BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft ein selbsttragendes Freileitungsseil mit mehreren metallischen Drähten und mindestens einem Zug entlastungselement aus einer Vielzahl von strangartig zueinan der angeordneten Verstärkungsfasern, wobei die Verstärkungs fasern mit einem Bindematerial getränkt sind und ein Verbund element bilden.
Ein Freileitungsseil dieser Art ist aus der europäischen Pa tentschrift Nr. 25 461 bekannt. Bei diesem Freileitungsseil sind die metallischen Drähte und das Zugentlastungselement je in einem voneinander unabhängigen Querschnitt angeordnet. Das Zugentlastungselement besteht aus etwa parallel zueinander ver laufenden Kunstfasern, welche von einem Schutzmantel umge ben sind, wobei dieser Schutzmantel gleichzeitig die metalli schen Drähte umschliesst und die Verbindung zwischen den bei den Querschnitten herstellt. Der Schutzmantel ist auch notwen dig, um die Kunstfasern vor ultravioletten Strahlen, z.B. infolge des Sonnenlichtes, zu schützen.
Mit Freileitungsseilen dieser Art können grosse Spannweiten zwischen den Aufhänge masten überbrückt werden, da die Kunstfasern eine wesentlich höhere Zugspannung aufnehmen können als die metallischen Drähte. Als geeignete Kunstfasern werden Fasern aus organi schen Polymeren beschrieben. Die Kunstfasern sind mit einem Bindermaterial, z.B. einem natürlichen Harz, getränkt, wobei dieses Harz bei Überbeanspruchung in Pulver zerfallen soll. Da Freileitungsseile dieser Art eine Ummantelung zur Verbindung des Zugentlastungselementes mit den metallischen Drähten be nötigen, ist der Aufbau kompliziert und aufwendig.
Sie finden in der Praxis vorwiegend bei Spezialanwendungen, zum Beispiel als Übertragungsleitungen für Steuersignale, Verwendung, sind jedoch insbesondere für Hochspannungsfreileitungen wegen der hohen Herstellkosten nicht geeignet. Bei Hochspannungsfreilei tungen besteht zudem die Forderung nach einem optimalen Verhältnis zwischen dem Gesamtquerschnitt des Freileitungssei- les und der für die Stromübertragung zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche.
Die heute bei Hochspannungsfreileitungen verwendeten Be- seilungen bestehen zumeist aus einer Kombination von Stahl- und Aluminiumdrähten oder aus hochfesten Aluminiumlegie rungen. Die Aluminiumdrähte werden wegen ihres geringen Gewichtes und der gleichzeitig relativ guten Leitfähigkeit einge setzt. Da sie eine geringe Zugfestigkeit aufweisen, müssen Frei leitungsseile aus Reinaluminiumdrähten mit Stahldrähten ver stärkt werden, welche jedoch das Gewicht derartiger Freilei- tungsseile erheblich erhöhen. Schwere Seile erfordern verstärkte Tragmasten.
Die Stahldrähte sind zudem für die Stromleitung nicht geeignet und korrosionsanfällig. Die Verwendung von zwei unterschiedlichen metallischen Materialien erhöht die Kor rosionsgefahr zusätzlich. Infolge der dichten Besiedlung ist es heute ausserordentlich schwierig, geeignete Trassen für Freilei tungen zu finden. Wegen des weiterhin zunehmenden Stombe- darfs sollten neue Trassen gebaut werden, was aus den erwähn ten Gründen auf Schwierigkeiten stösst.
Es wird deshalb ver sucht, die bestehenden Trassen besser auszunutzen, indem grös- sere Masten mit einer anderen Beseilung, d.h. Beseilungen mit einer höheren Übertragungsleistung, eingesetzt werden. In vie len Fällen ist jedoch eine weitere Verdichtung der bestehenden Freileitungstrassen aus verschiedenen Gründen ebenfalls nicht mehr möglich, und die Erhöhung der Übertragungsleistung stösst deshalb an Grenzen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Freileitungs- seil zu schaffen, welches bei gleichem Gewicht einen grösseren Leiterquerschnitt für die Stromübertragung und damit eine hö here Übertragungsleistung aufweist als Stahl-Aluminium-Seile, einfach und wenn möglich auf den bekannten Verseilmaschinen herstellbar ist, keine zusätzlichen Mittel für die Herstellung der Verbindung zwischen Verstärkungselementen und metallischen Drähten und keine zusätzliche Ummantelung als Schutz gegen ultraviolette Strahlung benötigt.
Im weiteren ist es auch Aufga be der Erfindung, ein Freileitungsseil zu schaffen, welches bei gleicher Übertragungsleistung grössere Spannweiten zwischen den Masten ermöglicht sowie eine hohe Korrosionsbeständig keit und damit eine höhere Betriebssicherheit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 definierten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich nach den Merkmalen der abhän gigen Patentansprüche.
Das erfindungsgemässe Freileitungsseil weist im wesentlichen den gleichen Aufbau wie ein aus Stahl- und Aluminiumdrähten oder z.B. der Aluminiumlegierung Aldrey bestehendes Freilei tungsseil auf. In zweckmässiger Weise finden für die Leiter Rein aluminiumdrähte Verwendung, da diese die kostengünstigste Lösung darstellen. Je nach Anwendungsfall können auch Dräh te aus Kupfer oder einem anderen leitenden Material eingesetzt werden.
Die Zugentlastungselemente bestehen aus Verbundele menten, welche aus in Bindemittel, vorzugsweise einem aushärt- baren Kunstharz, eingebetteten Verstärkungsfasern bestehen. Als Verstärkungsfasern sind grundsätzlich alle Fasern einsetz bar, welche bei Verbundwerkstoffen Verwendung finden kön nen. Als besonders geeignet erweisen sich Fasern aus aromati schen Polyamiden, Glasfasern oder sogenannte Kevlarfasern. Diese Fasern sind strangartig und etwa parallel zueinander an geordnet und so in einem ausgehärteten Reaktivkunstharz ein gelagert, dass sich ein stabförmiges Element mit fester Struktur und festem Querschnitt bildet.
Die Querschnittsform dieser Verbundelemente ist durch die gewünschte Art der Verstärkung des erfindungsgemässen Freileitungsseiles bestimmt. Eine be sonders einfache Herstellung des erfindungsgemässen Freilei- tungsseiles ist möglich, wenn die als Zugentlastungselemente dienenden Verbundelemente die gleiche Querschnittsfläche und -form aufweisen wie die metallischen Drähte.
Solche Verbund elemente können ohne Schwierigkeiten mit den metallischen Drähten verseilt werden, wobei die Anzahl der zwischen den metallischen Drähten eingelagerten Verbundelemente durch die gewünschte Zugfestigkeit des Freileitungsseiles bestimmt wird. Die Verbundelemente weisen durch die Einlagerung der Fasern in einem Bindemittel einen formstabilen Querschnitt auf, wel cher beim Verseilen durch die metallischen Drähte nicht zusam mengedrückt werden kann.
Dadurch ergibt sich im Gegensatz zu früheren Versuchen mit Zugentlastungselementen aus Ver stärkungsfasern die Möglichkeit, ein formbeständiges Freilei- tungsseil herzustellen, ohne dass zusätzliche Massnahmen not wendig sind. Die Verbundelemente weisen als Zugentlastungs- elemente gegenüber solchen aus Stahl je nach gewähltem Faser material ein um den Faktor 1,5 bis 4 geringeres Gewicht auf. Bei gleicher Zugfestigkeit der Entlastungselemente kann das Gewicht und damit der leitende Querschnitt der metallischen Drähte erhöht werden. Dies ergibt eine höhere Übertragungs leistung für ein Kabel von gleichem Gewicht.
Bei geeigneter Kombination von Verstärkungsfasern mit dem Kunstharz kön nen auch höhere Festigkeitswerte erreicht werden. Dies ergibt sich z.B. bei der Verwendung von Aramidfasern in Verbindung mit ungesättigten Polyesterharzen.
Ein noch kompakteres Freileitungsseil ergibt sich, wenn der gewünschte Leiterquerschnitt in herkömmlicher Weise vollstän dig aus metallischen Drähten, insbesondere den kostengünsti gen Reinaluminiumdrähten, bzw. -litzen hergestellt wird, und die Verbundelemente in die beim Verseilen entstehenden Hohl räume zwischen den Drähten eingelegt werden. Je nach gefor derter Festigkeit weisen die Verbundelemente bei dieser Lösung den grösstmöglichen runden Querschnitt auf, oder ihre Quer schnittsfläche entspricht dem Querschnitt des Hohlraumes.
Sol che Seile lassen sich zusätzlich verdichten, indem sie in der Ver- seilmatrize geglättet und zusammengepresst werden.
Bei Freileitungsseilen gemäss der Erfindung ist im weiteren die Gefahr der Korrosion praktisch ausgeschlossen, da im Ge gensatz zu bekannten Freileitungsseilen keine Verstärkungsele mente verwendet werden müssen, welche aus einem anderen metallischen Material als die Drähte bestehen. Die zumeist für die Drähte verwendeten Materialien Aluminium oder Kupfer sind von Natur aus korrosionsbeständig. Damit erhöht sich die Betriebs- und Langzeit-Sicherheit der Freileitungsseile.
Die Anordnung mit einem Hohlleiter im Kern ist einfach herstellbar und findet insbesondere als Erdseil Verwendung. In den Hohlleiter kann bei Bedarf ein optisches Kabel eingezogen werden, welches gegenüber den metallischen Drähten frei be weglich ist. Das optische Kabel bildet keinen Bestandteil der Tragstruktur und ist deshalb gut gegen Deformationen ge schützt.
Freileitungsseile gemäss der Erfindung weisen eine etwa 70% höhere Übertragungsleistung auf als herkömmliche Alumi niumstahlseile von gleichem Gewicht pro Längeneinheit. Dies macht es möglich, auf bestehenden Trassen bei Einsatz der er- findungsgemässen Seile höhere Leistungen zu übertragen. Bei gleicher Übertragungsleistung wird ein Freileitungsseil der erfin- dungsgemässen Art leichter, und die zugehörigen Tragmasten und Abspannungen können leichter und einfacher ausgebildet, oder es können grössere Spannweiten zwischen den einzelnen Masten vorgesehen werden.
Dies hat zur Folge, dass die Erstel- lungskosten solcher Freileitungstrassen reduziert werden und den weiteren Vorteil, dass kleinere Masten besser in die Land schaft eingepasst werden können.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläu tert. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes Freilei- tungsseil mit in die Hohlräume eingelegten Verstärkungsele menten mit rundem Querschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes Frei leitungsseil mit Verstärkungselementen, welche den gleichen Querschnitt wie die metallischen Drähte aufweisen, Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Freileitungsseil mit Ver stärkungselementen, welche unterschiedliche Querschnitte auf weisen,
Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Freileitungsseil mit einem als Hohlkörper ausgebildeten Kern und gleichem Querschnitt der Verbundelemente und der metallischen Drähte, Fig. 5 einen Querschnitt durch ein bündelverseiltes Freilei- tungsseil mit als Kern ausgebildeten Verstärkungselementen in jeder Litze.
Das in Fig. 1 dargestellte Freileitungsseil besteht aus metalli schen Drähten 1, welche in drei Lagen 7, 8 und 9 verseilt sind. Der Kern 2 ist ebenfalls aus einem metallischen Draht 1 gebil det. In den Hohlräumen 5, zwischen der ersten Lage 7 und der zweiten Lage 8 sowie in den Hohlräumen 6 zwischen der zwei ten Lage 8 und der dritten Lage 9 sind Verbundelemente 3, bzw. 4 angeordnet. Diese Verbundelemente 3, 4 bestehen aus Polyaramidfasern, welche in einem ausgehärteten Kunstharz eingebettet sind. Als Kunstharz wird in diesem Beispiel ein in Styrol gelöstes ungesättigtes Polyesterharz verwendet.
Solche Harze sind unter der Bezeichnung Leguval der Firma Bayer be kannt. Die Verbundelemente 3, 4 weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf, welcher fest und formstabil ist. Die metalli schen Drähte 1 aller Lagen 7, 8 9 und der Kern 2 weisen einen Durchmesser von 3,36 mm auf und bestehen aus Reinalumini- um. Gesamthaft besteht das dargestellte Freileitungsseil aus 37 metallischen Drähten 1, womit sich ein leitender Querschnitt von<B>328</B> mm' ergibt. Die Verbundelemente 3 haben einen Durchmesser von 1,17 mm und die Verbundelemente 4 von 1,07 mm. Als weitere Kennwerte für das Seil ergeben sich dar aus ein Gewicht von 907 kg/km und eine Bruchkraft von ca. 80.000 N.
Der für den Vergleich von Freileitungsseilen und die Berechnung der Übertragungsleistung wichtige leitwertgleiche Kupferquerschnitt beträgt bei diesem Beispiel 201 mm z.
Ein herkömmliches Freileitungsseil aus Stahl-/Aluminium- drähten mit gleichem Gewicht pro km Länge weist nur einen i leitwertgleichen Querschnitt von 119 mm' auf.
Der leitende Querschnitt des Freileitungsseiles gemäss Fig. 1 ist somit um 69% grösser als beim herkömmlichen Stahl-/Aluminiumseil. Werden Freileitungsseile der herkömmlichen Art auf einem be stehenden Trasse durch Seile gemäss Fig. 1 ersetzt, so kann auf dem gleichen Trasse eine entsprechend höhere Leistung übertra gen werden.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Freileitungsseil mit metallischen Drähten 1 und Verbundelementen 10, welche eben- falls zwischen den metallischen Drähten 1 angeordnet sind und den gleichen Querschnitt wie diese aufweisen. Als Verstärkungs elemente dienen auch hier Polyaramidfasern, welche gemein sam mit dem ausgehärteten Kunstharz zum stabförmigen Ver bundelement 10 mit kreisförmigem Querschnitt verarbeitet sind. Diese Verbundelemente 10 sind ebenso formstabil wie die metallischen Drähte 1 und können deshalb ohne Schwierigkei ten mit diesen metallischen Drähten 1 in bekannter Weise ver teilt werden.
In der ersten Lage werden zwei und in der zweiten Lage drei Verbundelemente 10 angeordnet. In der dritten und äusseren Lage 9 befinden sich keine Verbundelemente 10, da das verwendete Material nicht beständig gegen ultraviolette Strahlung ist. Die in der hier äussersten Lage 9 angeordneten metallischen Drähte 1, welche das Freileitungsseil entlang des ganzen Umfanges abdecken, bilden für die in den unteren La gen angeordneten Verbundelelemente 10 eine wirksame Schutz schicht gegen ultraviolette Strahlen. Es ist deshalb nicht nötig, einen zusätzlichen Schutzmantel um das Freileitungsseil anzu ordnen, da der durch die äussere Lage der metallischen Drähte 1 erreichbare Schutz genügend ist.
Wird das dargestellte Freilei- tungsseil aus metallischen Drähten aus Reinaluminium mit einem Durchmesser von 3,54 mm gebildet, so enthält das Seil 32 metallische Drähte 1. Der leitwertgleiche Kupferquerschnitt für dieses Seil beträgt 193 mm'. Im weiteren erhält das Seil ein Gewicht von 912 kg/km. Ein herkömmliches Freileitungsseil aus Stahl-Aluminiumdrähten, welches das gleiche Gewicht pro km aufweist hat wie schon oben erwähnt einen leitwertgleichen Kupferquerschnitt von 119 mm'.
Der leitende Querschnitt des Freileitungsseiles gemäss Figur 2 ist somit auch hier wesentlich grösser, nämlich 63%. Es ist offensichtlich, dass auch bei dieser erfindungsgemässen Ausführung bei gleicher Gewichtsbelastung eines Trasses wesentlich höhere Leistungen übertragen werden können. Gleichzeitig weist das erfindungsgemässe Seil eine hö here Festigkeit auf, indem die Bruchfestigkeit ca. 55% höher ist als beim erwähnten Stahl-Aluminiumseil. Damit ergibt sich die Möglichkeit, bei erhöhter Übertragungsleistung auch die Di stanz zwischen Abstütz-Masten und/oder den Durchhang der Freileitungsseile zu reduzieren.
Sollte die Festigkeit des Seiles noch höher sein, so kann diese noch gesteigert werden, indem in die Hohlräume 5, 6 zusätzliche Verbundelemente 3, 4 ent sprechend der Anordnung in Figur 1 eingelegt werden. Da der Seilaufbau und der Leiterquerschnitt dadurch nicht verändert werden, ergibt sich für den Seilkonstrukteur ein wesentlich grösserer Spielraum für die Berechnung, als es bei den her kömmlichen Seilen möglich war.
Das in Figur 3 im Querschnitt dargestellte Freileitungsseil zeigt eine Ausführungsform, welche auf einer Verseilmaschine mit einer beschränkten Anzahl von Drahtzuführungen herstell- bar ist. Weist die Verseilmaschine z.B. nur 48 Drahtzuführun gen auf, so lässt sich ein Seil gemäss Figur 1 nicht in einem Ar beitsgang herstellen. Das Freileitungsseil gemäss Figur 3 weist als Kern 2 und in der inneren Lage 7 gesamthaft vier Verbund elemente 10 auf, welche den gleichen Querschnitt wie die metal lischen Drähte 1 haben.
In den Hohlräumen 5 der inneren Lage 2 sind sechs zusätzliche Verbundelemente 3 mit kleinerem Quer schnitt eingelegt und mit den Drähten 1 verseift. Diese Kombi nation von dreiunddreissig Drähten 1, vier Verbundelementen 10 und sechs Verbundelementen 3 lässt sich in einem Arbeits gang auf einer Verseilmaschine mit 48 Drahtzuführungen her stellen. Die Verbundelemente 10 und 3 sind auch hier aus Poly- aramidfasern, welche in ein ausgehärtetes Kunstharz eingelagert sind, gebildet. Je nach Bedürfnissen können unterschiedliche Anordnungskombinationen der verschiedenen Querschnitte der Verbundelemente 3 und 10 gewählt werden.
Vergleicht man die ses Seil wiederum mit Freileitungsseilen herkömmlicher Art, so zeigt sich, dass ein Stahl-Aluminiumseil mit leitwertgleichem Kupferquerschnitt ein Gewicht pro km aufweist, welches ca. 64% höher ist. Bei einem Seil aus Aldrey, einer bekannten und häufig verwendeten Aluminiumlegierung mit leitwertgleichem Kupferquerschnitt ist das Gewicht pro km immer noch ca. 53% höher. Bei gleicher Übertragungsleistung müssen somit Trassen, welche mit Seilen der herkömmlichen Art bestückt sind mit we sentlich massiveren Masten und stärkeren Abspannungen aus gerüstet werden.
Auch bei dem in Figur 3 dargestellten Freileitungsseil sind die Verbundelemente 3 und 10 vollständig von metallischen Drähten 1 umgeben und dadurch vor der Einwirkung der schädlichen ultravioletten Strahlung geschützt. Bei Bedarf kön nen auf das hier dargestellte Seil noch weitere Lagen von Dräh ten aufgebracht und zu einem grösseren Seil verseift werden.
Das in Figur 4 dargestellte Freileitungsseil entspricht im Aufbau der metallischen Drähte 1 und der Verbundelemente 10 dem Freileitungsseil gemäss Figur 2. Die inneren Lagen sind beim dargestellten Seil jedoch durch einen Hohlkörper 16 er setzt, welcher einen Hohlraum 17 aufweist. Zusätzlich weist das Seil eine äussere Lage 15 von metallischen Drähten 1 auf, und die Verbundelemente 10 sind alle in der hier inneren Lage 9 an geordnet. Das dargestellte Seil findet insbesondere als Erdungs- seil Verwendung. In den Hohlraum 17 des Hohlkörpers 16 kön nen bei Bedarf optische Leiter eingeschoben werden.
Mit Vor teil weisen diese optischen Leiter eine Wellenform auf, wodurch allfällige Längenänderungen oder Deformationen des Freilei- tungsseiles ausgeglichen werden können. Diese Ausführung ist eine besonders einfache und günstige Kombination eines Freilei- tungsseiles mit metallischen Drähten und integriertem opti schem Leiter.
Das Freileitungsseil gemäss Figur 5 besteht aus sieben Litzen 18, welche bündelverseift sind. Jede Litze 18 ist aus sechs metal lischen Drähten 19 gebildet, welche um ein Verbundelement 20 angeordnet sind, welches gleichzeitig als Kern der Litze 18 dient. Das Verbundelement 20 besteht auch hier aus Polyara- midfasern, welche mit einem in Styrol gelösten ungesättigten Polyesterharz getränkt und zu einem Draht mit kreisförmigem Querschnitt geformt und gehärtet wurden. Um dieses formsta bile Verbundelement 20 können die metallischen Drähte 19 oh ne Schwierigkeiten verseift und zu einer Litze 18 geformt wer den.
Das Verbundelement 20 ist wiederum allseitig von metalli schen Drähten 19 umgeben und dadurch vor dem Einfluss von ultravioletten Strahlen und auch vor Verschmutzung geschützt. Für die metallischen Drähte 19 wird im gezeigten Beispiel Bein aluminium verwendet, welches aber auch durch ein anderes Lei termaterial ersetzt werden kann. Die Drähte 19 weisen einen Durchmesser von 3,15 mm und die Verbundelemente 20 von 3,21 mm auf. Damit ergibt sich ein Gewicht von 1027 kg/km.
Bei Verwendung von Beinaluminium für die Drähte 19 beträgt der leitwertgleiche Kupferquerschnitt 228 mmZ. Gegenüber einem herkömmlichen Freileitungsseil aus Stahl- und Alumini umdrähten mit gleichem Gewicht ist der leitende Querschnitt ca. 35% grösser, und das Seil weist gleichzeitig eine ca. 50% höhere Bruchkraft, nämlich von ca. 150 kN auf.