englisch
LeKI

Betriebszeiten voraussagen, Ausfallzeiten minimieren

Projektstatus
Begonnen
Tragmast mit zwei Phasen. Da die Freileitungen üblicherweise mit Drehstrom betrieben werden, sind für jede Phase drei einzelne Leitungen notwendig. 
© Gerisch - fotolia.com
Tragmast mit zwei Phasen. Da die Freileitungen üblicherweise mit Drehstrom betrieben werden, sind für jede Phase drei einzelne Leitungen notwendig.
© Gerisch - fotolia.com

Nach welcher Betriebsdauer sollten Isolatoren ausgetauscht werden? Kann man Austauschaktionen gemeinsam mit anderen Komponenten durchführen, um die Abschaltzeiten und Kosten niedrig zu halten und dennoch die Komponenten effizient und sicher zu nutzen? Gibt es Möglichkeiten, durch Inspektionen oder spezielle Prüfungen die garantierbare Lebensdauer der Isolatoren zu erhöhen? Diese Fragen lassen sich mit einer Lebensdauerprognose beantworten, die auf der Bruchmechanik beruht.

Abspannmast zum Aufbringen der Seilvorspannung und doppelten, redundanten Porzellan- Isolatorketten. © Dr.-Ing. Jan Schulte-Fischedick
Abspannmast zum Aufbringen der Seilvorspannung und doppelten, redundanten Porzellan- Isolatorketten. © Dr.-Ing. Jan Schulte-Fischedick

Hauptziel des Vorhabens ist der Aufbau einer werkstoffbasierten Lebensdauerprognose für Porzellan- Höchstspannungsisolatoren. Hierzu bilden die Partner Lapp Insulators, SAG und das Karlsruher Institut für Technologie mit den Netzbetreibern TenneT, 50Hertz und Amprion ein Team, das die werkstoffmechanischen Grundlagen aufbauen und ein Simulations-Werkzeug, basierend auf der Bruchmechanik und der Finiten Elemente (FEM) Methode, aufbauen will. Dieses Werkzeug können die Entwickler dann zur Bestandsbewertung und Betriebsstrategie-Optimierung der Freileitungen und Schaltstationen verwenden.

Die Bruchmechanik ist ein Verfahren, mit dem man die Entstehung und Ausbreitung von Rissen aus unvermeidlichen Anfangsdefekten berechnen kann. Sind die von außen angelegten Belastungen groß genug, sodass die sogenannte Bruchzähigkeit überschritten wird, versagt die Komponente binnen Bruchteilen von Sekunden („Spontanbruch“). Unterhalb der Bruchzähigkeit kann aber ein sogenanntes „unterkritisches Risswachstum“ auftreten. Das ist ein Riss, der solange wächst, bis der Restquerschnitt den Belastungen nicht mehr standhalten kann und per Spontanbruch versagt.

Die prinzipiellen Gesetzmäßigkeiten des unterkritischen Risswachstums sind an anderen Keramiken und Gläsern bereits seit circa 40 Jahren bekannt. Neu ist aber deren Anwendung auf große Bauteile wie Isolatoren. Isolatoren erhalten zudem grundsätzlich eine Glasur, die in der Oberfläche Druckeigenspannungen verursacht. Etwaige Oberflächendefekte werden so zugedrückt, sodass sie in der Regel nicht als Ausgangsdefekt für das Bauteilversagen auftreten. Deren Auswirkungen auf das unterkritische Risswachstum sind bisher aber nicht bekannt.

Untersuchungen an alten und neuen Materialien

Typischer keramischer Langstabisolator mit Gabelkappen, wie er in einem Mast verbaut wird; Baulänge 1270 mm; © Lapp Insulators GmbH
Typischer keramischer Langstabisolator mit Gabelkappen (unten), wie im Mast in Abbildung 1 verbaut; Baulänge 1270 mm; © Lapp Insulators GmbH

In einem ersten Schritt wollen die Entwickler alte Isolatoren aus Hochspannungsleitungen der beteiligten Netzbetreiber bergen und ihre Restfestigkeit im Komponententest untersuchen. Eine genaue Analyse der Bruchflächen erlaubt eine Bestimmung der Risswachstumsgeschichte. Welcher Defekt war versagensauslösend? Wie weit ist ein ursprünglich vorhandener Defekt unterkritisch gewachsen?

Weiterhin soll an neuem Porzellan das auf der Bruchmechanik beruhende Werkstoffgesetz zur Alterung des Porzellans ermittelt werden. Hierzu benötigen die Ingenieure Werkstoffproben, die sie über einen längeren Zeitraum mit bestimmten Kräften unterhalb der Spontanbruchfestigkeit belasten. Diese Kräfte führen dann zeitverzögert zum Versagen. Aus der Korrelation zwischen Ausfallzeit und Belastung lässt sich dann die Risswachstumsgeschwindigkeit berechnen.

Parallel dazu sind die auf Isolatoren tatsächlich wirkenden Kräfte in den Strommasten von Interesse. Eine einjährige Langzeitmessung soll Aufschluss über deren Verhalten zeigen. Hierzu wählen die Projektmitarbeiter repräsentative Standorte für die in Deutschland auftretenden Schnee- und Windlasten aus.

Zur Lebensdauerprognose wird ein marktübliches Software-Paket um das Thema „Unterkritisches Risswachstum“ erweitert. Ausgehend von einem angenommenen Defekt, der sich aus den Abnahmekriterien der Isolatoren ergibt, lässt sich nun unter Anlegen der ermittelten Belastung das unterkritische Risswachstum hochrechnen. Dies geschieht, bis ein vorher definiertes Versagenskriterium erreicht wird (deterministisches Verfahren). Alternativ kann eine sich aus routinemäßigen Prüfungen an Neuisolatoren ergebende statistische Fehlerverteilung über die Betriebsdauer hochgerechnet werden (probabilistisches Verfahren).
In einem abschließenden Schritt sollen die eingehenden Werkstoffuntersuchungen und die neue Bewertungsmethode zur Optimierung der Porzellanzusammensetzung genutzt werden.

Projektlaufzeit

09/2014 – 08/2017

Kontakt

Dr.-Ing. Jan Schulte-Fischedick
Projektkoordinator
Lapp Insulators GmbH
Bahnhofstr. 5
95632 Wunsiedel
+49(0)9232-50-295
+49(0)9232-50-204

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.

Basisinformationen

Wer bestimmt wann und wo eine Leitung in Deutschland gebaut wird? Der Netzausbau ist streng geregelt. Hier gibt es einen Überblick über das Verfahren.

MEHR

Wie ist unser Stromnetz aufgebaut? Was für Netzformen gibt es? Was bedeuten Versorgungssicherheit und -qualität?

MEHR

Was bedeutet Gleich-, was bedeutet Wechselstrom? Wo sind die Unterschiede, was sind die Vor- und Nachteile?

MEHR

Virtuelle Kraftwerke, aktive Verteilnetze, intelligente Zähler und adaptive Schutzsysteme. Hier gibt es Informationen zu den wichtigsten Punkten eines Smart Grid.

MEHR

Die erzeugte Energie muss in einem Netz immer gleich der verbrauchten Energie sein. Das zu gewährleisten ist Aufgabe der Systemdienstleistungen.

MEHR