Technologie

Sichere Hochspannung auf Freileitungen

11.06.2021 - Simulation von Isolatorketten stromführender Leiterseile.

Sie sind klein und unscheinbar, spielen bei der Betriebs­sicherheit von Hochspannungs­leitungen aber eine tragende Rolle: Isolator­ketten. Sie verbinden das stromführende Leiterseil mit dem Strommast. Durch ihre geringe Leitfähigkeit verhindern sie, dass der Stromkreis über den Mast geschlossen und ein Kurzschluss verursacht wird. Zudem tragen sie das gesamte Gewicht der Leiterseile mitsamt der durch Wind oder Eis verur­sachten Zusatzlasten. Die Last, die dabei von einer Isolator­kette auf den Mast und& auf dessen Ausleger wirkt, kann mehr als vierzig Tonnen betragen. Bricht ein Strang einer Mehrfach­kette, müssen die übrigen Stränge den hochdynamischen Stoß abfangen, um einen Komplettbruch zu vermeiden. Nur so wird gewährleistet, dass der notwendige Sicherheits­abstand zum Boden beibehalten werden kann und das Leiterseil weiter sicher am Mast hängt. Denn fällt ein 380-Kilovolt-Frei­leitungsseil auf den benach­barten Ausleger oder auf den Boden, stellt das ein immenses Risiko dar.

Christian Landschützer vom Institut für Technische Logistik der TU Graz hat gemeinsam mit seinem Team solche hoch­dynamischen Lastumlagerungs­prozess simuliert – also den Vorgang angefangen vom Primärbruch einer Isolator­kette über die daraus resul­tierenden Schwingungen bis zum Zeitpunkt, an dem sich alle Leiterseile wieder in Ruhelage befinden. Untersucht wurden Dreifach­abspannketten der Weizer Firma Mosdorfer. In diesen Ketten hat Mosdorfer ein selbst entwickeltes und patentiertes Dämpfer­element als Schutz­vorrichtung verbaut. Bricht ein Isolatorstrang, soll das Dämpferelement die stoßartige Belastung auf ein beherrsch­bares Niveau reduzieren, dass die verbleibenden Isolatoren­stränge nicht auch brechen und das Herabfallen des Leiterseils aufgrund dieses Sekundär­bruches somit verhindern.

Es waren die weltweit ersten Unter­suchungen dieser Art. Bisher wurden solche Simu­lationen nur sehr vereinfacht durchgeführt. Plastische Verformungen wurden vernachlässigt oder gar nicht abgebildet, da alle Bauteile bisher relativ steif waren. „Aufgrund des dritten Isolatoren­stranges und des Dämpfer­elements mussten wir uns erstmals in den dreidimensionalen Bereich begeben und zwei Simulations­methoden miteinander koppeln; ein Detailniveau, das software­seitig und aufgrund der notwendigen Rechnerleistung erst seit wenigen Jahren überhaupt möglich ist“, erklärt Landschützer und schildert die weiteren Herausforderungen: „Um die Last­umlagerung vollständig abbilden zu können, mussten wir ein Mehrkörper­simulations­modell sowie Modelle nach der Finite-Element-Methode erstellen und diese dann miteinander koppeln, damit sie zeit­synchron den hoch­dynamischen Vorgang berechnen können.“

Einerseits wurden die Seildynamik und das Bewegungs­verhalten der Isolatoren­stränge modelliert. Andererseits wurde die plastische Verformung des Dämpferelements abgebildet. Und das Team hat zu jeder einzelnen Kette den Bruch aller drei Isolator­stränge, sowohl auf der Mast- als auch auf der Seilseite simuliert. In den Simulationen konnten die Forscher ganz genau zeigen, wann und unter welchen Bedingungen unter­schiedliche Belastungen auf die Isolator­stränge wirken. Dadurch können diese nun höher ausgelastet oder auch schlanker dimensioniert werden, da die Belastungen durch die Simulation besser bekannt sind.

„Unterm Strich bedeutet das einen effizienten Material­einsatz und eine Kosten­optimierung in der Produktion“, sagt Landschützer. Kosten werden auch auf anderer Ebene eingespart: Bislang wurden die Isolator­ketten in einer Versuchsanlage getestet, die es in Europa in dieser Form nur einmal gibt. Die Versuche werden dort im Maßstab eins zu eins durchgeführt und verursachen zusätzliche Kosten, bei einer gleichzeitig stark limitierten Anzahl an Versuchs­varianten. „Unsere Ergebnisse beweisen, dass die Simulations­methode aufwendige Versuche ersetzen kann – bei gleich­bleibender Qualität, mehr Flexi­bilität und höherem Erkenntnis­gewinn“, sagt Landschützer. Er geht davon aus, dass die Methode zukünftig auch in anderen Anwendungs­bereichen zum Einsatz kommt. 

TU Graz / JOL

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