Stahl-Aluminium Verbundseilen für Hochspannungsleitungen

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Ute Acker
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1 Das mechanisch-thermische Verhalten von Stahl-Aluminium Verbundseilen für Hochspannungsleitungen Dipl.-Ing. Dr. techn. Stefan JAUFER ETH Kolloquium Zürich, am

2 Hintergrund Zunehmender Energiebedarf Geänderte Betriebsweise von Freileitungen national und international Stark fluktuierenden Einspeisern (Windpark, Solaranlagen ) Wenig neue Regelkraftwerke Kaum neue Trassierungen umsetzbar (Anrainereinsprüche, Umweltaspekte ) Langwierige Genehmigungsverfahren Ausnutzen von gestehenden Kapazitäten, Optimierungen (Thermal Rating) 2

3 Motivation der Arbeit Leitungsevaluierung einer Hochspannungsfreileitung Berechnungsmodell nach ÖVE Formelsammlung Aber Frage der Gültigkeit? Für gealterte Seile (Seilkriechen) Für Seile mit hohem Stahlanteil (Temperaturkoeffizient) Erforschung des Verhalten von Verbundseilen Thermisch Mechanisch Alterung Abschluss der Dissertation Dez. 29, Arbeit ist über die ÖVE-Schriftenreihe erhältlich ISBN

4 Übertragungslimit Dehnungsverhalten Dehnungsverhalten Seillänge Temperatur Kraft Alterung Zulässige Seiltemperatur el. mag. Felder Aufhängung Isolator, Wind Mastbiegung Limit der Übertragung Notwendige Abstände Seilkurve Seilkraft Gewicht Eis, Wind Bodenprofil 4

5 Eigenschaften von Seilwerkstoffe STAHL E-Modul 2 21kN/mm² Therm.Ausdehungskoef ppm/K Leitfähigkeit 7 1.3S/m Kriechneigung ab >3 C Dichte 7.8g/cm³ Nicht korrosionsbeständig Ferromagnetisch 3:1 1:2 1:4 3:1 ALUMINIUM E-Modul 6 7kN/mm² Therm.Ausdehnungskoef ppm/K Leitfähigkeit S/m36 6S/ Kriechneigung ab > C Dichte 2.7g/cm³ Korrosionsbeständig Paramagnetisch 5

6 Typen von Freileitungsseilen AAC All Aluminium Conductor (1899) ACSR Aluminium Conductor Steel Reinforced (197) AAAC All Aluminium i Alloy Conductor (ab 1921) ACSR/AW oder ACSR/ACS ACSR Conductor with Aluminium Clad Steel AACSR Aluminium Alloy Conductor Steel Reinforced ACAR Aluminium Conductor Alloy Reinforced ACSS Aluminium Conductor Steel Supported Hohlseile, ACSR/AE, ACSR/SD, G(T)ACSR, VR, T2, ACCR, ACCC, LN-ACSR, Aero-Z, TAL XTAL, ACIR 6

7 Einteilung von Al/St Verbundseile ACSR: Seilkraft wirkt im Stahlkern UND Aluminiumhülle Höhere Bruchkraft Höhere thermischer Ausdehnungskoeffizient Geschlossene Oberflächenstruktur Einfache Verarbeitung und Montage Seilkriechen Übergang wird mit dem Kniepunkt beschrieben ACSS: Seilkraft wirkt ausschließlich im Stahlkern Geringere Bruchkraft Geringerer thermischer Ausdehnungskoeffizient Offenen Oberflächenstruktur Aufwendige Verarbeitung und Montage Kriechresistent 7

8 Verhalten von Verbundseilen Beispiel 34/11 Al/St F=3kN 2 Dehnung in pp pm 1-1 F=kN Dehnung in pp pm 1 ACSR Stahl Aluminium Druckbereich Temperaturänderung in K Temperaturänderung in K 8

Alterung Seilkriechen Irreversible Seillängung Ursachen im Material: Bewegungen von Versetzungen im Kristallgitter, Gleitungen längs Korngrenzen,

5: Permanent elongation of conductors - Predictor equation and evaluation methods in Electra, Nr.

9 Alterung Seilkriechen Irreversible Seillängung Ursachen im Material: Bewegungen von Versetzungen im Kristallgitter, Gleitungen längs Korngrenzen, Diffusion von Leerstellen Ursachen im Verbund: Polygoneffekte Plastische Flächenpressung Mathematische Beschreibung CIGRE Working Group 22.5: Permanent elongation of conductors - Predictor equation and evaluation methods in Electra, Nr. 75, Seite 63, March ac 1981 Dehnu ung e I II III Bereich III Bereich I Bereich II Zeit Übergangskriechen (primäres Kriechen) Stationäres Kriechen (sekundäres Kriechen) Tertiäres Kriechen (bis zum Bruch) 9

10 Einfluss der Kriechalterung auf das Verbundseil 3ppm Kriechlängung des Aluminiums eines 34/11 Seiles 3 Dehnung in p pm F=3kN -26K F=kN Temperaturänderung in K 1

11 Erarbeite mathematische Seilmodelle Lagenmodell Beschreibung des gesamten Seils in einzelnen Lagen Vorgaben Temperatur Gesamtkraft der Lagen Kriechlängung (Alterung) Drahtgeometrie, -werkstoffe Lagenaufbau, Schlaglängen Ergebnis Einzel-, und Gesamtdehnung Spannung in den einzelnen Lagen Eigenschaft Iterative Lösung Rechenintensiv Konvergenzkriterien Vereinfachtes Seilmodell Beschreibung des Seiles als Einheit Vorgabe Temperatur Kraft Kriechlängung (Alterung) Seilparameter (individuell für jeden Seiltyp und Schlaglänge) Ergebnis Gesamtdehnung Eigenschaft Geschlossene Lösung Sehr geringer Rechenaufwand Stabil 11

12 Praktische Evaluierung Anforderung Bestimmung der Seildehnung Einwirkungsgrößen Seilkraft (Seilspannung) Seiltemperatur Seiltyp Reckung* Kriechen** * Verfälschung während der Untersuchung ** Platzbedarf, Zeitaufwand, beschleunigte Alterung 12

13 Schema des Versuchsstandes IR-Cam Seilzuggeber Spindelposition Spindelgeschwindigkeit FU Seilprobe ASM Netz Strommessung Kraft 13

14 Umsetzung 14

15 Untersuchte Seiltypen 24/4:neue und gebrauchte Seile 21.84mm 34/11:gebrauchte Seile 27.66mm 68/85:neue Seile 36mm 15

16 Messbeispiel 34/11 Al/St Seil Seilkonditionierung Strom Seilkraft IR-AW IR-AVG 12 1 Seilkraft in kn Strom in A Seil ltemperatur r in C :4 8: 8:2 8:4 9: 9:2 Uhrzeit 16

17 Dehnungs-Spannungs-Verlauf Deh hnung in H12C3 H3C1 H5C1 H7C1 H9C1 H13C Deh hnung in H12C3 H3C1 H5C1 H7C1 H9C1 H13C Spannung in N/mm² Spannung in N/mm² Steigende Belastung Fallende Belastung 17

18 Dehnungs-Spannungs-Verlauf: fallende Belastung 4 E-Modul 3.5 Dehnun ng in Temperatu urnt koeffizien H12C3 1 H3C1 H5C1 H7C1 H9C1 H13C Spannung in N/mm² 18

19 Elastizitätsmodul E-Mo odul in kn/mm m² H12C3 H3C1 H5C1 H7C1 H9C1 H13C2 Sollwert E-Mo odul in kn/mm m² H12C3 H3C1 H5C1 H7C1 H9C1 H13C2 Sollwert Spannung in N/mm² Spannung in N/mm² Steigende Belastung Fallende Belastung 19

20 Temperaturkoeffizient Te emperaturkoe effizient in ppm m/k H_up_AVG H_down_AVG Sollwert +9% Spannung in N/mm²

21 Oberflächentemperaturen Seiltyp 24/4 Seiltyp 34/11 Seiltyp 68/85 21

22 Die Seiltemperatur 96. C 96 Betrachteter Ausschnitt IR-AW Temperaturprofil der Zeilenmittelwerte in C Mittelwert 96. C in C fil entlang der Zeile Temperaturprof 86 22

23 Einfluss der Seilkraft Strom IR-AW 78 9 Seilkraft IR-AVG 76 Seilkraft in kn Strom in A Se eiltemperatur r in C :56 8:58 9: 9:2 9:4 Uhrzeit 66 23

24 ETH Kolloquium Temperaturmessung 68/85 Seil Temp peratur in C C : 1: 11: 12: 13: 14: Uhrzeit 15: 16: 17: Kraft in kn K TC Temperatur im Seil IR_AVG IR_AW Oberflächentemperatur Kraft 18: 24

25 Zusammenfassende Erkenntnisse Verbundseile aus Stahl und Aluminium haben Übergang von ACSR auf ACSS Übergang ist kraftabhängig Modellrechnung bestätigen großteils Datenblätter (Ausnahme 34/11 E-Modul +7%) Messergebnisse: Verschliffener Übergang von ACSR auf ACSS (aufgrund Probenvorbereitung) E-Modul Angaben der Datenblätter großteils verifiziert Temperaturkoeffizienten über den Datenblattwerten (Definition Seiltemperatur bei Stromheizung) 25

26 Umlegung auf Freileitungen: Durchhang 34/11 Kurzspannfeld 2m Regelspannfeld 33m Weitspannfeld 6m rchhang in m Seildur rchhang in m % 6% 6% % 4 7% 7% 1 8% 8% 1 8%.5 9% 2 9% 9% 5 1% 1% 1% Dauer in a Dauer in a Dauer in a Seildur rchhang in m Seildur In Abhängigkeit der Dauerzugspannung 34/11: 1%=12N/mm² Diagramme bei Seiltemperatur=1 C Alterungsmodel nach Cigre bei Alterungstemperatur=17 C 26

27 Umlegung auf Freileitungen: Seildehnung 34/11 Kurzspannfeld 2m Regelspannfeld 33m Weitspannfeld 6m Seildeh hnung in ppm Seildeh hnung in ppm % 6% 6% 7% 4 7% 4 7% 8% 8% 8% 9% 2 9% 2 9% 1% 1% 1% Dauer in a Dauer in a Dauer in a Seildeh hnung in ppm

28 Umlegung auf Freileitungen: Änderung der Kniepunkttemperatur 34/11 in m Durchhang % 6 7% 4 8% 9% 2 1% Kniepunkt Seiltemperatur in C in m Durchhang % 7% 8% 9% 1% Kniepunkt Seiltemperatur in C Neu Nach 4 Jahren bei 17 C 28

29 Lastumlagerung mit der Zeit Lastverteilu ung 6% 5% 4% Stahl Aluminium Alu miniumlängun ng in ppm Seildehnung in ppm 3% Betriebsdauer in a Betriebsdauer in a 29

30 Umlegung auf Freileitungen: Durchhangsänderung mit Alterungstemperatur angsvergrößer rung AZ =6% Durchh 4.5% 4.% 3.5% 3.% 2.5% 2.% 1.5% 1.%.5% %.% Dauertemperatur in C 24/418% 6% 34/11 6% 68/85 6% 24/416% 1% 34/11 1% 68/85 14% 1% Wendepunkt AZ..Ausgangszugspannung in % von der maximalzulässigen Dauerzugspannung Regelspannfeld 33m 12% 1% 8% 6% 4% 2% % 1% Du urchhangsvergr rößerung AZ = 3

31 Umlegung auf Freileitungen: Resümee Alterung führt i.d.r. zur Durchhangsvergrößerung Durchhangsvergrößerung steigt mit zunehmender Seilkraft Kniepunkt Höhere Seilkraft höhere Kniepunkttemperatur Höhere Kraft, höhere Alterung, stärkeres Absinken der Kniepunkttemperatur p Wendepunkte Seiltyp und kraft abhängig, i.d.r. weit über der Betriebstemperatur (n-1) 31

32 Agenda-Folie 1. Das mechanisch-thermische Verhalten von Stahl-Aluminium Verbundseilen für Hochspannungsleitungen 2. Hintergrund 3. Motivation der Arbeit 4. Übertragungslimit Dehnungsverhalten 5. Eigenschaften von Seilwerkstoffe 6. Typen von Freileitungsseilen 7. Einteilung von Al/St Verbundseile 8. Verhalten von Verbundseilen 9. Alterung Seilkriechen 1. Einfluss der Kriechalterung auf das Verbundseil 11. Erarbeite mathematische Seilmodelle 12. Praktische Evaluierung 13. Schema des Versuchsstandes 14. Umsetzung 15. Untersuchte Seiltypen 16. Messbeispiel 34/11 Al/St Seil 17. Dehnungs-Spannungs-Verlauf 18. Dehnungs-Spannungs-Verlauf: fallende Belastung 19. Elastizitätsmodul 2. Temperaturkoeffizient 21. Oberflächentemperaturen 22. Die Seiltemperatur 23. Einfluss der Seilkraft 24. Temperaturmessung 68/85 Seil 25. Zusammenfassende Erkenntnisse 26. Umlegung auf Freileitungen: Durchhang 34/ Umlegung auf Freileitungen: Seildehnung 34/ Umlegung auf Freileitungen: Änderung der Kniepunkttemperatur 34/ Lastumlagerung mit der Zeit 3. Umlegung auf Freileitungen: Durchhangsänderung mit Alterungstemperatur 31. Umlegung auf Freileitungen: Resümee 32

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