Welchen Belastungen Isolatorketten an Hochspannungsmasten ausgesetzt sind, haben Forschende der TU Graz erstmals ermittelt − und Ansätze für Verbesserungen gefunden.

 

Sie sind unscheinbar, spielen bei der Betriebssicherheit von Hochspannungsleitungen aber eine „tragende Rolle“: Isolatorketten, die das stromführende Leiterseil mit dem Strommast verbinden. Forscher der TU Graz simulierten erstmals, welche Belastungen auf diese Ketten wirken. 

Durch ihre geringe Leitfähigkeit verhindern Isolatorketten, dass der Stromkreis über den Mast geschlossen und ein Kurzschluss verursacht wird. Zudem tragen sie das gesamte Gewicht der Leiterseile mitsamt der durch Wind oder Eis verursachten Zusatzlasten. Die Last, die dabei von einer Isolatorkette auf den Mast oder dessen Ausleger wirkt, kann mehr als 40 Tonnen betragen.

Bricht der Strang einer Mehrfachkette (sogenannter Primärbruch), müssen die übrigen Stränge den hochdynamischen Stoß abfangen, um einen Komplettbruch zu vermeiden. Nur so wird gewährleistet, dass der notwendige Sicherheitsabstand zum Boden beibehalten werden kann und das Leiterseil weiter sicher am Mast hängt. Denn fällt ein 380-kV-Freileitungsseil auf den benachbarten Ausleger oder auf den Boden, stellt das ein immenses Risiko dar.

Erstmalige Simulation komplexer Lastumlagerungen

Christian Landschützer, Forscher am Institut für Technische Logistik der TU Graz, hat gemeinsam mit seinem Team solche hochdynamischen Lastumlagerungsprozesse simuliert – angefangen beim Primärbruch einer Isolatorkette über die daraus resultierenden Schwingungen bis zum Zeitpunkt, an dem sich alle Leiterseile wieder in Ruhelage befinden. Untersucht wurden Dreifachabspannketten (das sind drei parallele Isolatorstränge) der österreichischen Firma Mosdorfer. In diesen Ketten hat Mosdorfer ein selbst entwickeltes und patentiertes Dämpferelement als Schutzvorrichtung verbaut. Bricht ein Isolatorstrang, soll das Dämpferelement die stoßartige Belastung auf ein beherrschbares Niveau reduzieren.

Es waren laut den Forschenden die weltweit ersten Untersuchungen dieser Art. Bisher wurden solche Simulationen nur sehr vereinfacht durchgeführt. Plastische Verformungen wurden vernachlässigt oder gar nicht abgebildet, da alle Bauteile bisher relativ steif waren. „Aufgrund des dritten Isolatorstranges und des Dämpferelements mussten wir uns erstmals in den dreidimensionalen Bereich begeben und zwei Simulationsmethoden miteinander koppeln. Das ist ein Detailniveau, das softwareseitig und aufgrund der notwendigen Rechnerleistung erst seit wenigen Jahren überhaupt möglich ist“, erklärt Landschützer.

Einerseits wurden die Seildynamik und das Bewegungsverhalten der Isolatorenstränge modelliert. Andererseits wurde die plastische Verformung des Dämpferelements abgebildet. 
 
In den Simulationen konnten die Forscher des Instituts für Technische Logistik (ITL) ganz genau zeigen, wann und unter welchen Bedingungen unterschiedliche Belastungen auf die Isolatorstränge wirken. Dadurch können diese nun höher ausgelastet beziehungsweise schlanker dimensioniert werden, da die Belastungen durch die Simulation besser bekannt sind. Landschützer: „Unterm Strich bedeutet das einen effizienten Materialeinsatz und eine Kostenoptimierung in der Produktion.“

Kosten werden auch auf anderer Ebene eingespart: Bislang wurden Isolatorketten in einer Versuchsanlage getestet, die es in Europa in dieser Form nur einmal gibt. Die Versuche werden dort im Maßstab eins zu eins durchgeführt und verursachen zusätzliche (Material-)Kosten bei einer gleichzeitig stark limitierten Anzahl an Versuchsvarianten. „Unsere Ergebnisse beweisen, dass die Simulationsmethode aufwendige Versuche ersetzen kann – bei gleichbleibender Qualität, mehr Flexibilität und höherem Erkenntnisgewinn“, freut sich Landschützer.