Modelling of Wind Borne Ice Accretion on Power Transmission Lines

Wagner, Tobias

The work presented here enables us to numerically simulate ice accretion on transmission lines. Ice loads can cause significant damage to electric power transmission networks, especially in combination with wind. Overhead lines can collapse due to the mass of ice deposits, but also additional loads due to so-called Galloping oscillation can cause significant damage on the structures. Aerodynamic instability of cables due to ice accretion is a known phenomenon. Investigating shape and density of the ice accretion through experiments is very complex. Therefore, a numerical model is presented to simulate ice accretion processes on cables. The model is divided into two main parts, the calculation of the flow field and the ice accretion. The stream of air and precipitation particles is modelled as a one-way coupled multiphase flow. Ice accretion and flow field are calculated iteratively to account for geometrical changes of the ice deposit in the flow calculation. Finally, a risk management framework and its implications for power outages are investigated. Monetary losses due to blackouts increase exponentially with time. The presented approach evaluates variation in outage duration and compares the risk of blackouts to other types of disasters.

Die hier vorgestellte Arbeit ermöglicht die nummerische Simulation der Vereisungen von Hochspannungsleitungen. Dieses meteorologische Phänomen kann erhebliche Schäden an den Leitungsnetzen verursachen, besonders wenn es gemeinsam mit starkem Wind auftritt. Nicht nur das Gewicht der Eisablagerungen kann zum Versagen der Leitungen führen. Angeregt durch den Wind kann es zum sogenannten Seiltanzen kommen. Die Leitungen beginnen zu schwingen, wodurch die Konstruktion erheblich belastet wird. Aerodynamische Instabilität von Seilen als Folge eines durch Eisablagerungen geänderten Querschnitts ist ein bekanntes Phänomen. Da die experimentelle Untersuchung von Vereisungsvorgängen sehr aufwendig ist, soll hier ein numerisches Vereisungsmodell vorgestellt werden. Das numerische Modell besteht aus zwei Berechnungsschritten, die iterativ durchlaufen werden: Zunächst wird die Strömung aus Luft und Niederschlagspartikeln als einfach gekoppelte Zweiphasenströmung berechnet. Basierend auf dem Massestrom der Niederschlagspartikel wird dann das Eiswachstum ermittelt. Abschließend wird ein Risikomanagementkonzept und seine Schlussfolgerungen für die Bewertung von Stromausfällen betrachtet. Der präsentierte Ansatz berücksichtigt die Varianz der Ausfalldauer und ermöglicht den Vergleich von Stromausfällen mit Katastrophenszenarien.

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Wagner, Tobias: Modelling of Wind Borne Ice Accretion on Power Transmission Lines. 2010.

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