Ein Umspannwerk ist Teil des elektrischen Versorgungsnetzes und dient der Verbindung unter­schiedlicher Spannungs­ebenen.

Die Größe der Umspann­werke variiert je nach Übertragungs­leistung, Anzahl der Leitungen, dem Vorhanden­sein von Sammel­schienen und den angeschlossenen Spannungs­ebenen. Ein durch­schnittliches Umspann­werk mit einer Leistung von 500 MW hat einen Flächen­bedarf von etwa 100 m * 200 m; bei sehr großen Über­tragungs­leistungen reicht der Flächen­bedarf bis zu 400 m * 600 m.

Bei Wechselstrom-Frei­leitungen mit einer Länge von mehr als etwa 100 km sind Anlagen zur Blindleistungskompensation notwendig. Meistens sind diese Bestand­teil der Umspann­werke.

Transformatoren, die für ihre Kühlung notwendigen Lüfter, Schalt­vorgänge von Hoch­spannungs­schaltern und Kom­pen­sations­anlagen verursachen Geräusch­emissionen.

Wird Strom über längere Strecken übertragen, treten bei Gleichstrom geringere Verluste auf als bei der Über­tragung von Wechselstrom. Außerdem lässt sich der Strom­fluss besser steuern. Das hilft dabei, das übrige Strom­netz zu ent­lasten. Für die Übertragung muss Wechsel­strom zunächst in Gleich­strom um­gewandelt werden; dieser wird am Ende der Leitung wiederum in Wechsel­strom umgewandelt. Für diese Vorgänge werden Kon­verter benötigt.

Ein Konverter besteht aus vier Funktions­blöcken (siehe auch Abbildung "Konverter­anlage"):

1. Über den Gleich­strom-Anschluss ist der Konverter mit der Gleich­strom­leitung verbunden. Dabei kann es sich sowohl um eine Freileitung als auch um ein Erd- oder Seekabel handeln.
2. Kernstück des Konverters ist der Stromrichter, der den Strom umwandelt und der in der Konverter­halle untergebracht ist. Er besteht aus Transistoren, Dioden, Konden­satoren und Spulen. Weil diese Bau­teile unter Hoch­spannung stehen, müssen sie mehrere Meter Abstand zum Hallen­dach, zum Boden und zu den Wänden einhalten. Außerdem müssen sie im Betrieb gekühlt werden, weshalb sie mit einer Kühlungs­anlage verbunden sind. Die Konverterhalle dient neben dem Schutz vor Witterungs­ein­flüssen auch zur Lärmminderung und zur Abschirmung der elektrischen, teilweise auch der magnetischen Felder (Faradaykäfig).
3. Der vom Konverter erzeugte Wechsel­strom muss auf die Spannung des Über­tragungs­netzes beziehungs­weise auf die Wechsel­strom-Spannung des Konverters gebracht werden. Das erledigen die Trans­formatoren.
4. Über einen Wechsel­strom-Anschluss sowie über die Trans­formatoren und die Schalt­anlagen ist der Konverter mit dem Wechsel­strom-Übertragungs­netz verbunden.

Einen geeigneten Standort für einen Konverter sucht der Über­tragungs­netz­betreiber, der auch die dazugehörige Strom­leitung plant. Er muss bereits in der Bundes­fach­planung nachweisen, dass es geeignete Flächen dafür innerhalb der vorgeschlagenen Trassen­korridore gibt.

Für eine Verbindung zwischen einer Freileitung und einem Erdkabel sind Über­gangs­bau­werke notwendig, die als Kabel­über­gabe­stationen oder Kabel­über­gangs­anlagen bezeichnet werden. Diese haben üblicher­weise eine Höhe von etwa 30 m und erstrecken sich auf eine umzäunte Fläche mit einer Länge von etwa 60 m * 100 m.

Bei gleich­zeitiger Unter­bringung zusätz­licher technischer Systeme, zum Beispiel Kompensations­anlagen, kann die benötigte Fläche deutlich größer sein. Das hängt von der genauen technischen Aus­führung und der Anzahl der vorhandenen Kabel­systeme ab.

Bei der Wechselstrom-Übertragung ist schon bei relativ kurzen Leitungs­längen (bei Erdkabeln beispiels­weise nach etwa 25 km bis 30 km) eine Kompensation der Blind­leistung notwendig.

Die Größe der dafür erforderlichen Anlagen ist abhängig von der zu übertragenden Leistung. Sie sind beispiels­weise bei einer Leistung von 150 Mvar etwa 9 m lang, 6 m breit und 9 m hoch. Die gesamte Kompen­sations­anlage beansprucht eine Fläche von etwa 20 m * 50 m.

Aufgrund des hohen Kabel­gewichts und der Transport­kapazitäten von einsetz­baren Fahr­zeugen können Erdkabel mit einer Länge von maximal 500 m (MI-Kabel) bis 1200 m (kunst­stoff­isoliertes Kabel) am Stück verlegt werden. Für die Verbindung der Teil­stücke sind Verbindungs­muffen notwendig, die in Muffen­gruben oder Muffen­bau­werken montiert werden.

Bei längeren Wechsel­strom­kabeln werden nach jedem zweiten bis dritten Teil­abschnitt statt Verbindungs­muffen sogenannte Cross-Bonding-Muffen installiert. Hier wird der Kabel­schirm des Kabels einer jeden Phase aus der eigentlichen Verbindungs­muffe heraus­geführt. Diese werden phasen­weise miteinander verbunden und geerdet. Das dient dazu die Übertragungs­verluste durch induzierte Ströme im Kabel­schirm gering zu halten und um Über­spannungen zu verhindern. Die not­wendigen elektrischen Verbindungen können ober­irdisch in einem Kabel­verteiler­schrank (ca. 1,8 m breit, 2,9 m lang und 1,35 m hoch) oder ober­flächen­nah in einem Schacht montiert werden.

Muffen­gruben werden nach der Montage wieder verfüllt, während ober­irdische Kabel­verteiler­schränke dauer­haft erhalten bleiben und für Prüfung und Instand­haltung zugäng­lich sein müssen.

Bei Höchstspannungsleitungen sind gegebenen­falls Bauwerke für die Querung von anderen Infra­strukturen, Gewässern oder besonders empfind­lichen Gebieten (zum Beispiel Siedlungen, klein­flächige geschützte Wälder oder Moore) zu errichten.

Diese Kreuzungs­bau­werke sind insbesondere bei Erdkabeln meist aufwendig und damit teuer. Kleinere Straßen müssen beispiels­weise in herkömmlicher Tief­bau­weise auf­gerissen und nach Kabel­legung wieder instand­gesetzt werden. Die Querung von größeren Straßen (zum Beispiel Bundes­straßen oder Auto­bahnen) und Gewässern erfolgt meist in geschlossener Bau­weise mit Hilfe von Horizontal­bohr­verfahren (HDD-Bohrung). Die Verlegung von Höchst­spannungs­kabeln in Tunneln stellt eine weitere Möglichkeit dar.

Auch bei Seekabeln werden relativ aufwändige Kreuzungs­bau­werke notwendig, sobald sich zwei Kabel kreuzen. Diese bestehen grund­sätzlich aus zwei Elementen. Dies sind zum einen Schutz­matten zur physischen Trennung der sich kreuzenden Kabel und zum anderen eine Stein­schüttung, die das oben liegende Kabel vor einer Beschädigung (zum Beispiel durch Anker) schützen soll. Das Kreuzungs­bau­werk wird dabei auf einer Länge von mindestens 70 m mit Steinen überschüttet (sogenanntes Rock Placement). Bei einer nicht recht­winkligen Kreuzung kann es entsprechend zu längeren Über­schüttungen kommen. Die Breite einer Über­schüttung beträgt davon unabhängig mindestens 3 m zur Über­deckung der Matte.

Eine Plattform, also eine künstlich geschaffene Stand­fläche über dem Meeres­spiegel, ist in der Regel als Tief­gründung installiert. Die Platt­form wird dabei unter Verwendung von Stahl­pfählen gesichert, die im Abstand von etwa 23 m im Meeres­boden verankert sind. Die Länge der Pfähle ist stark abhängig von den Boden­verhältnissen. Den in den Boden gerammten Gründungs­pfählen schließt sich über dem Meeres­grund eine fach­werk­ähnliche, versteifende, etwa 40 m hohe und 500 t schwere Rahmen­struktur aus Stahl­rohren und Verstrebungen an (sogenannte Jacket-Konstruktion).

Um eine mögliche Erosion in Form einer Vertiefung am Grund durch die Fließ­dynamik von Wasser (Verkolkung) zu verhindern, werden zum einen die Gründungs­pfähle entsprechend tiefer in den Boden eingebracht und zum anderen Schutz­matten (Mudmats) oder Stein­schüttungen um die jeweiligen Elemente ausgelegt.

Der von den Offshore-Wind­energie­anlagen erzeugte Strom muss gebündelt und für den Transport in Wechsel­strom auf eine einheitliche Über­tragungs­spannung von 220 kV umgespannt werden. Dies geschieht auf den
Um­spann­plattformen.

Bei Seekabeln liegt die Grenze der Effizienz für Wechselstromübertragungen bei Entfernungen von etwa 100 km. Um eine Strom­übertragung mittels Gleich­strom zu ermöglichen, werden analog zur Strom­übertragung an Land Konverter­stationen benötigt. Für eine Übertragungs­leistung von 900 MW ist dabei eine Konverterplattform auf See und eine Konverter­station an Land für die Umrichtung des Stroms notwendig.

Bundesamt für Seeschiff­fahrt und Hydro­graphie (2013): Umwelt­bericht zum Bundes­fach­plan Off­shore für die deutsche aus­schließliche Wirtschafts­zone der Nord­see 2012. Hamburg.

Bundesamt für Seeschiff­fahrt und Hydro­graphie (2013): Untersuchung der Auswirkungen von Off­shore-Wind­energie­anlagen auf die Meeres­umwelt (StUK4). Hamburg.

Bundesamt für Seeschiff­fahrt und Hydro­graphie (2014): Bundes­fach­plan Off­shore für die deutsche aus­schließliche Wirtschafts­zone der Ost­see 2013. Hamburg.

Dörnemann, C. et al. (2011): Strom­über­tragung für den Klima­schutz. Studie im Auftrag vom Verband der Elektro­technik, Elektronik und Informations­technik e.V. Frankfurt am Main. Seite 31.

Hofmann, L., Mohrmann, M., Rathke, M. (2012): Ökologische Auswirkungen von 380-kV-Erd­leitungen und HGÜ-Erd­leitungen. Bericht der Arbeits­gruppe Technik/Ökonomie. Auftrag­geber: Bundes­ministerium für Umwelt, Natur­schutz und Reaktor­sicherheit (BMU). E. Cuvillier Verlag. 1. Auf­lage.

Polster, K. (2009): Südwest Kuppel­leitung Halle-Schwein­furt, Abschnitt Alten­feld/Redwitz zur Teil­verkabelung am Renn­steig (Thüringer Wald). Mach­bar­keits­studie im Auftrag von Vatten­fall Europe Trans­mission GmbH. Berlin. Seite 30.

Stigler, H. et al. (2012): Gut­achten zur Ermittlung des erforder­lichen Netz­aus­baus im deutschen Über­tragungs­netz 2012, Gutachten im Auftrag der Bundes­netz­agentur. Graz.

TenneT Offshore GmbH (2013): Erläuterungs­bericht zur 600-kV-Leitung BorWin gamma – Emden/Ost des Netz­anbindungs­projektes BorWin3 für den Bereich der 12-sm-Grenze bis Umspann­werk Emden/Ost. Unter­lage zur Plan­fest­stellung. Bayreuth.

Fach­stellung­nahme im Auftrag der Bundes­netz­agentur (2012):

Gutachten zu Umweltauswirkungen unterschiedlicher Netzkomponenten (pdf, 1 MB)