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Apr 26, 2023

Forschung kann wirtschaftliche Verluste für Kraftwerke nach Erdbeben eindämmen

Auf Leistungstransformatoren sitzen Durchführungssysteme, die eine entscheidende Rolle spielen

Auf Leistungstransformatoren sitzen Durchführungssysteme, die eine entscheidende Rolle bei der Stromversorgung von Gemeinden spielen. Allerdings besteht bei diesen Objekten auch die Gefahr, dass sie bei Erdbeben zerbrechen. Einmal beschädigt, können Buchsen zu großflächigen Ausfällen führen und den Staat mit kostspieligen Reparaturen belasten.

In einer aktuellen Studie haben Forscher der Texas A&M University gezeigt, dass die strukturelle Integrität von Durchführungssystemen bei hoher seismischer Aktivität besser aufrechterhalten werden kann, indem ihre Basis mit Stahlversteifungen verstärkt wird. Mithilfe wahrscheinlichkeitsbasierter Verlustbewertungsstudien stellten sie außerdem fest, dass die wirtschaftliche Belastung aufgrund von Schäden an Durchführungssystemen durch Erdbeben bei stahlverstärkten Transformatordurchführungssystemen im Vergleich zu anderen Durchführungskonfigurationen bis zu zehnmal geringer ist.

„Transformatordurchführungssysteme sind für Umspannwerksnetze von entscheidender Bedeutung, und diese Komponenten sind in Regionen mit hoher Erdbebengefahr, wie in Kalifornien oder Teilen des Nordostens, besonders gefährdet“, sagte Maria Koliou, Assistenzprofessorin am Zachry Department of Civil and Environmental Engineering. „Wir haben eine vollständige Risiko- und Verlustbewertung der Auswirkungen beschädigter Durchführungen im Hinblick auf Kosten und Zeit bis zur Wiederherstellung von Stromnetzen durchgeführt.“

Die Einzelheiten der Studie werden in der Juli-Ausgabe der Zeitschrift Structure and Infrastructure Engineering veröffentlicht.

Eine elektrische Durchführung ist eine hülsenartige Abdeckung, die einen Leiter umgibt, der einen elektrischen Hochspannungsstrom führt. Diese Systeme befinden sich im Allgemeinen in unmittelbarer Nähe von Transformatoren oder Leistungsschaltern und stellen sicher, dass kein elektrischer Strom aus Metalldrähten austritt. Durchführungen bestehen aus Isolatoren, insbesondere Porzellan, und sind mit Mineralöl gefüllt.

Trotz ihrer Fähigkeit, starken elektrischen Feldern standzuhalten, sind Durchführungen spröde und können bei hoher seismischer Aktivität leicht reißen. Daher stellt jede Beschädigung eine elektrische Gefahr dar. Größere strukturelle Schäden am Durchführungssystem können zu weit verbreiteten Stromausfällen und hohen Ersatzkosten führen.

Eine Möglichkeit zur Schadensminderung und Reparatur besteht darin, die Buchse mit Stahlplatten zu verstärken. So wie ein starkes Fundament die Stabilität eines Gebäudes verbessern kann, haben sich Stahlbiegesteifen, die so nah wie möglich an der Buchsenbasis angebracht sind, erwiesen, die Stabilität der Buchse bei Erdbeben zu verbessern. Allerdings fehlte laut Koliou eine umfassendere Analyse der Auswirkungen der seismischen Anfälligkeit auf Durchführungssysteme im Hinblick auf die Wiederherstellungskosten.

Um diese Lücke zu schließen, führten Koliou und ihr Doktorand Andrew Brennan eine probabilistische Analyse durch, um die wirtschaftlichen Verluste zu vergleichen, die durch die Beschädigung von Durchführungen bei unterschiedlichen Intensitäten der Bodenbewegungen entstehen. Sie untersuchten Durchführungen unterschiedlicher Geometrie, die repräsentativ für Mittel- und Hochspannungsszenarien sind. Noch wichtiger ist, dass einige Buchsen in ihrer ursprünglichen Konstruktion Stahlplattenversteifungen hatten und andere nicht.

Koliou und Brennan fanden heraus, dass die wirtschaftlichen Verluste für die in der Studie berücksichtigten Erdbebenintensitäten um 33–55 % geringer waren, wenn die Buchsenbasen mit Stahlplatten verstärkt wurden. Tatsächlich waren die erwarteten jährlichen Verluste für Buchsen ohne Stahlversteifungen mindestens 2,5- bis 10-mal höher, wenn sie unterschiedlichen Bodenbewegungen ausgesetzt waren.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Stahlversteifungen wirksam sind, um Schäden an Buchsen zu verhindern, aber was „effektiv“ für einen Bauingenieur bedeutet, kann für jemanden, der dies nicht ist, wenig Bedeutung haben. Wir wollten unsere Erkenntnisse in praktischerer Hinsicht für andere Interessengruppen als Ingenieure verallgemeinern „, sagte Koliou. „Deshalb haben wir den Nutzen der Verwendung von Stahlversteifungen anhand des Dollarwerts und der Zeit, die zur Wiederherstellung benötigt würde, für verschiedene Erdbebenszenarien quantifiziert, was einfacher zu interpretieren ist.“

Dieser Artikel von Vandana Suresh erschien ursprünglich auf der Website des College of Engineering.

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