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Aerodynamic damping of nonlinear movement of conductor cables in laminar and turbulent wind flow
(2015)
It is widely accepted that aerodynamic damping is a decisive parameter influencing the dynamic response of overhead transmission line conductors in turbulent wind flow. But anyway, methods of how to account for the effects of aerodynamic damping differ significantly and so might do the results. In this work, the source of aerodynamic damping shall be revised leading to the well-known formulation for a linear pendulum being the result of the relative velocity between the structure and wind flow. Based on wind tunnel tests and validated by simulations, the differences to a pendulum movement of a sagging cable are shown. The reasons for that deviation are the large deflections, resulting in a movement non parallel to the acting wind flow. For some analysis, in particular those in frequency domain, it is practically not possible to incorporate aerodynamic damping implicitly by fluid structure interaction. If the dynamic movement can be linearized at a working point of the mean deflection, a modification to the linear approach is suggested. This approach is validated by simulation with a finite element model of an existing overhead transmission line, calibrated with onsite measurements for wind velocities at lower levels. Further accent is put on the different possibilities to incorporate aerodynamic damping in time step analysis, such as Rayleigh damping or modal damping. The differences between both approaches are emphasized and modal damping is shown to be the most adequate representation of aerodynamic damping.
Aerodynamic damping of nonlinear movement of conductor cables in laminar and turbulent wind flow
(2015)
Die Beanspruchung von Freileitungen erfolgt hauptsächlich durch Naturlasten. Dabei spielt für die bemessungsbestimmenden Lastfälle häufig der Wind eine entscheidende Rolle. Die Leiter, die mehrere hundert Meter weit spannen, tragen einen wesentlichen Anteil zur Gesamtbeanspruchung von Tragmasten bei, die wiederum Eigengewicht und Windlasten der Leiter zwischen zwei Abspannmasten abtragen. Wenn die Reaktion der Seile auf Starkwindereignisse abgeschätzt werden soll, müssen sowohl geometrische Nichtlinearitäten durch die großen Verformungen wie auch aerodynamische Nichtlinearitäten berücksichtigt werden. Insbesondere für die Anwendung und Berücksichtigung in Bemessungsvorschriften werden hierfür Vereinfachungen vorgenommen. In diesem Beitrag wird eine umfassende Untersuchung vorgestellt, über Naturmessungen, FEM-Simulationen kombiniert mit Windkanalversuchen und generierten Windzeitreihen. Ziel ist es, existierende Bemessungsvorschriften im Hinblick auf die Abschätzung der Beanspruchung aus Wind auf Leiter zu validieren. Hierbei sind insbesondere die Turbulenzannahmen und das dynamische Verhalten von weitgespannten Leitern wichtig, um die Extremschnittgrößen zu beschreiben. Mithilfe von so genannten Spannweitenfaktoren sollen die relevanten Parameter, wie Spannweite und Windturbulenz, bei der Beanspruchungsabschätzung berücksichtigt werden.
Measurements of downburst wind loading acting on an overhead transmission line in northern Germany
(2017)
Along an overhead transmission line in Northern Germany, a unique instrumentation of anemometers and force measurements is installed. Details of this test line with wind measurements along a horizontal axis are given. A recent event of a presumable downburst wind event is analyzed by means of available data and precedent works on thunderstorm analysis. The measured response of the conductors at the suspension tower is investigated and compared with time domain simulation of a finite element model.
Windeinwirkungen auf Freileitungen wurden in der Vergangenheit meist an exponierten Standorten bestimmt. In einem Langzeitversuch wurden seit 2012 an einer mit moderner Messtechnik ausgerüsteten 380-kV-Leitung der 50 Hertz Transmission GmbH, die im nicht besonders exponierten Gelände verläuft und somit den Leitungen im Netz entspricht, die Windgeschwindigkeiten entlang der Leiter und deren Auswirkungen auf die Stützpunkte gemessen. Die Messungen und die begleitenden Auswertungen bestätigen die heute verwendeten normativen Vorgaben für die Windwirkung auf die Leiter von Freileitungen, soweit dies in der relativ kurzen Zeit von fünf Jahren möglich ist.
Measurements of downburst wind loading acting on an overhead transmission line in Northern Germany
(2017)
Along an overhead transmission line in Northern Germany, a unique instrumentation of anemometers and force measurements is installed. Details of this test line with wind measurements along a horizontal axis are given. A recent event of a presumable downburst wind event is analyzed by means of available data and precedent works on thunderstorm analysis. The measured response of the conductors at the suspension tower is investigated and compared with time domain simulation of a finite element model.
The paper focuses on a unique project of wind measurements along a high voltage Overhead transmission line. For reliable information on the horizontal distribution of the wind flow, 13 positions along two spans of an overhead electrical line of about 400 m length each are selected for wind velocity measurements. Simultaneously, the structural response is measured at the towers. Preliminary analyses aim at the appraisal of results what is important for the upcoming system identification. It is shown that system identification of long span transmission lines exposed to gusty wind is possible by derivation of a so called joint acceptance function which describes the admittance from wind velocity to the systems response.
The paper focuses on a recently launched project of wind measurements along a high voltage overhead transmission line. For reliable information on the actual horizontal distribution of the wind flow, 13 positions along two spans of an overhead electrical line of about 400 m length each are selected for wind measurements. Simultaneously, the structural response is measured at the towers. Preliminary analyses aim at the system identification of long span transmission lines exposed to gusty wind by derivation of a so called joint acceptance function which describes the admittance from wind velocity to the system's response. It can be shown that measured structural response can accurately be described using a statistical model which accounts for the irregularity of the wind as well as the structures behaviour.
MOSYTRAF-Monitoringsystem zur Tragverhaltensstudie von Freileitungsseilen unter Böenbeanspruchung
(2014)
Im Rahmen eines Forschungsprojekts zur Tragverhaltensstudie von Freileitungsseilen unter Böenbeanspruchung soll durch die Kombination von Naturmessungen, Windkanalversuchen und numerischen Simulationen versucht werden, das mechanische Verhalten von Freileitungsseilen und turbulenter Windbeanspruchung genauer abzubilden. Die Unsicherheiten bei der Modellierung dieses Zufallsprozesses sollen durch Windkanalversuche und Naturmessungen auf ein Minimum reduziert werden. Im vorliegenden Beitrag werden Ergebnisse von Simulationen mit den Beobachtungen aus den Naturmessungen verglichen und bewertet. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Bewertung der aktuellen Bemessungsvorschriften für die Berücksichtigung von Wind auf Leiterseile.
MOSYTRAF - Monitoringsystem zur Tragverhaltensstudie von Freileitungen unter Böenbeanspruchung
(2014)
Im Rahmen des Forschungsvorhabens MOSYTRAF (Monitoringsystem zur Tragverhaltensstudie von Freileitungen unter Böenbeanspruchung)
werden seit Ende 2011 kontinuierlich Windgeschwindigkeiten entlang eines insgesamt 800 m langen Freileitungsabschnitts gemessen. Gleichzeitig wird die resultierende Windkraft aus Wind auf Leiterseile an den Isolatoren erfasst. Dadurch soll der Zusammenhang zwischen Einwirkung und Bauwerksreaktion möglichst zuverlässig ermittelt werden. Dabei ist besonderes Augenmerk auf die kurzzeitigen
Windgeschwindigkeitsspitzen, die Böen gerichtet. Diese erfassen anders als die konstante mittlere Windgeschwindigkeit, nicht die gesamte Länge des Freileitungsabschnitts, sondern nur einen eingeschränkten Bereich. Aus diesem Grund erfolgen die Windmessungen an insgesamt 13 Stellen entlang des Abschnitts und geben ein fein aufgelöstes Bild des Windfeldes. In dem Beitrag werden Messergebnisse beispielhaft präsentiert und einige Plausibilitätskontrollen vorgestellt, da dies einen unerlässlichen Schritt bei Naturmessungen darstellt. Ausgehend von einem Übersichtsdiagramm der bisherigen Messergebnisse wird die Aufgabenstellung und die Zielsetzung der Messkampagne erörtert.
This paper presents a finite element model of an overhead transmission line using so called cable elements which allow reproducing the cable's nonlinear characteristics accurately employing only a few elements. Aerodynamic damping is considered in the equation of motion by taking into account the relative velocity between the flow of the wind and the moving structure. The wind flow itself is simulated by wave superposition making necessary assumptions on the lateral correlation between the wind velocities along the cable length. As result from the simulation, the following conclusions can be drawn. The first natural frequency of generally used wide spanning cables lies well below 1 Hz where also most of the energy content of the wind excitation is to be expected. Aerodynamic damping is significant for the moving cables holding very low structural damping which leads to a suppression of resonant amplification. This is particularly of interest regarding the support reaction which is dominated by the mean value and the so called background response. The latter is mostly influenced by the randomness of the wind flow, especially lateral to the main wind direction.
Vorschlag zur möglichen Lebensdauerverlängerung einzelner Bauteile einer im Betrieb befindlichen Offshore-Windenergieanlage durch Beschreibung der Versagenswahrscheinlichkeiten
Beschreibung der Versagenswahrscheinlichkeit durch geeignete Schädigungsmodelle
Aktualisierung der Versagenswahrscheinlichkeiten aufgrund von Inspektionsergebnissen und möglichen Reparaturen auf Basis der Bayes‘schen Entscheidungstheorie
Quantifizierte Bewertung von Inspektionsmethoden und Reparaturmaßnamen im Hinblick auf die Zuverlässigkeit der Bauteile
Grundlage für Entscheidungen für Inspektionen und Reparaturen
Accelerated electrical and mechanical ageing tests of high temperature low sag (HTLS) conductors
(2017)
As part of the Best Paths project, work package 6 of the DEMO #4 combines the R&D tasks for repowering of transmission overhead line corridors. The aim of the presented research work is the electrical and mechanical investigation of high temperature low sag conductors (HTLS) and their respective accessories. In contrast to the conventional ACSR (aluminum conductor steel reinforced) conductors, new material combinations of HTLS technologies result in a better sagging behavior combined with an operation at higher temperatures. Because of missing operational experience, the ageing behavior of HTLS conductor technologies shall be analyzed regarding the operating parameters such as electrical, thermal and mechanical load.
Overhead transmission line cables under wind gust loading - measurements and numerical simulations
(2014)
Overhead transmission lines with conductor cables spanning over a few hundred meters are highly
sensitive to the action of wind. Particularly wind acting on the cables signifies a major load on the
suspension towers. In order to identify critical loading parameters and the load-response
mechanism of those structures, measurements are carried out along a high voltage overhead
transmission line capturing the acting wind field as well as the structural response of the cables. A
finite element model of the structure is built and used to simulate the system's response. A method
is presented which allows generating a complete wind field for all the models nodes
incorporating measured wind velocities and estimated parameters of the acting wind. The full
scale measurements of both action and reaction will be compared to the numerical results.
Overhead transmission line cables under wind gust loading - measurements and numerical simulations
(2014)
Overhead transmission lines are very sensitive structures in regards to wind action. The cables, spanning over a few hundred meters contribute in particular to the overall action on the suspension towers. These slender structures incorporate both structural nonlinearities from the large deformation of the cables and aerodynamic nonlinearities which need to be accounted for when it is to estimate the system response to strong wind events. In this work, a finite element procedure is presented to model an existing power line section using nonlinear cable elements. The wind force is assumed quasi-steady with force coefficients determined in wind tunnel test on a conductor section. Further, aerodynamic damping is incorporated by considering the relative velocity between cable nodes and oncoming wind flow. The results are compared with on-site measurements of the cables support reaction. The results show a significant effect of damping since almost no resonant amplification is visible both in observation and simulation. In addition, wind tunnel tests approved aerodynamic damping to be large for the system of sagging cables, but nonlinear in its nature. It is concluded, that the dynamic response of overhead transmission line cables has to be modeled with care, considering all sources of nonlinearities. That is of particular interest in case of random excitation such as wind because the peak response depends on the probability distribution of the system's response.
Der folgende Beitrag befasst sich mit der analytischen Herleitung eines sog. Spannweitenfaktors zur Berücksichtigung der Korrelation der Windeinwirkung auf weitgespannte Freileitungsseile. Insbesondere zur Abschätzung der Windlast auf Maste trägt dieser Lastfall maßgebend zur Bemessung bei. Mithilfe von Naturmessungen und Simulationen werden zugrunde gelegte Annahmen überprüft und validiert. Die Ergebnisse werden schließlich anhand der einschlägigen Regelwerke verglichen und bewertet.
In dieser Blockveranstaltung lernen die Studierenden die Grundlagen der stahlbaulichen Bemessung zum Thema Stabilität. Inhalt ist eine kurze Einführung in die Problematik des Stabilitätsversagens. Danach wird eingegangen auf die Grundlagen des Bemessungsverfahrens nach EC 3, gefolgt von einer Nachweisführung anhand eines Beispiels.
To cope with future requirements, the transfer capacities of distribution systems as well as of transmission systems in Europe need to be increased. Therefore repowering of existing overhead lines with high temperature low sag con-ductors (HTLS) can be one interesting possibility. Because of limited experiences with that technology, current re-search of TU Dresden, the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) and 50Hertz Transmission GmbH investigates the ageing behaviour of several differ-ent HTLS technologies in a consortium with other Euro-pean partners. In this context, accelerated ageing tests of conductors and its corresponding fittings with combined mechanical and electrical loads are done. To evaluate the changes due to ageing, several mechanical tests of the con-ductors are carried out and the contact behaviour of the fittings is analysed.
Aerodynamic damping is a decisive parameter influencing the dynamic response of overhead transmission line conductors. Methods of how to account for the effects of aerodynamic damping differ significantly and so might do the results. In this work, the source of aerodynamic damping being the result of the relative velocity between the structure and wind flow will be revised. Based on wind tunnel tests and validated by simulations, the differences of linear movement compared to a pendulum movement of a sagging cable are shown. The reasons for that Deviation are the large deflections, resulting in a movement non-parallel to the acting wind flow. For analysis in frequency domain, it is not possible to incorporate aerodynamic damping implicitly by fluid structure interaction. If the dynamic movement can be linearized at a working point of the mean deflection, a modification to the linear approach is suggested. This approach is validated by simulation with a finite element model of an existing overhead transmission line, calibrated with full scale measurements. Aerodynamic damping is incorporated in time step analysis by Rayleigh damping and modal damping. The differences between both approaches are emphasized and modal damping is shown to be the most adequate.
Investigation on the dynamic behavior of an OHL conductor bundle with light and heavy ice accretion
(2016)
Under a variety of possible cable vibrations which overhead line conductors can suffer, galloping identifies by large amplitudes at rather low frequencies. Changes of the cross-section as by ice-accretion provide the basis for such vibrations through an aerodynamic instability of drag and lift responses under wind excitation. Two different types of light and heavy ice bodies attached to a quad bundle conductor are analysed in wind tunnel tests. The results of aerodynamic drag and lift coefficients are investigated by means of a finite element model under turbulent wind excitation. It was found that instability can be well simulated for the heavy ice accretion but not for the case of lightly iced conductors.
Investigation on the dynamic behavior of an OHL conductor bundle with light and heavy ice accretion
(2016)
Under a variety of possible cable vibrations which overhead line conductors can suffer, galloping identifies by large amplitudes at rather low frequencies. Changes of the cross-section as by ice-accretion provide the basis for such vibrations through an aerodynamic instability of drag and lift responses under wind excitation. Two different types of light and heavy ice bodies attached to a quad bundle conductor are analysed in wind tunnel tests. The results of aerodynamic drag and lift coefficients are investigated by means of a finite element model under turbulent wind excitation. It was found that instability can be well simulated for the heavy ice accretion but not for the case of lightly iced conductors.
Für Tragmasten von Freileitungen ist meist die Windeinwirkung bemessungsrelevant. Mit den großen Spannweiten der Hochspannungsebene trägt dabei die Windeinwirkung auf die Leiterseile einen maßgebenden Anteil zur Gesamtbeanspruchung dieser Tragstrukturen bei. Daher ist es offensichtlich, dass das Tragverhalten der Freileitungsseile eine wichtige Rolle für die zuverlässige Bemessung bei Neubauten oder der Bewertung der Zuverlässigkeit des Bestands spielt. Hierfür sind insbesondere die Extremwindereignisse, das sog. 50-Jahres-Windereignis von Bedeutung. Bei diesen hohen Windgeschwindigkeiten treten vor allem windinduzierte Schwingungen der Leiterseile auf.
Die für die Bemessung herangezogenen Konzepte basieren meist auf Übertragungsmodellen im Frequenzbereich. Diese setzen eine Linearisierung um den Arbeitspunkt der mittleren Verschiebung voraus, welche nur unter der Annahme von kleinen Schwingungsamplituden gerechtfertigt ist. Dabei kommt der Systemdämpfung eine wichtige Rolle zu. Zwar ist die Strukturdämpfung für Litzenseile vernachlässigbar gering, doch unter Windeinwirkung kann die aerodynamische Dämpfung aufgrund der Relativgeschwindigkeit zwischen Anströmung und Struktur zu beachtlicher Größe anwachsen.
Die Beschreibung des Tragverhaltens im Zeitbereich erlaubt es, das nichtlineare Verhalten der Kraftübertragung, sowie der großen Verformungen zu berücksichtigen. Damit lassen sich für die Bemessung relevante Parameter identifizieren und notwendige Annahmen zur Windeinwirkung, sowie zur quasistationären Kraftübertragung überprüfen. Gerade das Verhalten von Freileitungsseilen unter Extremwindereignissen, auf das es zu Extrapolieren gilt, kann so im Rahmen der getroffenen Annahmen simuliert werden.
Anhand von Naturmessungen werden die Übertragungsmodelle, sowie das Zeitbereichsmodell bei eher moderaten Windgeschwindigkeiten überprüft. Durch die Verteilung von Windsensoren entlang der Leitung kann die für die Belastung der Leiterseile maßgebende laterale Windverteilung annähernd erfasst werden. Bestehende Annahmen hierzu werden überprüft und erweitert. Für die Zeitbereichsrechnungen wird eine Methode zur Windfeldgenerierung dahingehend erweitert, dass die Windereignisse auch adäquat im Zeitbereich wiedergegeben werden können. Mit dem Ziel, eine zuverlässigere Bemessung von Freileitungen unter turbulenter Windbeanspruchung zu erreichen, werden sog. Spannweitenfaktoren abgeleitet und auf andere Leitungskonfigurationen übertragen, die die Mechanik der Leiterseile sowie die maßgebenden Eigenschaften der Windeinwirkung beinhalten.