Eptra - electric power transmission :: Kilian Schillai
electric power transmission engineering endurance & reliability

Eptra Engineering

Wir sind spezialisiert auf Problemlösungen im Bereich der elektrischen Energieübertragung, vor allem auf mechanische Aspekte und langfristige Zuverlässigkeit. Als Ausgründung der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) bzw. der ETH Zürich verfügen wir über Erfahrung auf dem Gebiet der Modellierung und Berechnung von Schadensmechanismen der wichtigsten Werkstoffe und pflegen auch weiterhin die Zusammenarbeit mit der Wissenschaft. 

Bei Schadensfällen ist die Ermittlung der Ursachen in einer Schadensanalyse essentiell, um Wiederholungsschäden zu vermeiden. Mit einer Kombination aus Analyse des Schadens-/Bruchbilds, Werkstoffanalyse (mechanische Eigenschaften, Metallographie, Zusammensetzung), Simulationen und Nachbildung des Schadens im Laborversuch lässt sich die Schadensursache in der Regel eindeutig bestimmen. Wir sind dabei auf die besonderen Probleme der Werkstoffe und Komponenten für die elektrische Energieübertragung spezialisiert. 

Wesentliche Teile des Netzes sind über 50 Jahre alt. Die in der Vergangenheit eingesetzten Werkstoffe, Konstruktionen und Prozesse unterscheiden sich erheblich vom derzeitigen Stand der Technik, sodass die Anwendung der heute üblichen Auslegungsverfahren und Armaturen zu Schäden führen kann. Mit unseren analytischen Methoden helfen wir bei der Überprüfung und Entwicklung von Verfahren zur Zustandsanalyse und vorbeugenden Instandhaltung im Assetmanagement.

Oft sind die Schadensmechanismen, wie z.B. der allmähliche Festigkeitsverlust bei Temperatur, die Reduktion der Haltekraft von Klemmverbindungen und erhöhter Übergangswiderstand durch Kriechen sowie Ermüdung sehr langfristige Effekte. In Werkstoff- und vor allem Komponentenversuchen (z.B. Typen-Prüfungen) sind deswegen Modelle zum Materialverhalten oft unumgänglich. Unsere Erfahrung mit beschleunigter Alterung im Labor und Verfahren zur Fehlerprüfung (Defekt-Screening) im Labor bringen wir gerne zur Prüfung Ihrer Komponenten und Armaturen ein. 

Wir sind ausgestattet für die experimentelle Bestimmung und Modellierung von Materialkennwerten als Input-Daten für Simulationen. Beispielsweise sind wir in der Lage, Festigkeit und plastische Deformation bei Raum- und maximaler Betriebstemperatur, Kriechen und Ermüdung an Einzeldrähten sowie an ganzen Leitern zu prüfen. Wir unterstützen mit unserer Erfahrung in der Prüfstandsentwicklung, v.a. für Komponenten- und Leiter-/Kabelversuche, auch den zügigen und zuverlässigen Ausbau Ihrer eigenen Testkapazitäten. 

Die mechanische und thermische Analyse mit Finite-Elemente-Simulationen, Modellierung und Versuche sind das Rückgrat unserer Arbeit. Mit unserer Erfahrung bei der Werkstoffmodellierung, Simulation, beschleunigten Alterung und Komponentenprüfung unterstützen wir Sie gerne bei Ihrer Produktentwicklung.

Aktuelles

Werkstofffehler in einer gusseisernen Energieübertragungskomponente:

Mehrere unterschiedliche Energieübertragungskomponenten aus Sphäroguss haben im Betrieb versagt, teilweise erst nach vielen Betriebsjahren. Im metallographischen Schliff zeigten sich als Ursache unterschiedliche Werkstofffehler.

Weisseinstrahlung führte zu glasshartem Verhalten (Zementitnadeln und Ledeburit, links), die grobe Ausbildung von Graphitkörnern und inhomogenes Gefüge führen zu mangelnder Festigkeit (rechts). Zur Vermeidung weiterer Schadensfälle wurden unter anderem die Werkstoffangabe und Geometrie geändert und Messungen wurden eingeführt, um zugelieferte Komponenten zu prüfen.

>Weitere Informationen zur Schadensanalyse an Komponenten zur elektrischen Energieübertragung<

 

Einflüsse auf die Ermüdung von Leiterseilen und Grenzen der üblichen Auslegungsverfahren: 

Lokales Finite Elemente Modell

Globales Finite Elemente Modell

In unserem Beitrag zur letzten Cigre Konferenz haben wir den Einfluss einer Vielzahl von Geometrie-, Werkstoff- und Lastparametern auf die Betriebsfestigkeit von Freileitungen bei windangeregten Schwingungen untersucht und die Grenzen der derzeit üblichen Auslegungsverfahren geprüft. Dabei wurden zwei unterschiedliche Arten von Finite Elemente Modellen verwendet, ein lokales Modell zur Auswertung der Spannungen am Versagensort und ein globales Modell in dem mehrere Spannweiten simuliert wurden.

Ein wesentliches Ergebnis ist die Änderung der lokalen Spannungen am Versagensort (Amplitude, Mittelspannung und deren Kombination) relativ zu einem in der Schweiz häufigen Referenzfall (AAAC 550 in kommerzieller Tragklemme). Die Aufhängung der Armaturen hat grossen Einfluss auf die Dauerfestigkeit. Optimal ist eine Rotationsachse in der Leitermitte. Noch geringer sind die Spannungen nur, wenn das Leiterseil einseitig entlastet ist (z.B. an Endklemmen).

Die deutlich besseren Ermüdungseigenschaften von ACSRs (Aluminium Conductors Steel Reinforced, bestehend aus Stahl Kern und Reinaluminium in den Aussenlagen) im Vergleich zu AAACs (All Aluminium Alloy Conductors, in Europa fast ausschliesslich aus einer E-AlMgSi Legierung) lassen sich nicht durch unterschiedliche lokale Spannungen alleine erklären, sondern die Werkstoffeigenschaften des Aluminiums spielen dabei eine entscheidende Rolle. Das Kernmaterial hat dagegen relativ wenig Einfluss auf die lokalen mechanischen Lasten. Wegen der inhärenten Streuung lassen sich derartige Informationen experimentell ohne Simulationen kaum herleiten.

Derzeitige Auslegungsverfahren berücksichtigen wesentliche Einflüsse wie die Geometrie und Aufhängung von Armaturen garnicht oder ungenügend. Deshalb ist es wichtig, dass solche Parameter von den Armaturenherstellern geprüft werden.

Originalveröffentlichung: "Limits of vibration amplitude measurement based conductor fatigue design", Cigre E-Session 2020; Paper als PDF und Vortrag als Video verfügbar.

>Weitere Informationen zu unserem Angebot an Simulationen und Messungen<

 

Leistungen

Simulation & Messung

Die mechanische und thermische Berechnung, Optimierung und Prüfung von Komponenten der elektrischen Energieübertragung erfordert Spezialwissen, Software und aufwändige Prüfstände. Nutzen Sie unsere Spezialisierung zur Optimierung Ihrer Produkte.

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Zustands- & Schadensanalyse

Als unabhängige Instanz ermitteln wir für Sie Schadensursachen, -ablauf, weitere gefährdete Standorte und Komponenten sowie Massnahmen zur Schadensprävention.

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Produktentwicklung

Mit unseren Nischenfähigkeiten machen wir Ihre Produkte zuverlässiger und beschleunigen die Markteinführung. Je nach Bedarf übernehmen wir die Entwicklung von der Konzeption bis zum berechneten und geprüften Prototypen.

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Unternehmen

Nach vielen Jahren in der Forschung zur Alterung der Energieinfrastruktur an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) und der ETH Zürich unterstütze ich nun die praktische Umsetzung von Fragen der Zuverlässigkeit vor allem in der elektrischen Energieübertragung. Der Schwerpunkt meiner Arbeit ist die Prüfung und Optimierung mechanischer, thermischer und elektrischer Aspekte in Simulation und Messung.
Als kleines Unternehmen können wir flexibel auf Ihre Bedürfnisse reagieren und sind offen für die unterschiedlichsten Projekte in Dauer, Art und Umfang.


Für ein persönliches Gespräch rufen Sie mich einfach an: +41 76 652 5116 oder schreiben Sie mir ein Mail an: schillai@eptra.ch

Beispiele Simulation & Messung

Materialkennwerte & Modellierung

Die experimentelle Bestimmung und Modellierung von Werkstoffeigenschaften ist eine unserer Kernkompetenzen. Gerade für elektrische Anwendungen spielen oft stark nichtlineare Eigenschaften wie temperaturabhängige plastische Deformation und Festigkeit, Kontaktermüdung, Entfestigung und Kriechen eine wichtige Rolle.
Für die Simulation ist die Modellbildung immer auch essentieller Bestandteil von Werkstoffversuchen.

Falls es für Ihre Schadensmechanismen keine genormten Versuche gibt, entwickeln wir für Sie geeignete Prüfstände für Werkstoff und Komponentenversuche. Damit unterstützen wir auch den zügigen und zuverlässigen Ausbau Ihrer eigenen Testkapazitäten.

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Accelerated Life Testing

 

Langfristige Schadensmechanismen, die im Betrieb oft über viele Jahrzehnte stattfinden, müssen im Labor beschleunigt werden, sei es zur Komponentenprüfung oder bei der Bestimmung von Materialkennwerten. Komponenten der Netzinfrastruktur müssen über einen viel längeren Zeitraum zuverlässig funktionieren, als im Labor geprüft werden kann.

Messtechniken zur Überwachung des Schadensforschritts und die Überprüfung des Schadensbild sind dabei essentiell für die Aussagekraft der Versuche.

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