AlsHöchstspannungsleitungen werden technisch genutzteelektrische Leitungen im oberen Hochspannungsbereich bezeichnet. In derelektrischen Energietechnik zählen in Deutschland die Spannungsebenen 220 kV und 380 kV zur Höchstspannung.[1][2] Außerhalb der elektrischen Netze werden Spannungen ab 300 kV (300.000 Volt) als Höchstspannung bezeichnet, wobei dafür kein einheitlicher Grenzwert festgelegt ist.[3] Möglichst hohe Spannungen werden gewählt, um dieÜbertragungsverluste bei langen Transportwegen zu minimieren. Typische Werte der Betriebskapazitäten bei 380-kV-Hochspannungsleitungen liegen in der Größenordnung von 5 nF/km bis 10 nF/km, bei niedrigeren Spannungsebenen sind höhere Werte üblich. Das 380-kV-Netz wird daher fast ausschließlich in Form von Freileitungen realisiert, Erdkabel mit ihrem hohenKapazitätsbelag kommen nur in Ausnahmefällen und auf kurzen Strecken zur Anwendung.
Verwendung findet Höchstspannung in Form vonWechselspannung in der überregionalen Leitungsebene von ausgedehntenStromnetzen, der sogenanntenÜbertragungsnetzebene, und dient inVerbundnetzen zum Austausch und Handel vonelektrischer Energie. Gebräuchliche Spannungen, es werden dabei dieEffektivwerte derverketteten Spannung angegeben, sind in Europa 220 kV und 380 kV (400 kV) und in Teilen Russlands 750 kV. Die kanadischeHydro-Québec betreibt ein ausgedehntes Höchstspannungsnetz mit 735 kV. In Kasachstan gibt es mit 1,15 MV dieÜberlandleitung mit der weltweit höchsten Spannung (Drehstromleitung Ekibastus–Kökschetau).
AlsGleichspannung wird Höchstspannung bis zu ±1100 kV (2,2 MV), wie bei der chinesischenHGÜ Changji / Guquan[4], eingesetzt. Jene Übertragungstechniken werden alsHochspannungs-Gleichstrom-Übertragung bezeichnet, abgekürzt HGÜ oder UHVDC fürenglischultra high voltage direct current.
Höchstspannungsleitungen werden im Rahmen deseuropäischen Verbundsystems (vormals „UCTE-Verbundnetz“) mit Spannungen dauerhaft bis zum 1,15-fachen derNennspannung betrieben,[5] die alsEffektivwert angegeben wird. Dies führt bei einem 380-kV-System zu einer Betriebsspannung bis 437 kV; bei der verwendeten Sinusform ergibt sich ein Scheitelwert von etwa 620 kV zwischen den Leitern. Immer dann, wenn dieser Scheitelwert erreicht wird, ist dieelektrische Feldstärke rund um die Leitung so groß, dass dieDurchschlagfestigkeit der Luft fast erreicht ist. Dann wird die Luft in unmittelbarer Umgebung des Leiterseilesionisiert, also schwach leitfähig, und es geht Leistung verloren. Da dieser Effekt anSpitzen besonders ausgeprägt ist, wird die Feldstärke an diesen Stellen durchKoronaringe reduziert. Je größer der Krümmungsradius, desto geringer ist die elektrische Feldstärke an der Oberfläche und die dadurch entstehendeKoronaentladung.
Ein weiteres Mittel zur Reduktion der Spitzenentladung ist die Vergrößerung des Krümmungsradius der Leitung durch Parallelschaltung von zwei bis vier Einzelseilen zu einemBündelleiter. Die einzelnen Leiter des Bündelleiters werden dabei durch Abstandshalter auf exakten Abstand zueinander gehalten. Durch den vergrößerten Radius des Leiterverbundes wird die elektrische Feldstärke an der Oberfläche des Leiterbündels reduziert.
Trotz aller dieser Maßnahmen steigen die Verluste durch Koronaentladungen oberhalb einer Betriebsspannung von 500 kV erheblich an.
Koronaentladungen führen insbesondere zur Emission vonUltraviolettstrahlung. Viele Tiere können Ultraviolett jedoch wahrnehmen. Dies wird als eine Ursache dafür gesehen, dass einige Tiere Hochspannungsleitungen meiden.[6][7][8] Mit Hilfe einerKoronakamera kann die Ultraviolettstrahlung der Koronaentladungen auch bei Tageslicht sichtbar gemacht werden.
NebenFreileitungen gibt es auch die Möglichkeit, Hochspannungsleitungen über vergleichsweise kurze Distanzen bis zu einigen 10 km alsErdkabel oder alsgasisolierter Rohrleiter (GIL) unterirdisch zu verlegen.[9] Dies betrifft vor allem obere Spannungsebenen mit Betriebsspannungen um 380 kV und darüber. Bei der Netzfrequenz 50 Hertz (also beiWechselstrom) dürfen Erdkabel maximal 70 km lang sein, weil bei größeren Längen die kapazitivenBlindströme zu groß werden.
Bei Übertragungen von hohen Spannungen über weite Wasserstrecken hinweg werden bevorzugtSeekabel eingesetzt; hierbei wird häufig das Verfahren zurHochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) mit Spannungen zwischen 100 kV und 1 MV angewendet, um Verlusten durch hohenkapazitiven Belag bei der Verwendung von Wechselstrom entgegenzuwirken. Im Unterschied zu Drehstromsystemen gibt es bei HGÜ-Systemen keine Normspannungen. Mehrfach realisiert wurden ±500 kV (also 1 MV zwischen Hin- und Rückleiter).
Durch die Verwendung von GdBa2Cu3O7-δ anstatt Kupfers und Füllung eines Kabelkanals mit flüssigemStickstoff konntenHochtemperatursupraleitungen entwickelt werden, die fast 70 % mehr Leitungsfähigkeit nachweisen als die bisherigen Kabel.[10][11] Eine erste Versuchsstrecke bei München befindet sich in Planung. Die Herstellung des Leitermaterials ist sehr arbeitsaufwändig (Stand 2021).[12]
Auch inÖsterreich wird das Hochspannungsnetz aus den Spannungsebenen 380 kV und 220 kV gebildet. Das 380-kV-Netz ist in Österreich nicht durchgängig ausgebaut, sondern in mehrere Segmente aufgeteilt, die untereinander über 220-kV-Strecken verbunden sind. Die 220-kV-Ebene kommt aus historischen Gründen unter anderem bei den Kraftwerken derÖsterreichischen Donaukraftwerke (DOKW) zur Anwendung. Der westliche Teil des 380-kV-Netzes in Vorarlberg und Westtirol dient vor allem dem Stromaustausch zwischen den benachbarten Staaten Deutschland, Italien und der Schweiz und ist wie in Vorarlberg direkt derRegelzone derTransnetBW zugeordnet.
Die östliche und größte Regelzone Österreichs, welche von derAustrian Power Grid AG (APG) betrieben wird, umfasst alle Bundesländer außer Vorarlberg. Darin bildet der geplante380-kV-Hochspannungsring die zentrale Versorgung. Das 380-kV-Netz dient neben der Stromversorgung des Ballungsraumes um Wien auch dem Stromaustausch zwischen den NachbarländernTschechien,Ungarn undSlowenien im Süden. Der VerteilnetzbetreiberWien Energie Stromnetz besitzt in der Bundeshauptstadt Wien als oberste Spannungsebene ein 380-kV-Netz in Kombination mit einem feinmaschigen 110-kV-Verteilungsnetz im städtischen Bereich. Die 220-kV-Ebene kommt in der Bundeshauptstadt nicht zur Anwendung. Im Frühjahr 2006 wurde die400-kV-Nordeinspeisung Wien in Betrieb genommen, die neben der Südeinspeisung imUmspannwerk Wien-Südost einen zweiten Anschluss an den überregionalen 380-kV-Hochspannungsring darstellt.
Die in derSchweiz üblichen Spannungsebenen sind 380 und 220 kV. Heute ist die Stromversorgung landesweit mit Höchstspannungsleitungen von 380 kV gewährleistet. Als die StadtZürich begann, Elektrizität ausGraubünden zu beziehen, bedurfte es einer neuen Hochspannungsleitung von rund 120 Kilometern. Man hatte noch keine Erfahrung im Stromtransport über so große Distanzen. Heute ist diese Trasse auf ganzer Länge für 380 kV ausgelegt.
In den 1950er und 1960er Jahren erstellten die Nordostschweizerischen Kraftwerke ihre baugleichen 380-kV-LeitungenBonaduz–Breite (beiNürensdorf), Tavanasa–Breite (genanntVorableitung), Breite–Beznau und Beznau–Laufenburg. Die Masten wurden für die heutigen Verhältnisse zu niedrig gebaut. Schon in den späten 1960er und den 1970er Jahren war man bemüht, möglichst hohe Masten zu bauen, um das Gebiet unter der Leitung besser nutzen zu können. Die Leitungen des Transportnetzes (380 und 220 kV) mit einer Länge von 6700 km sind seit 2014 vollständig im Eigentum der nationalen TransportnetzgesellschaftSwissgrid, welche auch die Regelzone CH innerhalb des europäischen Stromverbunds betreibt.
Die Spannungsangaben im Höchstspannungsnetz beziehen sich immer auf die Nennwerte der Netzspannung. Diese sind in denNetz- und Systemregeln der deutschen Übertragungsnetzbetreiber[13] je nachSpannungsebene mit 220 und 380 kV festgelegt. In der europäischen Leitlinie für den Übertragungsnetzbetrieb[14] ist für den Normalbetrieb des Netzes im 220-kV-Netz ein Spannungsband von 0,90 pu – 1,118 pu und im 380-kV-Netz ein Spannungsband von 0,90 pu – 1,05 pu festgelegt. Damit sind im Normalbetrieb folgende Spannungen zulässig:
DieDrehstromleitung Ekibastus–Kökschetau inKasachstan ist eine Freileitung, die mit der höchsten Dreiphasenwechselspannung von 1,150 MV zwischen den Außenleitern betrieben wird.
In der Nähe von Celilo,Oregon, USA wurde eine HGÜ-Versuchsleitung für 1,33 MV errichtet. Sie sollte Teil einer 1,33-MV-Gleichstromleitung zwischen Celilo und demHoover Dam werden, die aber nie gebaut wurde. Die höchste Gleichspannung bei einer im Einsatz befindlichen Anlage liegt aktuell bei ±1100 kV (2,2 MV zwischen den beiden Leitern) bei der UHVDC zwischen Changji, China und Xuancheng, nahe Hangzhou, China mit ca. 12 GW Übertragungsleistung.
Höchstspannung kommt bei einigen physikalischen Experimenten vor, wie beispielsweise beiLinearbeschleunigern wie demVan-de-Graaff-Beschleuniger.
Höchstspannungen im Bereich der elektrischen Energietechnik werden mittelsLeistungstransformatoren in Kraftwerken aus den niedrigeren Spannungen derelektrischen Generatoren gewonnen. Elektrische Generatoren können konstruktionsbedingt keine Höchstspannungen erzeugen, weshalb man die niedrige Generatorspannung, einige kV bis zu einigen 10 kV, durch nahegelegeneMaschinentransformatoren in Höchstspannung transformiert.
Daneben werden sie im Bereich derHochspannungsprüfungen eingesetzt und durchPrüftransformatoren und für hohe pulsartige Vorgänge wie bei künstlichen Blitzentladungen durchMarx-Generatoren gewonnen. Im Bereich physikalische Experimente wird Höchstspannung beispielsweise mittelsHochspannungskaskaden oderVan-de-Graaff-Generatoren erzeugt.
Elektrische Spannungen mit Spitzenwerten über einigen Megavolt (MV) führen an Luft zu Teilentladungen wie denKoronaentladungen und sind aufgrund der aufwändigen und räumlich ausgedehntenIsolation technisch ab ca. 10 MV (= 10 Millionen Volt) nicht mehr handhabbar.
Bei Hochspannung und Höchstspannung kann ein Mensch von einemSpannungsüberschlag getroffen werden, wenn er sich einem unter Spannung stehenden Kabel nähert.Sicherheitsabstände müssen eingehalten werden.[15][16] Bei nicht ausreichend isolierten oder an der Isolation beschädigtenStromkabeln könnenSpannungsdurchschläge auftreten.[17]
