Línies Elèctriques Aeriannes & Torres: Tipus Disseny i Seguretat
A més de les subestacions d'alta tensió AC, el que trobem més sovint són les línies d'electricitat de transmissió i distribució. Les torres altes porten conductors que salten muntanyes i mar, estenent-se cap a l'infinit abans d'arribar a ciutats i pobles. Aquest també és un tema interessant—avui, explorem les línies de transmissió i les seves torres de suport.
Transmissió i Distribució d'Electricitat
Primer, anem a entendre com es lliura l'electricitat. L'indústria elèctrica principalment consta de quatre etapes: generació, transmissió, (subestació) distribució i consum.
La generació inclou diversos tipus de generadors d'electricitat—tradicionals com les centrals tèrmiques i hidroelèctriques, així com fonts modernes com l'eòlica i la solar. Tots aquests cauen en la categoria de generació.
La transmissió depèn de les línies de transmissió i les torres.
La subestació (o transformació) utilitza principalment transformadors. Els transformadors elevadors a les centrals elevan la tensió per una transmissió eficient a llarga distància, mentre que els transformadors rebaixadors al costat de la distribució rebaixen la tensió a nivells adequats per a les xarxes de distribució regional i els usuaris finals.
La distribució al costat del consumidor implica diversos transformadors rebaixadors, així com equipament de mitja i baixa tensió, interruptors i cablejat.
El consum es refereix als dispositius elèctrics a les cases, així com l'ús d'energia en infraestructures municipals, edificis, instal·lacions industrials i altres aplicacions.
En termes d'estructura, les línies de transmissió es divideixen en dos tipus principals: línies aèries de transmissió i línies de cable. A continuació, es mostra un esquema d'un sistema de transmissió d'electricitat:
Quins nivells de tensió són adequats per a la transmissió d'electricitat a llarga distància? Per reduir les pèrdues de transmissió i millorar l'eficiència, normalment s'utilitzen tensions d'AC de 500 kV i superiors per a la transmissió d'electricitat. Les tensions en el rang de 500 kV a 750 kV es classifiquen com a transmissió d'alta tensió (EHT) AC, mentre que els sistemes d'AC de 1000 kV es coneixen com a transmissió d'ultra alta tensió (UHT) AC. En canvi, les línies que operen des de tensió mitjana fins a 110 kV–330 kV generalment es categoritzen com a línies de distribució. Tingueu en compte que aquestes classificacions poden variar amb la creixent demanda d'energia, la capacitat del sistema i els patrons de distribució energètica regional.
Els nivells de tensió es referencien a la tensió entre fases—és a dir, la tensió entre qualsevol de les tres fases (A, B i C). La tensió de 220 volts utilitzada en els hogars és la tensió de fase, que és la tensió entre qualsevol fase i terra. En realitat, el subministrament d'electricitat residencial prové d'un sistema de tensió de línia de 380 volts. Només a l'entrada de l'edifici es separen les tres fases (A, B i C)—cada fase pot alimentar una unitat diferent d'un edifici residencial. El que comunament veieu a les ciutats o comunitats residencials és una estructura quadrada, cúbica—és una subestació de pad (o de caixa) (tal com es mostra en la figura següent).
La subestació de caixa integra equipament de tensió mitjana, transformadors i dispositius de distribució de baixa tensió. Transforma la xarxa de distribució urbana de tensió mitjana (normalment 10 kV o 20 kV) en energia de 380 V adequada per a l'ús residencial o municipal. Potser no veieu el cablejat, ja que les xarxes de distribució urbanes a Xina avui dia utilitzen principalment cables subterrànies. Tanmateix, en algunes zones residencials antigues o rurals, encara es poden observar línies aèries connectant transformadors i després arribant a edificis o consumidors individuals.
En zones obertes, les línies aèries de transmissió que comunament veiem consisteixen en torres i conductors. Hi ha diversos tipus de torres, i les línies de transmissió es classifiquen com a corrent contínu (CC) o corrent altern (CA).
La generació i el consum d'electricitat a Xina mostren un desequilibri geogràfic significatiu. Recursos energètics abundants com el carbó, l'eòlic, el solar i l'hidràulic estan concentrats en les vastes regions occidentals, mentre que els grans centres de càrrega es troben a milers de quilòmetres de distància en les regions centro-orientals. Aquest desajust geogràfic fa que la transmissió d'electricitat a llarga distància sigui una solució essencial.
En els darrers anys, amb el desenvolupament ràpid de bases de gran escala d'energia eòlica i solar, la demanda de transmissió d'electricitat a llarga distància ha continuat augmentant. Com a columna vertebral de la distribució d'energia, la construcció de xarxes d'ultra alta tensió (UHT) s'ha accelerat, proporcionant un fort impuls per a la transició energètica i el desenvolupament sostenible de Xina. Tots aquests sistemes de transmissió a llarga distància depenen de les torres de transmissió i les línies aèries per interconnectar la xarxa.
Línies Aèries de Transmissió
Una línia aèria de transmissió consta de conductors suspesos de les torres mitjançant aïllants i ferralleries, assegurant una separació segura entre els conductors i el terra o edificis. La funció principal d'una línia de transmissió és lliurar energia elèctrica, connectar les centrals i les subestacions, permetre l'operació paral·lela i integrar el sistema elèctric en una xarxa unificada.
Les línies aèries ofereixen avantatges com uns costos d'inversió més baixos, una construcció més ràpida, una instal·lació simple i convenient, una identificació fàcil de faltes i perillos, i un manteniment i reparació senzills. Per a la transmissió a llarga distància, les línies aèries s'utilitzen predominantment degut a la seva alta capacitat de potència. Quanta més llunyana sigui la transmissió, més alt serà el nivell de tensió requerit.
No obstant això, perquè les línies aèries estan ampliament distribuïdes i operen de forma contínua en entorns exteriors, sovint són afectades per condicions ambientals i factors naturals. Això porta a diversos problemes operatius, incloent impactes de raigs, daños per vent, acumulació de gel, flashover per contaminació, interferències externes, galopament dels conductors i incidents relacionats amb els ocells.
Més endavant, quan es treballa amb equips de maniobra de alta tensió, els enginyers tracten habitualment amb sistemes d'alta tensió (AT), extra alta tensió (EAT) i ultra alta tensió (UAT), la majoria dels quals estan interconnectats mitjançant línies aèries. Per tant, els requisits tècnics per a l'equipament d'alta tensió estan estretament lligats a les condicions de la línia—com l'entorn operatiu i les condicions de servei. Comprendre les característiques i comportaments de faltes de les línies aèries és, per tant, essencial per entendre les especificacions tècniques de l'equipament d'alta tensió.
Components de les Línies Aèries de Transmissió
Els components principals d'una línia aèria de transmissió inclouen fundaments, torres, conductors, aïllants, ferralleries (accessoris), dispositius de protecció contra els raigs (com fils de terra aèris i parafulmins) i sistemes de terra. Les línies modernes també poden incloure components auxiliars com fil de terra òptic (OPGW) i sistemes de comunicació per línia de potència.
(1) Conductors
Els conductors transmeten corrent i lliuren energia elèctrica. Un conductor per fase és típic per a les línies estàndard. No obstant això, per a les línies EAT i de gran capacitat, es fan servir sovint conductors agrupats—utilitzant dos, tres, quatre o més subconductors (sovint disposats en una configuració circular). Això redueix la descàrrega corona, minimitza la pèrdua de potència i disminueix la interferència amb radio, televisió i altres senyals de comunicació.
(2) Fils de Terra i Sistemes de Terra
Els fils de terra estan suspesos a la part superior de les torres de transmissió i connectats al sistema de terra de cada torre mitjançant conductors descendents. Durant un impacte de raig, el fil de terra—posicionat sobre els conductors de fase—intercepta el raig, desviant la corrent de manera segura a través del sistema de terra al terra. Això redueix la probabilitat d'impactes directes als conductors, protegeix l'aïllament de la línia de danys per sobretensió i assegura una operació fiable. Els fils de terra s'instalen normalment a tota la longitud de les línies de 110 kV i superiors i sovint es fan de cabos d'acer galvanitzat.
(3) Torres (Pilons)
Les torres suporten els conductors i els fils de terra juntament amb la ferralleria associada, mantenint separacions elèctriques segures entre els conductors, les torres, el terra i qualsevol estructura o edifici de travessia.
(4) Aïllants i Cadenes d'Aïllants
Els aïllants són els components clau d'aïllament d'una línia de transmissió. Suporten o suspenden els conductors mentre els aïllen elèctricament de les torres, assegurant una resistència dielèctrica fiable. Sotmesos a estrès mecànic, tensió elèctrica i gasos atmosfèrics corrosius, els aïllants han de tenir força mecànica suficient, rendiment d'aïllament i resistència a la degradació.
(5) Ferralleries (Accessoris)
La ferralleria de les línies de transmissió desempenya un paper crític en el suport, la fixació, la connexió i la protecció dels conductors i els fils de terra, assegurant connexions fortes i fiables. La ferralleria es classifica en cinc tipus principals basats en la funció: grups de línia, accessoris de connexió, accessoris de fusió, accessoris protectors i accessoris de tirant.
(6) Fundaments
El fonament ancla la torre al terra, prevenint la inclinació, el col·laps o l'enfonsament.
Examinarem detalladament cadascun d'aquests components en discussió posterior.
(7) Torres (Pilons)
Hi ha nombrosos tipus de línies de transmissió i torres, amb nivells de tensió que arriben fins a 1000 kV. Els materials de les torres inclouen fusta, formigó, estructures reticulars d'acer i tubulars d'acer, i les seves formes i dissenys varien ampliament. El propòsit d'una línia de transmissió és lliurar energia elèctrica d'un extrem a l'altre amb mínimes pèrdues. Per tant, dins de la mateixa classe de tensió, les línies són dissenyades per minimitzar la impedància i maximitzar la secció transversal del conductor. Les torres serveixen per suportar les línies i prevenir el contacte amb altres objectes conductors que podrien causar faltes de terra. Per això, es construeixen altes i estructuralment estables. La imatge següent mostra els tipus comuns de torres.
Basant-se en les seves funcions reals en aplicacions d'enginyeria, les torres es classifiquen en diversos tipus: torres de línia recta (de suspensió), torres d'angle (de cantonada) (utilitzades per canviar de direcció), torres terminal (per connectar a i des de subestacions), torres de transposició (utilitzades per rotació de fases) i torres de gran travessia (dissenyades per creuar grans rius, llacs o estrets). A la base de cada torre hi ha el fonament. Els conductors són suspesos de les barres transversals mitjançant cadenes d'aïllants.
Si observeu atentament una torre reticular d'acer, notareu dos petits "corns" que s'estenen cap amunt—un a cada costat—que porten fils fins. Aquests no són per a la transmissió d'electricitat; són fils de terra aèris (fils de protecció), també coneguts com a fils de terra, utilitzats per protecció contra raigs.
Les torres de transmissió tenen diverses formes. Per a línies d'un circuit, les configuracions comunes inclouen el tipus "got de vi" amb conductors disposats horitzontalment i el tipus "cap de gat" amb una disposició triangular dels conductors. En àrees amb espai limitat o en regions econòmicament desenvolupades on la terra és escassa, sovint s'utilitzen torres compactes que porten dos o fins i tot quatre circuits en la mateixa estructura. Per a les línies de transmissió UAT DC, també hi ha torres T, que suporten dos circuits penjant—d'un costat el pol positiu, i de l'altre costat el pol negatiu.
Un corredor de línia de transmissió es refereix a l'àrea en forma de franja que s'estén lateralment des dels conductors més externs d'una línia aèria de transmissió d'alta tensió. La seva amplada està determinada pel nivell de tensió i regulada sota el Reglament de Protecció de les Instal·lacions Elèctriques. Per exemple, la zona protegida per a una línia de 500 kV té 20 metres d'amplada. Tot i que són permeses activitats agrícoles limitades dins d'aquesta zona, està estrictament prohibit apilar materials inflamables o construir edificis.
Potser també heu notat nombrosos dispositius en forma de punxes i petits "molins de vent" instal·lats en les torres de transmissió. ¿Per a què serveixen? Són tots dissuasors d'ocells! Les punxes antiocells eviten que els ocells construeixin nius, mentre que els petits dispositius giratoris "molins de vent" espanten els ocells—ambdós són sovint montats en les torres.
L'estructura de les torres de transmissió proporciona un lloc ideal per als ocells per construir nius. No obstant això, les excrecions d'ocells són conductores. Quan es deixen caure sobre les cadenes d'aïllants, poden crear un camí conductor entre el conductor i el terra, potencialment causant flashovers, faltes de terra o fins i tot curts circuits entre fases. Per tant, les línies elèctriques són molt vulnerables a el que es podria anomenar “ocells enfadats”. A més, arbres alts prop de les línies de transmissió (o corredors) també poden amenaçar la operació segura, per exemple, provocant violacions de clearance al terra o curts circuits, i per tant, s'han de podar regularment.
