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Die
Erfindung betrifft eine Freileitung, ein Torsionspendel für eine solche
Freileitung sowie die Verwendung eines Torsionspendels bei einer
solchen Freileitung.
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Bei
Freileitungen werden üblicherweise
zwischen beispielsweise durch Masten gebildete Abspannpunkte Freileitungsseile
gespannt. Freileitungsseile sind hierbei in der Regel Leiterseile
zum Transport von elektrischem Strom, können daneben aber auch Datenkabel,
beispielsweise Lichtwellenleiter, sein, die zur Übertragung von Daten vorgesehen sind.
Die Abspannpunkte sind oftmals mehrere 100 m voneinander beabstandet
und definieren zwischen sich ein so genanntes Freileitungsspannfeld.
Sie nehmen die von den Freileitungsseilen ausgeübten Kräfte auf, die aufgrund von Witterungseinflüssen stark
variieren können.
Aufgrund der relativ großen Spannweite
werden die Freileitungsseile einer hohen Zugspannung ausgesetzt.
Im Winter besteht das Problem, dass durch Eisablagerungen am Freileitungsseil
die Belastung für
das Seil und für
die Abspannpunkte stark zunimmt. Üblicherweise werden daher die
Freileitungsseile für
ein Vielfaches der so genannten Nenn-Dauerzugspannung ausgelegt,
beispielsweise weisen die Freileitungsseile eine maximale Zugspannung
zwischen 80 und 90 N/mm2 auf.
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Eis-
und Schneeablagerungen bilden sich regelmäßig aufgrund des Windes zunächst seitlich
am Freileitungsseil aus. Hierdurch wird ein Torsionsmoment und damit
eine Seilverdrehung hervorgerufen, die zu einer vergrößerten Anströmfläche für den Wind
führt und
damit zu erhöhter
Eis- und Schneeablagerung. Da sich diese wiederum seitlich ablagert wird
das Seil sukzessive weiter verdreht, so dass dieser Torsionsprozess
zu einer Eis- und Schneewalzenbildung führt, d. h. die Eis- und Schneeablagerungen
bilden etwa einen Zylinder um das Freileitungsseil. Diese Form der
Ablagerung haftet besonders stark am Freileitungsseil und es besteht die
Gefahr, dass die Freileitungsseile und die Abspannpunkte (Masten) überlastet
werden und reißen
bzw. brechen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch Eis- und Schneeablagerungen
hervorgerufenen Belastungen möglichst
gering zu halten.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche.
Gemäß Anspruch
1 ist danach bei einer Freileitung mit einem Freileitungsseil vorgesehen,
dass am Freileitungsseil zur Vermeidung von zylinder- oder walzenförmigen Eisablagerungen
vorzugsweise mehrere Torsionspendel befestigt sind, welche am Freileitungsseil
drehfest angeordnet sind und beabstandet zum Freileitungsseil eine
Pendelmasse aufweisen, so dass die Torsionspendel einem durch Eisablagerungen
hervorgerufenen Torsionsmoment entgegenwirken.
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Unter
Freileitungsseil wird hierbei insbesondere ein Einzelseil verstanden,
welches zwischen zwei Abspannpunkten einzelweise verspannt ist und beispielsweise
nicht über
mechanisch feste Abstandshalter mit weiteren Freileitungsseilen
verbunden ist. Denn bei derartigen über Abstandshalter verbundenen
Freileitungsseilen, die auch als Bündelleiter bezeichnet werden,
besteht kaum eine Gefahr der Ausbildung von walzenförmigen Eisablagerungen.
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Unter
Freileitungsseil wird allgemein ein in einem Freileitungsspannfeld
gespanntes Seil oder Kabel verstanden, insbesondere sowohl ein Leiterseil
als auch ein Datenkabel, wie beispielsweise ein Lichtwellenleiterkabel.
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Das
Torsionspendel wird im Ausgangszustand vorzugsweise derart befestigt,
dass es zunächst
kein Torsionsmoment auf das Freileitungsseil ausübt, dass es also senkrecht
nach unten hängend am
Freileitungsseil befestigt ist.
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Das
Torsionspendel weist vorzugsweise eine Aufhängevorrichtug, eine mit dieser
verbundene Pendelstange sowie die Pendelmasse auf, die endseitig
an der Pen delstange befestigt ist. Die Pendelmasse ist hierbei vorzugsweise
als massiver Vollkörper
und beispielsweise kugelförmig
ausgebildet.
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Die
Wirkung dieses Torsionspendels besteht nun darin, dass es bei der
Ausbildung von Eis- und Schneeablagerungen ein Gegendrehmoment gegenüber der
durch die einseitige Eis- und Schneeablagerung verursachte Seilverdrehung
erzeugt. Das Torsionspendel verhindert daher, dass sich das Freileitungsseil
um 360° und
mehr verdrehen kann, so dass keine walzenförmigen Eisablagerungen ausgebildet werden
können.
Vielmehr sorgt das Torsionspendel dafür, dass die Eis- und Schneeablagerungen
sich lediglich einseitig ausbilden. Es bilden sich daher seitlich
am Freileitungsseil abstehende in etwa plattenförmige Ablagerungen aus. Mit
zunehmenden Ablagerungen nimmt deren Eigengewicht zu, was dazu führt, dass
die Eisablagerungen nicht stabil am Freileitungsseil haften sondern
vielmehr selbsttätig
wieder abfallen. Durch das Torsionspendel wird daher letztendlich
die Menge der möglichen
Eisablagerungen am Freileitungsseil im Vergleich zu walzenförmigen Eisablagerungen
deutlich reduziert. Insgesamt ist daher die aufgrund von Eisablagerungen
ausgeübte
Belastung gegenüber
walzenförmigen
Eisablagerungen reduziert.
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Gemäß einer
zweckdienlichen Weiterbildung ist die Pendelmasse um eine parallel
zum Leiterseil verlaufende Drehachse drehbar befestigt. Sie ist
daher vorzugsweise über
eine Art Drehgelenk an der Pendelstange befestigt. Erfahrungsgemäß besteht das
Problem der intensiven Eis- und Schneeablagerung insbesondere bei
höheren
Windgeschwindigkeiten. Hierbei treten Seilbewegungen, wie beispielsweise
seitliches Schwingen, auf. Aufgrund der drehbaren Lagerung und der
Masseträgheit
der Pendelmasse schwingt diese daher relativ zu der Pendelstange.
Hierdurch wird eine Erschütterung
auf das Freileitungsseil über
die Aufhängevorrichtung
(z. B. Befestigungsklemme) übertragen
und unterstützt
somit den automatischen Eis- und Schneeabfall am Freileitungsseil.
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Zweckdienlicherweise
ist der maximale Drehwinkel begrenzt, so dass also die Pendelbewegung
der Pendelmasse nicht frei erfolgen kann, sondern vielmehr abgebremst
wird, um die Erschütterung
zu erzeugen. Bevorzugt ist hierbei der ma ximale Drehwinkel auf etwa
+/–15° begrenzt.
Die Begrenzung erfolgt insbesondere mit Hilfe eines mechanischen
Anschlags, so dass also die Pendelmasse bei Erreichung des mechanischen
Anschlags abrupt abgebremst wird und nachhaltige Erschütterungen
auf das Freileitungsseil übertragen
werden.
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Um
walzenförmige
Eis- und Schneeablagerungen über
die gesamte Länge
des Freileitungsseils zwischen zwei Abspannpunkten effektiv zu verhindern,
ist die Ausbildung, die Anzahl und die Anordnung von am Freileitungsseil
befestigten Torsionspendeln derart gewählt, dass ein Verdrehwinkel
des Freileitungsseils auf einen vorgegebenen Wert begrenzt ist.
Dieser Wert liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 20° bis 40° und insbesondere
im Bereich von etwa 30°.
Durch die Anordnung der Torsionspendel über die gesamte Länge des
Freileitungsseils wird daher eine Rotation des Freileitungsseils
um seine Seilachse zuverlässig
verhindert und es wird lediglich ein geringer Verdrehwinkel zugelassen.
Dieser Verdrehwinkel hat sich als besonders effektiv im Hinblick
auf den gewünschten
Effekt herausgestellt, nämlich
die Vermeidung der Eisablagerung und den möglichst automatischen Abfall
der sich ausbildenden Eisablagerungen. Die Pendel werden hierbei vorzugsweise
derart befestigt, dass im unbelasteten Ausgangszustand auf das Leiterseil
kein Drehmoment ausgeübt
wird.
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Bevorzugt
wird für
die Torsionspendel eine Pendelmasse im Bereich zwischen 5 und 15
kg und insbesondere im Bereich von 10 kg gewählt. Zweckdienlicherweise ist
weiterhin die Pendelmasse um 0,5 bis 1 m und insbesondere um etwa
0,75 m vom Freileitungsseil beabstandet. Der Abstand ist hierbei definiert
durch den Abstand von der Mitte des Freileitungsseils bis zum Schwerpunkt
der Pendelmasse. Weiterhin ist zweckdienlicherweise vorgesehen, dass über die
Länge des
Freileitungsseils mehrere Torsionspendel befestigt sind, die zueinander
einen Pendelabstand im Bereich von 20 bis 30 m und insbesondere
von etwa 25 m aufweisen. Vorzugsweise sind die Torsionspendel über die
gesamte Länge
des Freileitungsseils und insbesondere gleichmäßig verteilt zwischen zwei
Abspannpunkten angeordnet.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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In
den 1 bis 3 der Zeichnung ist jeweils
in vereinfachten Darstellungen ein Abschnitt eines Leiterseils einer
Freileitung mit daran befestigtem Torsionspendel dargestellt, wobei
sich die drei Ausführungsbeispiele
gemäß den 1 bis 3 in unterschiedlichen
Aufhängevorrichtungen
unterscheiden.
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Gemäß den 1, 2 und 3 ist
ein Torsionspendel 1 an einem Freileitungsseil 2 drehfest über eine
Aufhängevorrichtung
befestigt. Im Ausführungsbeispiel
gemäß der 1 ist
diese gebildet durch eine Klaue 3, im Ausführungsbeispiel
der 2 durch eine Spiralarmatur 4, bei der
ein Klemmseil oder Klemmstab helixförmig um das Freileitungsseil 2 gewunden
ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 3 ist schließlich
als Aufhängevorrichtung
eine Tragklemme 5 vorgesehen, bei der zwei Klemmbacken
unter Einschluss des Leiterseiles miteinander verspannt werden.
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An
diese jeweils als Befestigungsklemme ausgebildete Aufhängevorrichtung
schließt
sich jeweils eine stabförmige,
senkrecht nach unten orientierte Pendelstange 6 an, an
der endseitig eine Pendelmasse 7 befestigt ist. Diese ist
im Ausführungsbeispiel
nach Art einer massiven Kugel ausgebildet.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist weiterhin als bevorzugte Ausgestaltung vorgesehen, dass die
Pendelmasse 7 über
ein Drehgelenk 8 an der Pendelstange 6 befestigt
ist. Durch das Drehgelenk 8 ist eine Drehachse 9 definiert,
um die die Pendelmasse 7 bis zu einem maximalen Drehwinkel
frei schwingen kann. Die Begrenzung des Drehwinkels erfolgt mechanisch
durch einen geeigneten, hier nicht näher dargestellten Anschlag,
der vorzugsweise an der Pendelstange 6 befestigt ist oder
durch eine spezielle Formgebung der Pendelstange 6 gebildet
ist. Der Drehwinkel ist hierbei auf +/–15° begrenzt, bezogen auf die senkrechte
Ausgangsorientierung, bei der der Schwerpunkt der Pendelmasse 7 auf
der Verlängerung
der Längsachse
der Pendelstange 6 liegt.
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Über die
Länge des
Freileitungsseils 2 zwischen zwei Abspannpunkten sind vorzugsweise gleichmäßig verteilt
eine Vielzahl derartiger Torsionspendel 1 befestigt. Die
Anzahl der verwendeten Torsionspendel, ihr Einbauabstand im Freileitungsspannfeld,
der Abstand der Pendelmasse vom Leiterseil sowie die Gewichtsmasse
der Pendelmasse werden in Abhängigkeit
der Seileigenschaften und des regionalen Standorts gewählt.
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Typischerweise
liegt der Einbauabstand oder auch Pendelabstand zwischen zwei zueinander
benachbarten Torsionspendeln 1 im Bereich zwischen 20 und
30 m. Die Pendelmasse liegt typischerweise im Bereich zwischen 5
und 15 kg und der Abstand der Pendelmasse vom Leiterseil im Bereich
zwischen 0,5 und 1 m.
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Aus
Erfahrungen und Versuchen ist bekannt, dass bei herkömmlichen
Freileitungsseilen 2 Eis- und Schneeablagerungen sich zunächst grundsätzlich einseitig
am Leiterseil sowohl bei „Wolkenvereisung” als auch
bei Niederschlagsvereisung (Schnee, Eisregen) ausbilden. Durch die
seitliche Eisablagerung wird ein Drehmoment auf das Seil ausgeübt und es erfolgt
eine (kontinuierliche) Seilverdrehung. Insgesamt wird dadurch die
Anströmfläche des
Leiterseils aufgrund der sich zylinder- oder walzenförmig um das
Leiterseil ausbildenden Eisablagerung sukzessive erhöht, wodurch
insgesamt eine erhöhte
Eis- und Schneeablagerung erfolgt.
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Die
Funktion der Anordnung der Torsionspendel 1 am Freileitungsseil 2 ist
folgendermaßen:
Aufgrund
der Anordnung der Torsionspendel wird die Verdrehung des Freileitungsseils
infolge der Eislast begrenzt und zwar vorzugsweise auf einen Verdrehwinkel
von 30°.
Es bilden sich daher keine walzenförmigen Eisablagerungen um das
Leiterseil herum aus. Die Eisablagerungen sind vielmehr lediglich
an einer Seite und in etwa platten- oder sichelförmig ausgebildet. Insgesamt
haften daher auch die Eisablagerungen am Leiterseil nur über einen
begrenzten Bereich, umschlingen daher das Leiterseil 2 nicht
vollständig, sondern
nur über
den begrenzten Winkelbereich von etwa 30°. Entsprechend ist nur eine
geringe Haftung gegeben und die Eisablagerung fällt aufgrund ihres Eigengewichts
frühzeitig
selbsttätig ab.
Dieses Abfallen wird üblicherweise
durch Erschütterungen,
beispielsweise durch Windeinwirkung, ausgelöst.
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Um
ein besonders frühzeitiges
Abfallen zu erzwingen, ist die gelenkige Anordnung der Pendelmasse 7 vorgesehen.
Durch die speziell gewählte Konstruktion
des Pendels wird daher bei einer durch Windeinwirkung hervorgerufenen
Schwingung des Freileitungsseils 2 eine mechanische Erschütterung erzwungen.
Durch die Seilbewegung insbesondere bei höheren Windgeschwindigkeiten
folgt nämlich
die Pendelmasse aufgrund ihrer Trägheit der Seilbewegung nur
verzögert,
d. h. die Pendelmasse schwingt relativ zur Pendelstange 6 um
die Drehachse 9. Die Auslenkung um diese Drehachse 9 ist
durch den mechanischen Anschlag begrenzt, bevorzugt auf einen Bereich
beispielsweise zwischen 10 und 20°,
so dass gewährleistet
ist, dass die Pendelmasse 7 gegen den Anschlag anstößt und somit
eine Erschütterung
ausgeübt
wird.
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Über die
Länge des
Freileitungsseils 2 werden die Torsionsmassependel nicht
zwingend identisch ausgebildet und angeordnet. Vielmehr werden zweckdienlicherweise
insbesondere die Abstände zwischen
den Torsionspendeln 1 und/oder die Ausgestaltung der Torsionspendel 1 unter
Berücksichtigung
des sich ändernden
Torsionswiderstandsmoments des Freileitungsseils unterschiedlich
gewählt. Insbesondere
derart, dass die gewünschte
maximale Verdrehung auf 30° sichergestellt
ist. Hierbei wird auch die zu erwartende Eisablagerungsart und -masse
berücksichtigt,
bei der auch unterschiedliche Höhen
der Befestigung des Torsionspendels am Freileitungsseil 2 über dem
Erdboden eingehen.
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Ergänzend kann
vorgesehen sein, dass unterschiedliche Arten von Torsionspendeln 1 eingesetzt
werden, die sich beispielsweise im Hinblick auf ihre Pendellänge (Abstand
Pendelmasse zum Leiterseil) oder hinsichtlich der Pendelmasse 7 unterscheiden.
Hierbei werden insbesondere die örtlichen
Einbaubedingungen entlang des Spannfeldes berücksichtigt, beispielsweise
im Bereich von Kreuzungen mit Fremdobjekten, um eine Kollision zu
vermeiden.
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Versuche
haben gezeigt, dass die zusätzliche
Belastung durch Eisablagerungen typischerweise im Bereich etwa zwischen
10 und 30 N/m liegt. Die Anzahl der Torsionspendel, ihre Ausgestaltung
sowie der Abstand zueinander müssen
sind derart bemessen, dass sie einer durch eine derartige Eisablagerung
hervorgerufenen Verdrehung des Freileitungsseils 2 entgegenwirken
und den aufgrund der Eislast hervorgerufenen Verdrehungen des Seils
vorzugsweise auf einen Winkel von maximal 30° begrenzen.
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Bei
Freilandversuchen wurde festgestellt, dass die sich ausbildenden
Eisablagerungen bei einer zusätzlichen
Eisbelastung zwischen 10 N/m und 20 N/m abfallen, so dass unter
Berücksichtigung
der Eigenmasse des Torsionspendels 1 keine höheren Belastungen
als etwa 20 N/m auftreten.
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Bei
einem konkreten Versuchsbeispiel bei einem Leiterseil mit 15 mm
Durchmesser wurde eine maximale zusätzliche Belastung durch Eisablagerung
von 20 N/m ermittelt. Als Pendelmasse wurden 10 kg gewählt. Der
Abstand der Pendelmasse zum Leiterseil wurde auf 0,75 m und der
Einbauabstand der Torsionspendel zueinander auf etwa 25 m eingestellt.
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Durch
den Einsatz des Torsionspendels 1 können daher kritische Belastungszustände bei
extremen Witterungssituationen bzw. bei Unterdimensionierung der
Freileitungsseile sowie der weiteren Bauteile der Freileitung vermieden
werden. Diese kritischen Belastungszustände könnten andernfalls zur Überlastung
der Freileitungsseile (Höchstzugspannung)
sowie der übrigen
Bauteile (Masten, Isolatoren, Armaturen) bis zum Bruch mit gravierenden
Folgen führen.
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- 1
- Torsionspendel
- 2
- Leiterseil
- 3
- Klaue
- 4
- Spiralarmatur
- 5
- Tragklemmme
- 6
- Pendelstange
- 7
- Pendelmasse
- 8
- Drehgelenk
- 9
- Drehachse