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More and more generation facilities are installed far away from the load centers. Thus, long distance transmission is demanded, and with this regard DC transmission systems are of special interest. Transmission by overhead lines is a well-proven technology, but due to environmental concern and political decisions underground transmission systems are often requested. Besides DC cables, DC GIL are an interesting option. They enable transmitting high power by only one system in a small corridor only a few meters wide. GIL can be laid in a tunnel or directly buried in the soil. Meanwhile a lot of service experience has been collected with AC GIL technology, but no service experience is yet available with DC GIL. To close this knowledge gap and to investigate the long-term performance, a ±550 kV DC GIL prototype with a current carrying capacity of 5000 A is currently investigated in a HVDC test facility, both in directly buried and in above-ground installation. The test procedure follows the recommendations for long-term testing of gas-insulated systems, currently under preparation by Cigré JWG D1/B3.57. This report describes the test sample arrangements, the high-voltage and high current test equipment and the commissioning procedure for the DC GIL. It illustrates the UHF PD monitoring system installed and the method to identify possible PD defects. The investigated DC GIL is subdivided into two parts: While an above-ground installation is simultaneously stressed by voltage and DC current, a directly buried part of the DC GIL is stressed with DC current only in order to investigate soil mechanics, the temperature distribution in the GIL and in the soil as well as the performance of the backfill material. The report also presents first results gained on the directly buried arrangement for studying the soil mechanics.
At present DC transmission systems for long distance transmission are of special interest, particularly with regard to transmission systems that proved ability for directly buried installation. Some service experience has been collected with directly buried AC GIL technology, but none with directly buried DC GIL. First pilot projects with directly buried AC GIL were designed conservative regarding the mechanical GIL support and the maximum allowable current. The aim is to optimize the mechanical and thermal design of directly buried DC GIL to offer cost efficient transmission line solutions. Therefore, a ±550 kV DC GIL prototype with a current carrying capacity of 5000 A is currently investigated in a HVDC test facility, both in above-ground installation and a buried installation. This report presents results gained on the embedded installation for studying the soil mechanics and long-term thermic interaction with the backfill material and the adjacent soil. A DC GIL with a total length of 130 m is embedded in a temporarily flowable backfill (“TFB”) as re-use of the excavated soil on site, which minimizes transportation costs and energy use. TFB is characterized by high contact forces that restrain the DC GIL displacements and by stable thermal conductivity, which optimizes the heat transfer. In order to monitor the mechanical soil-structure-interaction (“SSI”), various temperatures and moisture content sensors were installed inside and around the DC GIL, in the TFB and the adjacent soil as well down to 4 m below the ground surface. Displacement and strain sensors measured the elongations and dilatations of the embedded enclosure tube. Compressive stresses caused by restrained displacements are monitored with load cells. A fiber optical cable is used to monitor the temperatures in the aluminum conductor, on top and at the base of the enclosure tube, as well as in the TFB and the sand cover layer and the adjacent soil. The measurements were completed with some single sensors for temperature, moisture content and porewater-tensions which were mainly concentrated nearby the DC GIL in the TFB and the cover layer. During 15 months, several load cycles impact on the embedded DC GIL. Each load cycle consists of a DC current feed of 5000 A for 4 weeks followed by another 4 weeks without current. Since the SSI is independent of voltage stress, this test is carried out with current only. After 4 load cycles only moderate temperatures are monitored at the enclosure tube and in the TFB, much lower as expected. Seasonal effects predominate the temperatures of the TFB, the cover layer and the adjacent soil, while the DC GIL generates only marginal increases. Moisture contents and porewater-tensions remain constant apart from some variations caused by rainfalls and vegetation cover. The elongation of the enclosure tube is shorter than 5 mm and the forces are lower than 500 kN. It can be concluded that the DC GIL with a current carrying capacity of 5000 A DC embedded in TFB shows temperature-rises far below the technical GIL limits after 4 load cycles. The TFB ensures high and stable heat conductivity and contact forces, thus restraining the GIL movement. The temperature-rises of the natural soil due to GIL heating are comparatively low in comparison to other effects like sun radiation. The TFB shows a good thermal and mechanical performance.
Instrumentation of full displacement pile like elements – at Keller called as vibro concrete columns (VCC) – is practically impossible due to utilisation of heavy deep vibro technique during the production and absence of any steel reinforcement. Thanks to cooperation between Keller and Faculty of Civil Engineering of OTH Regensburg a special procedure for post-instrumentation was developed that allows for the axial strain measurement in VCC during the loading tests. The instrumentation comprises among others optical fibre components. The procedure has been deployed on a test site during static as well as dynamic load tests. There were two different types of instrumentation implemented according to art of the load tests. Further there were robust piezometers installed in the soil in advance next to the VCC that allowed for continuous pore water pressure measurements during the load tests. Purpose of the instrumentation deployed is above all to obtain data for effective design of VCC.
Durch den Ausstieg aus der Verstromung fossiler Energieträger und der daraus resultierenden dezentralen Stromerzeugung ist ein Aus- bzw. Umbau des deutschen Übertragungsnetzes erforderlich. Weil aus der dezentralen Energieerzeugung große Trassenlängen resultieren, welche bei Wechselstrom zu Blindleistungsproblematiken führen, wird dort vermehrt auf Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung zurückgegriffen. Im Rahmen des Forschungsprojekts DC CTL DBI (direct current compact transmission line – directly buried investigastions) wurde ein gasisolierte HGÜ-Leiter (GIL) erdverlegt und bei ständigem Monitoring über umfangreiche Sensorik einem Langzeitversuch unterzogen. Anstelle einer klassischen Sandbettung kam ein zeitweise fließfähiger, selbstverdichtender Verfüllbaustoff (ZFSV) zum Einsatz. Somit können Schäden an der Übertragungsleitung infolge Verdichtungsaufwand vermieden und gleichzeitig bessere Bodeneigenschaften hinsichtlich der Wärme- und Wassertransportprozesse erreicht werden.
Neben den konventionellen Pfahlgründungen werden bei ungünstigen Baugrundverhältnissen oft pfahlartige Tragglieder verwendet, um den Anforderungen an Gebrauchstauglichkeit und Standsicherheit bei der Gründung von Bauwerken gerecht zu werden. Um Erkenntnisse über das Tragverhalten der Säulen zu erlangen, wurden Probebelastungen durchgeführt. Hierbei kamen statische und dynamische Probebelastungen zum Einsatz. Die Tragglieder wurden mit faseroptischer Messtechnik ausgestattet, um eine getrennte Ermittlung der Mantel- und Spitzenwiderstände zu ermöglichen. Die aus den Messungen gewonnenen Erkenntnisse zum Lastabtragungsverhalten zeigen, dass die pfahlartigen Tragglieder aufgrund ihrer Herstellung höhere Gesamt- und insbesondere Mantelwiderstände als Schneckenortbetonpfähle, die als Referenz mit gleichem Durchmesser und gleicher Einbindelänge in identischen Baugrundverhältnissen gefertigt wurden, aufweisen. Es wird gezeigt, dass praxisübliche Bemessungsverfahren das gemessene Last-Setzungs-Verhalten nur bedingt wiedergeben. Die Versuchsergebnisse stellen die Grundlage für zukünftige Anpassungen der Bemessungsverfahren für pfahlartige Tragglieder dar.
Forschungsbericht 2017
(2017)
Zur Untersuchung und Prognose des Tragverhaltens von Pfählen und pfahlartigen Traggliedern wurden auf einem geotechnisch umfangreich erkundeten Testfeld dynamische und statische Pfahlprobebelastungen durchgeführt und anschließend wissenschaftlich ausgewertet. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen im Maßstab 1:1 lieferten neue Erkenntnisse über die Tragmechanismen der Pfähle und pfahlartigen Traggliedern und über Zusammenhänge zwischen den Ergebnissen der dynamischen und statischen Probebelastungen.
Darüber hinaus bildeten die Erkenntnisse und Messergebnisse aus den verschiedenen Probebelastungen die Grundlage für die Entwicklung innovativer numerischer Simulationsmodelle zur Prognose des Tragverhaltens der Tragglieder. Um die genannten Effekte im Tragverhalten der Pfähle und pfahlartigen Tragglieder genauer zu untersuchen, wurde faseroptische Sensortechnik eingesetzt. Mit den Messergebnissen des Wellenausbreitungsverhaltens und deren Auswertung im Zeit- und Frequenzbereich konnte ein Zusammenhang zwischen Mantelreibung und Ausbreitungsgeschwindigkeit der eingeleiteten Welle in den Pfählen durch einen Vergleich mit den ermittelten Mantelreibungskurven aus quasi-kontinuierlicher Messung qualitativ nachgewiesen werden.
Ergänzend zu den Belastungsversuchen wurden numerische Simulationsmodelle erstellt, um das Pfahl-Boden-Interaktionsverhalten unter dynamischer und statischer Belastung darzustellen und vorherzusagen. Die entwickelten Verfahren zur Prognose des Tragverhaltens von Pfählen und pfahlartigen Traggliedern können fallspezifisch eingesetzt werden, um eine Optimierung des Planungsprozesses der Tragglieder zu erreichen. Zur Ermittlung des Tragverhaltens der Pfählen ist es nicht erforderlich, ein umfangreiches Versuchsprogramm mit statischen oder dynamischen Lastversuchen durchzuführen, wie es üblicherweise der Fall ist. Anhand von Lastversuchen an ausgewählten und sorgfältig instrumentierten Traggliedern können die erforderlichen Referenzdaten ermittelt werden, um mit den vorgestellten Simulationsverfahren und Simulationsmethodiken das Tragverhalten bzw. die mobilisierten Widerstände im Pfahl-Boden-Interaktionsverhalten vorherzusagen. Die Ergebnisse der Arbeit haben gezeigt, dass für CFA-Pfähle Messdaten zum axialen Wellenausbreitungsverhalten in den Pfählen und konventionelle Messungen der Schwinggeschwindigkeit an den Pfahlköpfen ausreichen, um das Tragverhalten in guter Korrelation zu den Messungen aus statischen Lastversuchen darzustellen.
Die Ausrüstung vollverdrängter pfahlartiger Elemente – bei Keller Betonstopfsäulen (BSS) genannt – mit Messtechnik ist während der Herstellung wegen des Einsatzes schwerer Rütteltechnik und fehlender Stahlbewehrung praktisch unmöglich. In Zusammenarbeit von Keller und der Fakultät Bauingenieurwesen der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg wurde ein Verfahren zur nachträglichen Installation der Messtechnik entwickelt, das axiale Dehnungsmessungen in den BSS während der Probebelastungen ermöglicht. Die Ausrüstung besteht u. a. aus faseroptischen Komponenten. Das Verfahren wurde in situ an 1:1 Versuchen auf einem Testfeld sowohl bei statischen als auch dynamischen Probebelastungen umgesetzt. Es wurden zwei unterschiedliche Messtechniken gemäß der jeweiligen Art der Probebelastungen eingesetzt. Daneben wurden robuste Piezometer in den Boden eingebracht, die kontinuierliche Porenwasserdruckmessungen nahe der Säulen ermöglichen. Zweck der verwendeten Messtechnik war es vor allem belastbarere Ergebnisse für effektive Bemessungen der Stopfsäulen zu liefern.