Elektrische Übertragungstürme

Einführung

Übertragungstürme (elektrische Masten) transportieren große Mengen an Hochspannung über weite Entfernungen. Diese Strukturen sind typischerweise 16 bis 45 Meter hoch, wobei die höchsten Türme 380 Meter hoch sind. Übertragungstürme verbinden Kraftwerke mit einer Reihe von Umspannwerken, was es ermöglicht, dass ein großer Strombereich des Netzes mit einem anderen verbunden wird.

Übertragungstürme

Höhere Spannungen auf Stromleitungen erfordern Abstand zwischen jeder Leitung und anderen Objekten, damit Menschen, Fahrzeuge und andere Ausrüstungen sich frei darunter bewegen können. Die stromführenden Leiter des Turms werden von Isolatoren gestützt, deren Länge mit der steigenden Spannung des Stromkreises zunimmt. Aus diesem Grund sind Übertragungstürme normalerweise 16 bis 45 Meter hoch oder höher, wenn sie Wasserstraßen oder andere natürliche Schluchten überspannen.

Die meisten Turmstrukturen werden aus Stahl hergestellt, aber einige bestehen aus Beton, Holz oder sogar duktilen Eisen. Holzverteilungsmasten, die in lokalen Nachbarschaften zu finden sind (es sei denn, es werden unterirdische Stromleitungen verwendet), sind in der Regel etwa 12 Meter hoch. Übertragungsspannungen liegen normalerweise zwischen 23.000 Volt und 765.000 Volt.

Aus mechanischer Sicht verhalten sich die Leiter eines Turms wie Drähte, deren Durchhang zwischen ihren Stützpunkten von der Temperatur und der Vorspannung des Leiters abhängt. Zugkräfte im Leiter haben großen Einfluss auf das Design eines Turms.

Durchhang und Freiraum von Übertragungstürmen

Leiter von Übertragungstürmen 

Leiter von Übertragungstürmen werden normalerweise aus stahlverstärktem Aluminiumkabel (ACSR-Aluminium Conductor Steel-Reinforced) hergestellt und sind fast immer in Dreiergruppen für die Dreiphasen-Wechselstromübertragung angeordnet; ein vierter Neutralleiter kann für die Übertragung über kurze Entfernungen verwendet werden, ist jedoch nicht üblich.

Leiter werden nach Phase gruppiert. Es könnte eine Leiterlinie pro Gruppe (insgesamt drei), zwei Leiterlinien pro Gruppe (insgesamt sechs) oder mehr geben. Gruppen werden in Vielfachen von drei installiert, d.h. 3, 6, 9, und können in einer dreieckigen Form oder parallel zueinander angeordnet sein.  

Bündelkonfigurationen von Turmleitern

Dreiergruppierung erhöht die Übertragungseffizienz. Wenn Sie jedoch auf die Spitze eines Übertragungsturms schauen, können Sie ein oder zwei kleinere, einzelne Drähte sehen. Diese Drähte haben mehrere Namen,  Oberleitungsdraht, Statischer Draht oder Pilotdraht, aber alle beschreiben denselben Draht. Ein Oberleitungsdraht (statischer Draht / Pilotdraht) absorbiert oder lenkt Blitzeinschläge ab und leitet Elektrizität sicher in den Boden. Unter normalen Bedingungen führt der Oberleitungsdraht keinen Strom (sein Spannungspotential ist 0).

Einige Oberleitungsdrähte sind mit Glasfaserkabeln gruppiert, die Telekommunikationsdaten übertragen. Im Wesentlichen aus Glas hergestellt, können Glasfaserkabel keinen Strom leiten und sind nicht von Blitzeinschlägen betroffen.

Alternativ können Sie Glasfaserkabel bemerken, die einige Meter (<1m) unter den Übertragungsleitern verlaufen. Das Hinzufügen von Telekommunikationsleitungen erhöht die Rendite der Investition, die mit dem Bau von Übertragungsnetzen verbunden ist. Glasfaserleitungen können vom Versorgungsunternehmen betrieben oder an Kabel- oder Telefonunternehmen vermietet werden.  

Arbeiter installieren ein Glasfaserkabel

Strukturen von Übertragungstürmen

Die Strukturen, die üblicherweise auf Übertragungsleitungen verwendet werden, sind entweder Gittertyp oder Masttyp. Gitterstrukturen bestehen normalerweise aus Stahlwinkelsektionen. Masten können aus Holz, Stahl oder Beton bestehen. Jeder Strukturtyp kann selbsttragend oder abgespannt (durch Kabel gestützt) sein.

Struktur von Übertragungstürmen

Masttyp-Strukturen werden im Allgemeinen für Spannungen von 345 kV oder weniger verwendet, während Gitterstahlstrukturen für höhere Spannungsniveaus bevorzugt werden. Holzmaststrukturen können wirtschaftlich für relativ kurze Übertragungsentfernungen und niedrigere Spannungen verwendet werden.

Die Konfiguration eines Übertragungsleitungsturms hängt von vielen Faktoren ab, einige sind unten aufgeführt:

• Die Anzahl und Art der Leiter. 
• Die Länge der Isolatorbaugruppe.
• Die Mindestabstände, die zwischen Leitern und dem Turm eingehalten werden müssen.
• Die Lage der Erdungsdrähte in Bezug auf den äußersten Leiter.
• Der erforderliche Mittenspannungsabstand unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der Leiter und des Blitzschutzes der Leitung.
• Der Mindestabstand des niedrigsten Leiters über dem Boden.

Die Faktoren, die die Höhe eines Turms bestimmen, sind:

• Minimal zulässige Bodenfreiheit (h1).
• Maximaler Durchhang (h2).
• Vertikaler Abstand zwischen den oberen und unteren Leitern (h3).
• Vertikaler Abstand zwischen dem Erdungsdraht und dem oberen Leiter (h4).

Die Gesamthöhe des Turms ergibt sich aus der Summe aller vier Faktoren (h1+h2+h3+h4).

Struktur von Übertragungstürmen

Turmkonfiguration

Je nach den Anforderungen des Übertragungssystems müssen verschiedene Leitungskonfigurationen in Betracht gezogen werden, die von einzelnen horizontalen Schaltungen bis zu mehrfachen vertikalen Strukturen reichen, mit einzelnen oder V-Saiten in allen Phasen sowie jede Kombination davon. Auch für sehr hohe Spannungen (500 kV und mehr) werden Leiter gebündelt, um Koronaemissionen zu reduzieren und die Leitungsinduktivität zu verringern.

Die Konfiguration eines Übertragungsleitungsturms hängt von vielen Faktoren ab, einige der wichtigsten sind unten aufgeführt:

• Spannung.
• Anzahl der Schaltungen.
• Art der Leiter.
• Art der Isolatoren.
• Mögliche zukünftige Hinzufügung neuer Schaltungen.
• Verlauf der Übertragungsleitung.
• Auswahl der Turmstandorte.
• Auswahl der starren Punkte.
• Auswahl der Leiterkonfiguration.
• Auswahl der Höhe für jeden Turm.

Türme werden unabhängig von der Anzahl der von ihnen unterstützten Leiter nach ihrem Verwendungszweck klassifiziert. Ein Turm muss mechanische Lasten aus verschiedenen Richtungen aushalten, z.B. gerade, in einem Winkel usw. Um das Turmdesign zu vereinfachen und eine allgemeine Wirtschaftlichkeit bei Kosten und Wartung zu gewährleisten, sind Turmdesigns im Allgemeinen auf einige Standardtypen beschränkt.

Arten von Übertragungstürmen

Es gibt mehrere Arten von Übertragungstürmen und viele Variationen, aber sie können grob gruppiert werden als:

• Abspanntürme – Leiter werden zwischen zwei Türmen mit Abspannisolatoren aufgehängt.
• Endtürme – Leiter von einer Übertragungsleitung werden über die Zugisolatoren eines Turms mit einem Umspannwerk oder einem Erdkabel verbunden.
• Zugtürme – der Turm kann das Gewicht der Kabel und die axiale Belastung (Zug in horizontaler Richtung) tragen.
• Transpositionstürme – der Turm ändert die Position der Leiter auf einer Übertragungsleitung relativ zueinander, z.B. in Position x, aus Position y.

Es gibt zu viele Turmvariationen, um sie hier zu besprechen, aber einige der häufigsten werden nun weiter erläutert.

Arten von Übertragungstürmen

Abspanntürme

Abspanntürme (Tangentenmasten) werden hauptsächlich an Tangenten verwendet, sind jedoch oft so konzipiert, dass sie Winkel in der Leitung nur bis zu 2° zusätzlich zu Wind-, Eis- und gebrochenen Leiterlasten aushalten können. Wenn die Übertragungsleitung relativ flaches, merkmalfreies Gelände durchquert, können neunzig Prozent der Leitung aus diesem Turmtyp bestehen. Daher bietet das Design des Tangentenmastes dem Bauingenieur die größte Möglichkeit, das Gesamtgewicht des für das Übertragungssystem erforderlichen Stahls zu minimieren.

Obenansicht eines Tangentenübertragungsturms

Winkeltürme

Winkeltürme, manchmal auch als 'Halbanker'-Türme bezeichnet, müssen Querlasten widerstehen, die in einem Winkel induziert werden (zusätzlich zu den üblichen Wind-, Eis- und gebrochenen Leiterlasten). Winkeltürme sind notwendigerweise schwerer als Abspanntürme.

Obenansicht eines Winkelübertragungsturms

Winkeltürme werden verwendet, wenn die Leitungsabweichung einen Winkel von mehr als 2° überschreitet; sie werden klassifiziert als:

• Kleine Winkeltürme      (2-10° Leitungsabweichung).
• Mittlere Winkeltürme (10-30° Leitungsabweichung).
• Große Winkeltürme     (30-60° Leitungsabweichung).

Zugtürme / Zugmast

Im Gegensatz zu Abspanntürmen verwenden Zugtürme Zugisolatoren, um axiale Belastungen zu widerstehen, die auf den Turm von den Leitern ausgeübt werden (Nettozugkraft, die auf den Turm wirkt).

Seitenansicht von Abspann- und Zugtürmen

Endmast

Endmasten (Ankermasten) tragen das Gewicht der verbindenden Leiter und berücksichtigen die Spannung in den Leitern; dieser Turmtyp verwendet ebenfalls Zugisolatoren. Endmasten werden typischerweise am Ende einer Übertragungsleitung verwendet, bevor die Leitung zu einem Umspannwerk oder einer unterirdischen Leitung übergeht. Endmasten werden oft periodisch zwischen einer Reihe von Abspanntürmen installiert; dieses Setup reduziert die Wahrscheinlichkeit eines Kaskadenversagens einer Reihe von Türmen (kann auftreten, wenn ein Leiter auf der Übertragungsleitung ausfällt).

Lasten auf Übertragungstürmen

Die Lasten, die auf einen elektrischen Übertragungsturm wirken, sind zahlreich und dynamisch, einige sind unten aufgeführt:

• Totes Gewicht des Turms.
• Totes Gewicht von Leitern und anderer Ausrüstung.
• Last von Schnee auf Leitern und Ausrüstung.
• Eislast auf dem Turm selbst
• Errichtungs- und Wartungslasten.
• Windlast auf dem Turm.
• Windlast auf Leitern und Ausrüstung.
• Lasten von Zugkräften der Leiter.
• Seismische Aktivitätslasten (Erdbeben usw.).

Die Hauptlast, die auf einen Übertragungsturm wirkt, entsteht durch die Leiter, und die Leiter verhalten sich wie Ketten, die nur Zugkräfte widerstehen können. Folglich wird das tote Gewicht der Leiter durch die sogenannte Gewichtsspanne berechnet, die erheblich von der Windspanne abweichen kann, die in Verbindung mit der Windlastberechnung verwendet wird.

Gewichts- und Windlasten

Die durchschnittliche Spannlänge wird normalerweise auf zwischen 300 und 450 Metern gewählt. Das Auftreten von Eis und Schnee usw. erhöht das Gewicht der bedeckten Teile und erhöht ihre Exposition gegenüber den Auswirkungen des Windes. Die Unterschätzung dieser Umstände hat häufig zu Schäden und dem Zusammenbruch von Übertragungstürmen geführt.

Die Größe und Verteilung von Eis- und Schneelasten hängen vom Klima und den lokalen Bedingungen ab. Die Windkraft wird normalerweise angenommen, dass sie auf einer horizontalen Ebene wirkt. Je nach den örtlichen Bedingungen kann jedoch eine geneigte Richtung berücksichtigt werden müssen. Auch unterschiedliche Windrichtungen (in der horizontalen Ebene) müssen sowohl für die Leiter als auch für den Turm selbst berücksichtigt werden. Die maximale Windgeschwindigkeit tritt nicht gleichzeitig über die gesamte Spannweite auf, daher werden Koeffizienten in die Lastberechnungen eingeführt, um dies zu berücksichtigen.

Zugkräfte in den Leitern wirken auf die beiden Flächen des Turms in Richtung der Leitung. Wenn die Kräfte ausgeglichen sind, wirken keine Längskräfte auf einen Turm, der eine gerade Linie aufhängt. Für Winkeltürme führen Längskräfte zu einer resultierenden Kraft, die in der Winkelhalbierenden wirkt. Für Endtürme können die Kräfte schwere Längskräfte verursachen. Da Zugkräfte mit äußeren Lasten variieren, sind selbst Abspanntürme auf einer geraden Linie von Längskräften betroffen.

Zusätzliche Zwecke von Türmen

Übertragungstürme dienen oft einem doppelten oder dreifachen Zweck. Wetterdaten- und Kommunikationssammler werden oft auf Übertragungstürmen installiert. Zum Beispiel haben Sie möglicherweise die drehenden Becher eines Anemometers bemerkt, das die Windgeschwindigkeit misst, oder andere meteorologische Geräte, die auf einem Turm installiert sind. Zusätzlich können Mobilfunkantennen an einigen Übertragungstürmen an strategischen Standorten angebracht werden.

Frühe Turmdesigner entdeckten, dass einige große Vögel gerne Nester auf den Türmen bauen. Leider können Vögel einen Ausfall verursachen, wenn ausgeschiedener Abfall auf einem Isolator landet und einen Kurzschluss verursacht. Um diese unbeabsichtigten Ausfälle zu verhindern und eine positive Beziehung zur lokalen Tierwelt aufrechtzuerhalten, beinhalten Designer jetzt spezielle Nistplattformen für die Vögel.

Vögel nisten auf Übertragungstürmen

3D-Modell

Dieses 3D-Modell zeigt einen typischen elektrischen Übertragungsturm, der zur Verteilung von Spannungen über 200 kV verwendet wird. Der Turm ist so konstruiert, dass er strukturell stark ist. Seine Struktur ist auch so gestaltet, dass die Auswirkungen von starkem Wind auf den Turm reduziert werden. Die Buchsen des Turms isolieren den Turm von den elektrischen Kabeln (Übertragungsleitung), wodurch sichergestellt wird, dass das elektrische Potential des Turms bei null bleibt.

Dieses 3D-Modell zeigt alle Hauptkomponenten, die mit einem typischen Hochspannungsmast verbunden sind; dazu gehören:

• Turmspitze
• Balken
• Buchsen
• Gabel
• Querarm
• Turmfenster
• Oberleitungsdraht
• Leiterbündel
• Turmkörper (Taille, Bein, Diagonalglieder)
• Turmbasis (Fundament)

Zusätzliche Ressourcen

https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_tower

http://www.hydroquebec.com/learning/transport/types-pylones.html

https://www.electrical4u.com/electrical-transmission-tower-types-and-design/