Elektrische overdrachtsnetwerken – EHV en HV luchtlijnen
Elektrische overdrachtssystemen en hoogspanningsleidingen
In elektrische energie-systemen worden extra hoge spanning (EHV, waarbij de spanning V≥150 kV) en hoge spanning (HV, met 60 kV ≤ V <150 kV) vaak gebruikt voor energieoverdracht. Het gebruik van deze hoge spanning niveaus dient om de stroom die door de overdrachtsleidingen stroomt te verminderen. Volgens de wet van Joule, W=RI2t=UIt, waarin W de als warmte afgevoerde energie vertegenwoordigt, R de weerstand van de geleider is, I de stroom, t de tijd, en U de spanning. Door de stroom te verlagen, wordt het mogelijk om de doorsnede van de geleiders te verkleinen, waardoor ook de vermogensverliezen door de Jouleeffect worden geminimaliseerd.
Overdrachtssystemen ontstaan meestal in energiecentrales en transformatorstations. Hoewel hoogspanningsleidingen in veel gebieden de belangrijkste component zijn, zijn in stedelijke gebieden wegens ruimtebeperkingen en esthetische overwegingen ondergrondse geïsoleerde kabels vaak noodzakelijk.
EHV- en HV-hoogspanningsleidingen bestaan voornamelijk uit de volgende belangrijke elementen:
Energieoverdrachtequipment is ontworpen met het doel de vorming van coronaontlading te minimaliseren. Corona ringen, zoals getoond in figuur 1, spelen hierbij een cruciale rol. Door het elektrisch veld over een groter gebied te verspreiden, verlagen ze de veldgradient onder de corona-drempel, waardoor coronaontlading effectief wordt onderdrukt. Dit helpt niet alleen bij het voorkomen van vermogensverliezen door corona, maar ook bij het verminderen van hoorbare geluiden en elektromagnetische interferentie, wat bijdraagt aan de algehele efficiëntie en betrouwbaarheid van het overdrachtssysteem.
Bliksembescherming voor hoogspanningsleidingen en de rol van OPGW-kabels
Een van de meest significante bedreigingen voor hoogspanningsleidingen is bliksem. Deze leidingen staan langs hun hele lengte bloot aan het risico van blikseminslag, wat betekent dat de bescherming die uitsluitend door overbrengers in transformatorstations wordt geboden onvoldoende is. Aanvullende beveiligingsmaatregelen zijn essentieel om de betrouwbaarheid en veiligheid van het overdrachtssysteem te waarborgen.
Om dit probleem aan te pakken, worden "bliksemluchtbeschermingsdraden" langs de hele route van hoogspanningsleidingen geïnstalleerd. Hieronder vallen Optical Power Ground Wire (OPGW)-kabels, die breed worden toegepast vanwege hun dubbele functionaliteit. Een OPGW-kabel heeft een buisstructuur die één of meer optische enkelmodusvezels in het midden huisvest. Deze centrale vezelassembly wordt vervolgens omringd door meerdere lagen staal en aluminium draden.
De geleidende buitenlagen van de OPGW-kabel hebben een cruciale functie in de elektrische bescherming. Ze verbinden aangrenzende overdrachttorens met de grond, waardoor een laagweerstands pad voor bliksemstroom wordt gecreëerd. Hierdoor worden de hoofdoverdrachtsleidingen effectief beschermd tegen directe blikseminslagen, waardoor de kans op schade aan de hoofdoverdrachtsleidingen wordt verminderd.
Tegelijkertijd bieden de optische vezels binnen de OPGW-kabel aanzienlijke communicatievoordelen. Deze vezels kunnen worden gebruikt voor hoge snelheidsgegevensoverdracht, waarbij verschillende behoeften binnen de elektriciteitssector worden vervuld. Ze worden gebruikt voor interne toepassingen zoals de bescherming en controle van overdrachtsleidingen, waardoor real-time monitoring en snelle respons op potentiële problemen mogelijk wordt. Bovendien ondersteunen ze spraak- en gegevenscommunicatiebehoeften, waardoor naadloze coördinatie tussen verschillende delen van het energienetwerk mogelijk wordt.
De optische vezels zelf hebben uitstekende isolerende eigenschappen, die inherent bescherming bieden tegen elektrische induktie van de overdrachtsleidingen en bliksem. Ze zijn ook zeer resistent tegen externe ruis en kruispraat, waardoor de integriteit van de overgedragen gegevens wordt gewaarborgd. Bovendien hebben optische vezels uiterst lage transmissieverliezen, waardoor ze ideaal zijn voor langeafstands, hoge snelheidsgegevensoverdracht zonder significant signaalverval.
Figuur 2 illustreert een typisch voorbeeld van een OPGW-kabel, waarbij de unieke structuur wordt getoond en hoe deze elektrische bescherming en communicatiecapaciteiten combineert, waardoor het een onmisbaar onderdeel is in moderne hoogspanningsleidingsystemen.
In bepaalde landen werd voor oudere hoogspanningsleidingen die op een spanning van 72,5 kV werken, ooit een specifieke benadering voor bliksembescherming gebruikt. Historisch gezien werden alleen de eerste vier of vijf spanningen naast transformatorstations voorzien van beschermende maatregelen, en werden Aluminium Conductor Steel-Reinforced (ACSR)-kabels hiervoor gebruikt. Deze oplossing is nu echter afgeschaft. De Optical Power Ground Wire (OPGW)-kabel is de voorkeurste keuze geworden, omdat deze niet alleen effectieve bliksembescherming biedt, maar ook gegevenscommunicatie tussen transformatorstations mogelijk maakt, waardoor een meer algemene en flexibele oplossing wordt geboden.
Geïsoleerde kabels hebben vaak kruiselingsverbonden polyetheen (XLPE)-isolatie. Deze kabels hebben meestal aluminium geleiders en zijn ontworpen voor eenfasige toepassingen. Het gebruik van XLPE-isolatie biedt uitstekende elektrische eigenschappen, mechanische sterkte en duurzaamheid, waardoor het goed geschikt is voor energieoverdracht.
Extra hoge spanning (EHV) en hoge spanning (HV) overdrachtssystemen nemen vaak een "ring"-configuratie aan. Zoals getoond in figuur 3, wordt deze opstelling gekenmerkt door een aanzienlijke mate van complexiteit. De ring-configuratie biedt verhoogde betrouwbaarheid en flexibiliteit in de energieoverdracht, waardoor een betere belastingverdeling en eenvoudiger onderhoud en bedrijf van het netwerk mogelijk wordt. Het stelt de energie in staat om omgeleid te worden in geval van een storing of onderhoudsactiviteiten, waardoor verstoringen in de energievoorziening worden geminimaliseerd en een stabielere en efficiëntere overdrachtssysteem wordt gewaarborgd.
