Überspannungsableiter werden, um eine bessere Verteilung der elektrischen und thermischen Belastungen unter normalen Betriebsbedingungen zu erreichen, üblicherweise mit Steuerringen ausgestattet. In Ultrahochspannungsnetzen können Überspannungsableiter jedoch nur mit reduzierten Steuerringsystemen aufgestellt werden, da sie ansonsten ihrer eigenen Schaltstoß-Restspannung nicht mehr dielektrisch standhalten könnten. Ein erhöhter Grad der Potential- und Temperaturschiefverteilung muss daher in Kauf genommen werden. In dieser Arbeit wird untersucht, ob sich nicht optimal ausgelegte Steuersysteme auf das thermische Energieaufnahmevermögen von Metaloxid-(MO)-Überspannungsableitern auswirken.

Zur Durchführung der Untersuchungen wird aus bestehenden Ansätzen ein elektrothermisch gekoppeltes FEM-Simulationsmodell weiterentwickelt und mit umfangreichen, experimentell durchgeführten Messungen an 550-kV-Ableitern erfolgreich validiert. Mit dem entwickelten Simulationsmodell ist es möglich, auch die nicht rotationssymmetrischen Komponenten der Steuerringe und erstmals auch des Versuchsaufbaus zu berücksichtigen. Es kann gezeigt werden, dass eine Berücksichtigung der feld- und temperaturabhängigen elektrischen Parameter der MO-Widerstände ein wesentliches Kriterium für die Qualität der Simulationsergebnisse ist. Die Ermittlung geeigneter Verfahren zur Bestimmung der nichtlinearen elektrischen Leitfähigkeit und der relativen Permittivität der MO-Widerstände ist daher ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit.

Mit den durchgeführten Neuerungen können elektrothermisch gekoppelte Simulationen mit einer bisher nicht erreichten Genauigkeit der Ergebnisse durchgeführt werden, und es kann nachgewiesen werden, dass eine rein simulative Berechnung des elektrothermischen Verhaltens von MO-Ableitern für Höchst- und Ultrahochspannungsanwendungen möglich ist.

Aus der Literatur ist bekannt, dass die thermische Stabilitätsgrenze eines Ableiters nach Wechselstromenergieeinträgen nahezu nicht vom Grad der Steuerung beeinflusst wird. Dieses Ergebnis kann mithilfe des weiterentwickelten Simulationsmodells erstmals auch für den praxisrelevanten Fall von Impulsenergieeinträgen nachgewiesen werden. Es kann somit gezeigt werden, dass allein die Temperaturen im stationären Zustand bei der Auslegung von Steuerringsystemen berücksichtigt werden müssen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden Empfehlungen für die Auslegung von Steuerringsystemen von Höchst- und Ultrahochspannungsableitern abgeleitet, und es werden Änderungsvorschläge für eine nächste Überarbeitung der IEC-Ableiternorm gegeben.