خطوط الكهرباء الجوية والأبراج: الأنواع والتصميم والسلامة

بالإضافة إلى محطات التحويل ذات الجهد الفائق، فإن ما نواجهه بشكل أكثر تكرارًا هو خطوط نقل وتوزيع الكهرباء. تتخطى أبراج عالية الموصلات الجبال والبحار، تمتد إلى الأفق قبل الوصول إلى المدن والقرى. هذا أيضًا موضوع مثير للاهتمام - دعنا اليوم نستكشف خطوط النقل وأبراجها الداعمة.

نقل وتوزيع الكهرباء

أولاً، دعونا نفهم كيف يتم إيصال الكهرباء. يتكون قطاع الكهرباء بشكل أساسي من أربع مراحل: إنتاج الكهرباء، النقل، (التحويل) والتوزيع، والاستهلاك.

• إنتاج الكهرباء يشمل أنواعًا مختلفة من مولدات الطاقة - التقليدية مثل محطات توليد الكهرباء بالفحم والطاقة المائية، وكذلك المصادر الحديثة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية. كل هذه تندرج تحت فئة الإنتاج.

• النقل يعتمد على خطوط النقل والأبراج.

• التحويل (أو التوزيع) يستخدم بشكل أساسي المحولات. تقوم المحولات الرافعة في محطات توليد الكهرباء برفع الجهد لنقل فعال على مسافات طويلة، بينما تقوم المحولات المخفضة على جانب التوزيع بخفض الجهد إلى مستويات مناسبة للشبكات التوزيعية المحلية والمستخدمين النهائيين.

• التوزيع على الجانب الاستهلاكي يشمل مجموعة متنوعة من المحولات المخفضة، بالإضافة إلى المعدات ذات الجهد المتوسط والمنخفض، ومعدات التوزيع، والأسلاك.

• الاستهلاك يشير إلى الأجهزة الكهربائية في المنازل، وكذلك استخدام الكهرباء في البنية التحتية البلدية، والمباني، والمرافق الصناعية، وغيرها من التطبيقات.

من حيث الهيكل، تنقسم خطوط النقل إلى نوعين رئيسيين: خطوط النقل الجوية وخطوط الكابلات. أدناه مخطط توضيحي لنظام نقل الكهرباء:

ما هي مستويات الجهد المناسبة لنقل الكهرباء على مسافات طويلة؟ لتقليل خسائر النقل وتحسين الكفاءة، عادة ما يتم استخدام جهد التيار المتردد البالغ 500 كيلوفولت وما فوق لنقل الكهرباء. تصنف الجهد في نطاق 500 كيلوفولت إلى 750 كيلوفولت كجهد فائق الجهد (EHV) للنقل بالتيار المتردد، بينما تعرف الأنظمة التي تعمل بجهد 1000 كيلوفولت باسم نقل الكهرباء بجهد فائق الفائق (UHV). في المقابل، تصنف الخطوط التي تعمل بدءًا من الجهد المتوسط وحتى 110 كيلوفولت-330 كيلوفولت عمومًا كخطوط توزيع. يرجى ملاحظة أن هذه التصنيفات قد تختلف مع زيادة الطلب على الطاقة، وسعة النظام، وأنماط توزيع الطاقة الإقليمية.

مستويات الجهد تعني الجهد بين الخطين - أي الجهد بين أي من الثلاثة أطوار (A، B، وC). الجهد 220 فولت المستخدم في المنازل هو الجهد الفاز، وهو الجهد بين أي فاز واحد والأرض. في الواقع، يأتي تزويد المنازل بالكهرباء من نظام جهد 380 فولت. فقط عند مدخل المبنى يتم فصل الأطوار الثلاثة (A، B، وC) - قد يقوم كل فاز بتغذية وحدة مختلفة من المبنى السكني. ما تراه بشكل شائع في المدن أو المجتمعات السكنية هو بنية مربعة، على شكل صندوق - هذا هو محطة التحويل الأرضية (أو الصندوقية) (كما هو موضح في الشكل أدناه).

تحتوي المحطة الأرضية على معدات ذات جهد متوسط، ومحولات، وأجهزة توزيع ذات جهد منخفض. تقوم بتحويل شبكة التوزيع الحضرية ذات الجهد المتوسط (عادة 10 كيلوفولت أو 20 كيلوفولت) إلى طاقة بجهد 380 فولت مناسبة للاستخدام السكني أو البلدي. قد لا ترى الأسلاك، حيث تستخدم شبكات التوزيع الحضرية في الصين اليوم بشكل أساسي الكابلات تحت الأرض. ومع ذلك، في بعض المناطق السكنية القديمة أو الريفية، لا تزال يمكنك رؤية خطوط نقل جوية تربط المحولات ثم تمتد إلى المباني أو المستهلكين الفرديين.

في المناطق المفتوحة، تتكون الخطوط الجوية التي نراها بشكل شائع من الأبراج والموصلات. هناك أنواع مختلفة من الأبراج، وتنقسم خطوط النقل إلى التيار المستمر (DC) أو التيار المتردد (AC).

تشهد الصين عدم توازن جغرافي كبير في إنتاج واستهلاك الكهرباء. تتركز موارد الطاقة الغنية مثل الفحم والرياح والطاقة الشمسية والطاقة المائية في المناطق الغربية الواسعة، بينما تقع المراكز الرئيسية للحمل على بعد آلاف الكيلومترات في المناطق الوسطى والشرقية. يجعل هذا الاختلاف الجغرافي نقل الطاقة على مسافات طويلة حلاً ضروريًا.

في السنوات الأخيرة، مع تطور قاعدة الطاقة الكبيرة من الرياح والطاقة الشمسية بسرعة، استمر الطلب على نقل الطاقة على مسافات طويلة في النمو. باعتبارها العمود الفقري لتوصيل الطاقة، تسارعت أعمال بناء شبكات الجهد الفائق (UHV)، مما يوفر زخمًا قويًا للانتقال الطاقي المستدام في الصين والتنمية المستدامة. تعتمد جميع هذه أنظمة النقل على الأبراج والخطوط الجوية للتواصل مع الشبكة.

خطوط النقل الجوية

تتكون خطوط النقل الجوية من موصلات معلقة على الأبراج باستخدام العوازل والأجهزة، مما يضمن المسافة الآمنة بين الموصلات والأرض أو المباني. الوظيفة الرئيسية لخط النقل هي توصيل الطاقة الكهربائية، وربط محطات توليد الكهرباء والمحطات الفرعية، والسماح بالعمل المتوازي، وتكامل النظام الكهربائي في شبكة موحدة.

توفر الخطوط الجوية مزايا مثل تكاليف الاستثمار المنخفضة، وسرعة البناء، والتركيب البسيط والسهل، والقدرة على تحديد الأعطال والمخاطر بسهولة، والصيانة والإصلاح البسيط. بالنسبة للنقل على مسافات طويلة، تُستخدم الخطوط الجوية بشكل أساسي بسبب قدرتها العالية على نقل الطاقة. كلما ازدادت مسافة النقل، ازداد مستوى الجهد المطلوب.

ومع ذلك، نظرًا لانتشار الخطوط الجوية على نطاق واسع وتشغيلها المستمر في البيئات الخارجية، فإنها تتعرض بشكل متكرر للظروف المحيطة والعوامل الطبيعية. وهذا يؤدي إلى العديد من الأعطال التشغيلية، بما في ذلك الصواعق، والأضرار الناجمة عن الرياح، والتكتل الجليدي، والفلاشوف الناتج عن التلوث، والتدخل الخارجي، والاهتزازات في الموصلات، والحالات المتعلقة بالطيور.

علاوة على ذلك، عندما يعمل المهندسون مع معدات التوزيع ذات الجهد العالي، يتعاملون بشكل شائع مع أنظمة الجهد العالي (HV)، والجهد الفائق (EHV)، والجهد الفائق الفائق (UHV)، والتي تكون معظمها متصلة عبر الخطوط الجوية. بالتالي، تكون المتطلبات التقنية لمعدات الجهد العالي مرتبطة بشكل وثيق بظروف الخطوط - مثل البيئة التشغيلية وظروف الخدمة. لذلك، فإن فهم خصائص وأعطال الخطوط الجوية أمر ضروري لفهم المواصفات التقنية لمعدات الجهد العالي.

مكونات خطوط النقل الجوية

تشمل المكونات الرئيسية لخط النقل الجوي الأساسيات، والأبراج، والموصلات، والعوازل، والأجهزة (المعدات)، وأجهزة الوقاية من الصواعق (مثل الأسلاك الأرضية العلوية ومثبطات الصواعق)، وأنظمة التأريض. قد تشمل الخطوط الحديثة أيضًا مكونات مساعدة مثل الأسلاك الأرضية الضوئية (OPGW) وأنظمة الاتصال عبر خطوط الكهرباء.

(1) الموصلات

تقوم الموصلات بنقل التيار وتوصيل الطاقة الكهربائية. يعتبر الموصل الواحد لكل فاز شائعًا في الخطوط القياسية. ومع ذلك، بالنسبة لخطوط الجهد الفائق والنقل ذات الطاقة العالية، غالبًا ما يتم استخدام الموصلات المرتبطة - باستخدام موصلين أو ثلاثة أو أربعة أو أكثر من الموصلات الفرعية (غالبًا ما تكون مرتّبة بشكل دائري). هذا يقلل من الانبعاثات الكرونية، ويقلل من خسارة الطاقة، ويقلل من التداخل مع الإشارات اللاسلكية والتلفزيونية وغيرها من إشارات الاتصال.

(2) الأسلاك الأرضية وأنظمة التأريض

تُعلق الأسلاك الأرضية في أعلى أبراج النقل وتتصل بأنظمة التأريض في كل برج عبر الموصلات الأرضية. أثناء حدوث الصاعقة، تقوم السلك الأرضي - الذي يكون موجودًا فوق الموصلات الفازية - بالاعتراض على الصاعقة، ويقوم بإعادة التيار بأمان عبر نظام التأريض إلى الأرض. هذا يقلل من احتمالية حدوث الصواعق المباشرة للموصلات، ويحمي عزل الخطوط من الأضرار الناجمة عن الجهد الزائد، ويضمن التشغيل الموثوق. غالبًا ما يتم تركيب الأسلاك الأرضية على طول كامل الخطوط ذات الجهد 110 كيلوفولت وما فوق، وهي غالبًا ما تكون مصنوعة من سلك الصلب المجلفن.

(3) الأبراج (الأبراج)

تدعم الأبراج الموصلات والأسلاك الأرضية مع المعدات المرتبطة، مما يحافظ على المسافات الكهربائية الآمنة بين الموصلات والأبراج والأرض وأي هياكل متقاطعة أو مباني.

(4) العوازل وسلسلة العوازل

تعتبر العوازل المكونات العازلة الرئيسية لخط النقل. تقوم بدعم أو تعليق الموصلات بينما تقوم بعزلها كهربائيًا عن الأبراج، مما يضمن قوة العزل الموثوقة. تخضع العوازل للضغط الميكانيكي، والجهد الكهربائي، والغازات الجوية المسببة للتآكل، لذا يجب أن تمتلك قوة ميكانيكية كافية، وأداء عازل، ومقاومة للتدهور.

(5) الأجهزة (المعدات)

تلعب معدات خط النقل دورًا حاسمًا في دعم وتأمين وربط وحماية الموصلات والأسلاك الأرضية، مما يضمن اتصالات قوية ومعتمدة. يتم تصنيف المعدات إلى خمسة أنواع رئيسية وفقًا لوظيفتها: مثبتات الخط، ومعدات الربط، ومعدات الربط، ومعدات الحماية، ومعدات السحب.

(6) الأساسيات

يقوم الأساس بربط البرج بالأرض، مما يمنع الميلان أو الانهيار أو التسوية.

سنقوم بفحص كل من هذه المكونات بمزيد من التفصيل في المناقشات اللاحقة.

(7) الأبراج (الأبراج)

هناك أنواع عديدة من خطوط النقل والأبراج، يصل جهد بعضها إلى 1000 كيلوفولت. تشمل مواد الأبراج الخشب والخرسانة والهيكل الفولاذي ذو الشبكة والهيكل الفولاذي الأنبوبي، وتختلف أشكالها وتصميماتها بشكل كبير. الغرض من خط النقل هو توصيل الطاقة الكهربائية من طرف إلى آخر بأقل خسائر ممكنة. لذا، ضمن نفس فئة الجهد، يتم تصميم الخطوط لتقليل المقاومة وتزيد من مساحة المقطع العرضي للموصلات. تساعد الأبراج في دعم الخطوط ومنع الاتصال بأشياء موصلة أخرى قد تسبب أعطال التأريض. لذا، يتم بناؤها عالية ومستقرة هيكليًا. الصورة أدناه تظهر أنواع الأبراج الشائعة.

وفقًا لوظائفها الفعلية في التطبيقات الهندسية، يتم تقسيم الأبراج إلى عدة أنواع: أبراج الخط المستقيم (أبراج التعليق)، وأبراج الزاوية (أبراج الزاوية) (تستخدم لتغيير الاتجاه)، وأبراج النهاية (لتوصيلها وإليها من المحطات الفرعية)، وأبراج التحويل (تستخدم لتدوير الأطوار)، وأبراج الامتداد الكبير (مصممة لتخطي الأنهار الكبرى والبحيرات أو المضائق). في قاعدة كل برج يوجد الأساس. يتم تعليق الموصلات من الأذرع العرضية عبر سلاسل العوازل.

إذا نظرت عن كثب إلى برج الشبكة الفولاذية، ستلاحظ "قرنين" صغيرين يمتدان لأعلى - واحد على كل جانب - يحملان أسلاكًا رقيقة. هذه ليست لنقل الطاقة؛ فهي أسلاك الأرض العلوية (أسلاك الدرع)، وتُعرف أيضًا بالأسلاك الأرضية، وتستخدم لحماية الصواعق.

تأتي الأبراج في أشكال مختلفة. بالنسبة للخطوط الواحدة الدائرة، تشمل التكوينات الشائعة النوع "الكأس" مع الموصلات المُرتبة أفقيًا والنوع "رأس القط" مع ترتيب الموصلات المثلث. في المناطق ذات المساحة المحدودة أو في المناطق الاقتصادية المتقدمة حيث الأرض نادرة، غالبًا ما يتم استخدام أبراج مدمجة تحمل دائرتين أو حتى أربع دوائر على نفس الهيكل. بالنسبة لخطوط نقل التيار المستمر ذات الجهد الفائق (UHV)، هناك أيضًا أبراج T، التي تدعم دائرتين معلقتين تحت - على جانب واحد القطب الموجب، وعلى الجانب الآخر القطب السالب.

يشير ممر خط النقل إلى المنطقة الشريطية التي تمتد جانبيًا من الموصلات الخارجية لخط نقل التيار المتردد عالي الجهد. يتم تحديد عرضه وفقًا لمستوى الجهد ويتم تنظيمه بموجب اللوائح الخاصة بحماية مرافق الكهرباء. على سبيل المثال، منطقة الحماية لخط 500 كيلوفولت عرضها 20 متراً. بينما يُسمح بأنشطة زراعية محدودة داخل هذه المنطقة، إلا أنه يُحظر صراحة تكدس المواد القابلة للاشتعال أو بناء المباني.

قد تكون قد لاحظت أيضًا العديد من الأجهزة الشوكية والأجهزة الصغيرة على شكل "مدافع رياح" مثبتة على أبراج النقل. ما هي هذه للأغراض؟ إنها جميعًا مانعات طيور! تقوم الأشواك بمنع الطيور من بناء الأعشاش، بينما تقوم الأجهزة الدوارة الصغيرة بطرد الطيور - وكلاهما شائع التركيب على الأبراج.

توفر هيكل أبراج النقل موقعًا مثاليًا للطيور لبناء الأعشاش. ومع ذلك، فإن فضلات الطيور موصلة. عندما تُطرح على سلاسل العوازل، يمكن أن تخلق مسارًا موصلًا بين الموصل والأرض، مما قد يسبب الفلاشوف، أو أعطال التأريض، أو حتى قصر بين الأطوار. لذا، تعتبر خطوط الكهرباء معرضة للغاية لما يمكن أن يُسمى "الطيور الغاضبة". بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تشكل الأشجار العالية القريبة من خطوط النقل (أو الممرات) تهديدًا للتشغيل الآمن - على سبيل المثال، من خلال انتهاك المسافة الأرضية أو القصر - ولذلك يجب تقليمها بانتظام.