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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Der Aluminium Conductor Composite Reinforced (ACCR) ist ein Hochspannungsleiter, der auf Basis einer Aluminium-Matrix-Verbundtechnik die bisherigen Aluminium/Stahl-Seile ersetzen kann, ohne dass Änderungen an vorhandenen Strommasten und Fundamenten erforderlich sind. Er kann etwa doppelt so viel Strom übertragen kann, wie herkömmliche Stahlseile.
© 3M Deutschland
Temperaturfestigkeit von Freileitungen
Projektinfo 13/2016

Die Temperatursensoren werden mit thermisch leitfähigem Hochtemperatur-Silikonkleber am Leiter fixiert.
© RWTH Aachen

Das Schema zeigt die verschiedenen Leiterarten während des Feldtests: Zwischen Mast 21 und 33A kamen HTLS-Leiter zum Einsatz. Die Orte der Temperaturmessung an den Leitern sind mit einem Kreis, die der Klemmentemperaturen mit einem Strich markiert.
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Sowohl die Drähte im Kern als auch die Aluminium-Zirkonium-Drähte im Mantel tragen zur Zugfestigkeit und zur Leitfähigkeit des ACCR-Seils bei.
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Der heiße Draht im Netz

Das Stromnetz, wie es Jahrzehnte im Einsatz war, kommt bei einem vermehrten Transport über große Distanzen an seine Grenzen. Es gibt schon jetzt limitierende Engpässe. Eine Möglichkeit, mehr Wind- und Sonnenenergie ins Netz zu integrieren, sind Freileitungen mit einer höheren Maximaltemperatur. Diese können mehr Strom transportieren, sodass Netzengpässe vermieden werden. Ein Problem dabei: Metalle dehnen sich bei hohen Temperaturen stärker aus, die Leitung längt sich und hängt stärker durch. Spezielle Hochtemperatur-Leiter können Abhilfe schaffen.

Bei vergleichbarem Leiterquerschnitt könnte sich die Transportfähigkeit vorhandener Trassen nahezu verdoppeln. Bisherige Leitungen sind für Temperaturen bis maximal 80 °C ausgelegt. Bei einem höheren Strom steigt einerseits die Temperatur; es wird aber auch mehr Leistung transportiert. Dies bietet das Potenzial, den Netzausbau zu verringern. Das Problem bei der konventionellen Bauweise: Aufgrund der höheren Temperatur steigt der Durchhang der Leitung. Das kann zu kritischen Situationen führen. HTLS-Leiterseile (High-Temperature-Low-Sag-Leiterseile) halten dauerhaft Temperaturen von bis zu 210 °C aus und längen sich weniger als Leiter klassischer Bauart.

Projekt-Mitarbeiter Dr. Ralf Puffer von der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH Aachen) erklärt: „Die Leiter werden im Regelfall unter ihrer Maximaltemperatur betrieben. Da die höheren Leistungen nur selten benötigt werden, halten sich die zusätzlichen Verluste in vertretbaren Grenzen.“ Anders ausgedrückt: Die höhere Stromtragfähigkeit ist vor allem eine Flexibilitäts-Option. Keine Freileitung in Deutschland wird dauerhaft an ihrer Leistungsgrenze betrieben. Der Grund dafür ist das sogenannte n–1-Kriterium. Es besagt, dass das Netz auch dann noch stabil bleiben muss, wenn eine Freileitung ausfällt. Die verbliebenen Komponenten müssen dann die Leistung übernehmen. Daher benötigt jedes Betriebsmittel eine gewisse Sicherheitsreserve.

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Höhere Temperaturen mit neuen Materialien

Trassen für Freileitungen wurden in der Vergangenheit meist für Standard-Leiterseile ausgelegt. Ein höherer Durchhang könnte fatale Folgen haben: Der Abstand zum Boden oder zu anderen Betriebsmitteln würde sichverringern, die Sicherheit wäre nicht mehr jederzeit gewährleistet. Bei einem Mastabstand von 400 Metern kann der Durchhang je nach Witterung und Stromfluss um mehrere Meter variieren.

Um die höhere Ausdehnung aufgrund der höheren Temperaturunterschiede zu vermeiden, besitzen HTLSLeiter einen angepassten Aufbau: Im Gegensatz zum üblichen, stabilisierenden Stahlkern sowie zur Aluminium-Ummantelung für die Stromübertragung besitzen sie einen Kern aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff, Aluminium-Keramikfaser-Verbundwerkstoff oder aus speziellen Stahl-Legierungen. Diese Materialien dehnen sich bei hohen Temperaturen weniger stark aus und können daher als tragender Kern für die leitende Aluminium-Schicht dienen. Das Aluminium besitzt zudem eine etwas andere Zusammensetzung, die auch bei hohen Temperaturen langlebig ist.

Die Besonderheit von HTLS-Leitern ist die Leiterausdehnung nach dem sogenannten Knickpunkt. Ab dieser Stelle ist das Aluminium stärker ausgedehnt als der Kern. Dadurch trägt es nicht mehr zur Stabilität bei; der Kern trägt die gesamte Last. Da sich das Aluminium nicht weiter in der Länge ausdehnen kann, lockern sich die äußeren Lagen ein wenig auf. Das ist vergleichbar mit einem Schnürsenkel, der an beiden Enden zusammengedrückt wird, sodass sich der Durchmesser vergrößert. „Diese Eigenschaft ist für die Kühlung der Leitung positiv“, ergänzt Projektleiter Tobias Frehn. „Aufgrund der Aufkorbung vergrößert sich die Oberfläche des Leiters. Dadurch kann die Wärme besser abgeführt werden.“

Erfahrungswerte im Feldtest sammeln

Um den Durchhang von HTLS-Leitern bestimmen zu können, unternahmen die Forscher aufwendige Labor- und Feldtests. Der Feldversuch fand auf einem rund 10 Kilometer langen Abschnitt einer 220-kV Leitung statt. Dieser bot sich unter anderem an, da die Übertragungskapazität teilweise nicht ausreichte – eine Erweiterung beziehungsweise Verstärkung der Leitung war also notwendig. Weiterhin passte der Umbau zeitlich in den zuvor erstellten Projektplan. Die Ingenieure installierten drei verschiedene Leiterseilarten. Bis zur Teststrecke waren jeweils zwei parallele Standard-Leiter pro Phase installiert; die Hochtemperaturleiter hingegen hatten nur ein Seil pro Phase. Dementsprechend war der Stromfluss hier doppelt so hoch. Während des Tests ermittelten die Forscher den Leiterdurchhang und zeichneten zusätzlich neben den Stromwerten auch Wetterdaten, Leiter- und Klemmentemperaturen in minütlicher Auflösung auf. Außerdem ermittelten sie die Zugkräfte an den Klemmen.

Projektinfo 13/2016:
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Merkzettel

Adressen

Projektleitung
RWTH Aachen, IFHT

Kooperationspartner
3M Deutschland GmbH

Kooperationspartner
imp GmbH

BINE-Projektinfo 13/2016
(PDF, 4 Seiten, 340 kB)

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