Winderregte Leiterseilschwingungen an einem Hochspannungsfreileitungssystem und deren Auswirkungen auf den Tragmast

Abstract

Diese Arbeit behandelt die Problematik der winderregten Leiterseilschwingungen an einem Hochspannungsfreileitungssystem und deren Auswirkungen auf den Tragmast aus Stahl. Dabei wird beabsichtigt, ein System einer 380 KV-Hochspannungsfreileitung in einem Finite-Elemente-Modell abzubilden und mittels einer numerischen Rechensimulation die Kraft- und Verschiebungsgrößen der durch den Wind induzierten Galloping-Schwingungen des Leiterseiles zu ermitteln. Weiters erfolgt eine Darstellung der Auswirkungen dieser Seilschwingungen auf die Ermüdungsfestigkeit des Stahltragmastes und die konstruktive Ausgestaltung eines Hochspannungsfreileitungssystems. Insbesondere werden die maßgeblichen Normen für die Berechnung und Ausführung von Hochspannungsfreileitungssystemen bezüglich der Berücksichtigung von windinduzierten Leiterseilschwingungen beleuchtet und versucht, Vorschläge für die Bestimmung der kleinsten Windgeschwindigkeit, bei der Galloping-Schwingungen an Freileitungssystemen auftreten, und der Mindestabstände der Leiterseile im Spannfeld, am Tragmast und zu Objekten in unmittelbarer Nähe des Freileitungssystems anzugeben. Mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente, einem entsprechenden Computerprogramm und einem selbsterstellten Windlastprogramm, mit dem die Windlastvektoren, die auf die Knoten des diskretisierten Systems wirken, berechnet werden, erfolgt eine numerische Rechensimulation zur Ermittlung der Kraft- und Verschiebungsgrößen der windinduzierten Seilschwingungen. Die Berechnung der vertikalen und horizontalen Amplituden der Galloping-Schwingungen ergab, dass die gemäß den gültigen normativen Regelwerken angegebenen Mindestabstände der Leiterseile am Tragmast im Spannfeld und zu Objekten in unmittelbarer Nähe einer Hochspannungsfreileitung zu gering festgelegt sind. Die durch die windinduzierten Galloping-Schwingungen auf das Masttragwerk ausgeübten Kräfte erreichen eine Größe, die die Lebensdauer des Stahlmastes entsprechend reduzieren und widerlegen die normativen Regelwerke bezüglich der Nichtberücksichtigung dieser Beanspruchung bei der Berechnung der Tragmaste. Zur Beurteilung des Zeitpunktes, ab dem Galloping-Schwingungen bei Freileitungen auftreten, wird in dieser Arbeit eine Formel angegeben, die eine kritische Windgeschwindigkeit berechnet, bei der diese Schwingungen entstehen, um den Anwendungsbereich der normativen Regelwerke auf Freileitungen auszudehnen.

This thesis deals with a special form of self-excited wind-induced vibrations, the so called 'conductor galloping' of overhead transmission lines and their consequences at the lattice tower. It is aimed to generate a finite-element-model of a 380 KV overhead line system (conductors, insulators and lattice towers) and to calculate the forces and displacements of the galloping vibrations with a computer simulation. Additionally the consequences of the conductor galloping to the fatigue strength of the lattice tower and the constructional form of an overhead line system shall be presented. Especially relevant standards for calculation and construction of overhead line systems referring conductor galloping are illustrated and it shall be tried to give proposals for the determination of a critical wind velocity for the appearance of conductor galloping and of the minimum distances for the conductors at the lattice tower, the span fields and to objects immediate near the overhead line system. With the help of the finite element analysis, a corresponding computer program and a self-created wind force program for the calculation of the wind load vectors which have an effect on the nodes of the finite element model, follows a numerical simulation to calculate the forces and displacements of the conductor galloping. The calculated horizontal and vertical displacements of the conductor line vibration resulted a distance of the conductors at the lattice tower, in the span fields and to objects near an overhead line system which is to short compared to the relevant standards for calculation and construction of overhead line systems. The calculated forces of the conductor line vibration which have an effect on the trusses of the lattice tower reduce the fatigue life of the tower in such a way that these results disprove the relevant standards for the calculation of overhead line systems, which don't consider galloping for this calculation. To judge the moment for the beginning of conductor galloping a formular will be presented, which calculate a critical wind velocity. So it's possible to improve the relevant standards to calculate galloping vibrations for overhead transmission lines.