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Grundlagen
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Texte mit freundlicher Unterstützung der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg LUBW. |
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HochspannungsfreileitungenDie Stärke und die Verteilung der elektrischen und magnetischen Felder im Umfeld einer Freileitung sind von vielen Faktoren abhängig. Die wesentlichen Faktoren, welche die Stärke und Verteilung der elektrischen und magnetischen Felder bestimmen, sind Spannung, Stromstärke, Form des Mastes (siehe folgende Abbildung) und Anordnung der Leiterseile, Anzahl der Leiterseile und Durchhang der Leiterseile.  | Beispiele für Mastformen von Freileitungen |
Der Durchhang der Leiterseile bestimmt bei definierter Mastform sowie Spannung und Stromstärke maßgeblich die am Erdboden auftretenden Feldstärken. Der Durchhang ist abhängig von der Temperatur der Leiterseile und nimmt folglich mit steigender Übertragungsleistung (Stromstärke) und der Lufttemperatur zu.
Auf Grund der Wetterabhängigkeit des Seildurchhanges und des sich ändernden Stromflusses kann man mit Messungen nur momentane Feldstärken von Freileitungen ermitteln. Aus diesem Grund und zur Abschätzung von "Worst-case-Szenarien" kommen in der Regel Feldberechnungsprogramme zur Ermittlung der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Flussdichte von Freileitungen zum Einsatz. Die nachfolgenden Berechnungen wurden mit dem Feldberechnungsprogramm Copperfield durchgeführt.
Der Verlauf der elektrischen Feldstärke unterhalb einer Freileitung ist am Ort des größten Seildurchhangs (in der Mitte zwischen 2 Masten) in 1 Meter Höhe über dem Erdboden in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Die Berechnung erfolgte mit folgenden Parametern Mastform "Donau", Betriebsspannungen 123 kV (110-kV-Freileitung), 245 kV (220-kV-Freileitung) und 430 kV (380-kV-Freileitung), Abstand der Leiterseile vom Erdboden beträgt 12 m am Ort des größten Seildurchhangs Aus dieser Abbildung ist ersichtlich, dass direkt unterhalb der Leiterseile die höchsten elektrischen Feldstärken auftreten. Die elektrischen Feldstärken nehmen allerdings mit zunehmender Entfernung von der Freileitung sehr rasch ab. So treten in 50 m Abstand nur noch Feldstärken von maximal 0,5 kV/m auf.  | Verlauf der elektrischen Feldstärke unterhalb einer Freileitung in 1 Meter Höhe über dem Erdboden quer zur Trassenrichtung am Ort des größten Seildurchhangs. Die Masten stehen an der Position Null. |
In der folgenden Abbildung ist der Verlauf der magnetischen Flussdichte unterhalb einer Freileitung am Ort des größten Seildurchhangs in 1 Meter Höhe über dem Erdboden dargestellt. Die Berechnungsparameter entsprechen denen der obigen Abbildung unter Annahme eines maximalen Betriebsstroms von 0,535 kA bei der 110-kV-Freileitung, 1,29 kA bei der 220-kV-Freileitung und 2,58 kA bei der 380-kVFreileitung. Die höchsten magnetischen Flussdichten treten direkt unterhalb der Leiterseile auf, die allerdings mit zunehmender Entfernung von der Freileitung sehr rasch abnehmen. So treten in 50 m Abstand nur noch Flussdichten in Höhe von maximal 5 µT auf.  | Verlauf der magnetischen Flussdichte unterhalb einer Freileitung in 1 Meter Höhe über dem Erdboden quer zur Trassenrichtung am Ort des größten Seildurchhangs. Die Masten stehen an der Position Null. |
Bei den oben durchgeführten Berechnungen der elektrischen Feldstärken und der magnetischen Flussdichten von Freileitungen wurde die höchste betriebliche Anlagenauslastung zugrunde gelegt. Da die Freileitungen in der Regel mit einer Auslastung von maximal 30 % betrieben werden, sind die tatsächlich auftretenden Feldstärken deutlich niedriger. Dies lässt sich durch Messungen belegen. Die magnetische Flussdichte einer Freileitung ändert sich mit den tageszeitlichen Schwankungen des Strombedarfs. Die tageszeitliche Schwankungsbreite liegt etwa bei einem Faktor 3, wie Messungen ergeben haben. Die folgende Abbildung zeigt als Beispiel die Schwankungen der magnetischen Flussdichte einer 380-kV-Freileitung (Mastform Donau) über einen Zeitraum von 24 Stunden. Der Messort befand sich in ungefähr 50 m Abstand zur Freileitung in der Mitte zwischen zwei Masten (Ort des höchsten Seildurchhangs). Die Messhöhe betrug 3 Meter.  | Zeitlicher Verlauf der magnetischen Flussdichte im Abstand von ungefähr 50 m zu einer 380-kV-Freileitung |
Bei Hochspannungsleitungen, die in der Erde verlegt werden (Erdkabel), wird das elektrische Feld durch eine geerdete metallische Kabelumhüllung und durch das leitende Erdreich fast völlig abgeschirmt. Das magnetische Feld lässt sich dagegen nicht abschirmen. In der Regel erfolgt die Verlegung von Erdkabeln bis zu 110 kV in kompakten Dreierbündeln. Auf jedem der drei Leiter wird je eine Phase (L1, L2, L3) des Drei-Phasen- Wechselstroms (Drehstrom) geführt. Die Phasen dieser Wechselströme sind zeitlich um je eine drittel Periode (120°) gegeneinander verschoben. Dadurch heben sich die Magnetfelder um die drei Leiter weitgehend auf, vorausgesetzt die einzelnen Phasen werden gleichmäßig belastet, so dass bei gleichen Stromstärken auch Magnetfelder gleicher Stärke entstehen. Durch unterschiedliche Abstände der Leiter zueinander und durch unterschiedliche Belastung der Phasen entsteht in der Praxis trotzdem ein magnetisches Restfeld. Die Verlegungstiefe von Erdkabeln bis zu 110 kV beträgt ungefähr einen Meter. Bei der Verlegung von Erdkabeln mit Spannungen über 110 kV ist aus Gründen der Wärmeabfuhr ein größerer Abstand der Leiter zueinander erforderlich, so dass hier ein höheres magnetisches Feld resultiert. Die Verlegungstiefen betragen hier allerdings 2 bis 3 m.  | Konfiguration eines 110-kV-Erdkabels |
Die wesentlichen Faktoren, welche somit die Stärke des magnetischen Feldes im Umfeld von Erdkabeln bestimmen sind Stromstärke, Querschnitt der Leiter, Anordnung der Leiter zueinander und Verlegungstiefe. Der Verlauf der magnetischen Flussdichte im Umfeld eines 110-kV-Erdkabels in 1 Meter Höhe über dem Erdboden ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Die Berechnung erfolgte mit folgenden Parametern: Stromstärke: 0,64 kA (maximaler Stromfluss pro Phase) Querschnitt der Leiter: 630 mm2, Verlegungstiefe: 1,20 m. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass direkt über dem Erdkabel in 1 Meter Höhe über dem Erdboden magnetische Flussdichten von über 3 µT auftreten können. Die magnetischen Felder nehmen aber bereits nach wenigen Metern sehr stark ab.  | Verlauf der magnetischen Flussdichte im Umfeld eines 110-kV-Erdkabels in 1 Meter Höhe über dem Erdboden |
Elektrische und magnetische Felder treten auch in Netzstationen auf, in denen mit Transformatoren die Versorgungsspannung erhöht oder erniedrigt wird. Hohe elektrische und magnetische Felder treten aber nur in der Netzstation selbst auf. Das elektrische Feld wird durch die Einhausung fast vollständig abgeschirmt und ist selbst im Nahbereich der Station vernachlässigbar klein. Stärkere Magnetfelder treten bei Netzstationen nur direkt an der Außenwand im Bereich der Niederspannungsableitung auf.  | Magnetfelder im Nahbereich einer Netzstation |
Glossar: Drehstrom, elektrische, elektrische Feld, elektrischen Feldstärken, Feldstärken, Hochspannungsleitungen, Magnetfelder, magnetischen Flussdichte, magnetisches, Spannung, Transformatoren, Wechselstroms, Worst-case |
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