Das mechanische Verhalten von Verbundisolatoren für die elektrische Energietechnik

Diese Arbeit ist das Ergebnis von mehr als 35 Jahren Erfahrung mit Hochspannungsfreileitungen, 25 Jahre davon sind durch die intensive Beschäftigung mit Silikonverbundisolatoren stark geprägt worden. Verbundisolatoren werden inzwischen als gleichwertige Alternative zu Porzellan- und Glasisolatoren anerkannt und weltweit in großen Stückzahlen eingesetzt. Durch die Verschiedenartigkeit seiner Komponenten ist die Wechselwirkung zwischen mechanischer und elektrischer Integrität bei einem Verbundisolator von großer Bedeutung. Man denke z.B. an die Auswirkung von Rissen im glasfaserverstärkten Kern, die durch unzureichende mechanische Auslegung entstehen und Teilentladungen bzw. im schlimmsten Fall einen inneren Durchschlag verursachen können. In diesem Sinne untersucht diese Arbeit , nach einer kurzen Einleitung, die verschiedenen Bauarten von Verbundisolatoren, d.h. Verbundlangstäbe, Verbundstützer, Isoliertraversen für Kompaktleitungen und Phasenabstandshalter; insbesondere für letztere werden neue Erkenntnisse zu deren mechanischen Bemessung hier erstmalig veröffentlicht.:1 Einleitung 1.1 Vorteile und Entwicklung von Verbundisolatoren 1.2 Erfahrungen mit Verbundisolatoren 1.3 Einsatz von Verbundisolatoren in Hochspannungsfreileitungen 1.4 Einsatz von Verbundisolatoren bei elektrischen Apparaten und Freiluftschaltanlagen. 1.5 Stand der Normung 2 Verbundlangstabisolatoren 2.1 Anwendungen von Verbundlangstabisolatoren 2.2 Das Verhalten von Verbundlangstabisolatoren unter mechanischer Beanspruchung 2.2.1 Die Dauerstandfestigkeit von Verbundlangstabisolatoren 2.2.1.1 Die Dauerkraftkurve von Verbundisolatoren nach IEC 61109/92 2.2.1.2 Mechanisches Modell für das Langzeitverhalten von Verbundisolatoren 2.3 Verhalten von Verbundlangstabisolatoren bei dynamischer Belastung 2.4 Auslegung und Montage von Endarmaturen für Verbundlangstäbe 2.4.1 Entwicklung und Stand der Technik der Metallarmaturen 2.4.2 Grundsätzliche Überlegungen zu der Auslegung von Pressarmaturen 2.4.3 Montagetechnik von Pressarmaturen 2.4.4 Berechnungssystematik 2.4.5 Einfache analytische Methode 2.4.6 Fortgeschrittene analytische Methode 2.4.6.1 Verpressung 2.4.6.2 Relaxation 2.4.6.3 Zugbelastung/Pull-out 2.4.7 Numerische Simulation 2.4.7.1 Finite Elemente Modell 2.4.7.2 Rechenergebnisse der Simulation 2.4.7.3 Ergebnisse der numerischen Versagenssimulation 2.4.7.4 Versuchsergebnisse 2.4.7.5 Sensitivitätsanalyse 2.5 Formelzeichen und Abkürzungen 3 Verbundstützisolatoren 3.1 Wesentliche Eigenschaften 3.2 Anwendungen von Verbundstützisolatoren 3.3 Das Verhalten von Verbundstützisolatoren unter Biegung 3.3.1 Allgemeines 3.3.2 Einführung einer Schadensgrenze (damage limit) 3.3.2.1 Versuche zur Bestimmung der Schadensgrenze 3.3.2.2 Versuch zur Bestimmung der maximalen Betriebsbiegelast (MDCL) 3.3.2.3 Bestimmung der MDCL und der SCL im gleichen Versuch 3.4 Herstellerangaben zum SCL/MDCL Konzept 3.5 Das sichere Verhalten beim Versagen von Verbundstützern (safe failure mode) 3.6 Kombinierte Belastungen 3.6.1 Lastdiagramme 3.6.2 Beispiele 3.6.2.1 Horizontale Lage des Isolators 3.6.2.2 Isolator bildet einen Winkel von β = 15° zur Horizontalen 3.6.3 Computersimulation 3.6.4 Versuche 3.7 Dynamische Belastungen 3.7.1 Prüflinge 3.7.2 Prüfverfahren 3.7.3 Versuchsergebnisse 3.8 Konstruktive Anforderungen der Endarmaturen 3.9 Analytische Berechnungsmethoden 3.9.1 Einfache analytische Methode 3.9.2 Fortgeschrittene analytische Methode 3.9.2.1 Radiale Druckspannung an der Öffnung der Metallarmatur 3.9.2.2 Axialspannung im GFK-Stab innerhalb der Metallarmatur 3.9.2.3 Schubspannung in der neutralen Achse des Stabes 3.10 Numerische Simulation 3.10.1 Finite Elemente Modell 3.10.2 Versuchsanordnung 3.11 Das Versagensverhalten von Verbundstützisolatoren 3.12 Sensitivitätsanalyse 3.13 Formelzeichen und Abkürzungen 4 Isoliertraversen für Kompaktleitungen 4.1 Einleitung 4.2 Grundsätze der Kompaktierung 4.2.1 Einfluss der Seilaufhängung auf das Mastbild 4.2.2 Möglichkeiten der Leitungskompaktierung 4.2.2.1 V-Ketten 4.2.2.2 Leitungsstützer (horizontal) 4.2.2.3 Abgehängter Leitungsstützer 4.2.2.4 Isoliertraverse 4.3 Die mechanische Auslegung von Isoliertraversen 4.3.1 Die starr gelagerte Isoliertraverse 4.3.2 Die gelenkig gelagerte Isoliertraverse (horizontal-V) 4.3.3 Dynamische Belastungen 4.3.4 Stabilitätsuntersuchungen 4.4 Innovative Anwendungen von Kompaktleitungen 4.4.1 420 kV Leitung mit Hohlkörperisolatoren in der Schweiz 4.4.2 Notgestänge mit Verbundisolatoren 4.4.3 Erste 420 kV Doppelleitung mit Volkernverbundtraversen 4.5 Formelzeichen und Abkürzungen 5 Phasenabstandshalter 5.1 Einleitung 5.2 CIGRE Umfrage 5.2.1 Auswertung Fragebogen 5.2.2 Betriebserfahrungen 5.3 Anschlusstechnik 5.4 Mechanische Auslegung von Phasenabstandshaltern 5.4.1 Galloping 5.4.1.1 Galloping Amplituden 5.4.1.2 Bauweisen 5.4.1.3 Einbauempfehlungen 5.4.1.4 Belastungen der PAH durch Galloping 5.4.2 Abwurf von Eislasten 5.4.2.1 Stosskräfte auf die PAH . 5.4.3 Elektrodynamische Kurzschlusskräfte 5.4.4 Das Knickverhalten von Phasenabstandshaltern 5.5 Elektrische Auslegung von Phasenabstandshaltern 5.5.1 Mindestlänge 5.5.2 Koronaeffekte 5.5.3 Verschmutzung 5.6 Anwendungen 5.6.1 Kompaktleitung für Mittelspannung 5.6.2 Phasenabstandshalter gegen Seiltanzen durch Eisabwurf 5.6.3 Der Tennisschlägermast 5.7 Formelzeichen und Abkürzungen 6 Ausblick 7 Anhang IEC Normen betreffend Verbundisolatoren 8 Quellenverzeichnis.This work is the result of more than 35 years of experience with high-voltage overhead lines, 25 years of which have been devoted to silicone composite insulators. Composite insulators are nowadays regarded as an equivalent alternative to porcelain and glass insulators and are used worldwide in large quantities. Due to the diverse properties of the individual insulator components, the interaction between mechanical and electrical integrity in a composite insulator is of paramount importance. For example, cracks in the glass fiber reinforced core, caused by poor mechanical design, can lead to partial discharges and in the worst case to a catastrophic internal electrical breakdown ('flashunder'). In this sense this publication examines, after a short introduction, the different types of composite insulators, i.e. composite long rods, composite posts, insulating cross-arms for compact lines and phase-to-phase spacers; for the latter a new mechanical design concept considering large deflection theory is presented here for the first time.:1 Einleitung 1.1 Vorteile und Entwicklung von Verbundisolatoren 1.2 Erfahrungen mit Verbundisolatoren 1.3 Einsatz von Verbundisolatoren in Hochspannungsfreileitungen 1.4 Einsatz von Verbundisolatoren bei elektrischen Apparaten und Freiluftschaltanlagen. 1.5 Stand der Normung 2 Verbundlangstabisolatoren 2.1 Anwendungen von Verbundlangstabisolatoren 2.2 Das Verhalten von Verbundlangstabisolatoren unter mechanischer Beanspruchung 2.2.1 Die Dauerstandfestigkeit von Verbundlangstabisolatoren 2.2.1.1 Die Dauerkraftkurve von Verbundisolatoren nach IEC 61109/92 2.2.1.2 Mechanisches Modell für das Langzeitverhalten von Verbundisolatoren 2.3 Verhalten von Verbundlangstabisolatoren bei dynamischer Belastung 2.4 Auslegung und Montage von Endarmaturen für Verbundlangstäbe 2.4.1 Entwicklung und Stand der Technik der Metallarmaturen 2.4.2 Grundsätzliche Überlegungen zu der Auslegung von Pressarmaturen 2.4.3 Montagetechnik von Pressarmaturen 2.4.4 Berechnungssystematik 2.4.5 Einfache analytische Methode 2.4.6 Fortgeschrittene analytische Methode 2.4.6.1 Verpressung 2.4.6.2 Relaxation 2.4.6.3 Zugbelastung/Pull-out 2.4.7 Numerische Simulation 2.4.7.1 Finite Elemente Modell 2.4.7.2 Rechenergebnisse der Simulation 2.4.7.3 Ergebnisse der numerischen Versagenssimulation 2.4.7.4 Versuchsergebnisse 2.4.7.5 Sensitivitätsanalyse 2.5 Formelzeichen und Abkürzungen 3 Verbundstützisolatoren 3.1 Wesentliche Eigenschaften 3.2 Anwendungen von Verbundstützisolatoren 3.3 Das Verhalten von Verbundstützisolatoren unter Biegung 3.3.1 Allgemeines 3.3.2 Einführung einer Schadensgrenze (damage limit) 3.3.2.1 Versuche zur Bestimmung der Schadensgrenze 3.3.2.2 Versuch zur Bestimmung der maximalen Betriebsbiegelast (MDCL) 3.3.2.3 Bestimmung der MDCL und der SCL im gleichen Versuch 3.4 Herstellerangaben zum SCL/MDCL Konzept 3.5 Das sichere Verhalten beim Versagen von Verbundstützern (safe failure mode) 3.6 Kombinierte Belastungen 3.6.1 Lastdiagramme 3.6.2 Beispiele 3.6.2.1 Horizontale Lage des Isolators 3.6.2.2 Isolator bildet einen Winkel von β = 15° zur Horizontalen 3.6.3 Computersimulation 3.6.4 Versuche 3.7 Dynamische Belastungen 3.7.1 Prüflinge 3.7.2 Prüfverfahren 3.7.3 Versuchsergebnisse 3.8 Konstruktive Anforderungen der Endarmaturen 3.9 Analytische Berechnungsmethoden 3.9.1 Einfache analytische Methode 3.9.2 Fortgeschrittene analytische Methode 3.9.2.1 Radiale Druckspannung an der Öffnung der Metallarmatur 3.9.2.2 Axialspannung im GFK-Stab innerhalb der Metallarmatur 3.9.2.3 Schubspannung in der neutralen Achse des Stabes 3.10 Numerische Simulation 3.10.1 Finite Elemente Modell 3.10.2 Versuchsanordnung 3.11 Das Versagensverhalten von Verbundstützisolatoren 3.12 Sensitivitätsanalyse 3.13 Formelzeichen und Abkürzungen 4 Isoliertraversen für Kompaktleitungen 4.1 Einleitung 4.2 Grundsätze der Kompaktierung 4.2.1 Einfluss der Seilaufhängung auf das Mastbild 4.2.2 Möglichkeiten der Leitungskompaktierung 4.2.2.1 V-Ketten 4.2.2.2 Leitungsstützer (horizontal) 4.2.2.3 Abgehängter Leitungsstützer 4.2.2.4 Isoliertraverse 4.3 Die mechanische Auslegung von Isoliertraversen 4.3.1 Die starr gelagerte Isoliertraverse 4.3.2 Die gelenkig gelagerte Isoliertraverse (horizontal-V) 4.3.3 Dynamische Belastungen 4.3.4 Stabilitätsuntersuchungen 4.4 Innovative Anwendungen von Kompaktleitungen 4.4.1 420 kV Leitung mit Hohlkörperisolatoren in der Schweiz 4.4.2 Notgestänge mit Verbundisolatoren 4.4.3 Erste 420 kV Doppelleitung mit Volkernverbundtraversen 4.5 Formelzeichen und Abkürzungen 5 Phasenabstandshalter 5.1 Einleitung 5.2 CIGRE Umfrage 5.2.1 Auswertung Fragebogen 5.2.2 Betriebserfahrungen 5.3 Anschlusstechnik 5.4 Mechanische Auslegung von Phasenabstandshaltern 5.4.1 Galloping 5.4.1.1 Galloping Amplituden 5.4.1.2 Bauweisen 5.4.1.3 Einbauempfehlungen 5.4.1.4 Belastungen der PAH durch Galloping 5.4.2 Abwurf von Eislasten 5.4.2.1 Stosskräfte auf die PAH . 5.4.3 Elektrodynamische Kurzschlusskräfte 5.4.4 Das Knickverhalten von Phasenabstandshaltern 5.5 Elektrische Auslegung von Phasenabstandshaltern 5.5.1 Mindestlänge 5.5.2 Koronaeffekte 5.5.3 Verschmutzung 5.6 Anwendungen 5.6.1 Kompaktleitung für Mittelspannung 5.6.2 Phasenabstandshalter gegen Seiltanzen durch Eisabwurf 5.6.3 Der Tennisschlägermast 5.7 Formelzeichen und Abkürzungen 6 Ausblick 7 Anhang IEC Normen betreffend Verbundisolatoren 8 Quellenverzeichnis