Selbsttragendes Freileitungsseil
Die Erfindung betrifft ein selbsttragendes Freileitungsseil mit mehreren metallischen Drähten und mindestens einem Zug¬ entlastungselement aus einer Vielzahl von strangartig zu¬ einander angeordneten Verstärkungsfasern, wobei die Ver- Stärkungsfasern mit einem Bindematerial getränkt sind und ein Verbundelement bilden.
Ein Freileitungsseil dieser Art ist aus der europäischen Patentschrift Nr.. 25 461 bekannt. Bei diesem 'Freileitungs-. seil sind die metallischen Drähte und das Zugentlastungs¬ element je in einem voneinander unabhängigen Querschnitt angeordnet. Das Zugentlastungselement besteht aus etwa par¬ allel zueinander verlaufenden Kunstfasern, welche von einem Schutzmantel umgeben sind, wobei dieser Schutzmantel gleichzeitig die metallischen Drähte umschliesst und die
Verbindung zwischen den beiden Querschnitten herstellt. Der Schutzmantel ist auch notwendig, um die Kunstfasern vor ultravioletten Strahlen, z.B. infolge des Sonnenlichtes, zu schützen. Mit Freileitungsseilen dieser Art können grosse Spannweiten zwischen den Aufhängemasten überbrückt werden, da die Kunstfasern eine wesentlich höhere Zugspannung auf¬ nehmen können als die metallischen Drähte. Als geeignete Kunstfasern werden Fasern aus organischen Polymeren be¬ schrieben. Die Kunstfasern sind mit einem Bindermaterial, z.B. einem natürlichen Harz, getränkt, wobei dieses Harz bei Ueberbeanspruchung in Pulver zerfallen soll. Da Frei¬ leitungsseile dieser Art eine Ummantelung zur Verbindung des Zugentlastungselementes mit den metallischen Drähten
benötigen, ist der Aufbau kompliziert und aufwendig. Sie finden in der Praxis vorwiegend bei Spezialanwendungen, zum Beispiel als Uebertragungsleitungen für Steuersignale, Ver¬ wendung, sind jedoch insbesondere für Hochspannungsfreilei¬ tungen wegen der hohen Herstellkosten nicht geeignet. Bei Hochspannungsfreileitungen besteht zudem die Forderung nach einem optimalen Verhältnis zwischen dem Gesamtquerschnitt des Freileitungsseiles und der für die Stromübertragung zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche.
Gemäss dem Britischen Patent Nr. 838 494 wurde vorgeschla¬ gen, das Zugentlastungselement im Zentrum des Seiles, als Kern anzuordnen. Entsprechend den beschriebenen Lösungen gehen dabei bis zu 50 % des SeilquerSchnittes zu Lasten des Zugentlastungselementes verloren. Zudem treten erhebliche Probleme bei der Endbefestigung der Seile auf, da das den Kern bildende. Verstärkungselement nur mit grossem techni¬ schem Aufwand eingespannt werden kann. Diese Schwierigkei¬ ten sind offenbar auch die Ursache dafür, dass derartige Freileitungsseile bis heute nicht zum Einsatz gelangt sind und nur bei Spezialanwendungen Lösungen gemäss EP 25 461 Bl verwendet werden.
Die heute bei Hochspannungsfreileitungen verwendeten Besei- lungen bestehen zumeist aus einer Kombination von Stahl- und Aluminiumdrähten oder aus hochfesten Aluminiumlegierun¬ gen. Die Aluminiumdrähte werden wegen ihres geringen Ge¬ wichtes und der gleichzeitig relativ guten Leitfähigkeit eingesetzt. Da sie eine geringen Zugfestigkeit aufweisen, müssen Freileitungsseile aus Reinaluminiumdrähten mit
Stahldrähten verstärkt werden, welche jedoch das Gewicht derartiger Freileitungsseile erheblich erhöhen. Schwere Seile erfordern verstärkte Tragmasten. Die Stahldrähte sind zudem für die Stromleitung nicht geeignet und korrosionsan- fällig. Die Verwendung von zwei unterschiedlichen metalli¬ schen Materialien erhöht die Korrosionsgefahr zusätzlich. Infolge der dichten Besiedlung ist es heute ausserordent-
lieh schwierig, geeignete Trassen für Freileitungen zu fin¬ den. Wegen des weiterhin zunehmenden Strombedarfes sollten neue Trassen gebaut werden, was aus den erwähnten Gründen auf Schwierigkeiten stösst. Es wird deshalb versucht, die bestehenden Trassen besser auszunutzen, indem grössere Masten mit einer anderen Beseilung, d.h. Beseilungen mit einer höheren Uebertragungsleistung, eingesetzt werden. In vielen Fällen ist jedoch eine weitere Verdichtung der bestehenden Freileitungstrassen aus verschiedenen Gründen ebenfalls nicht mehr möglich, und die Erhöhung der Ueber¬ tragungsleistung stösst deshalb an Grenzen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Freilei¬ tungsseil zu schaffen, welches bei gleichem Gewicht einen grösseren Leiterquerschnitt für die Stromübertragung und damit eine höhere Uebertragungsleistung aufweist als Stahl- AIuminiumrSeile, einfach und wenn möglich auf den bekannten Verseilmaschinen herstellbar ist, keine zusätzlichen Mittel für die Herstellung der Verbindung zwischen Verstärkungs- elementen und metallischen Drähten und keine zusätzliche Ummantelung als Schutz gegen ultraviolette Strahlung benö¬ tigt. Im weiteren ist es auch Aufgabe der Erfindung, ein Freileitungsseil zu schaffen, welches bei gleicher Ueber¬ tragungsleistung grössere Spannweiten zwischen den Masten ermöglicht sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit und da¬ mit eine höhere Betriebssicherheit aufweist.
Diese Aufgabe- wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 definierten Merkmale gelöst. Vorteilhaf- te Weiterbildungen ergeben sich nach den Merkmalen der ab¬ hängigen Patentansprüche.
Das erfindungsgemässe Freileitungsseil weist im wesentli¬ chen den gleichen Aufbau wie ein aus Stahl- und Aluminium- drahten oder z.B. der Aluminiumlegierung Aldrey bestehendes Freileitungsseil auf. In zweck ässiger Weise finden für die Leiter Reinaluminiumdrähte Verwendung, da diese die kosten-
günstigste Lösung darstellen. Je nach Anwendungsfall können auch Drähte aus Kupfer oder einem anderen leitenden Mate¬ rial eingesetzt werden. Die Zugentlastungselemente bestehen aus Verbundelementen, welche aus in einem aushärtbaren 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 aroma¬ tischen Polyamiden, Glasfasern oder sogenannte Kevlarfa- sern. Diese Fasern sind strangartig und etwa parallel zu¬ einander angeordnet und so in einem ausgehärteten Reaktiv¬ kunstharz eingelagert, dass sich ein stabfδrmiges Element mit fester Struktur und festem Querschnitt bildet. Die Querschnittsform dieser Verbundelemente ist durch die ge- wünschte Art der Verstärkung des erfindungsgemässen Frei¬ leitungsseiles bestimmt. Eine besonders einfache Herstel¬ lung des erfindungsgemässen Freileitungsseiles ist möglich, wenn die als Zugentlastungselemente dienenden Verbundele¬ mente die gleiche Querschnittsfiäche und -form aufweisen wie die metallischen Drähte. Solche Verbundelemente 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 ausgehärtetem Kunstharz einen formstabilen Querschnitt auf, welcher beim Verseilen durch die metallischen Drähte nicht zusammengedrückt werden kann. Dadurch ergibt sich im Gegen¬ satz zu früheren Versuchen mit Zugentlastungselementen aus Verstärkungsfasern die Möglichkeit, ein formbeständiges
Freileitungsseil herzustellen, ohne dass zusätzliche Mass- nah en notwendig sind. Das derartig gebildete Freileitungs¬ seil lässt sich an den Enden mit den bekannten Einrichtun¬ gen einspannen, da die Zugentlastungselemente zwischen den Leitern angeordnet und mit diesen verseilt sind. Die Ver¬ bundelemente weisen als Zugentlastungselemente gegenüber solchen aus Stahl je nach gewähltem Fasermaterial 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 er¬ höht werden. Dies ergibt eine höhere Uebertragungsleistung für ein Kabel von gleichem Gewicht. Bei geeigneter Kombina¬ tion von Verstärkungsfasern mit dem Kunstharz können auch höhere Festigkeitswerte erreicht werden. Dies ergibt sich z.B. bei der Verwendung von Aramidfasern in Verbindung mit ungesättigten Polyesterharzen oder mit Epoxyharzen.
Ein noch kompakteres Freileitungsseil ergibt sich, wenn der gewünschte Leiterquerschnitt in herkömmlicher Weise voll¬ ständig aus metallischen Drähten, insbesondere den kosten¬ günstigen Reinaluminiumdrähten, bzw. -litzen hergestellt wird, und die Verbundelemente in die beim Verseilen entste¬ henden Hohlräume zwischen den Drähten eingelegt werden. Je nach geforderter Festigkeit weisen die Verbundelemente bei dieser Lösung den grösstmöglichen runden Querschnitt auf, oder ihre Querschnittsfläche entspricht dem Querschnitt des Hohlraumes. Solche Seile lassen sich zusätzlich verdichten, indem sie in der Verseilmatrize geglättet und zusammenge- presst werden.
Bei Freileitungsseilen gemäss der Erfindung ist im weiteren die Gefahr der Korrosion praktisch ausgeschlossen, da nur Drähte aus gleichem Material vorhanden sind. Die zumeist für die Drähte verwendeten Materialien Aluminium oder Kupfer sind von Natur aus korrosionsbeständig. Damit erhöht sich die Betriebs- und Langzeit-Sicherheit der Freilei- tungsseile.
Die Anordnung mit einem Hohlleiter im Kern ist einfach her¬ stellbar und findet insbesondere als Erdseil Verwendung. In den Hohlleiter kann bei Bedarf ein optisches Kabel eingezo- gen werden, welches gegenüber den metallischen Drähten frei beweglich ist. Das optische Kabel bildet keinen Bestandteil
der Tragstruktur und ist deshalb gut gegen Deformationen geschützt.
Freileitungsseile gemäss der Erfindung weisen eine etwa 70 % höhere Uebertragungsleistung auf als herkömmliche Alu¬ miniumstahlseile von gleichem Gewicht pro Längeneinheit. Dies macht es möglich, auf bestehenden Trassen bei Einsatz der erfindungsgemässen Seile höhere Leistungen zu übertra¬ gen. Bei gleicher Uebertragungsleistung wird ein Freilei- tungsseil der erfindungsgemässen Art leichter, und die zu¬ gehörigen 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 Erstellungskosten solcher Freileitungs- trassen reduziert werden und den weiteren Vorteil, dass kleinere Masten besser in die Landschaft eingepasst werden können.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele und weitere Vor- teile der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes
Freileitungsseil mit in die Hohlräume eingelegten Verstärkungselementen mit rundem Querschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes
Freileitungsseil mit Verstärkungselementen, wel¬ che den gleichen Querschnitt wie die metallischen Drähte aufweisen, Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Freileitungsseil mit Verstärkungselementen, welche unterschiedliche
Querschnitte aufweisen, Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Freileitungsseil mit einem als Hohlkörper « ausgebildeten Kern und gleichem Querschnitt der Verbundelemente und der metallischen Drähte.
Das in Figur 1 dargestellte Freileitungsseil besteht aus metallischen Drähten 1, welche in drei Lagen 7, 8 und 9 verseilt sind. Der Kern 2 ist ebenfalls aus einem metalli¬ schen Draht 1 gebildet. In den Hohlräumen 5, zwischen der ersten Lage 7 und der zweiten Lage 8 sowie in den Hohlräu¬ men 6 zwischen der zweiten Lage 8 und der dritten Lage 9 sind Verbundelemente 3, bzw. 4 angeordnet. Diese Verbund¬ elemente 3, 4 bestehen aus Polyaramidfasern, welche in einem ausgehärteten Kunstharz eingebettet sind. Als Kunst- harz wird in diesem Beispiel ein in Styrol gelöstes unge¬ sättigtes Polyesterharz verwendet. Solche Harze sind unter der Bezeichnung Leguval der Firma Bayer bekannt. Die Ver¬ bundelemente 3, 4 weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf, welcher fest und formstabil ist. Die metallischen Drähte 1 aller Lagen 7, 8, 9 und der Kern 2 weisen einen
Durchmesser von 3,36 mm auf und bestehen aus Reinaluminium. Gesamthaft besteht das dargestellte Freileitungsseil aus 37 metallischen Drähten 1, womit sich ein leitender Quer-
2 schnitt von 328 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 daraus ein Gewicht von 907 kg/km und eine Bruchkraft von ca. 80.000 N. Der für den Vergleich von Freileitungsseilen und die Berechnung der Uebertragungsleistung wichtige leit- wertgleiche Kupferquerschnitt beträgt bei diesem Beispiel 201 mm .
Ein herkömmliches Freileitungsseil aus Stahl-/Aluminium- drähten mit gleichem Gewicht pro km Länge weist nur einen
2 leitwertgleichen Querschnitt von 119 mm auf. Der leitende
Querschnitt des Freileitungsseiles gemäss Figur 1 ist somit um 69 % grösser als beim, herkömmlichen Stahl-/Aluminium- seil. Werden Freileitungsseile der herkömmlichen Art auf einem bestehenden Trasse durch Seile gemäss Figur 1 er- setzt, so kann auf dem gleichen Trasse eine entsprechend höhere Leistung übertragen werden.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Freileitungsseil mit metallischen Drähten 1 und Verbundelementen 10, welche ebenfalls zwischen den metallischen Drähten 1 angeordnet sind und den gleichen Querschnitt wie diese aufweisen. Als Verstärkungselemente dienen auch hier Polyaramidfasern, welche gemeinsam mit dem ausgehärteten Kunstharz zum stab- fδrmigen Verbundelement 10 mit kreisförmigem Querschnitt verarbeitet sind. Diese Verbundelemente 10 sind ebenso formstabil wie die metallischen Drähte 1 und können deshalb ohne Schwierigkeiten mit diesen metallischen Drähten 1 in bekannter Weise verseilt werden. In der ersten Lage werden zwei und in der zweiten Lage drei Verbundelemente 10 ange¬ ordnet. 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 ab¬ decken, bilden für die in den unteren Lagen, angeordneten Verbundelemente 10 eine wirksame Schutzschicht gegen ultra- violette Strahlen. Es ist deshalb nicht nötig, einen zu¬ sätzlichen Schutzmantel um das Freileitungsseil anzuordnen, da der durch die äussere Lage der metallischen Drähte 1 er¬ reichbare Schutz genügend ist. Wird das dargestellte Frei¬ leitungsseil aus metallischen Drähten aus Reinaluminium mit einem Durchmesser von 3,54 mm gebildet, so enthält das Seil
32 metallische Drähte 1. Der leitwertgleiche Kupferquer-
2 schnitt für dieses Seil beträgt 193 mm . Im weiteren erhält das Seil ein Gewicht von 912 kg/km. Ein herkömmliches Frei¬ leitungsseil aus Stahl-Aluminiumdrähten, welches das glei- ehe Gewicht pro km aufweist hat wie schon oben erwähnt einen leitwertgleichen Kupferquerschnitt von 119 mm 2. 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 we¬ sentlich höhere Leistungen übertragen werden können. Gleichzeitig weist das erfindungsgemässe Seil eine höhere
Festigkeit auf, indem die Bruchfestigkeit ca. 55 % höher ist als beim erwähnten Stahl-Aluminiumseil. Damit ergibt sich die Möglichkeit, bei erhöhter Uebertragungsleistung auch die Distanz 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 entsprechend der Anordnung in Figur 1 eingelegt werden. Da der Seilaufbau und der Leiterquer- schnitt dadurch nicht verändert werden, ergibt sich für den Seilkonstrukteur ein wesentlich grösserer Spielraum für die Berechnung, als es bei den herkömmlichen Seilen möglich war.
Das in Figur 3 im Querschnitt dargestellte Freileitungsseil zeigt eine Ausführungsform, welche auf einer Verseilmaschi¬ ne mit einer beschränkten Anzahl von Drahtzuführungen her¬ stellbar ist. Weist die Verseilmaschine z.B. nur 48 Draht¬ zuführungen auf, so lässt sich ein Seil gemäss Figur 1 nicht in einem Arbeitsgang herstellen. Das Freileitungsseil gemäss Figur 3 weist als Kern 2 und in der inneren Lage 7 gesamthaft vier Verbundelemente 10 auf, welche den gleichen Querschnitt wie die metallischen Drähte 1 haben. In den Hohlräumen "5 der inneren Lage 2 sind sechs zusätzliche Ver- bundelemente 3 mit kleinerem Querschnitt eingelegt und mit den Drähten 1 verseilt. Diese Kombination von dreiunddreis- sig Drähten 1, vier Verbundelementen 10 und sechs Verbund¬ elementen 3 lässt sich in einem Arbeitsgang auf einer Ver¬ seilmaschine mit 48 Drahtzuführungen herstellen. Die Ver- bundelemente 10 und 3 sind auch hier aus Polyaramidfasern, welche in ein ausgehärtetes Kunstharz eingelagert sind, ge¬ bildet. Je nach Bedürfnissen können unterschiedliche Anord¬ nungskombinationen der verschiedenen Querschnitte der Ver¬ bundelemente 3 und 10 gewählt werden. Vergleicht man dieses Seil wiederum mit Freileitungsseilen herkömmlicher Art, so zeigt sich, dass ein Stahl-Aluminiumseil mit leitwertglei¬ chem Kupferquerschnitt ein Gewicht pro km aufweist, welches
ca. 64 % höher ist. Bei einem Seil aus Aldrey, einer be¬ kannten und häufig verwendeten Aluminiumlegierung mit leit¬ wertgleichem Kupferquerschnitt ist das Gewicht pro km immer noch ca. 53 % höher. Bei gleicher Uebertragungsleistung müssen somit Trassen, welche mit Seilen der herkömmlichen Art. bestückt sind mit wesentlich massiveren Masten und stärkeren Abspannungen ausgerüstet 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 schäd¬ lichen ultravioletten Strahlung geschützt. Bei Bedarf kön¬ nen auf das hier dargestellte Seil noch weitere Lagen von Drähten aufgebracht und zu einem grösseren Seil verseilt 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 ersetzt, welcher einen Hohlraum 17 aufweist. Zusätzlich weist das Seil eine äussere Lage 15 von metallischen Dräh¬ ten 1 auf, und die Verbundelemente 10 sind alle in der hier inneren Lage 9 angeordnet. Das dargestellte Seil findet insbesondere als Erdungsseil Verwendung. In den Hohlraum 17 des Hohlkörpers 16 können bei Bedarf optische Leiter einge¬ schoben werden. Mit Vorteil weisen diese optischen Leiter eine Wellenform auf, wodurch allfällige Längenänderungen oder Deformationen des Freileitungsseiles ausgeglichen wer- den können. Diese Ausführung ist eine besonders einfache und günstige Kombination eines Freileitungsseiles mit me¬ tallischen Drähten und integriertem optischem Leiter.