mini|hochkant=1.4|Verschiedene Hochspannungsfreileitungen Eine Freileitung ist eine elektrische Leitung, deren spannungsführende Leiter im Freien durch die Luft geführt und meist auch nur durch die umgebende Luft voneinander und vom Erdboden isoliert sind. In der Regel werden die Leiterseile von Freileitungsmasten getragen, an denen sie mit Isolatoren befestigt sind.

Um das Risiko eines Stromunfalls zu minimieren, müssen Freileitungen festgelegte Mindestabstände von Erdboden, Verkehrswegen und Gebäuden einhalten. Es gibt aus dem vorgenannten Grund auch gesonderte Mindestabstände, die von Menschen und Maschinen (z.B. Krane) zu den aktiven Leitern der Freileitung einzuhalten sind. Daneben gibt es auch isolierte Freileitungen, die aus gebündelten, runden Einzeldrähten aus Kupfer oder Aluminium bestehen, welche einzeln mit schwarzem Polyäthylen isoliert und im Rechtsschlag verseilt sind. Die drei Außenleiter sind zur Kennzeichnung mit einer unterschiedlichen Anzahl an erhabenen Längsrippen und der PEN-Leiter ohne Längsrippen, aber mit Aufdruck gekennzeichnet. Diese Art von isolierter Freileitung wird auch als ISO-Freileitung bezeichnet und ersetzt aus Kosten- und Wartungsgründen (weniger aufwändige Befestigung, keine Kurz-/Erdschlußgefahr, geringerer Platzbedarf, weniger Ausholzungsarbeiten nötig) seit Jahrzehnten die früheren Mehrleitersysteme, bei denen jede (blanke) Ader mit größerem Abstand an Isolatoren auf Stützern am Mast befestigt werden mussten.

Energieübertragung mini|hochkant=1.1|Diese Freileitung am Kernkraftwerk Biblis besitzt drei 400-kV-Drehstrom­kreise mit Viererbündelleitern und bietet Platz für weiteren Ausbau

Freileitungen zur Energieübertragung (auch Überlandleitung) bilden den Überlandteil des Stromnetzes zur Weiterleitung von elektrischer Energie. Vielerorts dienen sie auch zur Stromlieferung auf der Niederspannungsebene (von Haus zu Haus mittels Dachständern oder an Masten, auch zur Straßenbeleuchtung). Sie sind nicht mit Luftkabeln zu verwechseln: bei Luftkabeln wird ein isoliertes Kabel auf Masten verlegt. Luftkabel können, da sie isoliert sind, ohne Isolatoren am Mast befestigt werden. Bei beiden Arten kann Schnee anfrieren und im Zusammenspiel mit Wind im Extremfall zum Abriss der Leitung oder Einbrechen von Masten führen. In diesem Falle sollten Personen einen entsprechenden Sicherheitsabstand einhalten: mindestens vier Meter bei 400kV und trockener Luft von herunterhängenden Leitungen, bzw. wesentlich mehr bei feuchter Witterung und vor allem bei am Boden liegenden Leitungen. In letzterem Fall besteht eine Gefährdung durch den entstehenden Spannungstrichter in Verbindung mit der sogenannten Schrittspannung.

Für Spannungen über 50kV ist aber auch heute und in absehbarer Zeit die Freileitung im Regelfall die wirtschaftlichste Form der Stromleitung. Die Kühlung durch die umgebende Luft ermöglicht es, Freileitungen im Winter, wenn der Stromverbrauch sehr hoch ist, hoch zu belasten. Durch Freileitungs-Monitoring kann dieser Effekt optimal ausgenutzt werden.

Freileitungen zur Elektroenergieübertragung werden auch zur Nachrichtenübertragung benutzt (mitverlegte Nachrichtenkabel, Lichtleitkabel oder Trägerfrequenzanlagen, die die Leiterseile selbst nutzen).

Leiterseil

mini|Leiterseile aus Aluminium; links mit zentralem Stahlseil, rechts mit zentralem Faser-Kunststoff-Verbund

Leiterseile von Freileitungen bestehen aus Kupfer, Aldrey und Verbundseilen aus Stahl und Aluminium. Letztere haben wegen ihrer geringeren Dichte bei gleicher Masse einen größeren Querschnitt und dadurch einen höheren Leitwert als Kupferseile und werden deshalb bei Hochspannungsleitungen bevorzugt eingesetzt. Für Spannungen ab 110 kV Wechselspannung werden häufig, um Koronaverluste zu reduzieren und die natürliche Leistung der Leitung zu erhöhen, so genannte Bündelleiter eingesetzt. Diese bestehen aus mehreren mittels Abstandhaltern verbundenen Leiterseilen und reduzieren die effektive elektrische Randfeldstärke auf Werte unter 17 kV/cm, ab welcher in Luft Ionisierung einsetzt. Für 220-kV-Leitungen werden meist Zweierbündel, für 380-kV-Leitungen meist Dreier- oder Viererbündelleiter verwendet.

Die maximale Dauertemperatur der Leiterseile infolge der Strombelastung beträgt je nach Seiltyp 70 bis 80 °C und ist in den Normen DIN 48201 und DIN 48204 spezifiziert. Im Kurzschlussfall darf kurzzeitig die maximale Temperatur des Leiterseils auf 160 bis 170 °C steigen – höhere Temperaturen würden bei den auf Zug beanspruchten Seilen zu einer Materialentfestigung führen. Die wirtschaftliche Stromdichte mit geringer thermischer Erwärmung beträgt 0,7 bis 1 A/mm², bei Dauerbetrieb mit 2 bis 2,5 A/mm² wird bei 30 °C Umgebungstemperatur im Sommer die maximal zulässige Dauerbetriebstemperatur der Leiterseile erreicht, im Winter ist dieser Wert höher. Zum Enteisen von Freileitungen im Winter können sogenannte Abtauschaltungen eingesetzt werden.

Ein typisches Leiterseil einer Hochspannungsleitung (110 kV) besteht aus einem siebenadrigen Stahlkern mit einer Gesamtquerschnittsfläche von 60 mm², der von einem Geflecht aus 30 Aluminiumadern mit einer Gesamtfläche von 257 mm² ummantelt ist. Bei einem Nennstrom von 560 A je Leitung ergibt sich eine Leistung von 107 MVA je Drehstromsystem. Mit einer 380-kV-Leitung mit 1300 A je Außenleiter lassen sich über 850 MVA übertragen, wobei die natürliche Leistung bei 600 MW liegt.

Bei Freileitungen für Drehstrom werden je Drehstromsystem drei Leiterseile (oder drei Bündelleiter) gespannt. In bestimmten Abständen wechselt deren Lage an Verdrillmasten zueinander und – bei unterschiedlichen Abständen zum Erdboden – zur Erde. Durch diese Verdrillung wird eine symmetrische Kapazität im Dreileitersystem erreicht, dies ist unter anderem für die Erdschlusskompensation in sogenannten gelöschten Netzen wesentlich.

Nichtelektrische Anbauten

Durch Wind und Windböen werden Seile durch Luftwiderstand und Ausbildung von Karman-Wirbeln (die auch eine Flagge wackeln lassen) quer ausgelenkt. Auslenkungen breiten sich als Wellen längs des Seils fort und belasten am Ende die Aufhängung und das Seilende.

Nahe den Aufhängepunkten werden lang-spiralförmige Schwingungsdämpfer um das einzelne Leiterseil gewickelt. Sehr lange schon gibt es Dämpfer in Form von „Hantel an Arm“.

In Flughafennähe werden zur Kennzeichnung als Luftfahrthindernis in manchen Regionen Markierungslampen für Hochspannungsleitungen auf den Leiterseilen angebracht, wie beispielsweise das System Balisor. Als Tagesmarkierung werden kugelförmige Seilmarker verwendet, auch als Luftwarnkugeln bezeichnet.

Insbesondere nahe von Vogelschutzgebieten oder Gewässern mit hohem Vogelaufkommen wird typisch das höchste Leiter- oder (oft dünnere) Erdungsseil mit Vogelschutzfahnen versehen. Um bei unterschiedlichen Beleuchtungsverhältnissen gut gesehen zu werden, werden sie mitunter so montiert, dass sich in der Ansicht helle und dunkle abwechseln.

Neuerdings werden Fahnen mit Reflexpunkten, Leuchtfarbe, mit Nachleuchten und Rotation im Wind mittels Drohnen montiert. Das spart Helikoptereinsatz, Klettereinsatz oder Fahrt mit einem Montagewagen am Seil.Stromleitungen: Fahnen sollen Vögeln helfen orf.at, 15. Januar 2023, abgerufen am 15. Januar 2023.

Erdseil

Ein Erdseil ist wie die Leiterseile ein elektrisch leitfähiges Seil, das jedoch keine elektrische Spannung führt, sondern oberhalb der stromführenden Leiterseile verläuft und in der Regel geerdet an den Mastspitzen befestigt wird. Das Erdseil soll die stromführenden Leiterseile vor Blitzeinschlägen schützen. In der Regel werden Freileitungen mit Betriebsspannungen über 50kV mit einem Erdseil ausgestattet.

Im Erdseil ist oft noch ein Lichtwellenleiter zur Datenübertragung eingebettet. Diese Datenübertragungskapazitäten werden von den Netzbetreibern auch Telekommunikationsanbietern zur Verfügung gestellt.

Für höhere Ansprüche an den Blitzschutz werden Hochspannungsleitungen manchmal mit zwei Erdseilen ausgestattet. Diese befinden sich entweder an den äußersten Enden der obersten Traverse, an einer V-förmigen Mastspitze oder an einer separaten Erdseiltraverse. Bei der Einebenenanordnung sind zwei Erdseile mindestens immer dann erforderlich, wenn eine Mastspitze nicht vorhanden ist, da hier der Schutzbereich eines einzelnen Erdseils nicht ausreicht.

Isolatoren mini|Storchennest auf einem Mast mit Mittelspannungsfreileitungen und der Gefahr eines Erdschlusses in Spanien mini|Vier Schwingungstilger auf einer Freileitung in den USA

Als Isolatoren kommen für Spannungen bis ca. 50kV hängende oder stehende Isolatoren zum Einsatz. Erstere können höhere Kräfte aushalten, letztere bieten eine zusätzliche Sicherheit, da im Fall eines Isolatorbruchs das Leiterseil auf den Mast fällt.

Die Leitungen auf stehenden Isolatoren stellen auch eine Gefahr für große Vögel dar, die auf der Traverse zwischen den Isolatoren landen oder abfliegen und dabei leicht Erdschlüsse verursachen können. Um das zu vermeiden, werden manche Leitungen im Mastbereich mit Vogelschutzarmaturen abgedeckt, oder es wird in sicherem Abstand über der oberen Traverse eine zusätzliche Ansitzstange montiert.

Höhere Bruchsicherheit kann durch Verwendung von zwei (oder mehr) parallelen Isolatoren erzielt werden. Für Spannungen über 50kV werden nur hängende Langstabisolatoren verwendet. Als Isolatormaterial wird meist Glas oder Keramik verwendet. Für Spannungen über 200kV werden häufig Kettenisolatoren, bestehend aus zwei bis vier Langstabisolatoren, verwendet. Für Spannungen über 100kV werden auch Isolatoren aus hochfestem Kunststoff eingesetzt (Silikonisolatoren).

Bei langen Abspannweiten kann es durch Wind und andere mechanische Einflüsse zu unerwünschten mechanischen Schwingungen des Leiterseils kommen. Die Folge können mechanische Schäden am Leiter und den Isolatoren sein. Zur Dämpfung dieser Schwingungen werden in der Nähe der Aufhängungspunkte der Freileitung, in unmittelbarer Nähe zu den Isolatoren, Stockbridge-Schwingungstilger angebracht.

Abstände zu Hochspannungsfreileitungen Freileitungen müssen bestimmte Mindestabstände vom Erdboden, Verkehrswegen und Gebäuden einhalten, um eine unzulässige Annäherung zu verhindern. Die Bemessung dieser Abstände ist in EN 50341DIN EN 50341-1:2013-11 Freileitungen über AC 1 kV – Teil 1: Allgemeine Anforderungen – Gemeinsame Festlegungen; Deutsche Fassung EN 50341-1:2012 geregelt. Zugrundegelegt wird dafür der größte Durchhang, der in Abhängigkeit von Leitertemperatur bzw. Eisbesatz auftreten kann. Die nach EN 50341 geforderten Abstände setzen sich aus einem elektrischen Grundabstand Del und einem Sicherheitsabstand Ds zusammen. Der elektrische Grundabstand Del stellt einen fiktiven Umkreis um das Leiterseil mit dem Radius Del dar, innerhalb dessen es auch ohne Berührung des Leiters zu einem Überschlag kommen kann. Der Abstand zu anderen Leiterseilen Dpp stellt sicher, dass es zu keinem Überschlag zu anderen Leiterseilen derselben oder bei Leitungskreuzungen zu einer anderen Leitung kommt. mini|hochkant=1.75|Niedrige Leitungsführung einer 110-kV-Hoch- und einer 220-kV-Höchstspannungsleitung (rechts) im Anflugbereich beim Flugplatz Karlsruhe-Forchheim NennspannungUn Del Dpp 10 kV 15 cm* 20 kV 22 cm* 30 kV 32 cm* 110 kV 100 cm 115 cm 220 kV 170 cm 200 cm 380 kV 280 cm 320 cm * Die Werte für Spannungen kleiner 110kV lagen nicht vor. Ersatzweise sind die Abstände der Gefahrenzone aus DIN VDE 0105-100 angegeben.

Die von Freileitungen einzuhaltenden Abstände sind in EN 50341 Abhängigkeit von der Objektart festgelegt:

Objektart einzuhaltender Abstand Erdboden 5 m + Del Verkehrsanlage (Oberkante Fahrbahn) 6m + Del Feste Dächer, Neigung > 15° 2m + Del, aber mindestens 3m Feste Dächer, Neigung ≤ 15° 4m + Del, aber mindestens 5m Sonstige Dächer 10m + Del Steilhang ohne Verkehr 2m + Del, aber mehr als 3m Besteigbare Bäume 1,5m + Del, aber mehr als 3m