TY - THES

T1 - HV-Freileitungsseile - Stand der Technik und Entwicklungsmöglichkeiten

AU - Koch, Lukas

N1 - gesperrt bis 22-01-2025

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Da erneuerbare Energie meist dezentral erzeugt wird, muss diese oft weite Strecken bis zu den eigentlichen Verbraucherzentren zurücklegen. Zudem steht Sonnen- oder Windenergie nur diskontinuierlich zur Verfügung und sorgt für lokale Stromüberschüsse, während anderswo Lastspitzen nicht von der Erzeugung abgedeckt werden können. Um den Strom wirksam und ökonomisch in das Stromsystem eingliedern zu können, geht mit den erneuerbaren Energien auch unweigerlich ein verstärkter Netzausbau einher. Es ist nötig, neue Technologien entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu entwickeln und bestehende Systeme effizient zu optimieren. Die vorliegende Masterarbeit setzt sich das Ziel, den aktuellen technischen Stand im Bereich der Freileitungsseile im Hochspannungssegment zusammenzufassen und einen Ausblick auf potenzielle Optimierungsrichtungen zu bieten. In diesem Rahmen wird im Speziellen auf den Werkstoff und Behandlungsverfahren zur Verbesserung desselben eingegangen. Das erste Kapitel legt die Motivation der Arbeit dar und erklärt mögliche Folgen eines Netzzusammenbruches. Kapitel 2 dieser Arbeit beinhaltet eine Recherche hinsichtlich der im Hochspannungssektor relevanten Grundlagen. Im Besonderen werden die elektrische Leitfähigkeit definiert und Vergleiche zwischen unterschiedlichen Leitertypen und -materialien durchgeführt. Neben der elektrischen findet auch auf die thermische Leitfähigkeit sowie die thermische Ausdehnung und deren Wechselwirkung untereinander nähere Betrachtung. Das darauffolgende Kapitel 3 beleuchtet aktuell im Einsatz befindliche Technologien näher und stellt unterschiedliche Seiltypen gegenüber. Die Werkstoffe sind hierbei von besonderer Bedeutung. Unterschieden wird zwischen Leitermaterialien zur Übertragung des elektrischen Stromes und Trägermaterialien, welche hauptsächlich als Verstärkung zur Aufnahme der mechanischen Spannung wirken. In Kapitel 4 wird das Anforderungsprofil der Leiterseile näher beleuchtet und die Optimierungsrichtung festgelegt. Zur Bewertung bestehender Lösungen ist hier eine QFD-Analyse eingebettet. Anschließend werden Möglichkeiten zur Optimierung aufgestellt. Selbst wenn eine Funktions-Aufteilung in Leiter- und Trägerdrähte gemacht wird, so soll das Leitermaterial dennoch eine gewisse Festigkeit und Alterungsbeständigkeit aufweisen. Die Festigkeitssteigerung von Aluminiumlegierungen kann im Allgemeinen durch Kornfeinung oder auch durch Kaltverfestigung ohne einen drastischen Verlust der elektrischen Leitfähigkeit vollbracht werden. Sowohl eine Mischkristall- als auch eine Ausscheidungshärtung senken die Leitfähigkeit stark. Um Aluminium-Leiter temperaturbeständiger zu machen und vor einer Rekristallisation während des Betriebes zu schützen, können sie mit Zusätzen legiert werden. Insbesondere sind bereits Zirkon-Legierungen im Einsatz. Um Trägerseile zu verbessern und den Durchhang auch bei hohen Temperaturen zu minimieren, ist an Composite-Werkstoffe zu denken. Sowohl PMCs als auch MMCs können hochfeste Alternativen mit geringerer Dichte als Stahl sein. Der Nachteil dieser Lösungen liegt in der unwirtschaftlichen Herstellung und dem damit einhergehenden hohen Preis. Optische Beschichtungen und geräuscharme Seile können Anforderungen des Kunden sein und werden daher in Kapitel 4 angeschnitten. Abschließend sind Möglichkeiten zur Verlustminimierung abseits des Werkstoffes beschrieben. Hierzu zählen die Verwendung von Gleichstrom, das Freileitungsmonitoring und sogenannte Smart Grids. Das fünfte Kapitel beschäftigt sich mit artfremden Anwendungen, die man im ersten Moment nicht mit Freileitungsseilen in Verbindung bringt. Hierfür wurden analoge Beanspruchungsprofile fern der bekannten Branche gesucht. Zum Schluss werden die Erkenntnisse in einem eigenen Kapitel diskutiert und eine Zusammenfassung mit Ausblick erbracht.

AB - Da erneuerbare Energie meist dezentral erzeugt wird, muss diese oft weite Strecken bis zu den eigentlichen Verbraucherzentren zurücklegen. Zudem steht Sonnen- oder Windenergie nur diskontinuierlich zur Verfügung und sorgt für lokale Stromüberschüsse, während anderswo Lastspitzen nicht von der Erzeugung abgedeckt werden können. Um den Strom wirksam und ökonomisch in das Stromsystem eingliedern zu können, geht mit den erneuerbaren Energien auch unweigerlich ein verstärkter Netzausbau einher. Es ist nötig, neue Technologien entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu entwickeln und bestehende Systeme effizient zu optimieren. Die vorliegende Masterarbeit setzt sich das Ziel, den aktuellen technischen Stand im Bereich der Freileitungsseile im Hochspannungssegment zusammenzufassen und einen Ausblick auf potenzielle Optimierungsrichtungen zu bieten. In diesem Rahmen wird im Speziellen auf den Werkstoff und Behandlungsverfahren zur Verbesserung desselben eingegangen. Das erste Kapitel legt die Motivation der Arbeit dar und erklärt mögliche Folgen eines Netzzusammenbruches. Kapitel 2 dieser Arbeit beinhaltet eine Recherche hinsichtlich der im Hochspannungssektor relevanten Grundlagen. Im Besonderen werden die elektrische Leitfähigkeit definiert und Vergleiche zwischen unterschiedlichen Leitertypen und -materialien durchgeführt. Neben der elektrischen findet auch auf die thermische Leitfähigkeit sowie die thermische Ausdehnung und deren Wechselwirkung untereinander nähere Betrachtung. Das darauffolgende Kapitel 3 beleuchtet aktuell im Einsatz befindliche Technologien näher und stellt unterschiedliche Seiltypen gegenüber. Die Werkstoffe sind hierbei von besonderer Bedeutung. Unterschieden wird zwischen Leitermaterialien zur Übertragung des elektrischen Stromes und Trägermaterialien, welche hauptsächlich als Verstärkung zur Aufnahme der mechanischen Spannung wirken. In Kapitel 4 wird das Anforderungsprofil der Leiterseile näher beleuchtet und die Optimierungsrichtung festgelegt. Zur Bewertung bestehender Lösungen ist hier eine QFD-Analyse eingebettet. Anschließend werden Möglichkeiten zur Optimierung aufgestellt. Selbst wenn eine Funktions-Aufteilung in Leiter- und Trägerdrähte gemacht wird, so soll das Leitermaterial dennoch eine gewisse Festigkeit und Alterungsbeständigkeit aufweisen. Die Festigkeitssteigerung von Aluminiumlegierungen kann im Allgemeinen durch Kornfeinung oder auch durch Kaltverfestigung ohne einen drastischen Verlust der elektrischen Leitfähigkeit vollbracht werden. Sowohl eine Mischkristall- als auch eine Ausscheidungshärtung senken die Leitfähigkeit stark. Um Aluminium-Leiter temperaturbeständiger zu machen und vor einer Rekristallisation während des Betriebes zu schützen, können sie mit Zusätzen legiert werden. Insbesondere sind bereits Zirkon-Legierungen im Einsatz. Um Trägerseile zu verbessern und den Durchhang auch bei hohen Temperaturen zu minimieren, ist an Composite-Werkstoffe zu denken. Sowohl PMCs als auch MMCs können hochfeste Alternativen mit geringerer Dichte als Stahl sein. Der Nachteil dieser Lösungen liegt in der unwirtschaftlichen Herstellung und dem damit einhergehenden hohen Preis. Optische Beschichtungen und geräuscharme Seile können Anforderungen des Kunden sein und werden daher in Kapitel 4 angeschnitten. Abschließend sind Möglichkeiten zur Verlustminimierung abseits des Werkstoffes beschrieben. Hierzu zählen die Verwendung von Gleichstrom, das Freileitungsmonitoring und sogenannte Smart Grids. Das fünfte Kapitel beschäftigt sich mit artfremden Anwendungen, die man im ersten Moment nicht mit Freileitungsseilen in Verbindung bringt. Hierfür wurden analoge Beanspruchungsprofile fern der bekannten Branche gesucht. Zum Schluss werden die Erkenntnisse in einem eigenen Kapitel diskutiert und eine Zusammenfassung mit Ausblick erbracht.

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