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# System prepended metadata

title: Hochspannungstechnik 1 -  Prüfungsfragen

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# Hochspannungstechnik 1 -  Prüfungsfragen
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>[name=Andre] Hat sich jemand von euch die Mühe gemacht während des Semesters die Lösungen für die Gruppenarbeiten aufzuzeichnen?
>[name=Timo] Leider erst ab Ende Januar. Aber ab dann habe ich alle dokumentiert. Wollen wir die hier auch sammeln?
>[name=Andre] würde ich vorschlagen
>[name=Timo] Alles klar. Mir ist das System hier neu, deswegen: Kannst du dafür einen Bereich bauen, den ich dann mit den Fragen befülle?
>[name=Andre] Klar kann ich machen. Kaputtmachen kannst du hier übrigens nichts, solange du nichts löscht. Kompilierfehler gibt es nicht. 
>Tob dich auch. Screenshots/Bilder lassen sich per Copy-paste hochladen/einfügen
>[name=Timo] Alles klar. Ich mache dann auch mit den Fragen danach am Ende weiter, ja? Wobei ja schon fast alles fertig ist, wie ich eben gesehen habe. :)
>[name=Andre]Ein paar Fragen sind zwischendurch auch noch offen bzw unklar. Habe ich jeweils markiert
>[name=Timo] Alles klar, dann schaue ich das gleich mal durch und versuche zu ergänzen.
>[name=Aaron] Ich hab die Fragen aus den Vorlesungen 2.4, 3.1, 3.2 nochmal eingefügt und bei 3.3 eine Ergänzung gemacht.
>[name=Aaron] Gruppenübungen 2.1, 2.2 und 2.3 (Bei 2.3 nicht ganz sicher) eingefügt. Die Kurzfragen am Ende der Vorlesungen habe ich für die drei leider nicht.
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## Prüfung Winter 2021 (EvaExam)

### 1.1 Welche Kosten sind für die Übertragung von elektrischer Energie normalerweise relevant?

1. Betriebskosten und Investitionskosten
2. Beschaffungskosten von Kabeln und Freileitungen
3. Erdbauarbeiten und Grunderwerb
4. Kosten für Reparaturen und Wartung

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### 1.2 Welche Aussagen zu dem Energienetz in Deutschland treffen zu?

1. Die Hchstspannungsebene liegt bei 380kV Betriebsspannung
2. Die 110kV in der Hochspannungsebene sind eine übliche Betriebsspannung
3. In der Mittelspannungsebene sin 24kV Bemessungsspannung üblich
4. Die Betrachtung der Betriebsspannung (z.B. 20kV) erfolgt über den Effektivwert der Leiter-Leiter Spannung

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alle
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### 1.3 Zur Auswahl der optimalen Übertragungsspannung für eine Freileitung sind welche Kosten-Anteile besonders wichtig?

1. Isolationskosten für die Auslegung der Freiluft-Isolatoren
2. Betriebskosten zur Betrachtung der Übertragungsverluste
3. Kosten für Masten und Grunderwerb
4. Leiterseilkosten für die Auswahl der Leiterseilquerschnitte

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alle
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### Übungen
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## Vorlesung 1 - Hochspannungsnetze
**Gruppenübung 1.1**
Welche wichtigen Betriebsspannungsebenen gibt es in Deutschland.
a) 400V, 10kV, 110kV, 400kV
b) 230V, 20kV, 120kV, 380kV
c) 230v, 10kV, 120kV, 400kV
d) **400V, 20kV, 110kV, 380kV**

**Frage 1 - Kosten für Übertragungsnetze**
Welche Aussage ist falsch?
a) Der Leiterseilquerschnitt bestimmt die Stromtragfähigkeit der Leiterseile.
b) Hochtemperaturleiterseile sind wesentlich teurer als Standard-Freileiterseile.
c) **Die Isolationskosten verhalten sich umgekehrt proportional zum Isolationsaufwand.**
$\rightarrow$ verhalten sich **PROPORTIONAL**
d) Eine höhere Spannungsebene bei gleichbleibender Leistung führt zur Senkung der Leiterseilströme und somit der Senkung der Übertragungsverluste.

**Frage 2 - Schaltanlagen und Betriebsmittel**
Welche Aussage ist falsch?
a) Umspannwerke bestehen u.a. aus Transformatoren, Schaltern, Sammelschienen und Wandlern
b) **Kabel haben eine bessere Belastbarkeit bei Überlast als Freileitungen**
$\rightarrow$ Thermisch bessere Abführung bei Freileitung, deshalb dort höhere Belastbarkeit
c) Ein Trenner bzw. Trennschalter ist nicht ausreichend zum Schalten von hohen Leistungen oder Kurzschlussströmen.
d) Die Dauer bei Ausfall ist bei Freileitungen in der Regel kürzer als bei Kabeln.

**Frage 3 - Isolationskoordination**
Welche Aussage ist falsch?
a) Es gibt transiente, schnell ansteigende Überspannungen, transiente, langsam ansteigende Überspannugnen und zeitweilige Überspannungen
b) Die Durchschlagspannung ist der Spannungswert bei Versagen des Isoliersystems mit einer Wahrscheinlichkeit von 50%
$\rightarrow$ $U_{d50}$
c) Das Einschalten von Freileitungen (3-phasig) erzeugt durch Schalter-Vorzündung Wanderwellen zwischen Leiter-Erde und zwischen den Leitern.
d) **Der jeweilige Prüfspannungswert muss kleiner sein als die entsprechenden Überspannungen**
$\rightarrow$ Prüfspannungswert muss sämtliche zu erwartenen Überspannungen abdecken

## Vorlesung 2 - Überspannungen 

### Gruppenübung 2.1 - Wanderwellen
**Gruppenübung 2.1.1**
![](https://i.imgur.com/48UorGI.jpg)
**Gruppenübung 2.1.2**
![](https://i.imgur.com/iSF5R0i.jpg)

### Gruppenübung 2.2 - Innere Überspannung

**Gruppenübung 2.2.1**
![](https://i.imgur.com/yOSWmaX.jpg)

**Gruppenübung 2.2.2**
![](https://i.imgur.com/48Rt8Iq.jpg)

**Gruppenübung 2.2.3**
![](https://i.imgur.com/DqSt2Ev.jpg)

**Frage 1 - Allgemein**
Welche Aussage ist falsch?
a) Die Bezugsgröße (per unit) für eine Schaltüberspannung ist der Scheitelwert der Betriebsspannung.
b) Durch die Spannungs-Verdoppelung entsteht beim Einschalten einer Freileitung entlang dieser eine Leiter-Erde-Überspannung von 1 p.u.
c) **Eine schnell ansteigende Überspannung (1,2/50 µs) wird nach Norm auch aperiodische Schaltstoßspannung genannt.**
$\rightarrow$ hier Blitzstoßspannung (1,2/50 µs)
$\rightarrow$ Schaltstoßspannung (250/2500 µs)
d) Beim Ausschalten eines dreiphasigen Wechselstroms kann eine schwingende Überspannung entstehen

**Frage 2 - Vakuumschalter**
Welche Aussage ist falsch?
a) Vakuumschalter sind Nullpunkt-Löscher und löschen so den Strom beim Nulldurchgang
b) Es gibt verschiedene Kontakt-Bauformen bei Vakuumschaltern wie z.B. Spiralkontakte oder Topfkontakte
c) **Das isolierende Gas innerhalb von Vakuumschaltern besteht oft aus Schwefehexafluorid ( $SF_6$ )**
$\rightarrow$ SF6-Schalter (SF6 hat zudem löschende Eigenschaften, Vakuum nur isolierende)
d) Bei Vakuumschaltern soll der Energieeintrag auf die Kontaktflächen durch den Bogen möglichst vergleichmäßigt werden.


### Gruppenübung 2.3 - Äußere Überspannung

**Gruppenübung 2.3.1**
![](https://i.imgur.com/322F4Cc.jpg)

**Frage 1 - Allgemein**
Welche Aussage ist falsch?
a) Transiente schnell ansteigende Überspannungen können z.B. Blitzüberspannungen sein.
b) Ladungstrennungsprozesse innerhalb von Wolken sind wichtig für die Entstehung von Gewittern.
c) **Der Scheitelwert einer Blitzstoßspannung ist nach Norm nach ca. 30ys erreicht.**
$\rightarrow$ Nach Norm 1,2µs Stirnzeit /50µs Rückenhalbwertszeit
$\rightarrow$ Stirnzeit = Anstiegzeit bis Scheitel (Tangente! (von $0,3 \cdot \hat{u}$ bis $0,9 \cdot \hat{u}$))
d) Blitzentladungen sind gut mit dem Prinzip des Leader-Mechanismus zu beschreiben.

**Frage 2 - Fangentladung**
Welche Aussage ist falsch?
a) Ein kleiner Abstand zwischen Fangstange und Leitblitzkopf sowie eine große Ladungsmenge in diesem begünstigt den Einschlag dort.
b) **Die Fangentladung bestimmt den Naheinschalgsort des Leitblitzes und geht in der Regel vom Leitblitzkopf aus.**
$\rightarrow$ geht von der Fangstange aus
c) Der Stoßstrom-Scheitelwert ergibt sich aus der Entladedauer und der Ladung im Leitblitzkopf.
d) Die Reichweite der Fangentladung und der Stoßstrom-Scheitelwert sind durch die Ladung im Leitblitzkopf physikalisch gekoppelt.

**Frage 3 - Arten von Blitzeinschlägen**
Welche Aussage ist falsch?
a) Bei einem direkten Blitzeinschlag in ein Leiterseil teilt sich der Blitzstrom in der Regel gleichmäßig in beide Richtungen auf.
b) Bei einem indirekten Blitzeinschlag ergibt sich die resultierende Überspannung aus der induzierten Leitungsladung und dem Wellenwiderstand.
c) Durch konstruktive Maßnahmen wie z.B. Erdseile soll das Auftreten direkter Blitzeinschläge reduziert werden.
d) **Ein hoher Erdungswiderstand des Mastes verringert das Risiko eines rückwärtigen Überschlags.**
$\rightarrow$ Ein kleiner Erdungswiderstand verringert das Risiko.
$\rightarrow$ hoher Widerstand verhindert das schnelle abfließen des Stromes und damit auch der Spannung


### Gruppenübung 2.4 - Schutz gegen Überspannungen

**Gruppenübung 2.4.1**
![](https://i.imgur.com/xBVfSmI.jpg)
![](https://i.imgur.com/D2ZAB9D.png)

**Gruppenübung 2.4.2**
![](https://i.imgur.com/ePmYBCA.jpg)
![](https://i.imgur.com/uIukycq.png)

**Frage 1**
Welche Aussage ist Falsch?
a) Aktive Maßnahmen beim Überspannungsschutz reduzieren die Überspannungsbelastung
b) Passive Maßnahmen beim Überspannungsschutz reduzieren die Wahrscheinlichkeit der Überspannungsentstehung
c) Können Betriebsmittel den Spannungsbeanspruchungen nicht standhalten, so müssen die Überspannungen begrenzt werden
d)**Die Isolationspegel dürfen die Schutzpegel der zu schützenden Betriebsmittel nicht überschreiten.**
$\rightarrow$ Isolationspegel höher als Schutzpegel, Pegel dazwischen ist die Pegelsicherheit


**Frage 2**
Welche Aussage ist falsch?
a) Überspannungsableiter haben einen ohmsch-kapazitiven Leckstrom bei Betriebsspannung.
b) **Die Restspannung beim Ableitstoßstrom bestimmt den Isolationspegel** 
$\rightarrow$ Richtig wäre Schutzpegel statt Isolationspegel
$\rightarrow$ Isolationspegel wird unserer Meinung nach durch Tests bestimmt
c) Die Restspannung eines Ableiters ist die obere Spannungsgrenze und definiert den Schutzpegel
d) Die Dauerspannung $U_c$ (Effektivwert) darf zu keiner unzulässigen Strombelastung (Leckströme) und keiner Erwärmung des Ableiters führen

**Frage 3**
Welche Aussage ist falsch?
a) Der Schutzbereich ist daher für beide Seiten des Ableiters zu berücksichtigen.
b) Für Spannungswerte oberhalb der Restspannung erfolgt bei Ableitern keine Brechung.
c) Die Pegelsicherheit ist nur in der Nähe des Ableiters gegeben.
d) **In der Nähe des Ableiters besitzt die Wanderwelle die halbe Spannungssteilheit der einlaufen Welle.** 
$\rightarrow$ richtig wäre die doppelte Spannungssteilheit






## Vorlesung 3 - Technische Isolierstoffe

### Gruppenübung 3.1 - Gasentladung
**Gruppenübung 3.1.1**
![](https://i.imgur.com/dIOlsws.jpg)
>[name=Aaron] ==Gerne nochmal rübergucken bei 3.1.1==

**Frage 1**
Welche Aussage ist falsch?
a) Die wichtigsten Ionisations-Prozesse sind Photoionisation, Stoßionisation und Thermoionisation.
b) Mittels Energiezufuhr können aus Molekülen oder Atomen freie Ladungsträger entstehen.
c) **Die Rekombination bezeichnet bei elektronegativen Gasen die Anlagerung eines Elektrons an ein neutrales Gas-Molekül.**
$\rightarrow$ Die Rekombination ist die Anlagerung eines Elektrons an ein positives Ion mit der Freisetzung eines Photons zur Folge

d) Anlagerung und Rekombination bezeichnen unterschiedliche Prozesse bei elektrischen Entladungen.

**Frage 2**
Welche Aussage ist falsch?
a) Je höher die mittlere Teperatur in einem Gas ist, desto höher wird auch die mittlere Geschwindigkeit.
b) **Es gibt viele Verfahren zur direkten Messung der Gasdichte woraus sich beispielsweise Druck oder Temperatur ableiten lassen**
$\rightarrow$ Genau anders rum. Die Gasdichte kann nicht direkt gemessen werden, daher wird diese über die Temperatur und dem Druck berechnet

c) Die mittlere kinetische Energie der Teilchen wird definiert als absolute Temperatur.
d) Der Gasdruck ist proportional der Teilchendichte und der Teilchenenergie bzw. der absoluten Temperatur.

**Frage 3**
Welche Aussage ist falsch?
a) **Die mittlere freie Weglänge in einem Gas ist maßgeblich abhängig von der elektrischen Feldstärke.**
$\rightarrow$ Die mittlere freie Weglänge in einem Gas ist von der Gasdichte abhängig. Je größer die Gasdichte, desto kleiner ist die Weglänge, da mehr Gasteilchen pro Raumeinheit vorhanden sind (enger zusammen)

b) Der Ionisierungskoeffizient stellt die relative Anzahl neuer Elektronen (pro Strecke) dar.
c) Für eine Stoßionisation muss die Stoßenergie größer sein als die Ionisierungsenergie.
d) Der Ionisierungskoeffizient ist von der elektrischen Feldstärke abhängig.

**Zehnerpotenzen, die wir laut Hilbert können müssen**
![](https://i.imgur.com/pE7XLjQ.png)

### Gruppenübung 3.2 - Durchschlag

**Gruppenübung 3.2.1**
![](https://i.imgur.com/EPVgqg1.jpg)
![](https://i.imgur.com/vItdVjd.jpg)

**Gruppenübung 3.2.2**
![](https://i.imgur.com/5zo60ZB.jpg)
![](https://i.imgur.com/7PjNHjV.jpg)

**Frage 1**
Welche Aussage ist falsch?
a) Bei der Sekundärelektronenemission müssen zwei Elektronen emittiert werden (Neutralisation und Erzeugung)
b) Bei einer Entladung nach Townsend reicht ein Anfangselektron für die Auslösung der Stoßionisation weiterer Ladungsträgerpaare aus.
c) Bei einer Townsend-Entladung sind die Elektronen wesentlich schneller als die positiven Ionen.
d) **Bei Townsend-Entladungen existiert eine maximale Zündspannung.**
$\rightarrow$ Es existiert eine minimale Zündspannung

**Frage 2**
Welche Aussage ist falsch
a) **Die Paschenkurve unterteilt sich in den quadratischen Nahdurchschlagsbereich und den linearen Weitdurchschlagsbereich.**
$\rightarrow$ Linearer Verlauf für den Weitdurchschlag und Kehrwert des natürlichen Logarithmus für den Nahdurchschlag

b) Die Paschenkurve gilt nur für homogene elektrische Felder.
c) In der Paschenkurve bestimmt das Produkt aus Schlagweite und Druck die Zündspannung.
d) Der Nahdurchschlagsbereich könnte auch als Niederdruckbereich betrachtet werden.

**Frage 3**
Welche Aussage ist falsch?
a) An der Lawinenfront überlagern sich das Laplace und das Poisson-Feld positiv, was zu einer Felderhöhung führt.
b) Die elektrische Festigkeit technischer Isoliergase bei Atmosphärendruck oder darüber weicht von der Paschen-Kurve ab.
c) Ein Raumladungsfeld wird auch Poisson-Feld und ein von außen anliegendes Führungsfeld wird auch Laplace-Feld genannt.
d) **Eine Streamer-Entladung ist wesentlich langsamer als eine Townsend-Entladung.**
$\rightarrow$ Townsend-Entladung findet durch Sekundärentladung statt, was ein langsamerer Prozess ist
$\rightarrow$ Die Streamer-Entladung wird durch die Raumladung hervorgerufen und kann so schneller stattfinden.



### Gruppenübung 3.3 - Festkörperisolierungen (Folie 33ff)

**Gruppenübung 3.3.1**

![](https://i.imgur.com/CsRD30p.jpg)
![](https://i.imgur.com/poAc4AE.jpg)


**Aufgabe:**
Eine Gasisolierte Leitung mit einer Länge von $l_1=50m$ wird geprüft. Bei einer Prüfspannung von 500kV kommt es bei 50 Blitzstoßspannungs-Belastungen nur zu einem Durchschlag ($n_1=1$).

a) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit $w_1$ für keinen Durchschlag?
$w_1=1-f_1=1-\frac{1}{50}=0,98 \rightarrow 98\%$

b) Auf welchen Wert sinkt die Wahrscheinlichkeit $w_2$ für keinen Durchschlag für eine $l_2=1km$ lange Strecke?
$w_{ges}=(1-\frac{1}{20})^{20}=0,667 \rightarrow 66,7\%$

c) Wie viele Durchschläge $n_2$ sind bei 15 Blitzstoßspannungs-Belastungen zu    erwarten?
$n_2=15 \cdot f_2=15 \cdot (1-w_{ges})=5$

**Fragerunde**
Welche Aussage ist falsch?
a) Luft-Funkenstrecken haben bei großen Schlagweiten wegen der inhomogenen Felder lange Aufbauzeiten und damit hohe Durchschlagsspannungen.
b) Die Durchschlagspannung ist bei Stoßspannung höher als der Scheitelwert bei AC.
**c) Der Spannungszusammenbruch durch den Durchschlag findet stets in der Stirn der Stoßspannung statt.**
$\rightarrow$ Er findet in Anlehnung an das Spannungs-Zeit-Flächen-Gesetz statt, wenn die Fläche A erreicht ist.
d) Der Gasentladungsprozess kann erst oberhalb der statischen Durschlagsspannung starten.

Welche Aussage ist falsch?
**a) Alterung bedeutet, dass die Durchschlag-Feldstärke mit der Zeit kontinuierlich zunimmt.**
$\rightarrow$ sie nimmt im Alter ab
b) Polymere sind teilkristallin und bestehen aus kristallinen und amorphen Bereichen.
c) Erreicht die kinetische Energie die molekulare Bindungsenergie entstehen Kettenbrüche beim Auftreffen der Elektronen auf die Polymerkette.
d) Die Feldstärkeüberhöhung an einer Spitze ist abhängig vom Spitzenradius, dem Kegelwinkel und der Schlagweite

## Vorlesung 4 - Isoliersysteme
### Gruppenübung 4.1 - Anforderungen und Konstruktionsprinzipien (Folie 35ff.)
**Frage 1**
Welche Aussage ist falsch?
a) Zum Isoliersystem gehören Leiterstrukturen und Isolierungen.
b) Zwei typische Bauweisen bei Isoliersystemen sind Kessel-Bauweise und Isoliermantel-Bauweise.
c) Isoliersysteme versagen bei Feldstärke-Belastungen oberhalb der elektrischen Festigkeit.
**d) Die elektrische Festigkeit von Grenzflächen ist bei tangentialer Feldbelastung größer als im umgebenden Isoliermedium**
$\rightarrow$ Sie ist kleiner, da an Grenzflächen schneller ein Überschlag stattfinden kann. Die Grenzfläche wird als Kanal verwendet.

**Frage 2**
Welche Aussage ist falsch?
a) Schirme verlängern bei Isolatoren den Kriechweg und reduzieren somit Kriechströme.
b) Verschmutzungen und Feuchtigkeit bilden leitfähige Fremdschichten und führen im Betrieb zu Kriechströmen
c) **Die Hydrophobie von Silikonisolatoren ist ein großer Nachteil und erhöht die auftretenden Kriechströme.**
$\rightarrow$ Hydrophobie = "Lotuseffekt" $\rightarrow$ Wasser lagert sich nicht an, damit keine durchgehende Verbindung und das ist **gut**
d) Die Geometrien der Armaturen erzeugen oft in unmittelbarer Nähe im Betrieb maximale elektr. Feldstärken.

**Frage 3**
Welche Aussage ist falsch?
a) **Es gibt beispielsweise geometrische, resistive und regulatorische Feldsteuerungen**
$\rightarrow$ Regulatorische Steuerung gibt es nicht. 
$\rightarrow$ Geometrische, kapazitive, refraktive, resistive und nichtlineare Steuerung sind vorhanden.
b) Im Hochspannungsbereich werden für Durchführungen oft Kondensatorwickel eingesetzt.
c) Bei Kondensatorwickeln geschieht die Feldsteuerung durch Metallfolien, die eine Reihenschaltung von Zylinderkondensatoren bilden.
d) Es gibt beispielsweise refraktive, nichtlineare und kapazitive Feldsteuerungen.

#### Gruppenübung 4.2 - Gleichstromsysteme (Folie 21f)
**Gruppenübung 4.2.1**
![](https://i.imgur.com/7A7OG4s.jpg)
![](https://i.imgur.com/wffBCbc.jpg)

**Frage 1**
Welche Aussage ist falsch?
a) Raumladungen in Kabeln führen zu Feldstärke-Überhöhungen im Dielektrikum bei Umkehr der Spannungs-Polarität.
**b) Papier-Öl-Dielektrika haben üblicherweise größere Zeitkonstanten als PE-Dielektrika.**
$\rightarrow$ Die Zeitkonstante bestimmt sich zu $\tau=\rho \cdot \epsilon$ . Da PE einen um 5 Zehnerpotenzen größeren Widerstand pro cm besitzt (s. 4.3.3 Seite 43.), ergibt sich eine größere Zeitkonstante als bei Öl.
$2 \cdot 10^{17}>4 \cdot 10^{12}$
c) Die Wiederkehrspannung bei Kabeln stellt sich an den Klemmen ein und kann zu einer gefährlichen Berührungsspannung führen.
d) Die zeitkonstante für ein Dielektrikum ergibt sich aus Widerstandswert R und Kapazitätswert C und liegt oft im Stundenbereich.

### Gruppenübung 4.3 - Herstellung und Prüfung (Folie 50ff.)

**Allgemein - Frage 1**
Welche Aussage ist falsch?
a) Elastomere sind gummielastisch verformbare Polymerwerkstoffe.
**b) Typische Duroplaste sind z.B. Polyethylen, Polyamid, Polytetrafluorethylen (PTFE) und Vernetztes Polyethylen (VPE).**
$\rightarrow$ hier nur **Thermoplaste** genannt, da bei äußerer Wärmezufuhr eine Erweichung des Materials stattfinden kann.
$\rightarrow$ Duroplaste: Epoxid- und Phenolharze, da keine Verformung durch Fließen stattfinden kann.
c) Unter Umweltbedingungen wie Regen oder Tau bildet sich auf den Oberflächen der hydrophoben Silikone keine durchgängige Wasserschicht aus.
d) Anorganische Isolierstoffe sind relativ unempfindlich ggü. Witterung, Strahlung, chemischen Einflüssen und Teilentladungen.
$\rightarrow$ Glas, Keramik

**Herstellung Frage 2**
a) Die Epoxidharz-Verarbeitung kann z.B. mit Vakuumguss oder Druck-Gelier-Verfahren erfolgen.
b) Hauptbestandteile für Porzellan-Isolatoren sind Feldspat, Kaolin und Quarz.
**c) Silikon-Langstabisolatoren haben häufig einen Kernstab aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), welcher der Erhöhung der elektrischen Festigkeit dient.**
$\rightarrow$ Der GFK-Stab dient zur mechanischen Festigkeit und nicht zur Erhöhung der elektrischen.
d) Bei der Energiekabelherstellung werden Polyethylene häufig in Dreifach-Extrudern verarbeitet.


**Isolierstoffeigenschaften - Frage 3**
**a) Die elektrische Festigkeit von Isolierstoffen steigt mit steigender Temperatur und wachsendem Elektrodenabstand.**
$\rightarrow$ sinkt mit: steigender Temperatur, wachsendem Elektrodenabstand, zunehmender Verunreinigung
$\rightarrow$ steigt mit: zunehmenden Druck, wachsender Geschwindigkeit der Spannungssteigerung
b) Der Verlustfaktor $tan ( \delta )$ entspricht dem Verhältnis zwischen Verlustleistung und kapazitiver Ladeleistung.
c) Die Permittivität und der Verlustfaktor werden oft über eine Schering-Brücke gemessen.
d) Ein fehlerhaft dimensionierter Oberflächenwiderstand kann zu Gleitentladungen über die Oberfläche der Isolierstoffe führen.

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## Kurzfragen
:::spoiler Screenshot der Fragen
![](https://i.imgur.com/Sjn7UGO.png)

![](https://i.imgur.com/1mQxkx0.png)
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#### 1. Beschreiben und erklären Sie die einzelnen Komponenten und Kostenfaktoren für die Übertragung von elektrischer Energie.
:::spoiler
Investition: Grunderwerb, Masten, Isolatoren, Leiterseile, (Transformatoren)
Betriebskosten: Stromwärmeverluste, Koronaverluste, Wartung (Kap 1 S.5)
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#### 2. Wie ist das Mittel-, Höchst- und Hochspannungsnetz in Deutschland prinzipiell aufgebaut und welche Spannungsebenen gibt es?
:::spoiler
Im Höchst und Hochspannungsnetz speisen Großkraftwerke el. Energie ein. (Übertragungsnetze) Mittelspannungsnetze Verteilen el. Energie an Verbraucher (Verteilnetz). Betriebsspannung: Höchst:380 kV, 220 kV Hoch: 110 kV, Mittelspannung 20kV, 10kV (Kap 1 S.16)
![](https://i.imgur.com/jLHSn6g.png)
:::


#### 3. Wie ergibt sich aus den Kostenfaktoren für eine Freileitung die optimale Übertragungsspannung? 
:::spoiler
Aus dem Minimum der Gesamtkosten ergibt
sich die optimale Übertragungsspannung
Gesamtkosten = Betriebskosten + Leiterseilkosten + Isolationskosten
(Kap 1 S.13)
![](https://i.imgur.com/r33navM.png)

:::
#### 4. Welche Unterschiede bestehen in der Übertragung elektrischer Energie mittels Kabel und Freileitung?
:::spoiler
![](https://i.imgur.com/8sVT7En.png)
(Kap 1 S.14)
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#### 5. Beschreiben Sie prinzipiell den Aufbau und die Komponenten einer Schaltanlage.
:::spoiler
![](https://i.imgur.com/Xkznwu5.png)
![](https://i.imgur.com/Kq3xmrN.png)
(Kap 1 S.17f)


Grundprinzip einer luftisolierten Schaltanlage 110/20 kV
-Leiterseile:

    Ankommende 110 kV Leitung 

-Sammelschiene        : 
    
    Verbindungsleitung der Schaltanlage -> Über Trennschalter können die 
    verschiedenen Komponenten hinzu / weggeschaltet werden
-Trennschalter        : 

    Der Trennschalter trennt die Leiterseile, welche die galvanische Verbindung 
    zwischen den Betriebsmitteln herstellen, von der Sammelschiene trennen
    (optisch sichtbare Trennstelle)
-Leistungsschalter    : 

    Schutzgerät für die Trennung von Kurzschlüssen im Störfall
    (auch Schalten von Betriebsströmen also normale Schalthandlungen)
-Messwandler          : 

    Strom- und Spannungswandler zur Messung der Strom- und Spannungswerte
-Überspannungsableiter: 

    Schutz vor Überspannung mithilfe einer Schutzerdung
-Transformator        : 

    Komponente, die die ankommende Spannung auf die 
    gewünschten 20 kV herunter transformiert

**Beschreibung:**
Die ankommende Freileitung wird zunächst an einem Portalmast abgespannt. Das Erdungsseil wird am Portal befestigt (-> Ist niederohmig mit Erdung verbunden).  Die Leiterseile werden dann weiter mit der Sammelschiene verbunden, können jedoch über ein Trennschalter (meist Scherentrennschalter) getrennt werden. Die Sammelschiene ist die Verbindung zwischen den einzelnen Anlagenkomponenten. Die Leiterseile stellen die galvanische Verbindung zwischen den Betriebsmitteln dar. Von der Sammelschiene wird ein ebenfalls mit einem Trennschalter abtrenntes Leiterseil zum Leistungsschalter geführt. Nach diesem befindet sich der Messwandler und mündet im Transformator. Zwischen dem Messwandler sowie dem Transformator befindet sich noch ein Überspannungsableiter.

:::

#### 6. Was besagt die Isolationskoordination?
:::spoiler
Die Isolationskoordination ist die Analyse der extremen Spannungsbeanspruchungen in Netzen
    
  - Unterscheidung in 2 Kategorien von Überspannungen:
    - Zeitweilige Überspannungen
    - Transiente Überspannungen 
- Das Isoliervermögen der Freileitung begrenzt bei transienten Überspannungen die Amplituden der Überspannungs-Wanderwellen
  - 380 kV Netze bis 1425 kV
  - 110 kV Netze bis 550 kV    
- Das Isoliervermögen der Betriebsmittel ist in einer Produktnorm festgelegt
- Verzeichnet, dass es zusätzliche Schutzeinrichtungen geben muss (Überspannungsableiter)
(Kap 1 S.20)

Küchler: Die Isolationskoordination (VDE 0111) legt die Prüfungen und Prüfspannungspegel für hochspannungstechnische Geräte, Anlagen und Systeme fest. Sie umfasst die Analyse von Betriebs- und Überspannungen, die Auswahl der dielektrischen Festigkeit von Betriebsmitteln sowie die Festlegung der Schutzpegel für Überspannnungsableiter [vgl. Küchler S.362f].
:::
#### 7. Welche extremen Spannungsbeanspruchungen treten im Netz auf und welche Ursachen haben sie?
:::spoiler
(Kap 1 S. 21-24)
- transiente, schnell ansteigende Überspannungen
    - Blitzüberspannungen
- transiente, langsam ansteigende Überspannungen
    - Schaltüberspannungen (Einschalten Freileitungen, Wiedereinschalten nach Erdfehler)
- zeitweilige Überspannungen 
    - Erdschluss
    - Lastabwurf
    - Ferranti-Effekt
        - Erklärung: Spannungsüberhöhung an der Leitungskapazität im Reihenschwingkreis mit der Leitungsinduktivität
:::
#### 8. Was sind repräsentative Überspannungen und mit welchen Arten von Prüfspannungen werden die Isolationspegel überprüft?
:::spoiler
"Die repräsentativen Überspannungen werden auf der Analyse der realern Betriebsbeanspruchungen im Netz ermittelt (Isolationskoordination). Aus ihnen werden die Prüfspannungen für jede Netzspannungsebene abgeleitet" (Kap 1 S.25)
- Blitzstoßspannung
- Schaltstoßspannung
- Kurzzeitwechselspannung
:::
#### 9. Wie entsteht aus einer lokalen Blitzstoßspannung eine Wanderwelle entlang einer Leitung? Wie können örtliche und zeitliche Verteilung u(x) bzw. u(t) in einander umgerechnet werden?
:::spoiler
Die Überspannung breitet sich mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit v in beide Richtungen entlang der Leitung aus.

Örtliche und zeitliche Verteilung über Wellengleichung verknüpft. (Kap 2.1 S.4f)
:::
#### 10. ==Welche Charakteristika sind zur Erklärung von Wanderwellen nötig?==
:::spoiler
>[name=Andre] endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit ?
>[name=Timo] ich habe hier mal ein bischen was zusammengetragen, aber ganz präzise kann ich die Frage nicht beantworten.
>[name=Aaron] Ich hätte hier jetzt auch eher wie Andre schon meinte die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit gesehen. Zusätzlich dazu dann die Leitungseigenschaften (C&L bzw. $ε_r$ & $μ_r$) zur Bestimmung der Geschwindigkeit.
>Das was du beschrieben hast Timo, wäre für mich die allgemeine Erklärung der Wanderwellen aber nicht bezogen auf die Charakteristika.
> ➜Meinungen dazu gerne anbringen

Ein rasch ansteigendes elektrisches Feld zwischen den Leitern einer Leitung ist mit einem Verschiebungsstrom zwischen den Leitern verbunden. Er setzt sich über den in einer oberflächlichen Schicht in Leitungsrichtung fließenden Leitungsstrom fort. Die dem Strom zugeordneten magnetischen Feldlinien schließen sich um den oberen Leiter. Im Anstiegsbereich der Feldgrößen handelt es sich um eine elektromagnetische Welle mit rechtwinklig zugeordneten Vektoren E (elektrische Feldstärke), H (magnetische Feldstärke) und v (Phasengeschwindigkeit). Die zeitlich veränderlichen Feldgrößen E und H bedingen sich dabei gegenseitig über das Induktionsgesetz und das Durchflutungsgesetz. Wegen den zur Ausbreitungsrichtung transversalen elektrischen und magnetischen Feldvektoren bezeichnet man diesen Ausbreitungsmodus als TEM-Modus (bzw. als TEM-Welle).

Eine wesentliche Vereinfachung der Betrachtung ergibt sich, wenn infinitesimal kleine Leitungsabschnitte Δz betrachtet werden, in denen von quasistationären Verhältnissen ausgegangen werden darf. Anstelle der Feldgrößen E und H darf dann mit den integralen Größen Spannung u und Strom i gerechnet werden.

Gleichzeitig mit den Spannungswanderwellen treten zugehörige Stromwanderwellen auf, die sich aus der schon angegebenen Lösung für die Spannungswanderwellen ableiten lassen.

Spannungswanderwelle und Stromwanderwelle mit gleicher Ausbreitungsrichtung gehören immer zusammen. Es handelt sich dabei nur um zwei verschiedene mathematische Darstellungsmöglichkeiten ein und desselben physikalischen Prozesses: Spannung und Strom werden nämlich aus dem elektrischen und dem magnetischen Feld derselben Wanderwelle abgeleitet.

Die Größenordnung von Leitungswellenwiderständen liegt für Freileitungen (C' ≈ 10nF/km, L' ≈ 1 mH/km) über 300 Ohm. Für einen gasisolierten Rohrleiter mit dem Radienverhältnise:1 ergibt sich ZL = 60 Ohm. Für ein kunststoffisoliertes Hochspannungskabel mit r = 2,2 und ra/ri = e folgt ZL = 40 Ohm. Bei Mittelspannungskabeln mit großen (Innen-) Leiterquerschnitten ergeben sich noch niedrigere Werte. Koaxiale Signalkabel in der Messtechnik haben meist einen Leitungswellenwiderstand ZL = 50 Ohm. Für Transformatorwicklungen gelten wegen der großen Induktivitäten Leitungswellenwiderstände im Bereich von 10^2 Ohm bis 10^4. Die Werte steigen mit der Nennspannung und sinken mit der Nennleistung.
(Küchler, 4. Auflage, S. 125ff.)
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#### 11. Ermitteln und erklären Sie Brechungs- und Relfexionsfaktor
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Brechungsfaktor $b = \frac{u_{h,2}}{u_{h,1}} = \frac{2 \cdot Z_2}{Z_1 + Z_2}$  bestimmt den Betrag der durchgehenden (gebrochenen) Welle nach einem Leitungsübergang. ($u_{h,2}=b \cdot u_{h,1}$)
Reflexionsfaktor $r = \frac{u_{r,1} }{u_{h,1}} = \frac{Z_2 - Z_1}{Z_1 + Z_2}$ bestimmt den Betrag der rücklaufenden (reflektierten) Welle an einem Leitungsübergang. ($u_{r,1}=r \cdot u_{h,1}$)
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#### 12. Was passiert mit einer Überspannungswelle (rechteckförmige Sprungantwort) am Ende einer kurzgeschlossenen / leerlaufenden / angepassten Leitung?
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- An einem offenen Ende (Leitungsende im Leerlauf) ist der Leitungsstrom gleich Null (Reflexion). (Kap 2.1 S14)
    - Hin- und rücklaufende Stromwellen müssen sich dort aufheben.
    - Die Spannung an einem offenen Leitungsende verdoppelt sich durch die Überlagerung von hin- und rücklaufender Welle mit demselben Vorzeichen!

![](https://i.imgur.com/jKy4zSK.png)
(Kap 2.1 S.22)

##### Ergänzung: Kapazitiver und induktiver Abschluss
![](https://i.imgur.com/BCV9P1M.png)
(Kap 2.1 S.25)
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#### 13. Stellen Sie die Vorgänge an einem Leitungsende für eine rampenförmige Überspannung (Keilstoßspannung) dar.
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![](https://i.imgur.com/9aIMb3f.png)
![](https://i.imgur.com/W2I00IG.png)
(Kap 2.1 S.23f)
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#### 14. Wie entstehen innere Überspannungen und wie werden sie mittels p.u.-Wert quantifiziert?
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„Innere Überspannungen“ (Schaltüberspannungen), entstehen aufgrund von Schaltvorgängen im Netz, also etwa beim Schalten von: 
    - Freileitungen und Kabeln, 
    - Transformatoren und Drosseln
    - Kondensatorbänken (Kap 2.2 S.5)


> [name=Aaron] Also soweit ich das verstanden habe, ist eine allgemeine Definition in soweit nicht gegeben, dadurch das wir bezogen auf die Referenzspannung unterschiedliche Werte bekommen können. Wenn wir jetzt einen Referenzwert von 100 kV nehmen oder einen von 200 kV bekommen wir natürlich unterschiedliche p.u. Werte raus.

Allgemein würde ich sagen, dass das Per-Uni-System ist:
- Messsystem zur Quantifizierung von Bruchteilen einer definierten Basiseinheit
- Berechnungen werden vereinfacht, z. B. sind Mengen auf beiden Seiten eines Transformators gleich groß
- Reduktion von absoluten Werten auf Basisverhältnisse

Was wir halt immer gemacht haben ist, dass wir für die Berechnung des p.u.-Wertes wie folgt gerechnet haben:
$Bezugsspannung_{Leiter,Erde} = \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}} \cdot U_B$


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#### 15. Skizzieren und Erklären Sie das Einschalten einer Freileitung an einem Beispiel.
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Spannungssprung durch Schalter-Vorzündung zwischen Leiter-Erde (1 p.u.), der sich gleichzeitig als Leitungsstrom mit Lichtgeschwindigkeit entlang der Leitung ausbreitet.
Am Leitungsende mit geöffnetem Schalter (ohne Last) kann kein Strom weiter fließen. Die Tatsache, dass kein Strom fließen kann, führt zu einem rückfließenden Strom. Das entspricht einer zurücklaufenden Wanderwelle.
Diese zusätzliche Wanderwelle verdoppelt die Leiter-Erde-Spannung. Durch die Spannungs-Verdoppelung entsteht entlang der Leitung eine Leiter-Erde-Überspannung von 2 p.u. 

![](https://i.imgur.com/xp1A2Ae.png)
(Kap 2.2 S.11f)
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#### 16. Skizzieren und Erklären Sie das mehrpolige Einschalten im AC-System an einem Beispiel.
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![](https://i.imgur.com/HrDsIqO.png)
(Kap 2.2 S.16)
>[name=Andre] ==Mir ist noch nicht klar war hier passiert==
>[name=Aaron] Ich glaube er möchte hierbei auf die einzelnen Phasen hinaus. Er hat ja rechts in dem Bild die Phasen $L_1$ und $L_3$ und die jeweilige Spannungskennlinie. Wenn wir uns jetzt die Leiter-Leiter-Spannung zwischen $L_1$ und $L_3$ berechnen, kommen wir z.b zum Zeitpunkt t=2ms bei $L_1$ auf ca. 65 kV und bei $L_3$ auf ca. -55 kV. Wenn wir jetzt wie links im Graph die Leiter-Leiter-Spannung berechnen, haben wir dann eine Subtraktion. Sprich beim Zeitpunkt t=2ms haben wir die Spannung $U=65 kV-(-55kV)=120 kV$. 
>Er hat hier tendentiell Ausschnitte aus der Kennlinie des 3-phasigen Systems mit einem Zündwinkel genommen.
>Wenn wir das jetzt auf den Einschaltvorgang beziehen, schalten wir zum Zeitpunkt x den Schalter und bekommen somit die Kennlinie des 3-phasigen Systems zu irgendeinem Zeitpunkt. Wir steigen da also im Prinzip einfach in die Kennlinie zum Zeitpunkt x mit einem Zündwinkel ein. So erkläre ich mir das zumindest
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#### 17. Skizieren und Erklären Sie das Ausschalten im AC-System an einem Beispiel.
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- Leerlaufstrom des Transformators wird kurz vor dem Stromnulldurchgang durch den Leistungsschalter (bei 4,5 ms) ausgeschaltet. (Rote Kennlinie)
- Stromausschaltung verursacht Induktionsspannung am Transformator (Hellgrüne Kennlinie)
- Schwingende Überspannung durch Wicklungskapazität (ca. 2 p.u.)
>[name=Aaron] ==Ist die schwingende Überspannung auch die hellgrüne Kennlinie?==
    >[name=Andre] Ja das verstehe ich so. 
- Abklingverlauf schwingende Überspannung ähnlich der genormten Schaltstoßspannung (Dunkelgrüne Kennlinie)

![](https://i.imgur.com/JwdtLTV.png)
(Kap 2.2 S.28ff)
:::
#### 18. Konstruieren und definieren Sie mit Hilfe einer Schaltstoßspannungskurve deren Kenngrößen.
:::spoiler
Scheitelwert Û, Scheitelzeit $T_p$ und Rückenhalbwertszeit $T_h$
![](https://i.imgur.com/7EEowjt.png)
(Kap 2.2 S.17)
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#### 19. Welche Arten von Blitzeinschlägen mit daraus resultierenden Überspannungen gibt es?
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* direkten Blitzeinschlag in Leiterseil
    * Blitzspannnung breitet sich als Wanderwelle in beide Richtungen aus, an Masten mit Erdpotential begrenzen die Funkenstrecken (Funkenhörner) der Isolatoren die Spannung
* rückwärtigen Überschlag (Blitzeinschlag in Erdseil oder Mast)
    * Blitzstrom im Mast erzeugt Potential am Mast, Überschlag am Isolator bei großem $\Delta U$, dadurch Spannung auf Leiter(n), welche sich als Wanderwellen ausbreiten (siehe direkt)
* indirekten Blitzeinschlag
    * Influenz 
        * Ladungstrennung durch Gewitterwolke, bei plötzlicher Auflösung der Wolke (Blitzentladung woanders), löst sich auch die Potentialerhöhung im Leiter (als Wanderwelle) auf
    * Induktion
        * Idee: Strom durch Blitz erzeugt Magnetfeld, welches Spannung in Leitern induziert
:::
#### 20. Beschreiben Sie kurz die elektrostatische Generation von hohen Gewitterfeldstärken.
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Grundprozesse in der Gewitterwolke:
- Aufsteigen feuchtwarmer Luft
- Abkühlung der Luft
- Kondensation der Luftfeuchtigkeit zu Wassertröpfchen
- Bildung von Graupelkörnern, Schnee- und Eiskristallen
- Aufladung der Wassertropfen und Eispartikel durch elektrostatische Ladungstrennungsprozesse
- positiv geladene Eispartikel steigen durch den vertikalen Luftstrom in höhere Schichten auf
- negativ geladene Wassertropfen verbleiben im unteren Teil der Wolke
(Kap 2.3 S.6-8)
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#### 21. Wie ist der prinzipielle Ablauf einer Blitzentladung?
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(Kap 2.3 S.9f)
Blitzentladungen entstehen bei Feldstärken von einigen 100 kV/m als Leader-Entladung in Form eines Leitblitzes.
Die Entladungen können sich, ausgehend von positiver oder negativer Ladung, ausbilden als:
- Wolke-Wolke-Blitz
- Wolke-Erde-Blitz
- Erde-Wolke-Blitz
Negativer Wolke-Erde-Blitz
- Ausbreitung Leitblitz
    - Ruckstufen einige 10 m bis zu 100 m
    - Pausendauern einige 10 μs
- Fangentladung
    - Reichweite einige 10 – 100 m
- Hauptentladung
    - Stoßstrom-Scheitelwert 10 – 100 kA
    - Anstiegszeit 1 μs
    - Abklingdauer bis zu einigen 100 μs

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#### 22. Wie sind Enddurchschlagstrecke der Fangentladung und der Blitzstoßstrom miteinander verknüpft?
:::spoiler
>[name=Andre] ==Was ist hier gemeint?==
>[name=Andre] Ich habe jetzt noch folgenden Satz gefunden

**Verknüpfungen**:
Die Reichweite der Fangentladung und der Stoßstrom-Scheitelwert sind durch die Ladung im Leitblitzkopf physikalisch gekoppelt 
(Kap 2.3 S.13)

>[name=Timo] ==Ich habe das im Lehrbuch gefunden. Einen direkten Zusammenhang finde ich leider auch nicht.==

**Erklärung für die Fangentladung ansich:**
Der äußere Blitzschutz eines Objektes besteht aus Fanganordnungen mit Ableitungen und einer Erdungsanlage. Die Fanganordnung ist eine exponierte Leiteranordnung, von der dem niedergehenden Leitblitz eine Fangentladung entgegenwächst, die sich mit einer vom Leitblitzkopf entgegenkommenden Fangentladung trifft. Dabei wird eine Enddurchschlagstrecke r = 20 bis 45 m durchschlagen. 
![](https://i.imgur.com/MAeZHIS.png =400x)
(Küchler, 4. Auflage, S. 598)

Die Fangentladung bestimmt den Naheinschlagsort des Leitblitzes. (Kap 2.3 S.11)

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#### 23. Beschreiben Sie die Vorgänge bei einem direkten Blitzeinschlag in ein Leiterseil einer Freileitung.
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(Kap 2.3 S.19)
- Blitzstrom teilt sich an der Einschlagstelle in zwei Richtungen auf
- Leitungsstrom verursacht eine Leiter-Erd-Spannung
- Leiter-Erd-Spannung und Leitungsstrom sind durch den Leitungs-Wellenwiderstand $Z_W$ gekoppelt
- Überspannungen breiten sich in Form von zwei Wanderwellen in beide Richtungen entlang der Leitung aus
- Isolatorspannung steigt an und Isolator fällt elektrisch aus (Überbrückt)
    - Überbrückung durch Flashover (Leiter-Erde) an den Funkenhörnern


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#### 24. Beschreiben Sie die Vorgänge, die zu einem rückwärtigen Überschlag führen.
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(Kap 2.3 S.20ff)
- Blitzeinschlag in Mast bzw. Erdseil
- Blitzstrom fließt über den Mast in die Erde und breitet sich von dort in alle Richtungen aus
- Erdungswiderstand (Übergangswiderstand zum Erdpotential) führt zur Potentialanhebung = Spannung zwischen Mastfuß und Bezugspotential „Erde“
- Mast-Potentialanhebung erhöht die elektrische Belastung der Leiterisolatoren
- Die Isolatorspannung ergibt sich aus der Leiter-Erde-Spannung des Leiterseils und der Spannung zwischen Mast und Erdpotential
- Der Isolationspegel liegt bei einem 110-kV System bei 550 kV Blitzstoßspannung
- Bei negativem Blitzstrom wird der Isolator überlastet, dessen Leiter die höchste momentane Leiter-Erde-Spannung hat
- Der Isolator versagt und es kommt zu einem Überschlag und einem Lichtbogen
- Der Überschlag führt zu einer schnell ansteigenden Überspannung mit einer Stirnzeit von 1 μs
- Die Überspannung breitet sich in Form zweier Wanderwellen über die Leitung aus.
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#### 25. Erläutern Sie einen indirekten Blitzeinschlag.
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(Kap 2.3 S.23)
- Das elektrische Feld der Gewitterwolke lädt die Leiterseile auf.
- Die angesammelte positive Ladung wird bei (indirekter) Entladung der Gewitterwolke frei und fließt als Wanderwelle nach beiden Seiten über die Leitung ab.
- Die Überspannung ergibt sich aus Leitungsladung und Wellenwiderstand
![](https://i.imgur.com/6SSLVVe.png)
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#### 26. Konstruieren und definieren Sie mit Hilfe einer Blitzstoßspannungskurve deren Kenngrößen.
:::spoiler
Scheitelwert, Stirnzeit und Rückenhalbwertszeit (Kap 2.3 S.28)
![](https://i.imgur.com/Mb26vth.png)
für die Erklärung von $T_{c}$ 
![](https://i.imgur.com/3tH7ILC.png)
(Schon2016 s.81 Springerlink)
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#### 27. Welche Maßnahmen existieren zum Schutz gegen Überspannungen und was versteht man unter der Pegelsicherheit?
:::spoiler
(Kap 2.4 S.3f)
Aktive Maßnahmen (reduzieren der Überspannungsbelastung):
    - Überspannungsableiter
    - Funkenstrecken
    - Kabelanschluss
    
Passive Maßnahmen (Reduktion der Wahrscheinlichkeit einer Überspannungsentstehung):
    - Erdseile
    - Blitzschutzanlagen

Können Betriebsmittel den Spannungsbeanspruchungen nicht standhalten, so müssen die Überspannungen begrenzt werden. Schutzpegel dürfen die Isolationspegel der zu schützenden Betriebsmittel nicht überschreiten (Pegelsicherheit)
![](https://i.imgur.com/19lov40.png)
:::
#### 28. Wie ist der prinzipielle Aufbau von Metalloxid-Ableitern?
:::spoiler
(Kap 2.4 S.11)
![](https://i.imgur.com/w3u2NeG.png)
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#### 29. Wie ist das Funktionsprinzip von Überspannungsableitern?
:::spoiler
(Kap 2.4 S.5f)
- Ableiter ist zwischen Leiter und Erde installiert (Sternschaltung)
- Überspannung „aktiviert“ den Ableiter (spannungsabhängiger Widerstand)
- Hoher Stoßstrom fließt durch den Ableiter (𝑖_𝑠 Ableitstoßstrom)
- nach Ableiten des Stoßstroms wird der Ableiter wieder isolierend und trägt die Betriebsspannung (kein Netzfolgestrom)
![](https://i.imgur.com/owKEOsb.png)
:::
#### 30. Wie sieht die (reale) Kennlinie für einen Überspannungsableiter aus?
:::spoiler
(Kap 2.4 S.12)
![](https://i.imgur.com/h6jrUZG.png =300x)
Dauerspannung 𝑈𝑐
Bemessungsspannung 𝑈𝑟
:::
#### 31. Wie sieht der Spannungsverlauf auf einer Leitung aus, wenn ein Überspannungsableiter eine keilförmige Überspannungswelle begrenzt?
:::spoiler
(Kap 2.4 S.15-19)
- Begrenzung durch Überlagerung mit negativer hinlaufenden Differenzspannungswelle
- Ableiter ist für Spannungen oberhalb der Restspannung ein Kurzschluss
- Veränderung der einlaufenden Wanderwelle durch Überlagerung mit negativer rücklaufender Differenzspannungswelle
- positive einlaufende Wanderwelle und überlagerte negative Differenzspannungswellen subtrahieren
- positive einlaufende Wanderwelle verdoppelt ihre Steigung (doppelte Spannungssteilheit)
 ![](https://i.imgur.com/ZR9gNSp.png)
:::
#### 32. Wie ist der Schutzbereich für einen Überspannungsableiter definiert und wie bestimmt man diesen?
:::spoiler
(Kap. 2.4, S. 24)

Der Schutzbereich $s$ ergibt sich aus
* der doppelten Spannungssteilheit der einlaufenden Welle
* der Differenz zwischen Isolationspegel und Schutzpegel
* der Geschwindigkeit der einlaufenden Welle

$s = v \cdot \frac{\hat{u}_{steh} - \hat{u}_{res}}{2 \cdot \Delta u / \Delta t}$

![](https://i.imgur.com/MlrWyh0.png)


(Kap 2.4 S.20)
Am Ende der Leitung
![](https://i.imgur.com/DXjM5zm.png)

:::
#### 33. Beschreiben Sie die verschiedenen Stoßprozesse von atomaren geladenen und ungeladenen Teilchen, sowie Molekülen
:::spoiler
**Stoßprozesse** (zwei Körper wirken Kraft aufeinander aus):
1.) elastischen Stoß = Körper ändern ihren Bewegungszustand
2.) unelastischer Stoß = Körper ändern ihren Bewegungszustand sowie Form und Zusammensetzung
$\rightarrow$ Hierbei kann es zur Ionisation von Molekülen und Atomen kommen.

**Thermoionisation** durch Stöße bei hohen Temperaturen.
**Stoßionisation** durch unelastische Stöße mit Elektronen.
**Photoionisation** durch elektromagnetische Strahlung.

**Rekombination** ist in der Physik die neutralisierende Vereinigung elektrisch positiver und negativer Ladungsträger (Ionen, Elektronen). Rekombination stellt den Umkehrprozess zur Ionisation und Generation dar, wobei Ionisationsenergie freigesetzt wird.

Als **Anlagerung** bezeichnet man den einen Vorgang, bei dem elektronegative Gase wie bspw. Ozon $(O_{2})$ oder Schwefelhexafluorid $(SF_{6})$ Elektronen binden und ihre Elektronenhülle auffüllen. Diese gebundenen Elektronen fehlen dann für die Fortsetzung der Stoßprozesse. Es wird **Anlagerungsenergie** freigesetzt.

>Wiki: Molekel ist ein veralteter Begriff für Teilchen, sowohl für Molekül als auch für Atom.
(Kap 3.1 S.6-8, Wikipedia)
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#### 34. Erklären Sie die für elektrische Entladungen relevanten gaskinetischen Größen.
:::spoiler
- elektrisches Feld, welches das Gas durchflutet und es durch Ionisation in positive Ionen und Elektronen aufspaltet und diese beschleunigt (kinetische Energie)

- Gas-Temperatur $W_{kin}$:
    - $W_{kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2 = \frac{3}{2} \cdot k \cdot T$ 
    - mittlere kinetische Energie von Teilchen ist als absolute Temperatur definiert
    - Wird diese Stoßartig abgegeben, kann sie zu einer Ionisation des betreffenden, bzw. getroffenen weiteren, Gasmoleküls führen.
- Gasdruck $p$:
    - Gasteilchen erfährt Impulsänderung durch elastischen Stoß $\rightarrow$ Gasdruck entspricht Summe der Impulsänderungen aufgrund von RB
    - Der Gasdruck p ist proportional der Teilchendichte n und der Teilchenenergie/Temperatur T
    - $n=\frac{N}{V}$
    - $p=n \cdot k \cdot T$
- Gasdichte $n$:
    - Druck p und Temperatur T sind messbar
    - $n=\frac{N}{V} = \frac{p}{k \cdot T}$
- Stoß-Querschnitt $A_M$:
    - Querschnitt, gegen die ein Test-Molekül stoßen kann
    - $A_M = \pi \cdot D^2$
- Mittlere freie Weglänge $\lambda_m$:
    - Strecke zwischen zwei Stößen
    - $\lambda_m = \frac {1}{n \cdot A_m}$

---
Laut Hilberts Skript sind die 5 genannten Größen oben wichtig für die Gaskinetik
(Gastemperatur, Gasdruck, Gasdichte, Stoß-Querschnitt und mittlere freie Weglänge)

---

- Elektrodenkonfiguration
- Gaszusammensetzung
- angelegte Spannung

>[name=Timo] ==Ich habe mal ein bischen gesucht und finde unerwünschte Entladevorgänge in Form von Koronaentladung (s.u.). Daraus habe ich die o.g. weiteren Größen erarbeitet.==

**Koronaentladung**
Eine Koronaentladung ist eine **elektrische Entladung in einem nicht leitenden Medium**, beispielsweise in Luft. Oft kommt sie als Spitzenentladung vor. Sie ist oft mit einer Leuchterscheinung verbunden; daraus erklärt sich die Bezeichnung. In der Natur wird sie als Elmsfeuer beobachtet.

**Entstehung der unerwünschten Koronaentladung**
Die Entladung erfordert Ionen als Ladungsträger. Diese können entweder schon vorhanden sein (Plasma), oder sie bilden sich im Medium als Folge von Feldionisation, wenn die elektrische Feldstärke hoch genug ist (typische Größenordnung 100 kV/m). Herrscht die hohe Feldstärke an der Oberfläche der Kathode, kann außer Feldionisation auch Feldemission von Elektronen mit nachfolgender Stoßionisation beitragen.

Unter geeigneten Bedingungen kann eine Koronaentladung dauerhaft „brennen“. Bei noch weiterer Steigerung der Feldstärke kann sie in einen Spannungsdurchschlag oder einen Lichtbogen übergehen.

Bei Hochspannungs-Freileitungen stellen Koronaentladungen einen kleineren Teil der Übertragungsverluste dar. Außer Energieverlust bewirken sie Geräusche (Knistern), Funkstörungen und führen zu Aufladungen der Staubteilchen in der Luft. Zu ihrer Verringerung werden Koronaringe angebracht, Freileitungen werden als Bündelleiter (oft zwei bis vier Drähte derselben Phase in geringem Abstand nebeneinander) und mit nicht zu kleinem Durchmesser ausgeführt.Die Entladungen sind auch allgemein unerwünscht bei hochspannungstechnischen Bauteilen wie z. B. Transformatoren und besonders bei Hochspannungsanwendungen, bei denen kein Ozon entstehen soll.
(Wikipedia, Koronaentladung und Dissertation Tu-Darmstadt, Kapitel 3: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/2022/1/20020702_DilferDissertation.pdf)
:::
#### 35. Was sind Stoßquerschnitte und mittlere freie Weglängen?
:::spoiler
(Kap 3.1 S.14f)
Die Stoß-Querschnittsfläche oder auch Wirkungsquerschnittsfläche beträgt $A_M = \pi \cdot D^2$. Sie beschreibt die Fläche bei deren Durchquerung durch ein anderes Molekül es zum Stoß kommt.
Die mittlere freie Weglänge ist die Strecke zwischen zwei Stößen. Sie ist abhängig von Gasdichte und Stoßquerschnitt. $\lambda_m = \frac{1}{n A_M}$
:::
#### 36. Erklären Sie das Prinzip der Stoßionisation von Gasen.
:::spoiler
(Kap 3.1 S.21-23)
Elektronen werden im elektrischen Feld durch die Coulomb-Kraft beschleunigt. Dabei nimmt die kinetische Energie des Elektrons zu. Ist die kinetische Energie des Elektrons bei einem Stoß größer als die Ionisierungsenergie $W_i$ so kommt es zur Stoßionisation und ein weiteres Elektron wird frei.
:::
#### 37. Wie können Elektronenlawinen quantifiziert werden?
:::spoiler
(Kap 3.1 S.24-27)
Über den Ionisierungskoeffizienten $\alpha$, der abhängig von mittlerer freier Weglänge $\lambda_s$, Gasdruck, Temperatur und Feldstärke ist, lässt sich die Entstehung neuer Elektronen quantifizieren und somit das exponentielle Wachstum beschreiben. $N_{e,hom}(x)=N_0 \cdot e^{\alpha \cdot x}$
:::
#### 38. Welche Prozesse verursachen eine Elektronenemission aus Festkörpern?
:::spoiler
(Kap 3.2 S.5)
- Photoemission (Freisetzung von Elektronen an der Kathode durch Photonen)
- Sekundärelektronenemission (Aufprall positiver Ionen auf die metallische Kathode)
- (Evtl. thermische Emission?)
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#### 39. Wie entstehen Sekundärlawinen bei einer Townsend-Entladung?
:::spoiler
(Kap 3.2 S.6-8)
- Sekundärelektronenemission (ca. ein Sekundärelektron pro 100 pos. Ionen bei Luft)
- Anfangselektron löst durch Stoßionisation weitere Ladungträgerpaare aus.
 $\rightarrow$ Elektronenlawine Richtung Anode
 $\rightarrow$ pos. Ionen wandern zu Kathode (Rückwirkung)
- Aus dieser Rückwirkung muss mindestens ein neues Elektron frei werden, um eine selbstständige Gasentladung (Gasdurchschlag) nach Townsend zu erreichen.
:::
#### 40. Wie lauten die Zündbedingung und die Zündspannung für die selbstständige Gasentladung im Homogenfeld?
:::spoiler
(Kap 3.2 S.9-11)
Zündbedingung $N_{sek} = \gamma \cdot (e^{\alpha d} - 1) \geq 1$
Zündspannung $U_d = B \cdot \frac{p \cdot d}{ln(\frac{A}{k}\cdot p \cdot d)}$

A, B        Gaskonstanten
p           Gasdruck bei Raumtemperatur
d           Elektrodenabstand
k           Nachlieferungskoeffizient
$\gamma$    Sekundärelektronen-Emissionskoeffizient
$\alpha$    Ionisierungskoeffizient
:::
#### 41. Skizzieren Sie die Paschenkurve und erklären Sie den Verlauf .
:::spoiler
(Kap 3.2 S.17-19)
Die Paschen-Kurve ist die grafische Darstellung der Gleichung für die Zündspannung im Homogenfeld. 
Auf der x-Achse wird das Produkt aus Druck und Schlagweite aufgetragen, auf der y-Achse die Zündspannung.
Die Achsenskalierung erfolgt logarithmisch.
![](https://i.imgur.com/8bUQYK2.png)
Das Paschen-Gesetz besagt, dass die Durchschlagspannung eine Funktion des Produktes aus Gasdruck und Elektrodenabstand (Schlagweite) ist.
:::
#### 42. Erläutern Sie kurz die Prozesse in einem Lawinenkopf bei Atmosphärendruck.
:::spoiler
(Kap 3.2 S.28-32)
Der kugelförmige negative Lawinenkopf bewegt sich zur Anode, während hinter diesem die positiven Ionen verbleiben.
An dieser Lawinenfront überlagert sich das Raumladungsfeld positiv, sodass es zu einer lokalen Feldüberhöhung kommt. Dies verstärkt die Ionisationsprozesse und lässt die Ladungsträgerdichten überexponentiell wachsen.
![](https://i.imgur.com/PP1ywqw.png)
:::
#### 43. Wie lautet die Zündbedingung elektrischer Entladungen für den Atmosphärendruckbereich?
:::spoiler
Zündbedingung: Elektronenzahl $N_e = e^{\alpha d} \geq 10^6$ (Kap 3.2 S.34)
:::
#### 44. Erläutern Sie kurz den Streamerprozess, der zum Durchschlag der Gasstrecke führt.
:::spoiler
(Kap 3.2 S.35f)
Streamer-Ausbreitung wird durch das Raumladungsfeld gesteuert.
Die Ausbreitung erfolgt zur Kathode hin.
- Die positiven Ionen schwächen das Feld vor der Anode
- Dadurch verstärkt sich das Feld zwischen Kathode und positiver Raumladung
- Die Elektronenlawinen wachsen im Zwischenraum und enden an der positiven Raumladung
- Dadurch wächst die positive Raumladung weiter
- Die Elektronen bleiben im feldschwachen Bereich und bilden mit den positiven Raumladungen ein leitfähiges Plasma
![](https://i.imgur.com/2xMRzor.png)
:::
#### 45. Warum ist die Blitzstoßspannungsfestigkeit größer als die Kurzzeitwechselspannungsfestigkeit?
:::spoiler
(Kap 3.3 S.6)
- Streuzeit: Bei der Stoßspannung besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit für die gleichzeitige Entstehung eines Startelektrons 
- Aufbauzeit: Der Gasentladungsprozess (zB Streamer) braucht Zeit zum Aufbau eines leitfähigen Kanals zwischen den Elektroden. Die Blitzstoßspannung bleibt nicht lang genug.
:::
#### 46. Erklären Sie anhand exemplarischer Verläufe, wie die Spannungs-Zeit-Fläche bestimmt wird.
:::spoiler
(Kap 3.3 S.7f)
Die Spannungs-Zeit-Fläche bezieht sich auf den Aufbau des Streamers und ist für jede Anordnung konstant.
Es handelt sich um die Fläche zwischen Stoßspannung $u(t)$ und Bezugsspannung $U_0$ von der Entstehung des Startelektrons bis zum Zusammenbrechen der Spannung.
![](https://i.imgur.com/TACzkvH.png =300x) ![](https://i.imgur.com/Pxrw6VU.png =300x)
[Küchler S.184&187]
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#### 47. Beschreiben Sie das Durchschlagsmodell für einen festen Isolierstoff mit dem Modell "Initialaufbruch".
:::spoiler
(Kap 3.3 S.12)
Ein externes Feld (Führungsfeld) beschleunigt freie Elektronen. Erreicht die kinetische Energie die molekulare Bindungsenergie entstehen Kettenbrüche beim Auftreffen der Elektronen auf die Polymerkette. Benötigt werden dafür 4 eV.
Kettenbrüche erweitern die Durchschlagstrecke.
Die Stoßionisation der Moleküle stellt zusätzliche Elektronen bereit. Ein Entladungskanal entsteht und der elektrische Durchschlag erfolgt. 
![](https://i.imgur.com/SGkVjVo.png =200x) ![](https://i.imgur.com/eFXimz7.png =200x)
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#### 48. Geben Sie typische Größenordnungen bzw. Richtwerte für die elektrische Festigkeit an.
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| Material | Durchschlagsfestigkeit (E~d~ = kV/mm)
| -------- | -------- 
| Helium (relativ zu Stickstoff) | 0,15
| Luft effektiv	| 0,35
| trockene Luft	| 3
| Transformatorenöl	| 5 ... 30
| Glas	| >8
| Kunststoffe (Polycarbonat, Polyester, etc.)	| 12 ... 50
| Porzellan	| 20
| Quarzglas	| 25 ... 40
| Hartporzellan	| 30 ... 35
| Destilliertes Wasser	| 65 ... 70
| Polymer-Isolator | 200
| Diamant	| 2000

![](https://i.imgur.com/7AT9Ltj.png) [Küchler S.217]
:::
#### 49. Welche Prozesse reduzieren die elektrische Festigkeit von Feststoffen und über welche Zeiträume finden diese statt?
:::spoiler
Fehlerstellen
Alterung
![](https://i.imgur.com/0ZOpsHb.png) [Küchler S.242]
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#### 50. Erklären Sie den Schwaiger'schen Ausnutzungsfaktor
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Der Schwaiger´sche Ausnutzungsfaktor 𝜼 gibt die maximale Feldverstärkung einer Geometrie an. Er dient der Umrechnung von inhomogenen Anordnungen in homogene Anordnungen zur Abschätzung der elektrischen Festigkeit. $$\eta=\frac{Ê_{0}}{Ê_{max}}=\frac{Ê_{homo}}{Ê_{inhomo}}$$

![](https://i.imgur.com/fXjtcdn.png)
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#### 51. Was sind Teilentladungen?
:::spoiler
(Kap 3.3 S.25)
Wörtlich Küchler S.251:
Teilentladungen (TE), sind Entladungen die nur einen Teil der Isolationsstrecke betreffen und nicht sofort zum Durchschlag führen, sie finden in allen Arten von Isoliersystemen statt. Teilentladungen beeinträchtigen die kurzzeitige elektrische Festigkeit oft nicht. Bei organischen Isolierstoffen führt aber die Erosion durch Teilentladungen v.a. bei häufig wiederkehrenden Entladungsimpulsen bei Wechselspannung und bei repetierenden Stoßspannungen zu einer meist drastisch reduzierten Lebensdauer. Das Auftreten von Teilentladungen ist deshalb ein wesentliches Kriterium für die Beurteilung der Isolationsqualität. [...]

Ursachen für Teilentladungen sind lokale Feldstärkeüberhöhungen (z.B. an leitfähigen Spitzen oder durch Feldverdrängung) oder lokale Minderungen der elektrischen Festigkeit(z.B. durch gasgefüllte Hohlräume). Beim Entladungsverhalten gibt es große Unterschiede zwischen Gleich-, Wechsel- und Stoßspannung. Die größte technische Bedeutung haben Teilentladungen bei Wechselspannung, die empfindliche Medien rasch erodieren können. Man unterscheidet Koronaentladungen an leitenden Spitzen in Luft oder in gasisolierten Anordnungen, innere Teilentladungen innerhalb einer Isolierung und Oberflächenentladungen an Grenzflächen.

:::spoiler Ausschnitt Heuck S. 234
Für das Auftreten von Teilentladungen ist allein die Feldstärke E die maßgebende Feldgröße. Sofern die Feldstärke E einen Grenzwert überschreitet – z. B. in Luft einen Effektivwert von ca. 21 kV/cm – reicht die elektrische Festigkeit der Isolierung nicht mehr aus. Bei Freileitungen kommt es dann im Bereich der Leiteroberfläche zu Teilentladungen, die im Dunkeln als glänzender Kranz zu beobachten sind und zu dem Namen Korona (lat.: Kranz) geführt haben. Dieses Leuchten bleibt auf die unmittelbare Umgebung der Oberfläche beschränkt, da dort die Feldstärke am stärksten ist. Dabei wird mit der Größe D der mittlere Leiterabstand bezeichnet. Bei einem größeren Abstand nimmt die Feldstärke Werte an, die für solche Teilentladungen nicht ausreichen. 
Diese Teilentladungen führen im Vergleich zur nicht ionisierten Luft zu vielen elektrisch geladenen Teilchen, sodass nun ein Stromtransport, ein Wirkstrom, zu anderen Leitern auftritt. Bei realen Leitungen setzt die Korona schon meist bei Werten unterhalb Eeff = 21 kV/cm ein. Infolge von Umwelteinflüssen wie Raureif, Schmutz und Regen ist die Leiteroberfläche nicht völlig glatt, wie es im Ausdruck (4.120) vorausgesetzt ist; es bilden sich kleine Spitzen aus, die zu lokalen Feldverdichtungen führen. Die in diesen Bereichen auftretende hohe Feldstärke führt zu Teilentladungen.

![](https://i.imgur.com/GXRNUW6.png)
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#### 52. Wie beeinflussen Volumen- und Flächeneffekt die Durchschlagspannung von festen Isolierstoffen?
:::spoiler
Die Durchschlagswahrscheinlichkeit $𝑓_𝑑 = 1 − 𝑤_{𝑔𝑒𝑠}$ steigt mit dem Isolierstoff-Volumen und mit der Elektroden-Oberfläche. (Kap 3.3 S.28-32)
Begründung liegt in der Statistik. Aufteilung großer Anordnungen in viele kleine Teile. Haltewahrscheinlichkeit der Gesamtanordnung ist Produkt der Einzelwahrscheinlichkeiten und sinkt damit mit der Volumen bzw. Fläche des Isolierstoffs. (vgl. Küchler S.154) 
>[name=Aaron] ==Wo genau auf S.154? Und welche Ausgabe vom Küchler?==
>[name=Andre] Ich habe in der 4. Auflage von 2017 geschaut: 
>:::spoiler Spoiler: Screenshot
>![](https://i.imgur.com/sLWSPB7.png) :::

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#### 53. Beschreiben Sie den Aufbau und die Aufgaben von Isoliersystemen an einem Beispiel.
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(Kap 4.1 S.5f)
Ein Isoliersystem gewährleistet die galvanische Trennung zwischen spannungsführenden und geerdeten Leitern. 
Es besteht aus Leiterstrukturen und Isolierungen. Isolierungen bestehen oft aus einem Verbund von Isolierstoffen (Isoliergas und Feststoff)
BEISPIEL: Bei einer Freileitung wird das Leiterseil durch einen Feststoffisolator getrennt an den Ausleger des Masts gehängt. Neben dem Feststoffisolator dient die Luft als Isoliergas. Der Isolator ist so aufgebaut das auch bei Regen keine Kriechstrecken entstehen können und der Freileitungsmast so sicher galvanisch von dem Leiterseil getrennt ist.
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#### 54. Erklären Sie die prinzipiellen Bauweisen von Isoliersystemen für Hochspannungsgeräte.
:::spoiler
(Kap 4.1 S. 7f)
**Live-Tank:** Gehäuse nicht geerdet
Zum einen gibt es die Isoliermantel-Bauweise, bei der sich das Aktivteil in einem mit Isoliergas oder -öl gefüllten Isolier-Gehäuse befindet. Der Isoliermantel ist nicht berührungssicher, da Ableitströme auftreten können.
**Dead-tank:** Gehäuse geerdet
Bei der alternativen Kessel-Bauweise befindet sich das Aktivteil in einem geerdeten Metall-Kessel, der mit Isoliergas oder -öl gefüllt ist. Das Aktivteil wird über eine Durchführung mit der äußeren Umwelt elektrisch verbunden. Durch die Erdung ist der Kessel berührungssicher.
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#### 55. Welches Konzept steckt hinter der elektrischen Festigkeit und welche Bedingungen müssen berücksichtigt werden?
:::spoiler
(Kap 4.1 S.9-11)
Die elektrische Festigkeit gibt an bis zu welcher Feldstärke-Belastung das Isoliersystem die galvanische Trennung gewährleistet.
Sie verringert sich über die Betriebsdauer (Alterung).
Dabei müssen Betriebsbedingungen wie die Felder bei Betriebsspannung, das Ableiten von Verlustwärme und Mechanik, sowie Umweltbedingungen wie Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, Sonneneinstrahlung oder chemische Einflüsse berücksichtigt werden.

**Ergänzung zum Konzept**:
- Gleitentladungen vermeiden
- Tripelpunkte vermeiden

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#### 56. Welche Bedeutung haben Grenzflächen bei Isoliersystemen?
:::spoiler
(Kap 4.1 S.12)
Die elektrische Festigkeit von Grenzflächen ist bei tangentialer Feldbelastung kleiner als im umgebenden Isoliermedium.
Es kann zu Gleitentladungen an der Grenzfläche kommen.
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#### 57. Was bedeuten Kriechweglänge, Kriechstrom und Überschlagsstrecke?
:::spoiler
(Kap 4.1 S.16)
Als Kriechstrom bezeichnet man einen unerwünschten Leckstrom, der an der Oberfläche eines Isolators entlang fließt.
Als Kriechweg bezeichnet man entsprechend den Weg des elektrischen Kriechstroms entlang einer Oberfläche. Die Kriechweglänge eines Isolators gilt es deshalb zu verlängern, um Kriechströme zu reduzieren. Ein übliches Mittel hierfür sind Schirme.
Die Überschlagstrecke entspricht der Isolatorlänge ohne Beachtung der Oberfläche.
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#### 58. Was bewirkt eine Aufständerung von Betriebsmitteln?
:::spoiler
(Kap 4.1 S21f)
Das elektrische Feld ist bei einer symmetrischen Anordnungen gleichmäßiger über die Isolatorlänge verteilt. Damit bewirkt eine Aufständerung die  Verringerung der maximalen elektrischen Feldstärke und Erhöhung der Stehspannung (Effektivwert).
>[Name=Julimo] hier eine Quelle zu Definitionen die wir angesprochen hatten: https://www.spelsberg.de/service/technische-informationen/technische-informationen/begriffsdefinitionen/

>[name:Aaron] Kann das eventuell näher erklärt werden? Verständnis ist noch nicht so wirklich da.
>[name=Andre] Das Thema ist an sich den beiden folgenden Fragen sehr ähnlich. Es geht eben darum das E-Feld möglichst gleichmäßig zu verteilen und so lokale Feldstärkespitzen zu vermeiden.
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#### 59. Welche Möglichkeiten gibt es zum Aufbau von Durchführungen und wie sind die grundlegenden Funktionsprinzipien?
:::spoiler
Da der Einsatz von Isolierstoff allein an der Durchführung unzureichend ist um den Feldstärken standzuhalten ist eine zusätzliche **Feldsteuerung** notwendig. Hierbei handelt es sich um leitende Teile, die das Feld von der Kesselwand ableiten und so die max. Feldstärke verringern. In der Hochspannungstechnik erfolgt dies in mehreren Schichten als Kondensatorwickel.

- Mittelspannung Durchführung mit Steuerelektroden
![](https://i.imgur.com/TfAOTEU.png)

- Hochspannung: Kondensatorwickel
![](https://i.imgur.com/7wIxv41.png)

- Aktuelle Forschung: Gradientenwerkstoffe zur Feldsteuerung
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#### 60. Wofür benötigt man Feldsteuerungen und welche Arten gibt es bei Kabeln?
:::spoiler
Um die maximal auftretenden Feldstärken an kritischen Stellen wie Kabelendverschlüssen zu reduzieren, indem man das Feld verteilt.
Da derartige Grenzflächen in tangentiale Richtung besonders stark belastet sind, kann es hier vermehrt zu Gleitentladungen kommen, die die Isolierung schädigen.
- Geometrische Steuerung
![](https://i.imgur.com/BDnLic8.png)
- Kapazitive Steuerung
![](https://i.imgur.com/D8Wohlq.png)
- Refraktive (die Brechkraft betreffende) Steuerung
![](https://i.imgur.com/c6TcJ7q.png)
- Resistive (auf Druck reagierende) Feldsteuerung
- Nichtlineare Feldsteuerung
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#### 61. Erläutern Sie inwiefern sich die Belastung einer Isolation bei Wechselspannung von einer Belastung bei Gleichspannung unterscheidet.
:::spoiler
Küchler, 4. Auflage, S. 17)
Die wichtigsten in der Hochspannungstechnik vorkommenden Beanspruchungsarten von Isolierstoffen sind die **netzfrequente Wechselspannung**, sowie **Schalt- und Blitzstoßspannung**.

(Küchler, 4. Auflage, S. 23f)
Die Übertragungsspannung eines Drehstromsystems ist durch die „höchste Spannung für Betriebsmittel“ $U_{m}$ definiert, die im Betrieb an keinem Ort des Netzes überschritten werden soll. Es handelt sich dabei um den **Effektivwert** der verketteten Spannung, d.h. um die Spannung zwischen den Leitern des Drehstromsystems.

Der Durchschlag einer Isolierung wird meist vom maximal auftretenden Wert, d.h. also vom **Scheitelwert** bestimmt. Bei sinusförmigen Spannungen erfolgt die Beanspruchung des Dielektrikums zwischen den Leitern (Index „LL“) unter normalen Betriebsbedingungen mit dem Scheitelwert 
$Û_{LL} = Wurzel(2) \cdot U_{m}$ 
und zwischen einem Leiter und Erde (Index „LE“) mit dem Scheitelwert
$Û_{LE} = Wurzel(2) \cdot U_{m}/Wurzel(3)$.

>[name=Aaron] ==Hier würde ich noch den Vergleich mit der Belastung bei Gleichspannung mit aufführen. Steht im Küchler am Anfang Kapitel 7.2.1==

Es muss ein Umdenken stattfinden, da Beurteilung auf Erfahrungen aus Wechselspannungsbeanspruchung resultiert.
"Die elektrischen und thermischen Belastungen sowie das Verhalten der Materialien bei Gleichspannungsbeanspruchung werden deshalb oft als besonders problematisch,gewissermaßen als die „sieben Plagen des HGÜ-Isoliersystems“ angesehen":

1. Undefinierte und sich verändernde Leitfähigkeiten bestimmen die stationären Gleichfeldverteilungen.
2. Zahlreiche Polarisationsprozesse bestimmen die transienten Feldverteilungen.
3. Der Aufbau von Raum- und Flächenladungen verursachte räumlich und zeitlich veränderliche Feldstärkeüberhöhungen.
4. Das Verhalten der Materialien kann stark nichtlinear bzw. feldstärkeabhängig sein.
5. Das Verhalten der Materialien ist stark temperaturabhängig.
6. Temperatur- und Feldstärkegradienten verursachen undefinierte und sich verändernde Gradienten der Materialeigenschaften.
7. Alles in allem sind die Feldverteilungen nicht stabil, d.h. es ergeben sich räumlich- zeitliche Feldmigrationen.

>[name=Hendrik] ==In VL ist nichts konkretes. 
>Prinzipiell findet bei Wechselspannung eine ständige Umolung statt, sodass die Isolierung nicht so stark polarisiert wird. Bei Gleichspannung liegt über eine lange Zeit ein konstantes Feld an und die Isolation wird polarisiert (Ladungstrennung in der Isolation?!)==
:::
#### 62. Welche festen Isolierstoffe gibt es und wofür werden diese genutzt?
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(Kap 4.2 S.5-7)(Küchler S.306-312)
**Anorganische Isolierstoffe:**
* **Porzellan und Keramik** für mechanisch feste Trag-, Stütz- oder Gehäuseisolatoren und besonders wo thermische Stabilität gefordert ist.
* **Glas** kann anstelle von Porzellan für kleinere Isolatoren verwendet werden, seine meachanische Beanspruchbarkeit ist jedoch geringer. Schäden und Risse sind optisch direkt erkennbar.
$\rightarrow$ Glasfasern werden im Verbund mit Kunststoffen (GFK), zur meachanischen Verstärkung dieser eingesetzt.

**Organische Isolierstoffe/Kunststoff Gruppen:**
* **Thermoplaste** werden z.B. für Kabelisolierungen verwendet.
* **Duroplaste** werden u.a. zur Herstellung von Isolierkörpern und zum Verguss von Bauelementen genutzt.
* **Elastomere** werden z.B. als Dichtungswerkstoffe für flexible Leitungen und als Schirme von Verbundisolatoren (Silikon) verwendet.

**Komposite Werkstoffe:**
* Bestehen aus miteinander verbundenen Festkörperkomponenten
* Die Kompositmaterial-Eigenschaften sind die Eigenschaften der einzelnen Komponenten
* Verbindung kann durch Stoff- und Formschluss erfolgen
* Komposite Werkstoff Arten:
    * Teilchenverbundwerkstoffe
    * Faserverbundwerkstoffe
    * Bewehrter Verbundwerkstoff
    * Oberflächenbeschichtung und Schichtverbundwerkstoffe

$\rightarrow$ Verbindung von mehreren Werkstoffen für die Ausnutzung von Vorteilen jedes einzelnen Werkstoffes
:::
#### 63. Erläutern Sie die Veränderung der Spannungsverteilung bei Gleichspannungsbelastung an einem Zwei-Schicht-Dielektrikum durch einen Spannungssprung (z.B. Einschaltvorgang).
:::spoiler
>[name=Timo] ==Das bitte nochmal durchdenken und prüfen, ob es hier so passt.==
>[name=Aaron] Würden wir so stehen lassen, da im Skript auch nicht wirklich besser beschrieben

(Küchler, 4. Auflage, S. 20)
Nach dem Anlegen einer Gleichspannung werden für die Einstellung des stationären Zustandes viele Stunden benötigt, in denen die Kapazität $C_{1}$ der sehr hochohmigen Kunststoff-Folien über den Isolationswiderstand $R_{2}$ der leitfähigeren imprägnierten Papiere geladen wird. Das Anlegen der Spannung ist zunächst ein Übergangsvorgang, die Spannungsverteilung entspricht dem dielektrischen Verschiebungsfeld (*„kapazitive Spannungsverteilung“*). Erst nach Abklingen des **Übergangsvorganges** ergibt sich ein Strömungsfeld (*„ohmsche Spannungsverteilung“*).
Dabei kann es vorkommen, dass die Isoliersysteme kurzfristig völlig anders belastet werden, als man es aufgrund einer reinen Wechsel- oder Gleichspannungsbetrachtung erwarten würde. (Vgl. dazu auch Kapitel 4.2.2 im Skript)
![](https://i.imgur.com/CNToMce.png)

:::
#### 64. Welches Gefahrenpotential weisen kapazitive technische Isoliersysteme auf?
:::spoiler
In Fortsetzung der vorigen Frage: Vgl. Kapitel 4.2.2 im Skript

Durch den unter 63. beschriebenen Vorgang baut sich an der Grenzfläche durch den Umladestrom eine **Flächenladung** $Q_{A}$ auf. Die Kapazitäten in diesem Modell sind aktuell unterschiedlich geladen. Für (Wartungs-)Arbeiten werden nun die Enden der Kondensatoren kurzgeschlossen und nehmen die gleiche Spannung an, da der schnelle Umladestrom diese ausgleicht. Die **Differenzladung an der Grenzfläche** bleibt jedoch erhalten. Durch diese Differenzladung stellt sich eine **Wiederkehrspannung** $U_{E2}$ an den Klemmen ein, welche eine gefährliche Berührungsspannung und somit eine Lebensgefahr darstellt.
![](https://i.imgur.com/HhPmKzP.png)

:::
#### 65. Was sind Vor- und Nachteile von anorganischen und organischen Isolierstoffen? Nennen und erklären Sie ein Beispiel.
:::spoiler
▪ Organische Isolierstoffe (Kunststoffe)
wesentlicher Vorteil: Hydrophobie
Nachteil: Wärmeempfindlicher
▪ Anorganische Isolierstoffe (Keramiken, Glas)
Vorteil: Temperaturbeständig, Unempfindlich ggü. Strahlung, Witterung, Chemie, TE
Nachteil: Schwer, keine Hydrophobie
:::
#### 66. Was sind die Herstellungsverfahren für el. Isolierstoffe in HSTAnwendungen? Nennen und erklären Sie ein Beispiel.
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Bsp: Polyethylen – Energiekabel Herstellung
Mittels 3fach Extruder
Epoxidharz – Herstellungsverfahren
Härter+Harz
![](https://i.imgur.com/7Cq609X.png)
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#### 67. Welche dielektrischen Eigenschaften haben Isolierstoffe?
:::spoiler

:::

#### 68. Wie wird der Oberflächenwiderstand bestimmt und was sind die Herausforderungen dabei?
:::spoiler
![](https://i.imgur.com/mJ0PXec.png)
:::

#### 69. Welche Isolierstoffe werden für Abwendungen im Hochspannungsbereich verwendet? Nennen und erklären Sie Beispiele.
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Epoxidharz --> Isolatorem
Silikon --> Verbundisolatoren, Kabelgarnituren
Polyethylen --> Kabel
Teflon --> Schalter
Porzellan --> Langstabisolatoren, Gehäuse Vakuumschalter
E-Glas --> Kappenisolatoren
Muskovit --> Maschinen

:::
