Das Netz stärken:Wissenschaftler entwickeln erdbebensichere Transformatordurchführungen

Leistungselektronik INSIDER

Jon Bender von W. E. Gundy and Associates (WEGAI) ist hier neben einem Beispiel eines Leistungstransformators abgebildet, der für diese Durchführungsforschung verwendet wird. (Bild:INL)

Das für uns selbstverständliche Stromnetz umfasst große, teure Geräte, vor allem Leistungstransformatoren. Wenn eines ausfällt, kann der Austausch mehr als ein Jahr dauern und enorme Kosten verursachen. In dicht besiedelten, seismisch aktiven Gebieten wie Kalifornien oder dem pazifischen Nordwesten ist Zeit kein Luxus.

Während eines Erdbebens ist ein großer Hochspannungstransformator am anfälligsten für seine Durchführungen – hohle elektrische Isolatoren, die den Strom zwischen den internen Wicklungen eines Transformators und externen Stromleitungen sicher leiten. Sie bestehen meist aus Porzellan, da es das leitende Material, normalerweise Kupfer oder Aluminium, isolieren und verhindern kann, dass Hochspannungsstrom austritt oder Funken bildet und Explosionen verursacht.

Buchsen werden auf die Türme eines Transformators geschraubt, die vom Hauptkessel nach oben ragen. Auf diese Zusammenhänge hat sich ein Forscherteam des Idaho National Laboratory (INL) konzentriert. Das Ziel des Teams besteht darin, einen mechanisch einfachen, einstellbaren Isolator, einen so genannten Entkoppler, zu entwickeln, der an der Basis einer Buchse montiert und so abgestimmt werden kann, dass er verhindert, dass die Resonanzfrequenzen in der Buchse und im Turm übereinstimmen (was zu einer erhöhten mechanischen Belastung der Porzellanbuchse führt).

„Resonanzfrequenzen sind der Dreh- und Angelpunkt“, sagte Bjorn Vaagensmith, der Hauptforscher des Projekts und Empfänger des Presidential Early Career Award 2025 für Wissenschaftler und Ingenieure.

Alle Objekte haben eine Resonanzfrequenz, die entsteht, wenn Eingangsschwingungen in einem Objekt maximal verstärkt werden. Wenn eine Schallwelle ein Weinglas oder einen Spiegel zerschmettert, ist das eine Resonanzfrequenz. Das vielleicht bekannteste Beispiel in der Geschichte des Bauingenieurwesens ist der Einsturz der Tacoma-Narrows-Brücke im Jahr 1940. Windgeschwindigkeit und -richtung in Kombination mit der Konstruktion und den Materialien der Brücke, die eine Resonanzfrequenz erzeugten, führten zu heftigen Schwingungen der Brücke. Dies brachte der neu gebauten Brücke den Spitznamen „Galloping Gertie“ ein – bevor sie nach vier Monaten in Stücke brach und in den Puget Sound stürzte.

Bei einem Erdbeben verursachen seismische Wellen eine auf und ab bzw. vor und zurück schwingende Bodenbewegung, die auf große Leistungstransformatoren übertragen wird. Aufgrund ihrer Flexibilität und Dichte können große, mit Isolieröl gefüllte Leistungstransformatorkessel aus Stahl dynamisch mit der darauf montierten Ausrüstung in Resonanz treten. Wenn ein Tank und seine montierten Buchsen auf derselben Wellenlänge liegen, besteht die Gefahr, dass die verstärkten Erschütterungen durch das Erdbeben die Buchsen so stark beanspruchen, dass sie katastrophal versagen.

Vaagensmith und seine Kollegen – Chandu Bolisetti von INL und Jon Bender von WEGAI, einem in Boise ansässigen Ingenieurbüro – versuchen, dieses Problem anzugehen, indem sie eine Entkopplungsvorrichtung entwickeln, die die Resonanzfrequenz der Durchführung von der des Transformators verschiebt. Der von ihnen entworfene Entkoppler kann einfach an der Basis der Durchführung installiert und bei älteren Transformatormodellen kostengünstig nachgerüstet werden. Das Team strebt ein Patent für das Design an.

Ihr Projekt wurde ursprünglich durch das Laboratory Directed Research and Development-Programm des INL finanziert. Es wird jetzt gemeinsam vom Transformer Resilience and Advanced Components (TRAC)-Programm des Office of Electricity des US-Energieministeriums und dem Office of Cybersecurity, Energy Security and Emergency Response (CESER) des US-Energieministeriums unterstützt. Das TRAC-Programm soll die Netzmodernisierung beschleunigen, indem es Herausforderungen bei Netzhardwaretechnologien, einschließlich großer Leistungstransformatoren, angeht. Das CESER-Büro hat sich zum Ziel gesetzt, die Energieinfrastruktur der USA vor Bedrohungen und Gefahren zu schützen und zu stärken.

Zum Abschluss ihres Projekts hoffen Vaagensmith und seine Kollegen, ihren Resonanzfrequenz-Entkoppler im großen Stil testen zu können. Es ist ihnen gelungen, einen 500.000 Pfund schweren Transformator zu sichern, den sie 2026 zum Erdbebensimulator der University of California San Diego mitnehmen wollen. Der Schütteltisch der Universität ist der größte seiner Art in den USA und wird in seiner Größe nur von einem anderen in Japan übertroffen. Dies wird der erste Test dieser Größenordnung sein und könnte erhebliche Auswirkungen auf die Sicherheitsanforderungen für Transformatoren in Erdbebengebieten haben.

In Zusammenarbeit mit der University at Buffalo hat das Team viele Möglichkeiten, etwas falsch zu machen. Das ist der Zweck des Experimentierens. „Wir können scheitern, wie auch immer wir scheitern wollen“, sagte Vaagensmith. „Wir können unsere Lösung ausprobieren und bis an die Grenzen testen. Wir möchten sicher sein, dass wir wissen, wie der Entkoppler konstruiert wird, bevor wir nach San Diego fahren.“

„Die Leute sind davon begeistert“, sagte Vaagensmith. „Wir haben die Möglichkeit, eine langjährige Debatte über geeignete Maßnahmen zum Schutz von erdbebensicheren Transformatoren beizulegen und eine Lösung für Durchführungshersteller zu finden, die keine Umrüstung erfordert. Die Versorgungsunternehmen werden zufrieden sein und das Netz wird widerstandsfähiger sein.“

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