Die Sicherheit des Stromnetzes hängt von der Kontrolle der Spannung von Freileitungsseilen ab

Wenn der Winter naht, peitschen eisige Winde und Schnee unerbittlich auf hoch aufragende Übertragungsmasten. Stellen Sie sich den immensen Druck auf die Leiter vor, die diese Strukturen bei extremem Wetter verbinden. Die Leiterzugspannung - ein scheinbar unbedeutender Parameter - ist in Wirklichkeit der Schlüssel zur Sicherheit und Stabilität ganzer Energieübertragungssysteme. Die präzise Berechnung und effektive Kontrolle der Leiterzugspannung stellen für Elektroingenieure eine entscheidende Herausforderung dar.

Der sichere Betrieb von Freileitungen hängt von einer präzisen Spannungskontrolle ab. Übermäßige Spannung birgt das Risiko von Leiterbrüchen und Stromausfällen, während unzureichende Spannung zu übermäßigem Durchhang führt und die Sicherheitsabstände gefährdet. Daher müssen Energieversorgungssysteme sorgfältige Spannungsberechnungen beinhalten, um einen sicheren Betrieb unter allen Bedingungen zu gewährleisten.

Der Berechnungsprozess beginnt mit der Festlegung der grundlegenden Betriebsbedingungen und Sicherheitsfaktoren. Die Energiewirtschaft legt in der Regel Betriebsstandards auf der Grundlage des lokalen Klimas, der Geografie und der Bedeutung der Leitung fest. In britischen Übertragungsleitungen umfassen die gängigen Standards:

• Maximale Arbeitsspannung (MWT): Die Spitzenspannung, der die Leiter unter extremen Bedingungen standhalten können. Bei -6 °C mit einem Querwinddruck von 383 N/m² und einer Eisdicke von 12,7 mm sollte die Spannung beispielsweise 50 % der Bruchlast nicht überschreiten (Sicherheitsfaktor von 2).
• Alltagsbelastung (EDS): Spannung im Normalbetrieb. Bei 16 °C bleibt die Spannung in der Regel unter 20 % der Bruchlast.

Beachten Sie, dass das 20 %-Verhältnis als Beispiel dient - tatsächliche Konstruktionen müssen die Auswirkungen des Geländes auf die Windturbulenzen, die Alterung der Leiter und andere Faktoren berücksichtigen. Untersuchungen bestätigen, dass das Gelände die Muster der Windturbulenzen erheblich beeinflusst, was eine standortspezifische Berücksichtigung der Temperatur erforderlich macht.

Die Beziehung zwischen Leiterzugspannung (T) und Durchhang (S) folgt dieser Formel:

Dabei gilt:

• W = Leitergewicht pro Längeneinheit (kg/m)
• L = Spannweite (m)
• g = Erdbeschleunigung (1 kgf = 9,81 N)
• S = Leiterdurchhang (m)

Betrachten Sie einen Leiter mit 65,95 kN MWT bei -6 °C, 12,7 mm Eis und 383 N/m² Winddruck. Um seinen Durchhang bei 20 °C über 400 Metern zu berechnen:

Mit Leiterparametern:

• Durchmesser = 28,62 mm
• Elastizitätsmodul = 69 × 10³ MN/m²
• Querschnittsfläche = 484,5 mm²
• Wärmeausdehnungskoeffizient = 19,3 × 10⁻⁶ /°C
• Endgewicht = 1,621 kg/m

Konstrukteure müssen außergewöhnliche Umstände berücksichtigen:

Kurzschlüsse: Phasenleiter erfahren eine kurze mechanische Anziehung/Abstoßung. Obwohl die Dauer zu kurz für eine präzise Berechnung ist, verhindert ein ausreichender Phasenabstand Leiterkollisionen.

Eisbelastung: Eis erhöht das Leitergewicht, den Durchmesser und die Windlast. Regionen, in denen Schnee auftritt, erfordern geeignete Eislaststandards. EN 50341-3-9 legt für britische Konstruktionen eine gleichmäßige Eislast von 5 kN/m³ fest, oder 9 kN/m³, wenn sie mit Wind kombiniert wird.

Erdbeben: Seismische Aktivität führt horizontale/vertikale Beschleunigungen ein. Eine vereinfachte Analyse behandelt diese als äquivalente horizontale Lasten - für Transformatoren werden zusätzliche Momente basierend auf Gewicht, Höhe und Radstand berechnet.

Da Worst-Case-Szenarien selten zusammenfallen, kombinieren Ingenieure Lasten mit Bedacht:

• Volle Eislast + 50 % der Basiswindgeschwindigkeit
• Volle seismische Last + 50 % Windlast

Für Spannweiten unter 400 Metern nähert die Parabelgleichung die Spannung gut an:

Dabei ist f = Durchhang (m), p = Leitergewicht (kN/m), L = Spannweite (m) und T₀ = Spannung (kN).

Neben Leitern umfassen Übertragungssysteme:

• Blankdrähte: Freileitungen, die eine ausgezeichnete Leitfähigkeit, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit erfordern.
• Schutzdrähte: Auf dem Mast installierte Installationen, die Phasenleiter vor Blitzeinschlägen schützen.
• Hardware: Unterstützt, fixiert und verbindet Leiter und Isolatoren und verhindert gleichzeitig Vibrationsschäden.
• Masten: Konstruktionen, die sichere Abstände zwischen Leitern, Boden und Objekten einhalten. Zu den gängigen Typen gehören Holzmasten, Betonmasten und Stahlmasten.
• Abspannseile: Erhöhen die Mastfestigkeit, reduzieren den Materialbedarf und senken die Baukosten, indem sie Masten gegen Kippen oder Einsturz verankern.
• Fundamente: Erdmontierte Stützen, die ein Anheben, Kippen oder Absinken verhindern. Die Typen variieren je nach Geologie und umfassen vorgefertigte Sockel, Ortbetonpfähle und Felsfundamente.

Die Leiterzugspannung ist nach wie vor von größter Bedeutung für die Sicherheit der Freileitungsübertragung. Durch präzise Berechnung und Kontrolle - unter Berücksichtigung von Wetter, Geografie, Leitermerkmalen und Sonderlasten - stellen Ingenieure eine zuverlässige Stromversorgung unter allen Betriebsbedingungen sicher. Die umfassende Berücksichtigung dieser Faktoren ermöglicht fundierte Konstruktionsentscheidungen, die die elektrische Übertragungsinfrastruktur schützen.