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

Simulation und Messung

Die Berechnung mechanischer und thermischer Lasten sowie die experimentelle Prüfung von Werkstoffen und Komponenten erfordern Spezialwissen, Software und aufwändige Prüfstände. Unser Spezialgebiet ist die Beschleunigung sehr langfristiger Schadensmechanismen im Labor. Nutzen Sie unsere Spezialisierung zur Optimierung Ihrer Anlagen und Produkte!

Abbildung: Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens (Versagensort und Lebensdauer) durch Simulation und Messung.

Mechanische Berechnungen sind oft durch die zugrundeliegenden Werkstoffmodelle limitiert. Gerade die typischen Leiter- und Armaturenwerkstoffe haben eine sehr niedrige Fliessgrenze, sie neigen teilweise schon bei Raumtemperatur zum Kriechen und können in ungünstigen Betriebszuständen an Festigkeit verlieren (u.a. durch Kristallerholung). Wir sind spezialisiert auf die Bestimmung solcher Werkstoffeigenschaften an Materialproben und die Modellierung, um diese Daten für die Berechnung nutzbar zu machen.

Aus der mechanischen und thermischen Berechnung sind Finite-Elemente-Simulationen heute kaum mehr wegzudenken. Vor allem die korrekte Modellierung komplexer Kontaktbedingungen und hochgradig linearen Materialverhaltens sind aber weiterhin eine Herausforderung. Dafür ermöglichen diese Modelle eine viel effizientere Auslegung. Viele der relevanten Parameter lassen sich experimentell gar nicht erfassen oder müssen aufwändig von anderen Einflussparametern und dem Einfluss abweichender Versuchsbedingungen getrennt werden. Bei der Auslegung gibt es in der Regel zu viele Parameter, um jeden einzelnen in aufwändigen Komponentenversuchen zu prüfen und gerade auch die Prüfung der langfristigen Zuverlässigkeit mit Komponentenversuchen ist sehr anspruchsvoll.

Trotz aller Fortschritte bei der Berechnung ist die Validierung von Simulationsergebnissen mit Komponentenversuchen weiterhin unabdingbar. Der Aufwand ist im Vergleich zur traditionellen versuchs- und erfahrungsbasierten Auslegung aber viel geringer, denn dabei geht es in erster Linie um die Validierung der Simulationsergebnisse.
Derartige Komponentenversuche sind in der Regel Sonderaufbauten, mit hohen Anforderungen an Aktoren, Regelungstechnik, Mechanik und Messtechnik. Sie sind aber essentiell, um die Grenzen der Simulationen zu kennen.

Elektrischer Kontaktwiderstand und Bruchbild lassen sich auch heute nicht zuverlässig mit Simulationen bestimmen. Die zugrundeliegenden Mechanismen treten im Betrieb aber erst im Laufe vieler Jahre auf, sodass sie für aussagekräftige Komponentenversuche im Labor beschleunigt werden müssen. Einige der üblichen Komponentenversuche, z.B. thermischen Zyklen zur Typen-Prüfung, sind für das langfristige Verhalten von Komponenten wenig aussagekräftig. Auch Komponentenversuche brauchen deswegen teilweise Werkstoffmodelle, um das langfristige Verhalten treffsicher abzubilden.

 

Materialkennwerte

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.

Abbildung: Einfluss der Eigenspannungen aus dem Richten von Drähten auf das Spannungs-Dehnungs Diagramm (schwarz) sowie die Abhängigkeit des Messergebnisses vom Messort bei ungenügend gerichteten Proben (Simulation).

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.

Häufig ist die Genauigkeit von Simulationen durch die zugrundeliegenden Materialkennwerte begrenzt. Die Messung von Werkstoffeigenschaften ist für zuverlässige Ergebnisse essentiell. Durch Werkstoffmodelle kann die inhärente Streuung experimenteller Daten reduziert werden, und sie ermöglichen die Interpolation zwischen dem Versuchsdaten.

Abbildung: Optische Dehnungsmessung an einem Aluminiumdraht (links), und Messung mit Dehnungsmessstreifen (Vollbrücke mit Biege- und Temperaturkompensation, rechts).

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.


Abbildung: Ermüdungsversuch an einer Freileitungsarmatur (links) und Untersuchung des Öl-Eindringverhalten in Hartgewebe (Baumwoll-Phenolharz) mit Fluoreszenzmikroskopie (rechts).

Modelle und Versuchstechniken zur Beschleunigung der Schädigung sind deswegen oft essentiell. Bei Ermüdung gilt es z.B. als etabliert, dass es für metallische Werkstoffe bei niedrigen Frequenzen eine vernachlässigbare Frequenzabhängigkeit gibt. Zur Beschreibung des Kriech- und Entfestigungsverhaltens werden oft Zeit-Temperatur Parameter, und damit letztlich höhere Temperaturen, für das Schwellverhalten von Kunststoffen höhere Feuchtigkeiten verwendet. Das genaue Vorgehen unterscheidet sich also stark, je nach Schädigungsmechanismus.
Durch dieses als Accelerated Life Testing bekannte Vorgehen kann die Robustheit und Zuverlässigkeit von Produkten beschleunigt und mit relativ wenigen Komponenten geprüft werden, indem die Belastung über die üblichen Betriebsbedingungen hinaus erhöht wird.

Messtechniken zur Bestimmung des Schadensforschritts und die Überprüfung des Schadensbild sind dabei essentiell für die Aussagekraft der Versuche.
Ähnliche Fragestellungen ergeben sich im Anlagen-Assetmangement. Schadensfälle sind oft auf unzureichende Informationen über Zustand und Eigenschaften gealterter Anlagen zurückzuführen. Um solche Schäden zu verhindern, forschen wir an neuartigen Messverfahren zur Zustandsbewertung im Assetmanagement. Wegen der hohen Investitionssummen haben solche Messtechniken grossen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Anlagenbetriebs.