUeberspannungen, welche beim Durchlaufen derLeitung sehr stark gedämpft werden. Für die kleinen und damit meistens länger dauernden Ueberspannungen ist diese Dämpfung kleiner, so dassfür die Freileitungen ungefähr dieselbe Forderunggilt, nämlich eine Minimal-Isolation, welche mindestens 50 kV kurzzeitig standhält. Interessanterweise ist die Praxis schon längst zu diesem Resultat gekommen, sogar für Schwachstrom- und Sekundär-Leitungen, die ja ebenfalls den Gewittern ausgesetzt sind.
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112 336 56QkV
Aus der mehrjährigen Erfahrung heraus sind wirzum Schluss gekommen, dass den Klydonographenals Tastorganen für Ueberspannungen Bedeutungzukommt, dass sie aber als «Messinstrumente» mit
Wie in den beiden Vorjahren sind grössere Blitzströme als 40 kA in Masten in keinem Fall nachgewiesen worden. Die Grösse des gesamten Blitzstromes lässt sich in einigen Fällen schätzen, beidenen Stäbchen sowohl an Masten, als auch anden Erdseilen eingebaut waren. Einige solche Beispiele sind in Fig. 6...13 dargestellt.
In den Bildern bezeichnen die Pfeile durchwegsdie Richtung des negativen Blitzstromes, d. h. dieRichtung der Elektronen. Da weitaus die meisten
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in Masten
grösser als 2 kAgrösser als 5 kAgrösser als 10 kAgrösser als 20 kAgrösser als 30 kAgrösser als 40 kA
Blf tzatröme
Fig.3Häufigkeitskurven der an der 15D-kY-Leitung in Bodio und Lavorgo im Sommer1937 mit Klvdonng.ruphen gemessenen abso-
luten UeberspannungnnAbszisse: Höhe der überspannung Um
in kV. bzw. als Vielfaches1) des Scheitelwertes der normalen Betriebs-Sternspannung.
Ordinate: Zahl n der Ubersuanrrungenvon mindestens Absz.lssenbetrag.
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Blitze negative Ladungen zum Boden führen, gibtdiese Pfeilrichtung anschaulichere Bilder als umgekehrt, weil die Pfeilrichtung dann mit der üblichen Vorwachsrichtung des Blitzes von der Wolkezum Boden zusammenfällt.
schwache Punkte wirken. An .den zwischenliegenden Stangen Nr. 73...77 zeigten sich keinerlei Spuren.
Leider kommen recht manche Fälle vor, in denen der Blitzstromverlanf auf Grund der Stäbchenmessungen nur vermutet werden kann. Die Strom-
136
,5 "137
Fig.6.
Blitzstromverteilung (kA) nach Messungen mit
«Stahlstäbchen» am Erdseil, 132·kV.Leitung Put
donx-Kerzers der SBB, 1936
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SEVff066
B/Clcigfn
seilstäbchen einfache Stösse genauer messen alsdie Maststäbchen, weil die Lage «les Stroms zumStäbchen genauer bekannt ist, werden die Maststäbchen von gleichpoligen Blitzströmen nicht ummagnetisiert, wie dies leider bei Erdseilstäbchenbei mehrfachen Einschlägen in verschiedene Leitungspunkteder Fall ist.
Fig.8.Blitzstromverteilung (kA) nach Messungen mit «Stahlstäbehen»,150·kV.Leitung Biekigen-Brislaeh des EW Basel, mit Erd·
seil, 1937
verteilung nach Fig. 9 ist eventuell durch 2 Einschläge erklärlich. Fig. 10 und 11 geben im Gegensatz dazu 2 Beispiele jener Fälle, wo der Blitzeinschlagsvorgang unklar bleibt. Während die Erd-
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Nicht immer ist der Blitzschlag so einfach wiein Fig. 6, wo die Erdseil-Stromrichtungen die Einschlagsstelle zwischen den Masten 134 und 135klar erkennen lassen, und wo die beiden pro Mastbefestigten Stahlstäbchen mit 10 und 50 cm Abstand vom Mast ungefähr gleiche Stromwerte erge-
Fig.7.BlitzstromverteIlung (kA) nach Messung mit «Stahlstäbehen-,150·kV·Leitnng Rathansen-Immensee, ohne Erdseil, Blttzeln
schlag vom 4. September 1937(Osz. siehe Fig. 31)
o bedeutet Holzstange. 0 bedeutet Eisenmast.
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Fig.9.Blitzstromverteilung
(kA) naeh Messungenmit «Stahlstäbehen»,150·kV·Leitnng Bleklgen-Brislaeh des EW
Basel, mit Erdseil, 1936
In diesem Zusammenhang sollen noch 2 Beispiele des folgenden Sommers (1938) Erwähnung
finden, Fig. 12 und 13. In Fig. 12 handelt es sichum einen Einschlag in heide El'dseile zwischenden Masten 113 und 114, mit nachfolgendem Rück-
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+ .l-Fig.l0.
Blitzstromverteilung (kA) naeh Messungen mit «Stahlstäbeheu».150·kV·Leitung Biekigen-Brislaeh des EW Basel, mit Erd·
sell, 1936
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ben (16/19,7 kA, 13/13,7 kA). Die Unklarheit desBildes bei Mast 137, wo der Maststrom scheinbarverkehrte Richtung aufweist, ist auf die Ungenauigkeit der Messung von Mastströmen unter 5 kA zurückzuführen.
Einfache Blitzschläge liegen weiter in Fig. 7und 8 vor. Fig. 7 ist ein typisches Beispiel für dasVerhalten einer gemischten Leitung. In der Figursind Eisenmasten als Vierecke, Holzstangen alsKreise gezeichnet. Der Einschlagsort wurde zunächst auf Grund der oszillographischen Fehlerortsbestimmung von Lavorgo aus zu ungefähr 120km von Lavorgo bestimmt, und dann durch dasAuffinden von Splittern am Kopf der StangeNr. 72 bestätigt. Der Blitzstrom Hiesst nach beidenSeiten bis zu den nächsten Eisenmasten, die als
8-
überschlag von beiden Masten nach Phase I. Auffallend ist der Abfluss des Blitzstromes, der überviele Spannweiten weg mit nur langsam abnehmendem Strom erfolgt. Dasselbe gilt von deretwa einen Monat später erfolgten zweiten Gewit-
terstörung im gleichen Gebiet (Fig. 13). Ausnahmsweise zeigt sich hier die Entladung einer positivenWolke. Es scheint ein Einschlag sowohl in Mast106 als auch in das Erdseil I der Spaunweite derMasten Nr, 105 und 106 vorzuliegen. Unklar bleibtdie Polarität einiger Maststäbchen, die vermutlichzum Teil verkehrt eingebaut waren,
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Kreuzung
von Ueberschlägen unter Annahme eines Einschlagsin die Mitte zwischen 2 Erdungsstellen gelten:
">L diu . dt
5 . 106 > X • 0,6 . 10-3 • 40 . 109 • y:!5
oder x < 12 = 0,417 km
Darin ist der Faktor 1/2 wegen der Aufteilungdes Blitzstroms in 2 Hälften nach beiden Leitungs.richtungen gesetzt. Der höchstzulässige, Erdungsabstand (2' x) beträgt somit ca. 800 m, Liegen dieErdungastellen des Erdseils soweit auseinander, so
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F'ig', 11.
Blitzstromverteilung (kA) nach Messungenmit «Stnhlstäbehen» am Erdseil,
132-kY-Leitung Kerzers-Rnpperswil der SBB. 1931
$ Kerz,n
"'131 II 132
SEVflO69 12 13 5;' 12 1q2
ps
S~"'ff07'
Fig. 13.Blitzstromverteilung nach Messungen mit «StahlstäbclIen»,
150-kY-Gotthal'dleitung mit zwei Erdseilen,Gewitter vom 27. Juli 1938
(Pfeile bedeuten hier ausnahmsweise positiveBl.ltzstromrtchtung.)
2,9kA3,3kA
1,9kA 1,HkA 2,lkA 2,lkA 2,9k' 4,2\(11. 3,6kA 4,9kA 4.9kA 5,lkA 6,6kA fi,Sk 6,6kA
AST No 103 T04 105 '06 107 'OB '09
2,1kA 3,4kA 2,2'" 2,lkA 1,8kA 4,2kA 3,6k 5,2kA 5,3kA 5,3kA 5,6kA 7,7k 8.1kA
M
E"
E,
kann bei steilstem Blitzstrom und obigen Leitungsdaten ü und L gerade noch ein Stangenüberschlagerfolgen. Liegen sie näher heisammen, so ist diesnicht mehr zu erwarten. Dabei spielen Erdungswiderstände unter 10 Q noch keine wesentlicheRolle. Für schlechtere Erdungen ermässigt sich derhöchstzulässige Erdungsabstand.kA
2,4kA
- u-seeen- - 2~ko/lJsKrl'uzung
+3,6kA/ps+3,1-3,6-3,0
~
- 2,9kA2,SkA Ph,* 4,9kA/
S,8kA 3,8kA 2,4kA9j~ 3.4kA
a,lkA 8,9kA 6,7kA 9,3kA Q3kA 1lkA 10,5 6.6kA llkA 14kA 14,Sk a,4kA 8,lkA 7,2kA 7,3kA
110 tu "2 " '13 JI llq 115 "6 mBkA 8,9kA 9,4k 9,7kA S.4k 11~k:h·'0,6 18,3kA lBkA14,7kA 12f1kA B,"A B,1kA 6,3kA 6,BkA 6,6
Ph(% 34kA " 145kA
24kA5,6kA 43kA
Imille
(~jmax
+2,5kA~~~1~~kA45
Fig, 12.Blitzstromverteilung nach Messungen mit «Stahlstäbehen»,
150-kY-Gotthardleitung mit zwei Erdseilen.Einschläge vom 11.... 22. Juni 1938
(Pfeile bedeuten bisher stets Richtung des negativenBl ltzstroms.)
Für die grösste Steilheit (di : ds) des Blitzstromsin Masten ergaben eich einige neue Messungen,welche die im letzten Gewitterbericht angegebeneHäufigkeitskurve bestätigen. Die grösste gemesseneBlitzstromsteilheit liegt bei 30...40 kAI flS.
Soll z, B. eine Holzstangenleitung gegen Zersplitterungen durch Blitzeinschläge mit einem Erdseil geschützt werden, so errechnen sich damit diehöchstzulässigen Abstände der Erdungen des Erdseils aus dem induktiven Spannungsabfall längs derLeitung zwischen Einschlagstelle und Erdung. Miteiner mittlern resultierenden Induktivität der Leitung (3 Phasen + Erdseil ) von L = 0,6 mH/kmund ca, 5 Millionen V mittlerer Stossüberschlagspannung ü der Holzstangen muss zur Vermeidung
4. Oszillogramm-Beispiele von Gewitter·üherspannungen
Fig. 14...31 zeigen typische Oszillogramme vonGewitterüberspannungen der beiden Jahre 1936 und1937. Die zugehörigen Daten sind jeweils aus denLegenden ersichtlich. In allen Fällen, wo die Lagedes Gewitterherdes zunächst unbekannt war, wurden zugleich beide Leitungen zur Messung mit dengegenüberliegenden Messplatten des KO verbunden.Leider ist die Auswertung m diesen Fällen nurdann möglich, wenn nicht beide Leitungen zugleichvom Blitz beeinflusst werden. Eine solche gleichzeitige Beeinflussung ist auf der Gemeinschaftsstrecke Lavorgo-Bodio möglich. Auch lässt sichdie Polarität der Ueberspannung in diesen Bildernnur dann angeben, wenn nachträglich bekanntwurde, aus welcher Leitung die Ueberspannungstammte. In einem interessanten Fall wurde dieAuswertung leider auf diese Weise praktisch unmöglich gemacht, nämlich bei einem direkten Blitzeinschlag in beide Leitungen auf der 8,3 km langen
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Gemeinschaftsstrecke Lavorgo-Bodio (Gewitter vom24. Juli 1937, Einschlag 14.40 Uhr bei Chironico).Da am Mast mindestens 3 Leiter überschlugen undder KO die Spannungen zwischen je 2 Seilen misst,
Fig.14.Gewitter vom 26. Juni 1936, 16.00 Uhr, Osz. 3/142
Messung zugleich an Gotthardleitung und Leitung Süd (80 kV),Gewitter über Leitung Süd.
ist leider die Auswertung der Spannungen gegenErde nicht möglich. Das betreffende Bild wirdhier nicht reproduziert.
Die Bilder zeigen im allgemeinen Ueherspannungen, die wesentlich tiefer sind als die Ueherschlagsspannnng der Isolation in Lavorgo. Dies giltauch .dann, wenn es auf der Leitung infolge desBlitzes zum Ueberschlag kam. Ursache ist die beträchtliche Dämpfung der Ueberspannungen längsder Leitung. Die Abklärung dieser Frage wird ineinem andern Bericht gegeben werden.
Besonders zu erwähnen ist Fig. 31, welche einenBlitzschlag in eine angeschlossene Holzstangenstrecke (SK-Leitung Amsteg-Rathausen) darstellt,wobei der Blitzstrom gemäss Fig. 7 mit Stahlstäbchen bestimmt werden konnte. Es entstand an jenemMorgen ein Kurzschluss, dessen Lage trotz Begehung der Leitung zunächst vom Personal nichtgefunden wurde. Daraufhin wunde aus dem zeitlichen Abstand der Punkte A und Bdes Oszillogrammes Fig. 31 die Entfernung des Kurzschlusses zu
ca. 120 km bestimmt, worauf dann bei nochmaligerLeitungsbegehung am Kopf der Stange Nr. 72 tatsächlich Spuren eines Blitzeinschlags gefundenwurden, ebenso Ueberschlagsspuren an den benachbarten Eisenmasten Nr. 70/71 und 78 (Fig. 7).
Da Stange Nr. 72 keinen Ueberschlag zum Bodenaufwies, lässt sich ein Maximalwert der Blitzstromsteilheit sofort ausrechnen. Bei 90 m Spannweiteund unter der Voraussetzung, dass alle 3 Drähteauf der Holzstange vom Blitz erfasst wurden (eswurde sofort 3phasiger Kurzschluss festgestellt),ergibt sich bei 6.106 V Stossüberschlagsspannungder Stange und ca. 0,75 ,uH/m Leitungsinduktivität:
Ldi/dt< 6,106,
und mitL0::!. 90'0,75 ,uH = 67,5 ,uH
di/dt< _6_ .10 1267,5 '
d, h, di/dt ist sicher kleiner als 90 000 A/us, beieinem Blitzstrom von maximal 60 kA.
Fig. 15.Gewitter vom 26. Juni 1936, 19.35 Uhr, Osz, 3/155
Messung zugleich an Gotthardleitung und Leitung Süd (80 kV),Gewitter über Leitung Süd. (Das Osz. ist der Deutlichkeit hal
ber für Ph. II und III herausgezeichnet.)
Fig. 32 zeigt ein Oszillogramm, das am 13. September 1937, morgens 8.10 Uhr, erhalten wurde.Der Betrieb erfuhr zu dieser Zeit einen Erdschlussmit anschliessendem Kurzschluss. Aus dem Oszillogramm ist keine Ueberspannung ersichtlich; da ge-
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l<'ig. 16 (links nebenstehend).
Gewitter vorn 28. Juli 1936, 11.40 Uhr, Osz, 6/52
Messung zugleich an Gotthardleitung und Leitung Süd (80 kVI,Gewitter über Leitung Süd, Leitungskurzschluss.
gen lässt sich aus dem zeitlichen Abstand der PunkteA und B ein Erdschluss in ca. 40 km Abstand vonLavorgo bestimmen (Bätzberg-Schöllenen). Wiesich nachträglich herausstellte, bestand zu jenemZeitpunkt kein Gewitter, dagegen starker Rauhreif.Der Erdschluss scheint die Folge des Abwurfs von
Fig. 18.
Gewitter vorn 4. September 1936, 13.54 Uhr, Oss, 9/16
Messung an Gotthardleitung. (Ueberspannung erst beim 2. Teilblitz; im Osz, Phase I keine Ueberspannung ersichtlich, weiljener KO etwas früher sperrt, in Osz. Phase IU knapp er-
sichtlich, daher punktiert nachgezeichnet.)
Eis zu sein, Auffallend ist die ausserordentlichflache Front des Spannungszusammenbruchs. Sieist offenbar bedingt durch den grossen Widerstandam Erdschlussort. Die Zeitbestimmung für dieFehlerorts-Messung wird dadurch leider wenigergenau als bei metallischem Erdschluss.
Die gelegentlich der Gewitterregistrienmg bemerkte Möglichkeit, Fehlerorte mit dem KO zubestimmen, gab Anlass zu einer systematischenUntersuchung der Genauigkeit dieser Methode, überderen grundsätzliches Resultat im Anhang nochkurz berichtet wird.
Fig.17 (links nebenstehend).Gewitter vorn 4. September 1936, 13.40 Uhr, Osz. 9/11
Messung an Gotthardleitung.
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Fig'.19.Gewi'tter vom 4. September 1936, 14.19 Uhr. Osz, 9/20
Messung zugleich an Gotthardleitung und Leitung Süd (80 kV).
Fig. 20.Gewitter vom 4. September 1936, 14.28 Uhr, Osz, 9/22
Messung zugleich an Gotthardleitung und Leitung Süd (80 kV},
Fig. 21.Gewitter vom 20. September 1936, 16.02 Uhr, Osz.10/23
Messung an Gotthardleitung, nahes Gewitter.
Fig. 22.Gewitter vom 14. Juni 1937, 15.49 Uhr, Osz. 1/27
Messung zugleich an Gotthardleitung und Leitung Süd (80 kV),nahes Gewitter. (Osz, Phasen II und III zeigen infolge etwas
längerer Dauer bereits 2 Teilblitze.)
Die vorliegenden Messungen bestätigen die Gewittermessungen der Vorjahre. Die Form derGewitterüberspannnngen auf .der Leitung, insbe-
Fig. 23.Gewitte,r vom 14. Juni 1937, 20.09 Uhr, Osz, 1/39
Messung an Leitung Süd (80 kV), dreipoliger Kurzschluss.
Fig.24.Gewitter vom 5. Juli 1937, 22.12 Uhr. Osz, 3/27
Messung zugleich an Gotthardleitung und Leitung Süd (80 k'V),Kurzschluss in 80 kV, Phasen I und H.
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sondere auch ihre Front- und Halbwertdauer, istausserordentlich mannigfaltig. Sehr hohe Spannungen kommen nur bei nahen Blitzeinschlägen
Fig. 25.
Gewitter vom 7. Juli 1937. 20.25 Uhr, Osz, 3/41
Messung an Leitung Süd (80 k V}, Erdschluss Phase IH.
Fig.26.Gewitter vom 12. August 1937, 17.12 Uhr, Osz, 6/26
Messung zugleich an Gotthardleitung und Leitnng Süd (80 kV).
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Fig.27.
Gewitter vom 12. August 1937, 20.40 Uhr, Osz, 6/42
Messung zugleich an Gotthardleitung und Leitung Süd (80 k V),
Erdschluss Gotthardleituug, Phase IU.
Fig.28.
Gewitter vom 13. August 1937, 14.07 Uhr, Osz, 6/46
Messung an Gotthardleitung, Gewitter im oberen Tessin.
Fig.29.
Gewitter vom 14. August 1937, 19.12 Uhr, Osz. 7/31
Messung an Gotthardleitung, Erdschluss Phase UI am Schutz
horn in Bodio.
Fig. 30.Gewitter vom 14. August 1937, 19.20 Uhr, Osz, 7/40
Messung zugleich an Gotthardleituug und Leitung Süd (80 kV),Gewitter im unteren Tessin. •
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in die Leitung vor. Die Wahrscheinlichkeit, solcheEinschläge mit dem KO an der Leitung zu erfassen, ist klein (das Oszillogramm des nächsten beobachteten Blitzeinschlags in die Leitung ist in Fig.19 des Gewitterberichtes der Jahre 1934/35, BuH.
Fig. 31.
Gewitter vom 4. September 1937, 7.53 Uhr, Osz. 8/65
Messung an Gotthardleltung, Blitzschlag in 150-kV-Leltung,Mast 72 SK bei Ebikon, Kurzschluss.(Blltzstromverteilung siehe Fig. 7.)
SEV 1936, Nr. 6, dargestellt, der Einschlag befandsich 1,9 km vom Messpunkt Lavorgo). Soweit dieFrage der Leitungsüberspannungen mit dem KOabgeklärt werden kann, dürfte dieses Problemheute als praktisch weitgehend gelöst betracbtetwerden. Da sich der direkte Blitzeinschlag als wich-
5. Anhang
Bestimmung der Wellen-Fortpflanzungsgeschwindigkeit längs der Gotthardleitung als Grundlage der
Fehlerortsmessung mittels KO.
Durch das Entgegenkommen und die Mithilfeder Motor-Columbus AG. in Baden und der AareTessin AG. für Elektrizität in Olten (Atel) alsBetriebsinhaberin der Gotthardleitung, wurde esmöglich, im Herbst 1935 eine grössere Zahl vonErdschlüssen und Kurzschlüssen an der Cotthardleitung durchzuführen. Die Leitung wurde zu diesem Zweck am 5./6. und am 13. Oktober ausserBetrieb gesetzt und für die Versuche von einemseparaten Generator mit reduzierter Spannung gespeist. Die Einleitung der Erd- oder Kurzschlüssegeschah über eine Funkenstrecke von 8...10 cmSchlagweite an einem Horn, das an verschiedenenPunkten der Leitung eingebaut und durch langsames Hochfahren der Spannung des Generatorszum Ansprechen gebracht wurde. Der entstehendeErd- oder Kurzschluss löst Wanderwellen aus, dievom KO in Lavorgo registriert wurden. Die Abschaltung des Erd- oder Kurzschlusses geschahmittels der 150-kV-Schalter möglichst rasch. Ausder Menge der aufgenommenen Oszillogramme wurden die Laufzeiten der Wanderwellen vom Fehlerort zur Meßstelle Lavorgo und zum LeitungsendeBodio möglichst genau bestimmt und daraus mitder bekannten Entfernung des Fehlers die Wellengeschwindigkeit ausgerechnet.
Tabelle III gibt das Resultat der Auswertungaller aufgenommenen Oszillogramme. Die Zeitmessung in den Oszillogrammen geschah dabei durchnachträgliches Eichen des logarithmischen Zeitmaßstabes mit einer Eichfrequenz, deren Höhemit einem vom Amt für Mass und Gewicht geeichten Resonanzkreis bestimmt wurde. Fehler von ca,± 2% sind dabei möglich.
Die Aufzeichnung aller Werte über «lem Laufweg ergibt keinerlei Anzeichen für' eine Abhängigkeit der Wellengeschwindigkeit vom Laufweg. Vielmehr scheinen die Abweichungen nur in der Streu-
Fig.32.
Erdschluss vom 13. September 1937, 8.10 Uhr, Osz. 9/44
Messung an Gotthardleitung, Phase Ur.
tigster Störer entpuppt bat, beanspruchen in Zukunft vor allem die Vorgänge in unmittelbarerNähe des Blitzeinschlags grösstes Interesse. Die weitere Blitzforschung wird sich daher zukünftig inerster Linie mit der Ausmessung des Stroms imBlitz selber befassen müssen.
Lautweg ei uer Welle(Hinweg + Rückweg)
km
]6,617,924,4429,454,456,181,286,1
102,7109,2110,5127,1222
Tabelle IU
Mi t t le reWe 11 erun-schwtndl.e kelt
m/f-ls
292,0295,6291292,2296,0286290,4299282284,5295285288,5
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ung begründet zu sein, die durch die beschränkteGenauigkeit der Zeitmessung nach der verwendeten Messmethode bedingt ist. Obige Mittelwerteergeben 291 ± 3% m] fhS Wellen-Geschwindigkeit,gegenüber dem bekannten Wert von 300 m/ flS
im Vakuum. Ein Unterschied der Wellengeschwindigkeit für Erd- und Kurzschlusswellen konntenicht nachgewiesen werden, sofern stets der Beginnjeder Welle (jedes «Echos») zur Zeitmessung benutzt wird. Diese Beobachtungen erklären sichoffenbar dadurch, dass wesentliche Wellenteile stetszwischen den Leitern wandern. Daher nähert sichdie festgestellte Wellengeschwindigkeit trotz dessehr hohen Bodenwiderstandes doch dem Wert imVakuum sehr stark.
Die Fehlerortsmessung mittels Wanderwellenbzw. mit dem KO scheint daher grundsätzlich durchführbar zu sein, wenn auch einige Schwierigkeitenim Lesen der Oszillogramme bestehen dürften, insbesondere, sofern die Leitung nicht homogen ist,
oder wenn am Fehlerort ein Uebergangswiderstandvon ea. 500 Q besteht.
Für die überaus zuvorkommende Mithilfe beiden Gewittermessungen in den vier Sommern1934...1937 und bei den ergänzenden Erdschlussund Kurzschlussversuchen sind wir der Betriebsleitung und dem Personal der Atel in Olten undBodio und im Kraftwerk Piottino, wie auch demLeitungspersonal der Gotthardleitung zu grösstemDank verpflichtet. Auch allen denen, die uns durchGewittermeldungen unterstützt haben, möchten wirbei dieser Gelegenheit herzlich danken. Fernerdanken wir der Motor-Columbus AG., insbesonderederen Ingenieur Herrn G. Hunziker, für die tatkräftige Mithilfe bei «[en Fehlerortsversuchen. DieAuswertung der Wellengeschwindigkeiten wurde voneinem Volontär, M. P. Mineur, besorgt, der diesegrosse Arbeit mit Sorgfalt und Hingebung durchgeführt hat.