Надземни електрически кабели и опори: Типове дизайна и безопасност

Освен ултра-високонапрегови AC трансформаторни станции, по-често срещаме електрически предавателни и разпределителни линии. Високи кули носат проводници, които прескачат планини и морета, протягайки се в далечината, докато стигнат до градове и села. Това също е интересна тема - днес нека разгледаме предавателните линии и техните опорни кули.

Предаване и разпределение на електроенергия

Първо, нека разберем как електричеството се доставя. Електроенергийната индустрия се състои основно от четири етапа: производство, предаване, (трансформаторна станция) разпределение и потребление.

• Производството включва различни видове генератори на електроенергия - традиционни като въглеродни и водни електроцентрали, както и модерни източници като вятър и слънце. Всички те попадат в категорията производство.

• Предаването се осъществява чрез предавателни линии и кули.

• Трансформаторната станция (или трансформация) използва главно трансформатори. Повишаващи трансформатори в електроцентралите увеличават напрежението за ефективно предаване на дълги разстояния, докато понижаващи трансформатори от страната на разпределението намаляват напрежението до ниво, подходящо за регионални разпределителни мрежи и крайни потребители.

• Разпределението от страната на потребителите включва различни понижаващи трансформатори, както и средно- и нисконапрегово оборудване, комутационни устройства и кабели.

• Потреблението се отнася до електрически прибори в домакинствата, както и до използването на енергия в градски инфраструктури, сгради, промишлени обекти и други приложения.

От гледна точка на структурата, предавателните линии се делят на два основни типа: въздушни предавателни линии и кабелни линии. По-долу е представена схема на система за предаване на електроенергия:

Какви нива на напрежение са подходящи за предаване на електроенергия на дълги разстояния? За да се намалят загубите при предаването и да се подобри ефективността, обикновено се използват AC напрежения от 500 кV и повече. Напреженията в диапазона от 500 кV до 750 кV се класифицират като Екстра високонапрегови (EHV) AC предавателни системи, докато 1000 кV AC системи се наричат Ултра високонапрегови (UHV) AC предавателни системи. В сравнение, линиите, функциониращи с напрежение от средно до 110 кV–330 кV, обикновено се класифицират като разпределителни линии. Забележете, че тези класификации могат да вариират с нарастващата нужда от енергия, капацитета на системата и регионалните модели на разпределение на енергията.

Нивата на напрежение се отнасят до фазно-фазно напрежение - тоест напрежението между всеки две от трите фази (A, B и C). 220 волта, използвани в домакинствата, са фазно напрежение, което е напрежението между всяка една фаза и земята. В действителност, домашното електропитане произтича от 380-волтовата система. Само при входа в сградата трите фази (A, B и C) се разделят - всяка фаза може да снабдява различна единица от жилищната сграда. Това, което често виждате в градовете или жилищни общности, е квадратна, кутиевидна конструкция - това е кутиевидна (или боксовидна) трансформаторна станция (както е показано на фигурата по-долу).

Кутиевидната трансформаторна станция интегрира среднонапрегово оборудване, трансформатори и нисконапрегови разпределителни устройства. Тя преобразува градската среднонапрегова разпределителна мрежа (обикновено 10 кV или 20 кV) в 380 V електроенергия, подходяща за жилищно или градско използване. Може да не виждате кабелите, тъй като днешните градски разпределителни мрежи в Китай най-вече използват подземни кабели. Но в някои по-стари жилищни райони или селски области все още можете да наблюдавате въздушни линии, свързващи трансформатори, след което се извеждат към сгради или отделни потребители.

В открити области, въздушните предавателни линии, които често виждаме, се състоят от кули и проводници. Има различни типове кули, а предавателните линии се класифицират като постоянен ток (DC) или променлив ток (AC).

Производството и потреблението на електроенергия в Китай показват значителен географски дисбаланс. Обилните енергийни ресурси, като въглища, вятър, слънце и хидроенергия, са концентрирани в обширните западни региони, докато основните центрове на потребление са на хиляди километри разстояние в централните и източни региони. Този географски дисбаланс прави дългодистанционното предаване на електроенергия необходима решение.

През последните години, с бързото развитие на големи бази за вятърна и слънчева енергия, потребността за дългодистанционно предаване на електроенергия продължава да расте. Както основен стълб на доставката на електроенергия, строителството на ултра-високонапрегови (UHV) мрежи се ускорява, предоставяйки силна динамика за енергийния преход и устойчивото развитие на Китай. Всички тези дългодистанционни предавателни системи зависят от опорни кули и въздушни линии, за да се свържат в мрежа.

Въздушни предавателни линии

Въздушната предавателна линия се състои от проводници, подвесени на кули чрез изолатори и метални части, които осигуряват безопасно разстояние между проводниците и земята или сградите. Основната функция на предавателната линия е да доставя електрическа енергия, да свързва електроцентрали и трансформаторни станции, да позволява паралелна работа и да интегрира електроенергийната система в единна мрежа.

Въздушните линии предлагат предимства като по-ниски инвестиционни разходи, по-бързо строителство, проста и удобна инсталация, лесно идентифициране на дефекти и потенциални опасности, както и лесна поддръжка и ремонт. За дългодистанционно предаване, въздушните линии се използват най-често поради високата им мощност. Колкото по-дълго е разстоянието на предаването, толкова по-високо трябва да бъде напрежението.

Обаче, тъй като въздушните линии са широко разпространени и работят постоянно във външна среда, те често са засегнати от околни условия и природни фактори. Това води до различни експлоатационни дефекти, включително удари на мълнии, ветрови повреди, наслагване на лед, замърсяване, външно въздействие, трептене на проводниците и птичи инциденти.

Освен това, при работа с високонапрегателни апарати инженерите често работят с високонапрегателни (ВН), екстра-високонапрегателни (ЕВН) и ултра-високонапрегателни (УВН) системи, повечето от които са свързани чрез въздушни линии. Следователно, техническите изисквания за високонапрегателното оборудване са тясно свързани с условията на линията – такива като оперативна среда и условия на експлоатация. Разбирането на характеристиките и поведението при дефект на въздушните линии е следователно съществено за разбирането на техническите спецификации на високонапрегателното оборудване.

Компоненти на Въздушните Линии за Преход

Основните компоненти на въздушната линия за преход включват фундаменти, кули, проводници, изолатори, металозаварки (детайли), устройства за защита от мълнии (като въздушни заземящи жици и ограничители на напрежението) и системи за заземяване. Съвременните линии може да включват и допълнителни компоненти като оптическа заземяваща жица (OPGW) и комуникационни системи за передаване по линия.

(1) Проводници

Проводниците предават ток и доставят електрическа енергия. Един проводник за фаза е типичен за стандартни линии. Обачно, за ЕВН и линии с висока капацитет, се използват групирано подредени проводници – с два, три, четири или повече подпроводници (често подредени в кръгова конфигурация). Това намалява коронарния разряд, минимизира загубите на мощност и намалява въздействието върху радио, телевизия и други комуникационни сигнали.

(2) Заземяващи Жици и Системи за Заземяване

Заземяващите жици са подвесени във върха на преходните кули и са свързани с системата за заземяване на всяка кула чрез отводящи проводници. При удари на мълнии, заземяващата жица – поставена над фазовите проводници – перехваща мълнията, безопасно отвеждайки тока през системата за заземяване в земята. Това намалява вероятността за пряко попадение на проводниците, защитава изолацията на линията от повреди поради прекомерно напрежение и осигурява надеждна експлоатация. Заземяващите жици обикновено са инсталирани по цялата дължина на линии с напрежение 110 кV и по-високо и обикновено са направени от оцинковани стоманени нишки.

(3) Кули (Пилони)

Кулите подкрепят проводниците и заземяващите жици заедно със съответните металозаварки, поддържайки безопасни електрически разстояния между проводниците, кулите, земята и всякакви пресичащи се конструкции или сгради.

(4) Изолатори и Низки от Изолатори

Изолаторите са ключовите изолационни компоненти на преходната линия. Те поддържат или подвесват проводниците, докато ги изолират електрически от кулите, осигурявайки надеждна диелектрична сила. Изложени на механичен стрес, електрическо напрежение и корозивни атмосферни газове, изолаторите трябва да притежават достатъчна механична сила, изолационни характеристики и устойчивост към деградация.

(5) Металозаварки (Детайли)

Металозаварките на преходната линия играят ключова роля в поддържането, закрепването, свързването и защитата на проводниците и заземяващите жици, осигурявайки робустни и надеждни свръзки. Металозаварките се класифицират в пет основни типа според функцията: клипсове, свързващи детайли, сварни детайли, защитни детайли и детайли за отводни жици.

(6) Фундаменти

Фундаментът закрепва кулата към земята, предотвратявайки наклон, обрушаване или проседание.

Ще разгледаме всеки от тези компоненти подробно в последващите разисквания.

(7) Кули (Пилони)

Съществуват много видове преходни линии и кули, с напрежения до 1000 кV. Материалите за кули включват дърво, бетон, стоманени решетки и стоманени труби, а техните форми и дизайни вариират широко. Целта на преходната линия е да доставя електрическа енергия от един край до друг с минимални загуби. Следователно, в рамките на една и съща категория напрежение, линиите се проектират да минимизират импеданса и максимизират площта на сечението на проводниците. Кули служат за подкрепа на линиите и предотвратяване на контакт с други проводящи обекти, които могат да причинят заземяващи дефекти. Така те се изграждат високи и структурно стабилни. Изображението по-долу показва общи типове кули.

Според техните фактически функции в инженерните приложения, кулите се класифицират още в няколко типа: праволинейни (подвързващи) кули, ъглови (ъглопрехвъртащи) кули (използвани за промяна на посоката), терминални кули (за свързване с и от подстанции), кули за транспозиция (използвани за ротация на фазите) и кули за големи разстояния (проектирани за преминаване през големи реки, езера или проливи). В основата на всяка кула е фундаментът. Проводниците са подвесени от кръстовините чрез низки от изолатори.

Ако внимателно разгледате стоманена решетчата кула, ще забележите две малки "рожки", които се издигат нагоре – една от всяка страна, носещи тънки жици. Тези не са за преход на енергия; това са въздушни заземяващи жици (заземяващи жици), известни също като земни жици, използвани за защита от мълнии.

Преходните кули имат различни форми. За едноколонна линия, общи конфигурации включват "чаша за вино" с хоризонтално подредени проводници и "котка" с триъгълно подредени проводници. В области с ограничено право на път или в икономически развити региони, където земята е скъпа, често се използват компактни кули, които носят две или дори четири колони на една и съща структура. За ултра-високонапрегателни (УВН) DC преходни линии, съществуват също T-образни кули, които поддържат две колони, висящи под – от едната страна положителен полюс, а от другата страна отрицателен полюс.

Коридорът на преходната линия се отнася до ивицата, която се разширява в продължение от външните проводници на високонапрегателната въздушна електрическа линия. Неговата ширина се определя от напрежението и е регулирана в Регламента за защита на електроенергийните обекти. Например, защитената зона за 500 kV линия е 20 метра широка. Макар че в тази зона се допуска ограничен селскостопански труд, съхраняването на горивни материали или изграждането на сгради е строго забранено.

Може да сте забелязали множество устройствата с формата на шипове и малки "вятърни мелници", инсталирани на опорите за предаване. Каква е целта им? Те са всички отбранителни средства срещу птиците! Шиповете предотвратяват птиците да гнездят, докато малките вращащи се "вятърни мелнички" ги изплашват - и двете са често монтирани на опорите.

Структурата на опорите за предаване предоставя идеално място за птиците да гнездят. Обачно, птичият помет е проводим. Когато се изпразни върху изолаторните низки, може да създаде проводим път между проводника и земята, което потенциално може да причини пробой, земно замърсяване или дори краткосрочни замыкания между фазите. Затова, високонапрегнатите линии са много уязвими към това, което може да бъде наречено "гневни птици". Освен това, високите дървета близо до високонапрегнатите линии (или коридори) също могат да заплашат безопасната операция - например, като причиняват нарушения на разстоянието до земята или краткосрочни замыкания - и трябва да се поддържат редовно.