Wie entwirft man Türme, die zu Hochspannungs-Freileitungen passen?

Spannungsbedingte Gestaltungseinschränkungen für Übertragungsmasten

Wind-, Eis- und elektromagnetische Belastung bei 230 kV und darüber

Bei Spannungen von 230 kV oder höher sind Übertragungsmasten komplexen Umweltbelastungen ausgesetzt, die nicht einfach proportional mit der Spannung ansteigen. Bei schlechten Wetterbedingungen kann der Winddruck über 50 Pfund pro Quadratfuß erreichen, was bedeutet, dass die seitlichen Stützen erheblich verstärkt werden müssen. Dies gilt insbesondere für Fachwerkmasten, bei denen die höchsten Belastungen an den Verbindungsstellen der Beine und an den Befestigungspunkten der Leiter auftreten. Auch Eisbildung stellt eine weitere große Herausforderung dar. Wenn sich etwa zwei Zoll dicke Eisschichten auf den Leitern bilden, verdreifacht sich deren Gewicht, wodurch ungleichmäßige Zugkräfte im System entstehen und Torsionskräfte verursacht werden, die Ingenieure ungern sehen. Gleichzeitig erzeugen Kurzschlussströme, die mit Werten über 40 kA durch die Leitungen fließen, starke elektromagnetische Kräfte, die dazu führen, dass sich die Leiter heftig bewegen und manchmal gefährliche Resonanzen im Mast selbst auslösen. Da sich diese verschiedenen Belastungsfaktoren so stark überlagern, verlassen sich Ingenieure stark auf die Finite-Elemente-Analyse, um das Zusammenspiel zu verstehen. Bei 400-kV-Systemen benötigen Fachwerkmasten beispielsweise im Allgemeinen eine Aussteifung, die zwischen 20 und 30 Prozent stärker ist als bei Masten mit einzelner Säule unter ähnlichen Bedingungen.

Konformität hinsichtlich Luft- und Kriechstrecken (IEC 61936 / IEEE 1243)

Die Anforderungen an die elektrische Isolierung steigen mit zunehmenden Spannungen erheblich. Laut Normen wie IEC 61936 und IEEE 1243 vergrößern sich auch die erforderlichen Isolationsabstände zwischen den Phasen und zur Erde deutlich. Bei 230 kV benötigen Systeme mindestens 2,3 Meter Abstand, doch dieser Wert steigt auf 3,6 Meter an, wenn die Betriebsspannung 345 kV beträgt. Diese Werte beeinflussen direkt, wie hoch Übertragungsmasten gebaut werden müssen und in welchem Abstand ihre Querträger angeordnet sein müssen. Isolatorketten stellen eine weitere Herausforderung dar, da auch deren Kriechstrecken vergrößert werden müssen. Bei Polymerisolatoren beträgt die erforderliche Kriechstrecke beispielsweise etwa 25 mm pro Kilovolt in verschmutzten Gebieten, um lästige Oberflächenentladungen zu verhindern. Wenn der Platz knapp wird, greifen Ingenieure oft auf V-förmige Isolatorkettenanordnungen zurück. Doch ein anderes, stets wiederkehrendes Problem bleibt die Verschmutzung. Die Ansammlung von Salznebel oder industriellen Rückständen kann die Durchschlagspannung in manchen Fällen um nahezu die Hälfte reduzieren. Daher sind regelmäßige Reinigungsintervalle in Regionen, in denen sich solche Verunreinigungen im Laufe der Zeit ansammeln, unbedingt notwendig.

Turmtypauswahl: Passende Strukturform für Funktion und Umgebung

Funktionale Aufgaben: Masten zur Aufhängung, Spannung, Umschaltung und Überquerung

Die Funktionsweise von Strommasten bestimmt deren physikalische Form und Konstruktion. Suspensionstürme halten die elektrischen Leitungen mithilfe der langen Isolatorenketten, die oft an ihnen hängen, gerade nach oben und sind daher häufig entlang gerader Abschnitte von Stromleitungen zu sehen. Wenn sich der Verlauf ändern muss oder Flüsse überquert werden sollen, kommen Spanntürme zum Einsatz. Diese sind speziell dafür ausgelegt, die enormen Kräfte aufzunehmen, wenn eine Seite der Leitung stärker belastet wird als die andere. Es gibt außerdem Transpositionsmasten, die die Position der drei Phasen in der Leitung verdrehen, damit über Hunderte von Kilometern hinweg alles ausbalanciert bleibt. Dann gibt es noch Überführungsmasten, die die Leitungen einfach hoch genug anheben, um Straßen, Eisenbahnen oder Berge zu überqueren. Einen falschen Masttyp am falschen Ort einzusetzen, kann gefährlich sein. Stellen Sie sich vor, man setzt einen normalen Suspensionsturm an einer scharfen Kurve ein, wo eigentlich ein Spannturm erforderlich wäre. Bei Stürmen oder starkem Wind könnte diese Fehlanpassung dazu führen, dass Ausfälle sich rasch im gesamten Stromnetz ausbreiten.

Material- und Form-Kompromisse: Fachwerk vs. Rohrmasten vs. Monopole für 400-kV+-Leitungen

Die Auswahl gewichtet Leistung, Logistik und Umwelt:

• Gitterturme , bestehend aus verzinkten Stahlwinkeln, bieten hervorragende Festigkeits-zu-Gewichts-Verhältnisse und modulare Skalierbarkeit – wodurch sie zur Standardlösung für 400-kV+-Projekte mit maximaler Tragfähigkeit und Erdbebenresilienz werden. Ihre dreieckige Geometrie leitet dynamische Energie effektiv ab, insbesondere in erdbebengefährdeten Zonen.
• Rohrstahlmaste bieten geringere optische Belastung und kleinere Grundflächen, wobei versiegelte Profile die Korrosionsanfälligkeit reduzieren. Aufgrund von Transportbeschränkungen sind jedoch praktikable Höhen bei Anwendungen mit extra Hochspannung begrenzt.
• Monopole , obwohl schneller zu installieren und flächensparender, verursachen exponentiell steigende Materialkosten jenseits von 230 kV. Ihre Vollwandkonstruktion bietet exzellenten Widerstand gegen asymmetrische Vereisung – besonders vorteilhaft im alpinen Gelände.

Kernstrukturelle Komponenten und Integrität des Lastpfads bei Übertragungsmasten

Von der Querstange bis zum Fundament: Sicherstellung eines kontinuierlichen Krafttransfers bei Fehlerbedingungen

Die strukturelle Festigkeit dieser Systeme hängt von der kontinuierlichen Lastübertragung ab, die bei den Leiterbefestigungen beginnt, über die Ausleger verläuft, entlang des Turmkörpers verläuft und schließlich das Fundament erreicht. Diese Ausleger nehmen verschiedene Kräfte wie Winddruck, Eisansatz und elektromagnetische Effekte auf, bevor sie diese an den Haupttragrahmen weiterleiten. Bei Fachwerktürmen erfolgt der Lastpfad insbesondere über verschraubte oder geschweißte Verbindungen, die eine eingebaute Redundanz aufweisen müssen, um Beulprobleme zu verhindern. Rohr- und Mastturmkonstruktionen funktionieren anders und stützen sich stattdessen auf feste Flanschverbindungen zwischen den Bauteilen sowie auf innere Versteifungen zur Unterstützung. Was die Fundamente betrifft, ob sie direkt in den Boden eingelassen oder mit Gitterrostsystemen konstruiert sind, müssen sie plötzliche Lastspitzen von etwa dem 2,5-Fachen des Normalniveaus bewältigen können, wie sie beispielsweise beim unerwarteten Reißen von Leitern auftreten, gemäß den Branchenstandards nach IEC 61936:2020. Die Finite-Elemente-Analyse hilft Ingenieuren dabei, die Spannungsverteilung in allen Komponenten sichtbar zu machen, um jegliche Möglichkeit eines Versagens an nur einer Stelle im System auszuschließen. Wichtige Faktoren, die während der Überprüfungsprozesse typischerweise zu prüfen sind, wären...

Stähle mit hoher Duktilität (z. B. S460ML+) gewährleisten plastische Verformung statt spröder Brüche bei Überlastung. Korrosionsbeständige Beschichtungen an den Verbindungspunkten – validiert für küstennahe oder chemisch aggressive Standorte – bleiben während der gesamten Nutzungsdauer erhalten, um die Lastpfadkontinuität sicherzustellen.

Überprüfung der mechanischen Festigkeit und Konformität für Hochspannungsmastsysteme

Bei der strukturellen Validierung halten Ingenieure anerkannte internationale Normen ein, wie beispielsweise IEC 60652 für die mechanische Prüfung von Komponenten für Oberleitungen und ASCE 10-15, die speziell auf die Konstruktion von Stahlfreileitungsmasten eingeht. Während der Prüfung im Originalmaßstab werden Prototypen unter simulierten Bedingungen getestet, darunter Windgeschwindigkeiten von bis zu 150 Stundenkilometern, verschiedene vertikale Lasten – sowohl Eigengewicht als auch aktive Lasten – sowie Szenarien mit unerwartetem Drahtbruch. Diese Tests simulieren die extremsten mechanischen Belastungen, die in realen Situationen auftreten könnten. Um zu überprüfen, wie Kräfte durch die Struktur geleitet werden, messen kalibrierte Kraftaufnehmer Druckpunkte, während Theodoliten jegliche Bewegung oder Verschiebung von den Auslegern bis hin zu den Fundamentankern verfolgen. Was nach der Zertifizierung festgestellt wird, ist nicht nur der Nachweis, dass alle Anforderungen erfüllt sind, sondern zeigt darüber hinaus Sicherheitsmargen auf, die die betrieblich geforderten Werte um 25 % bis 40 % übertreffen. Eine solche Gründlichkeit ist von großer Bedeutung, denn wenn in Hochspannungsnetzen über 400 Kilovolt etwas schiefgeht, kann ein Ausfall an einer kritischen Stelle Probleme verursachen, die sich über mehrere Regionen und Zuständigkeitsbereiche erstrecken.

Häufig gestellte Fragen

Warum ist die Finite-Elemente-Analyse für Hochspannungs-Freileitungen wichtig?

Die Finite-Elemente-Analyse ist entscheidend, da sie Ingenieuren hilft zu verstehen, wie verschiedene Belastungsfaktoren wie Wind, Eis und elektromagnetische Kräfte miteinander wirken, wodurch eine optimale Turmkonstruktion und Verstärkung ermöglicht wird.

Was sind die Hauptunterschiede zwischen Fachwerktürmen und Mastmastkonstruktionen?

Fachwerktürme bieten hervorragende Festigkeits-zu-Gewichts-Verhältnisse, die sich ideal für Projekte mit hoher Kapazität eignen, während Mastmaste einfacher zu installieren sind und weniger Platz benötigen, jedoch bei Spannungen über 230 kV höhere Kosten verursachen und eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Eislasten aufweisen.

Wie beeinflussen Konformitätsstandards die Konstruktion von Übertragungstürmen?

Konformitätsstandards legen die erforderlichen Abstände, Kriechstrecken und Tragfähigkeiten für einen sicheren Betrieb fest und beeinflussen dadurch die Materialwahl, die Turmabmessungen und das gesamte Design, um Umwelt- und Betriebsbelastungen standzuhalten.