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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erweiterung der elektrischen Übertragungskapazität eines Freileitungsmastsystems als Teil eines elektrischen Hochspannungsnetzes.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur nachträglichen Erweiterung der elektrischen Übertragungskapazität eines bestehenden Freileitungsmastsystems als Teil eines elektrischen Hochspannungsnetzes im Sinne einer Ertüchtigung.
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Freileitungsmastsysteme werden zur Übertragung elektrischer Energie über große Distanzen verwendet.
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Freileitungsmastsysteme im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Höchst- und Hochspannungsmastsysteme mit zwischen diesen gespannten Freileitungen, wobei die Freileitungen in der Regel mehrere Leitungsseile umfassen, die zwischen Isolatoren der Freileitungsmasten abgehängt sind.
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In elektrischen Energieversorgungsnetzen wird normalerweise zwischen verschiedenen Spannungsebenen unterschieden, nämlich zwischen Höchstspannung, Hochspannung, Mittelspannung und Niederspannung. Die Spannungen in den einzelnen Netzebenen sind üblicherweise auf die Transportleistung und die Leitungslänge angepasst, so dass die Transportverluste und Spannungsabfälle nicht zu groß werden. Übertragungsnetze werden mit Höchstspannung betrieben, Verteilnetze üblicherweise mit Hochspannung. Unter Höchstspannung werden Spannungen zwischen 220 und 380 kV, aber auch 750 kV und mehr, bezeichnet, unter Hochspannung versteht man in der Regel eine Spannung in der Größenordnung von etwa 110 kV.
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Nicht zuletzt wegen eines hohen Anteils an elektrischer Energie aus sogenannten regenerativen Energiequellen in die Stromnetze ist es erforderlich, die Stromnetze ständig weiter auszubauen. Dies ergibt sich unter anderem auch aus dem Umstand, dass an neuen Standorten neue Kraftwerke entstehen, dass alte Kraftwerke stillgelegt werden und dass sich der Umfang des grenzübergreifenden Stromhandels erhöht.
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Die Notwendigkeit eines Netzausbaus ist grundsätzlich unumstritten, gegen einen weiteren Freileitungsbaum besteht jedoch zunehmend öffentlicher Widerstand, auch wegen der Umweltverträglichkeit der von elektrischen Hochspannungsnetzen induzierten Magnetfelder sowie der damit einhergehenden Geräuschbelästigung. Als Alternative kommt die Erdverlegung von Hoch- und Höchstspannungsleitungen in Betracht, wobei eine solche Erdverlegung mit erheblichen Kosten verbunden ist und ebenfalls mit einer hohen Flächenbeanspruchung einhergeht.
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Es besteht daher grundsätzlich das Bedürfnis, über bestehende Freileitungsmastsysteme mehr elektrische Energie übertragen zu können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erweiterung der elektrischen Übertragungskapazität von Freileitungsmastsystemen bereitzustellen, welche nur minimale Eingriffe in bestehende Freileitungsmastsysteme erfordert.
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Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend ausgebildetes Freileitungsmastsystem bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren eines minimal invasiven Netzausbaus in bestehenden Freileitungsmastsysteme vorgeschlagen, welches mit einer Kombination verschiedenster Maßnahmen eine Erhöhung der Gesamt-Übertragungskapazität des Freileitungsmastsystems erzielt.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Freileitungsmastsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Ein Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur vorzugsweise nachträglichen Erweiterung der elektrischen Übertragungskapazität eines Freileitungsmastsystems als Teil eines elektrischen Hochspannungsnetzes, das zu mindestens zwei Freileitungsmasten und mehrere zwischen diesen gespannte Leitungsseile umfasst, wobei die zwischen den Freileitungsmasten gespannten Leitungsseile eine Gesamt-Übertragungskapazität und einen Gesamt-Leitungsquerschnitt aufweisen, wobei das Verfahren eine Erhöhung der Gesamt-Übertragungskapazität zwischen den Freileitungsmasten mittels eines oder mehrerer Verfahrensschritte ausgewählt aus einer Gruppe umfassend folgende Verfahrensschritte vorsieht:
- a) Aufspannen wenigstens eines zusätzlichen bezüglich der vorhandenen Leiterseile isolierten Leiterseils zwischen den Freileitungsmasten,
- b) Aufspannen wenigstens eines zusätzlichen Leiterseils zwischen den Freileitungsmasten, dass mit einem vorhandenen Leiterseil in direktem elektrisch leitendem Kontakt steht,
- c) Austauschen wenigstens eines Leiterseils mit einem ersten kleineren Leitungsquerschnitt gegen ein Leiterseil mit einem zweiten größeren Leitungsquerschnitt oder mit einer höheren Leitfähigkeit,
- d) Austauschen wenigstens eines Leiterseils mit Einzelleitern, die einen symmetrischen Querschnitt aufweisen, gegen ein Leiterseil mit Einzelleitern, die einen asymmetrischen Querschnitt aufweisen und
- e) wenigstens teilweises Ändern der Anordnung, Verschaltung und Isolierung der Leiterseile von Höchstspannungs- oder Hochspannungs-Wechselstromübertragung auf Höchstspannungs- oder Hochspannungs-Gleichstromübertragung.
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Wenn im Folgenden von Hochspannung die Rede ist, schließt das im Sinne der Erfindung auch die sogenannte Höchstspannung zwischen 200 und 1500 kV ein.
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Das vorstehend beschriebene Verfahren lässt sich auch bei der Errichtung neuer Leitungssysteme in bestehenden Trassen anwenden.
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Nach Merkmal a) des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass wenigstens ein zusätzliches Leiterseil, vorzugsweise mehrere zusätzliche Leiterseile zwischen vorhandenen Freileitungsmasten aufgespannt werden. Dieses Konzept geht davon aus, dass die Freileitungsmasten zusätzliche Tragreserven zur Aufnahme weiterer Leiterseile aufweisen. Dadurch ergibt sich ein höherer Gesamtleitungsquerschnitt. Für den Fall, dass die Tragreserven der bestehenden Freileitungsmasten nicht ausreichen, können diese entsprechend ertüchtigt werden, entweder durch Strukturverstärkung der Maststruktur oder durch Verstärkung des Fundaments.
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Alternativ oder zusätzlich zum Merkmal a) kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein zusätzliches Leiterseil zwischen den Freileitungsmasten so aufgespannt wird, dass dieses mit einem vorhandenen Leiterseil in direktem elektrisch leitendem Kontakt steht. Dabei ist das zweite Leiterseil zweckmäßigerweise dazu ausgebildet, die gleiche Stromphase wie dasjenige Leiterseil zu übertragen, mit welchem dieses in elektrisch leitendem Kontakt steht. Damit wird der Leitungsquerschnitt und damit die Übertragungskapazität des betreffenden Leiterseils bzw. der betreffenden Stromphase erhöht.
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Gemäß Merkmal c) ist vorgesehen, dass wenigstens ein Leiterseil mit einem ersten kleineren Leitungsquerschnitt gegen ein Leiterseil mit einem zweiten größeren Leitungsquerschnitt oder mit einer größeren Leitfähigkeit ausgetauscht wird.
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Nach Merkmal d) kann wenigstens ein Leiterseil mit Einzelleitern, die einen symmetrischen Querschnitt aufweisen, gegen ein Leiterseil mit Einzelleitern, die einen asymmetrischen Querschnitt aufweisen, ausgetauscht werden. Beispielsweise können Einzelleiter mit asymmetrischem Querschnitt, beispielsweise mit trapezförmigem Querschnitt, zu einem dichteren Querschnitt verseilt werden, so dass das betreffende Leiterseil eine geschlossene Oberfläche und einen erhöhten Querschnitt aufweist. Der erhöhte Querschnitt ergibt sich insbesondere durch die Vermeidung von Drahtzwischenräumen zwischen den einzelnen Leitern.
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Schließlich kann nach Merkmal e) vorgesehen sein, die Anordnung, Verschaltung und Isolierung der Leiterseile wenigstens teilweise von Höchstspannungs Hochspannungs- oder Wechselstromübertragung auf Höchstspannungs- oder Hochspannungs-Gleichstrom-übertragung zu ändern. So kann beispielsweise ein bestehendes Freileitungsmastsystem, welches auf Höchstspannungs- oder Hochspannungs-Wechselstromübertragung ausgelegt ist, teilweise von Wechselstrom auf Gleichstrom umbeseilt werden, dass das Freileitungsmastsystem als Hybridsystem für Wechselstrom und Gleichstrom ausgelegt ist.
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Wenn in der vorliegenden Anmeldung von Höchstspannungs- bzw. Hochspannungs-Wechselstromübertragung die Rede ist, so ist damit auch die sogenannte Drehstrom-Übertragung eines dreiphasigen Wechselstroms gemeint.
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Erfindungsgemäß kann beispielsweise ein ehemaliger Freileitungsmast für 2 × 220 kV Wechselstromsysteme auf einer Seite ein Gleichstromsystem mit +/–250 kV umfassen. Es muss dabei die Isolationskoordination für das Gleichstromsystem mit gegebenenfalls Mittelspannungsrückleiter neu durchgeführt werden und damit Isolatorlänge, Kriechweg und Positionen verifiziert werden. Eine gegenseitige elektrische und magnetische Beeinflussung der Systeme kann beispielsweise durch Verwendung eines 50 Hz Filters im Gleichstromsystem vermieden werden.
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Zweckmäßigerweise erfolgt eine Teilumrüstung von wenigstens zwei Freileitungsmasten und der zwischen diesen gespannten Leitungsseilen von Höchstspannungs- oder Hochspannungs-Wechselstromübertragung auf Höchstspannungs- oder Hochspannungs-Wechselstromübertragung und Höchstspannungs- oder Hochspannungs-Gleichstromübertragung (Hybridsystem).
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, eine Teilumrüstung von wenigstens zwei Freileitungsmasten derart vorzunehmen, dass zwischen diesen Leitungsseile für verschiedene Spannungsebenen aufgespannt werden. Beispielsweise können zwischen den Freileitungsmasten auf einer Höhe Leiterseile für die 110 kV Spannungsebene aufgespannt sein, auf einer anderen Höhe Leitungsseile für die 220 kV- oder 380 kV Spannungsebene.
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Neben der Verwendung höher leitfähiger Leiterseile ist es auch möglich, die Leitfähigkeit der Leiterseile durch eine aktive Kühlung oder verbesserte passive Kühlung (beispielsweise durch verstärkte Luftzirkulation) zu erhöhen und somit die Gesamtübertragungskapazität der zwischen den Freileitungsmasten vorgesehenen Beseilung zu erhöhen.
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Eine aktive Kühlung kann beispielsweise über an den Leiterseilen vorgesehenen Wärmetauscher durchgeführt werden, die mit einem Wärmetauschermedium bzw. einem Wärmetauscherfluid durchströmt werden. Die Zirkulation des Wärmetauschermediums kann beispielsweise über an den Freileitungsmasten angeordnete windkraftbetriebene oder solarkraftbetriebene Aggregate erfolgen.
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Erfindungsgemäß ist auch eine Strukturverstärkung wenigstens eines der Freileitungsmasten zur Erhöhung deren Tragfähigkeit vorgesehen, so dass eine entsprechende Umbeseilung hin zu einem größeren Gesamtleitungsquerschnitt möglich ist. Strukturelle Veränderungen der Freileitungsmasten können beispielsweise durch aerodynamische Verkleidungen erzielt werden, die im Verbund wirkend mit der bestehenden Tragstruktur die Gesamtfähigkeit der Freileitungsmasten erhöhen, sowohl gegen Biegung, Biegedrillknicken, Axialkraft und generell erhöhte unsymmetrische Belastung.
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Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, innerhalb bestehender Freileitungsmasten zusätzliche Abspannung vorzusehen, beispielsweise in Form von Seilen, die weitestgehend an der bestehenden Tragstruktur entlanglaufen und Zugkräfte aufnehmen.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine strukturelle Verstärkung in Form einer nachträglichen Ertüchtigung der Gittermaßstrukturen von Freileitungsmastsystemen vorgesehen sein, wobei ein solches Ertüchtigungsverfahren das Verlegen wenigstens eines Schlauchs entlang einer Stütze oder einer Querstrebe oder einer Diagonalstrebe eines Freileitungsmastes oder entlang wenigstens einer Teillänge der Stütze oder der Querstrebe oder der Diagonalstrebe umfassen kann, wobei der Schlauch aus einem zugfesten Material besteht oder eine zugfeste Armierung aufweist oder ein zugfestes Element umschließt oder an ein zugfestes Element angeschlossen ist, wobei das Verfahren des Befestigens des Schlauchs und/oder des zugfesten Elements an mehreren mit Abstand zueinander angeordneten Befestigungspunkten der Stütze oder der Querstrebe oder der Diagonalstrebe und das Verpressen einer aushärtbaren Vergussmasse in den Schlauch umfasst.
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Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, die Maststruktur oder Tragstruktur eines Freileitungsmastes mit einer korrosionshemmenden Beschichtung zu versehen, die mit der Tragstruktur des Freileitungsmastes einen Verbund bildet. Alternativ können Tragstrukturen des Freileitungsmastes mit Strukturmembranen aus Faserverbundwerkstoff verstärkt werden.
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Das Verfahren kann darüber hinaus die Ertüchtigung bestehender Fundamente der Freileitungsmasten umfassen.
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Alternativ oder zusätzlich kann zwischen wenigstens zwei Freileitungsmasten ein Zusatzmast aufgestellt werden, der einen Teil der Gewichtskraft der Leiterseile gegen einen Untergrund abstützt, wobei der Stützabstand vorhandener Freileitungsmasten verringert wird.
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Fundamentverstärkungen können beispielsweise durch Vergrößerung der bestehenden Einzelfundamente, durch Verbinden der Einzelfunkdamente zu Streifenfundamenten, durch Einbindung der Einzelfundamente in eine zusammenhängende Flachgründung, durch Vorsehen von Pfahlgründungen, die rüttelnd oder schlagend eingebracht werden, durch Bodenverpressung oder Bodenverdichtung sowie durch Kombination der zuvor erwähnten Maßnahmen durchgeführt werden. Alternativ können Sockelverstärkungen und Versteifungen durchgeführt werden, beispielsweise durch Einziehen zusätzlicher Streben und/oder Abspannungen im unteren Bereich der Maste. Zusätzlich oder alternativ können Eckstiele bis zu einem Drittel der Gesamthöhe einbetoniert werden, wodurch die freie Kragarmlänge erhöht und die obere Tragstruktur entlastet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Ertüchtigung bestehender Freileitungsmastsysteme.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Freileitungsmastsystem bereitgestellt, mit zumindest zwei Freileitungsmasten als Stahl-Fachwerkbauten mit Profilen, die eine Tragstruktur definieren, wobei an den wenigstens zwei Freileitungsmasten jeweils Isolatoren angebracht sind, und mit jeweils an den Isolatoren abgehängten Leiterseilen, die zwischen den zumindest zwei Freileitungsmasten gespannt sind, mit Mitteln zur Verstärkung der Freileitungsmasten, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend:
- A) wenigstens eine Abspannung wenigstens eines Freileitungsmastes gegen ein Fundament,
- B) wenigstens eine aerodynamische Verkleidung wenigstens eines Profils wenigstens eines der wenigstens zwei Freileistungsmasten,
- C) Mittel zur Verringerung der freien Knicklänge wenigstens eines Profils in Form von sich parallel zu wenigstens einem Profil der Tragstruktur erstreckenden, Zugkräfte oder Druckkräfte aufnehmenden Elemente,
- D) eine strukturverstärkende Beschichtung wenigstens eines Profils,
- E) Fundamentverstärkung mindestens eines Freileitungsmastes,
- F) Bodenverpressung oder Bodenverbesserung unterhalb und/oder in der Umgebung wenigstens eines Freileitungsmastes.
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Die vorbezeichneten Maßnahmen dienen der Ertüchtigung der Tragstruktur im Sinne einer größeren Traglast und ermöglichen eine signifikante Erhöhung der Gesamtübertragungskapazität zwischen den Freileistungsmasten im Sinne einer Erhöhung des Gesamtleitungsquerschnittes.
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Gemäß Merkmal A) kann wenigstens einer der Freileitungsmasten mit einer zusätzlichen Abspannung gegen ein Fundament, ggfs. auch gegen ein erweitertes Fundament versehen sein. Als Abspannungen können beispielsweise Stahlseile vorgesehen sein.
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Gemäß Merkmal B) kann an wenigstens einem Profil der Tragstruktur eine aerodynamische Verkleidung vorgesehen sein. Als aerodynamische Verkleidungen kommen beispielsweise Verkleidungspro-file in Betracht, die eine Anströmfläche aufweisen und eine Strömungsabschattung einer windexponierten Kante des Profils bilden. Solche Verkleidungsprofile können beispielsweise mit den Profilen der Tragstruktur einen Strukturverbund bilden, beispielsweise können diese als schalenförmige Profilsegmente ausgebildet sein, die mit einem thermoplastischen Kunststoff hinterschäumt sind.
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Nach Merkmal C) sind Mittel zur Erhöhung der freien Knicklänge wenigstens eines Profils in Form von sich parallel und zu wenigstens einem Profil der Tragstruktur erstreckenden, Zugkräfte oder Druckkräfte aufnehmenden Elementen vorgesehen. Dies können beispielsweise Stäbe oder Seile sein, die beispielsweise parallel zu Profilen der Tragstruktur gespannt sind. Alternativ können hierzu mit einer Vergussmasse verpresste Schläuche oder dergleichen vorgesehen sein, wie sie vorstehend bereits beschrieben wurden.
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So kann nach Merkmal D) eine strukturverstärkende Beschichtung wenigstens eines Profils vorgesehen sein.
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Nach den Merkmalen E) und F) sind Mittel zur Erhöhung der Fundamenttragfähigkeit vorzusehen, beispielsweise durch zusätzliche in situ Flachgründungen oder Tiefgründungen.
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Bei einer zweckmäßigen Variante des Freileitungsmastsystems gemäß der Erfindung ist wenigstens ein vorzugsweise teleskopierbarer Zusatzmast vorgesehen, der innerhalb der Gitterstruktur wenigstens eines Freileitungsmastes angeordnet wird und Druckkräfte von oberen Teilen der Gittermaststruktur ableitet und der auf diese Art und Weise die Gesamttragfähigkeit des Freileitungsmastsystems erhöht. Der Stützabstand der Leiterseile wird auf diese Art und Weise verringert.
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Es können Mittel zur Bereitstellung oder Erzeugung von elektrischer Energie an wenigstens einem der Freileitungsmasten vorgesehen sein, beispielsweise PV-Zellen, Batterien oder kleine Windturbinen, die Energie einspeisen oder speichern und die Energie für eine Aktive Kühlung bereitstellen, d.h. Systeme zur Kühlung und zur sensorischen Überwachung der Leiterseile unterstüzuen.
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Grundsätzlich kann vorgesehen sein, das Freileitungsmastsystem gemäß der Erfindung mit größeren Isolatoren auszustatten, die die Montage der Leiterseile mit einem größeren Abstand zueinander und zu der Tragstruktur ermöglichen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der in den Figuren dargestellten Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen:
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1 die Darstellung eines Freileitungsmastes, der Leiterseile für unterschiedliche Spannungsebenen trägt und der auf einen höheren Gesamtleitungsquerschnitt umbeseilt wurde und
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2 einen der 1 entsprechenden Freileitungsmast, der Leitungsseile für verschiedene Spannungsebenen aufnimmt und dessen Gesamtleitungsquerschnitt gegenüber dem in 1 veranschaulichten Zustand um 60 % erhöht ist.
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Der in 1 dargestellt Freileitungsmast 1 ist als herkömmliche, offene Stahlfachwerkkonstruktion ausgebildet. Der Freileitungsmast 1 umfasst mehrere Mastausleger 2, die jeweils Isolatoren 3 aufnehmen, an denen nicht dargestellte Leitungsseile abgehängt sind. Die in den Figuren zu unterst angeordneten Mastausleger 2 nehmen Leitungsseile der 110 kV Spannungsebene auf, die darüber angeordneten Mastausleger 2 nehmen Leitungseile der 380 kV Spannungsebene auf.
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Bei der in 1 gezeigten Konfiguration ist bei den oberen Mastauslegern 2 vorgesehen, jede Seite mit vier Leiterseilen des Typs 265/35 mit jeweils 22 mm Durchmesser aufzunehmen. Jedes der Leiterseile kann als Stahl-Aluminium-Verbundseil mit 265 mm2 Querschnitt ausgebildet sein. Ein solches Leiterseil kann beispielsweise eine Stahlseele aus sieben Einzeldrähten und vierundzwanzig Aluminiumdrähte in zwei Lagen umfassen, die aus Stabilitätsgründen gegenläufig geschlagen sind.
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Die mittleren Mastausleger 2 bei dem Beispiel gemäß 1 können je Seite vier Leiterseile des Typs 265/35 aufnehmen. Die darunter angeordneten Mastausleger 2 sind dazu ausgebildet, je Seite drei Leiterseile des Typs 265/35 aufzunehmen.
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Die Konfiguration gemäß 2 unterscheidet sich von derjenigen gemäß 1 nur dadurch, dass die oberen und mittleren Mastausleger 2 jeweils Leiterseile des Typs 435/55 aufweisen, die einen Durchmesser von jeweils 28 mm und eine Querschnittsfläche von jeweils 435 mm2 aufweisen. Das bedeutet eine Querschnittserweiterung von ca. 60 % gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Freileitungsmast
- 2
- Mastausleger
- 3
- Isolatoren
