Untersuchungen zum Einfluss der elektrischen Felder auf das Design von Kompakthöchstspannungsmasten aus ultrahochfestem Beton (UHPC) und zur Identifizierung der elektrischen und thermischen Parameter des UHPCs

Freileitungsmaste aus herkömmlichen Beton werden bereits heute in großer Zahl in Mittelspan-nungsnetzen eingesetzt. Im Bereich der Hochspannungsfreileitungen existieren bisher international nur wenige erste Freileitungen mit Masten aus herkömmlichen Beton. Um zukünftig Elektroenergie über große Entfernungen über Trassen mit geringen Flächenbedarf transportieren zu können, sind neue Hochspannungsfreileitungen in kompakter Bauweise notwendig. Um dieses Ziel zu erfüllen, sollen die Kompaktmaste aus ultra-hochfestem Beton (UHPC) hergestellt werden. Dafür ist eine neue Sorte von UHPC mit hoher Festigkeitsklasse zu entwickeln. Die mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften des neuen Betonmaterials waren zunächst unbekannt. Bisher gab es kaum Kenntnisse über die elektrischen und thermischen Belas-tungen, die auf die Betonmaste einer Freileitung in kompakter Bauweise einwirken. Ein Teilthema im interdisziplinären Forschungsprojekt „KoHöMaT“ (gefördert durch das Bundesmi-nisterium für Wirtschaft und Energie) war es, gemeinsam mit Forschungsinstituten (IMB, Fichtner, Lapp, Europoles, KIT, iBMB) die Materialparameter des neuen UHPC zu bestimmen. Den Einfluss der elektromagnetischen Belastungen auf die Lebensdauer und die Festigkeit des Ver-bundes aus Stahl und Beton habe ich untersucht. Aufgabe meiner Arbeit ist es auch, die elektrischen und thermischen Eigenschaften, wie die elektrische Leitfähigkeit, die elektrische Festigkeit, die Per-mittivität, den Verlustfaktor und die Wärmeleitfähigkeit experimentell zu bestimmen. Anhand der experimentellen Untersuchungen wurde der Versagensmechanismus des UHPC-Betons bei Span-nungsbelastung identifiziert. Die am Betonmast auftretenden elektrischen und thermischen Belas-tungen wurden mit Hilfe von verschiedenen FEM-Modellen berechnet und den gemessenen Fes-tigkeiten gegenübergestellt. Es wurde der Einfluss permanenter elektrischer Felder auf die mechanischen Eigenschaften des UHPC bestimmt. Hierfür wurde die Druckfestigkeit des Betons vor und nach Dauerversuchen bei verschiedenen Spannungsbelastung gemessen. Der Verbund zwischen Stahl und Beton wurde in Lastwechselversuchen thermisch hoch beansprucht und dessen mechanische Festigkeit vor und nach der thermischen Belastung bei Auszugsversuchen gemessen. Aufgrund der befürchtenden gesundheitlichen Risiken für Menschen und Tiere, sowie der gegen-seitigen Beeinflussung benachbarter elektronischer Systeme (EMV) dürfen die elektromagnetischen Felder von Freileitungen die jeweiligen maximal zulässigen Grenzwerte nicht überschreiten. Ich habe die Berechnungen der elektrischen und magnetischen Feldverteilung für die im Verbundvorhaben entwickelten Mastdesigns durchgeführt. Gemeinsam mit den Forschungsinstituten (Europoles, Fichtner, Lapp) wurden die Mastdesigns hinsichtlich der Feldverteilung optimiert.The Overhead line towers made of conventional concrete are already used in large numbers in the medium voltage nowadays. So far, only a few towers of overhead transmission line made of con-ventional concrete which exists internationally in the area of high voltage. In order to be able to transmit electrical energy over long distances by routes of less floor space requirements, new high voltage overhead lines in compact construction are necessary. To achieve this goal, the compact towers have to be made of ultra-high-performance concrete (UHPC). Therefore, a new kind of UHPC with a high strength class has to be developed. For this kind of new concrete, the mechanical, electrical and thermal characteristics were unknown till now either, there was rare knowledge about the electric and thermal loads which have an effect on the concrete towers of an overhead line in compact construction method. The main purpose part of this interdisciplinary research project 'KoHöMaT “, which funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy), was to identify the material parameters of the new UHPC together with the following research institutes (IMB, Fichtner, Lapp, Europoles, KIT, iBMB). It was examined the influence of electromagnetic loads on the lifetime and its’ strength bond be-tween both of composite steel and concrete, also as my major involve was to determine the elec-trical and thermal properties experimentally, such as electrical conductivity, electrical strength, per-mittivity, dissipation factor and finally thermal conductivity. As a result, the failure mechanism of the UHPC under the electrical stresses has been identified then,the electrical and thermal loads on the concrete towers were calculated by using various FEM models accordingly, the measured values were used in the determination of electrical strength. All mentioned theoretical calculated parameters were compared with the real measured parameters. The influence of permanent electric fields on mechanical properties of the UHPC was determined as well. Mainly, the compressive strength of the concrete was measured before and after durability tests at different voltage loads. In addition, the composite (interface) between steel and concrete was thermal extremely loaded by alternating load tests. Its mechanical strength has been measured by pull-out tests before and after this thermal loads. Due to the fear of health risks for both humans and animals, as well as the mutual influence of neighboring electronic systems (EMV), the electromagnetic fields of open lines must not exceed the respective maximum permissible limit values. The calculations of the electrical and magnetic field distribution were carried out for the mast design developed in the composite project. Together with the other research institute (Europoles, Fichtner, Lapp). the tower designs were optimized with re-gard to the field distribution