Převody elektrické energie & věže: Typy návrh a bezpečnost

Krom ultra-vysokého napětí AC podstanic se častěji setkáváme s elektrickými přenosovými a distribučními linkami. Vysoké věže nesou vodiče, které překonávají hory a moře a táhnou se do dálky, než dorazí do měst a vesnic. To je také zajímavé téma – dnes se podíváme na přenosové linky a jejich nosné věže.

Přenos a distribuce elektrické energie

Nejprve pochopme, jak se elektřina dodává. Elektroenergetický průmysl se primárně skládá ze čtyř fází: výroba, přenos, (podstaničení) distribuce a spotřeba.

• Výroba zahrnuje různé typy elektráren – tradiční, jako jsou uhelné a vodní elektrárny, a moderní, jako jsou větrné a solární zdroje. Všechny tyto spadají do kategorie výroby.

• Přenos se opírá o přenosové linky a věže.

• Podstaničení (nebo transformace) používá především transformátory. Zvedací transformátory v elektrárnách zvyšují napětí pro efektivní přenos na vzdálené vzdálenosti, zatímco snižovací transformátory na straně distribuce snižují napětí na úroveň vhodnou pro regionální distribuční sítě a koncové uživatele.

• Distribuce na straně spotřebitele zahrnuje různé snižovací transformátory, střední a nízkonapěťové zařízení, vypínače a drátění.

• Spotřeba se týká elektrických zařízení v domech, stejně jako spotřeby elektřiny v městské infrastruktuře, budovách, průmyslových zařízeních a jiných aplikacích.

Z hlediska struktury se přenosové linky dělí na dva hlavní typy: nadzemní přenosové linky a kabelové linky. Níže je schématický diagram systému přenosu elektrické energie:

Jaká napěťová úrovně jsou vhodné pro dlouhodobý přenos elektřiny? Aby se snížily ztráty při přenosu a zlepšila efektivita, se obvykle pro přenos elektřiny používají střídavé napětí 500 kV a vyšší. Napětí v rozmezí 500 kV až 750 kV se řadí mezi extra vysoké napětí (EHV) AC, zatímco 1000 kV AC systémy jsou známé jako ultra vysoké napětí (UHV) AC. Naopak linky pracující od středního napětí až po 110 kV–330 kV se obecně řadí mezi distribuční linky. Poznámka: Tato klasifikace může být upravena v závislosti na rostoucí poptávce po energii, kapacitě systému a regionálních vzorcích distribuce energie.

Napěťové úrovně se týkají napětí mezi fázemi – to znamená napětí mezi libovolnými dvěma z tří fází (A, B a C). 220 voltů používaných v domácnostech je fázové napětí, což je napětí mezi libovolnou fází a zemí. Ve skutečnosti pochází dodávka elektřiny do bytů z 380-voltového systému. Teprve u vchodu do budovy jsou tři fáze (A, B a C) odděleny – každá fáze může zásobovat jinou jednotku v bytovém domě. Co často vidíte v městech nebo rezidenčních komunitách, je čtvercová, krabice podobná struktura – to je pad-mounted (nebo box-type) podstanice (jak je ukázáno na obrázku níže).

Box-type podstanice integruje střední napěťové zařízení, transformátory a nízkonapěťové distribuční zařízení. Převádí městskou střední napěťovou distribuční síť (typicky 10 kV nebo 20 kV) na 380 V elektrickou energii vhodnou pro rezidenční nebo městské použití. Drátění možná nevidíte, protože současné městské distribuční sítě v Číně většinou používají podzemní kabely. Nicméně, v některých starších rezidenčních oblastech nebo venkovských oblastech můžete stále pozorovat nadzemní linky, které spojují transformátory a pak vedou k budovám nebo individuálním spotřebitelům.

Na otevřených prostranstvích se běžně setkáváme s nadzemními přenosovými linkami, které se skládají z věží a vodičů. Existuje mnoho typů věží a přenosové linky se dělí na stejnosměrné (DC) a střídavé (AC).

Výroba a spotřeba elektřiny v Číně vykazuje výraznou geografickou nerovnováhu. Bohaté energetické zdroje, jako jsou uhlí, větrné a sluneční energie, jsou koncentrovány v rozsáhlých západních oblastech, zatímco hlavní centra spotřeby leží tisíce kilometrů daleko v centrálních a východních oblastech. Tato geografická neshoda činí dlouhodobý přenos elektřiny nezbytným řešením.

V posledních letech, s rychlým rozvojem velkých větrných a solárních základen, se pokračuje v rostoucí poptávce po dlouhodobém přenosu elektřiny. Jako klíčová složka dodávky elektřiny se konstrukce sítí UHV (Ultra High Voltage) zrychlila, poskytující silný impuls pro energetickou transformaci a udržitelný rozvoj v Číně. Všechny tyto dlouhodobé přenosové systémy se spoléhají na přenosové věže a nadzemní linky, aby propojily síť.

Nadzemní přenosové linky

Nadzemní přenosová linka se skládá z vodičů, které jsou podešity na věžích pomocí izolátorů a montážního materiálu, zajišťující bezpečnou vzdálenost mezi vodiči a zemí nebo budovami. Hlavním úkolem přenosové linky je dodávat elektrickou energii, spojovat elektrárny a podstavce, umožňovat paralelní provoz a integrovat elektrický systém do jednotné sítě.

Nadzemní linky nabízejí výhody, jako jsou nižší investiční náklady, rychlejší stavba, jednoduchá a pohodlná instalace, snadná identifikace poruch a potenciálních rizik a jednoduchá údržba a oprava. Pro dlouhodobý přenos se nadzemní linky využívají zejména kvůli své vysoké kapacitě. Čím delší je vzdálenost přenosu, tím vyšší je požadovaná napěťová úroveň.

Nicméně, jelikož nadzemní linky jsou široce rozprostřeny a nepřetržitě fungují ve venkovním prostředí, jsou často ovlivněny okolními podmínkami a přírodními faktory. To vede k různým operačním poruchám, včetně bleskových úderů, větrných poškození, ledové akumulace, znečištění a flashover, vnějších rušení, galopáž vodičů a incidentů s ptáky.

Kromě toho, když pracují s vysokonapěťovými vypínači, inženýři často pracují s vysokonapěťovými (HV), extra vysokonapěťovými (EHV) a ultra vysokonapěťovými (UHV) systémy, které jsou většinou propojeny nadzemními linkami. Proto jsou technické požadavky na vysokonapěťové zařízení těsně spojeny s podmínkami linky – jako je operační prostředí a podmínky služby. Chápání charakteristik a chování poruch nadzemních linek je tedy klíčové pro pochopení technických specifikací vysokonapěťového zařízení.

Složky nadzemních přenosových linek

Hlavní složky nadzemní přenosové linky zahrnují základy, věže, vodiče, izolátory, montážní materiál (fittings), ochranná zařízení proti bleskům (jako jsou nadzemní zemnice a ochranné přístroje) a zemnici. Moderní linky mohou také obsahovat pomocné komponenty, jako jsou optické zemnice (OPGW) a komunikační systémy přenosu signálů po elektrických vodičích.

(1) Vodiče

Vodiče přenášejí proud a dodávají elektrickou energii. Pro standardní linky je typický jeden vodič na fázi. Nicméně, pro EHV a vysokokapacitní přenosové linky se často používají svazkové vodiče – s použitím dvou, tří, čtyř nebo více subvodičů (často uspořádaných v kruhovém uspořádání). To snižuje koronační výboje, minimalizuje ztráty energie a snižuje rušení rádiových, televizních a jiných komunikačních signálů.

(2) Zemnice (ochranné vodiče) a zemnice

Zemnice jsou podešity na vrcholu přenosových věží a jsou připojeny k zemnickému systému na každé věži pomocí dolních vodičů. Během bleskového úderu zemnice, umístěná nad fázové vodiče, zachytí blesk a bezpečně odvede proud do země přes zemnický systém. To snižuje pravděpodobnost přímých úderů do vodičů, chrání izolaci linky před poškozením nadnapětím a zajišťuje spolehlivý provoz. Zemnice jsou obvykle nainstalovány po celé délce linek s napětím 110 kV a vyšším a jsou často vyrobeny z cinkovaných ocelových drátů.

(3) Věže (pylony)

Věže nesou vodiče a zemnice spolu s příslušným montážním materiálem, zajišťují bezpečnou elektrickou vzdálenost mezi vodiči, věžemi, zemí a jakýmkoli překládacím objektem nebo budovou.

(4) Izolátory a řetězy izolátorů

Izolátory jsou klíčové izolační komponenty přenosové linky. Podporují nebo podešují vodiče, zatímco je elektricky izolují od věží, zajišťují spolehlivou dielektrickou sílu. Jsou vystaveny mechanickému namáhání, elektrickému napětí a korozi atmosférických plynů, a musí mít dostatečnou mechanickou pevnost, izolační vlastnosti a odolnost vůči degradaci.

(5) Montážní materiál (fittings)

Montážní materiál přenosové linky hraje klíčovou roli v podpoře, zajištění, spojení a ochraně vodičů a zemnic, zajišťuje robustní a spolehlivé spojení. Montážní materiál je dělen do pěti hlavních typů podle funkce: držáky vodičů, spojovací fittings, spojovací fittings, ochranné fittings a guy wire fittings.

(6) Základy

Základ ukotvuje věž do země, zabránění naklonění, zřícení nebo zapadání.

Každou z těchto složek si podrobněji probereme v následujících diskusích.

(7) Věže (pylony)

Existuje mnoho typů přenosových linek a věží, s napěťovými úrovněmi až 1000 kV. Materiály věží zahrnují dřevo, beton, ocelové mřížové a ocelové trubkové struktury, a jejich tvary a designy se liší. Účelem přenosové linky je dodávat elektrickou energii z jednoho konce na druhý s minimálními ztrátami. Proto jsou linky v rámci stejné napěťové třídy navrženy tak, aby minimalizovaly impedanci a maximalizovaly průřez vodiče. Věže slouží k podpoře linek a prevenci kontaktu s jinými vodiči, které by mohly způsobit zemní poruchy. Proto jsou postaveny vysoké a strukturně stabilní. Obrázek níže ukazuje běžné typy věží.

Na základě jejich skutečných funkcí v inženýrských aplikacích jsou věže dále klasifikovány do několika typů: přímé (podešité) věže, koutové (rohové) věže (používané pro změnu směru), koncové věže (pro připojení k a od podstavců), transpoziční věže (používané pro rotaci fází) a věže pro velké rozpětí (navržené pro překonání hlavních řek, jezer nebo cest). V základu každé věže je základ. Vodiče jsou podešity na křížové rameno pomocí řetězů izolátorů.

Pokud se blíže podíváte na ocelovou mřížovou věž, uvidíte dva malé "rohy" směřující nahoru – jeden na každé straně – nesoucí tenké dráty. Tyto nejsou určeny pro přenos elektřiny; jsou to nadzemní zemnice (ochranné vodiče), také známé jako zemnice, používané pro ochranu proti bleskům.

Přenosové věže mají různé tvary. Pro jednocircuitové linky jsou běžné konfigurace "vínské sklenice" s horizontálně uspořádanými vodiči a "kočičí hlava" s trojúhelníkovým uspořádáním vodičů. V oblastech s omezeným průchodem nebo v ekonomicky vyvinutých oblastech, kde je půda vzácná, se často používají kompaktní věže, které nesou dva nebo dokonce čtyři okruhy na stejné struktuře. Pro přenosové linky UHV DC existují také T-typové věže, které nesou dva okruhy visící pod – na jedné straně kladný pól a na druhé straně záporný pól.

Koridor přenosové linky se týká pásovité oblasti, která se táhne pozdvižně od nejvnějších vodičů vysokonapěťové nadzemní elektrické linky. Jeho šířka je určena napěťovou úrovní a regulována podle Pravidel ochrany elektroinstalačních zařízení. Například chráněná zóna pro 500 kV linku je 20 metrů široká. Zatímco v této zóně jsou povoleny omezené zemědělské aktivity, hromadění hořlavých materiálů nebo stavba budov je striktně zakázáno.

Možná jste také pozorovali množství kolíkovitých zařízení a malých "větrných mlýnků" nainstalovaných na přenosových věžích. K čemu jsou tyto? Jsou to všechny zařízení pro odstrašování ptáků! Kolíkovité zařízení brání ptákům v stavbě hnízd, zatímco malé otáčivé "větrné mlýny" odpuzují ptáky – oba jsou běžně montovány na věžích.

Struktura přenosových věží poskytuje ideální místo pro ptáky ke stavbě hnízd. Nicméně, ptáčí exkrementy jsou vodivé. Když jsou vyvrženy na řetězy izolátorů, mohou vytvořit vodivou cestu mezi vodičem a zemí, což může způsobit flashover, zemní poruchu nebo dokonce fázovou krátkou spojku. Proto jsou elektrické linky velmi zranitelné vůči tomu, co by se mohlo nazvat "rozzlobenými ptáky". Kromě toho, vysoké stromy poblíž přenosových linek (nebo koridorů) mohou také ohrozit bezpečný provoz – například způsobením porušení vzdálenosti od země nebo krátkých spojek – a proto musí být pravidelně oráženy.