Ud over ultra-højspændings AC-understations, er det, vi ofte ser, ledninger til strømoverførsel og -distribution. Høje tårne bærer ledere, der krydser bjerge og hav, strækker sig langt ud i det fjerne, inden de når byer og landsbyer. Dette er også et interessant emne—i dag skal vi udforske overførselsledninger og deres støttende tårne.
Strømoverførsel og -distribution
Lad os først forstå, hvordan elektricitet leveres. Elektricitetsindustrien består hovedsageligt af fire trin: produktion, overførsel, (understation) distribution og forbrug.
Produktion inkluderer forskellige typer strømproducerende anlæg—traditionelle som kulstof- og vandkraftværker, samt moderne kilder som vind- og solenergi. Alt dette falder under produktionskategorien.
Overførsel afhænger af overførselsledninger og tårne.
Understation (eller transformation) bruger hovedsageligt transformatorer. Opløftertransformatorer ved kraftværker øger spændingen for effektiv langdistansetransmission, mens nedløftertransformatorer på distributions siden reducerer spændingen til niveauer, der er egnet til regionale distributionsnet og slutbrugere.
Distribution på forbrugersiden involverer forskellige nedløftertransformatorer, samt medium- og lavspændingsudstyr, skruer og ledning.
Forbrug refererer til elektriske enheder i hjem, samt strømforbrug i kommunal infrastruktur, bygninger, industrielle anlæg og andre anvendelser.
I strukturel henseende er overførselsledninger opdelt i to hovedtyper: luftledninger og kabelforbindelser. Nedenfor er en skematisk tegning af et strømoverførselsystem:
Hvilke spændingsniveauer er egnet til langdistansetransmission? For at reducere transmissionsforskralinger og forbedre effektiviteten, bruges typisk AC-spændinger på 500 kV og over for strømoverførsel. Spændinger mellem 500 kV og 750 kV klassificeres som ekstra højspænding (EHV) AC-overførsel, mens 1000 kV AC-systemer kendes som ultra højspænding (UHV) AC-overførsel. I modsætning hermed er linjer, der opererer fra mediumspænding op til 110 kV–330 kV, generelt kategoriseret som distributionsledninger. Bemærk, at disse klassifikationer kan variere med stigende strømforsyning, systemkapacitet og regionale energifordelingsmønstre.
Spændingsniveauer refererer til fase-fase spænding—det vil sige, spændingen mellem to af de tre faser (A, B og C). De 220 volt, der anvendes i husholdningerne, er fasens spænding, som er spændingen mellem en fase og jorden. I virkeligheden kommer den boligsupplierede strøm fra et 380-volt fase-fase system. Kun ved indgangen til bygningen adskilles de tre faser (A, B og C)—hver fase kan føde en anden enhed i et beboelseskompleks. Hvad du ofte ser i byer eller beboelsesområder, er en kvadratisk, kasseagtig struktur—dette er en pladebaseret (eller kasse-type) understation (som vist på figuren nedenfor).
Kasse-typen understation integrerer mediumspændingsudstyr, transformatorer og lavspændingsfordelingsenheder. Den omdanner det urbane mediumspændingsdistributionsnet (typisk 10 kV eller 20 kV) til 380 V strøm, der er egnet til bolig- eller kommunalt forbrug. Du kan muligvis ikke se ledningerne, da de fleste urbane distributionsnet i Kina i dag bruger underjordiske kabler. Men i nogle ældre boligområder eller landlige regioner kan man stadig observere luftledninger, der forbinder transformatorer og derefter løber til bygninger eller individuelle forbrugere.
På åbne områder, består de luftledninger, vi ofte ser, af tårne og ledere. Der findes forskellige typer tårne, og overførselsledninger er inddelt i enten direkte strøm (DC) eller alternativ strøm (AC).
Kinas strømproduktion og -forbrug viser en betydelig geografisk misbalance. Rige energikilder som kul, vind, sol og vandkraft er koncentreret i de store vestlige regioner, mens de største belastningscentre ligger tusinder af kilometer væk i de centrale og østlige regioner. Denne geografiske mismatch gør langdistansetransmission til en nødvendig løsning.
I de seneste år, med hurtig udvikling af store vind- og solkraftbasier, har behovet for langdistansetransmission fortsat vokset. Som rygraden for strømlevering, er konstruktionen af ultra højspændings (UHV) netværk blevet accelereret, hvilket giver stærk dynamik for Kinas energiovergang og bæredygtige udvikling. Alle disse langdistansetransmissionsystemer afhænger af transmissions tårne og luftledninger til at forbinde netværket.
Luftledninger
En luftledning består af ledere, der er suspenderet fra tårne ved hjælp af isolatorer og hardware, der sikrer sikker afstand mellem lederne og jorden eller bygninger. Den primære funktion af en overførselsledning er at overføre elektrisk energi, forbinde kraftværker og understationer, muliggøre parallelt drift og integrere strømsystemet i et forenet netværk.
Luftledninger har fordele som lavere investeringsomkostninger, hurtigere konstruktion, simpel og bekvem installation, let identifikation af fejl og potentielle farer, samt enkel vedligeholdelse og reparation. For langdistansetransmission bruges hovedsageligt luftledninger på grund af deres høje strømkapacitet. Jo længere transmissionsafstanden, jo højere krævede spændingsniveau.
Imidlertid, da luftledninger er bredt fordelt og fungerer kontinuerligt i udendørs miljøer, påvirkes de ofte af omgivelser og naturlige faktorer. Dette fører til forskellige driftsfejl, herunder lynnedslag, vindskader, isakkumulation, forureningsspark, eksterne forstyrrelser, leder svaj, og fuglerelaterede hændelser.
Desuden, når man arbejder med højspændingsapparater, håndterer ingeniører ofte højspænding (HV), ekstra højspænding (EHV) og ultra højspænding (UHV) systemer, de fleste af disse er forbundet via luftledninger. Derfor er tekniske krav til højspændingsudstyr tæt knyttet til linjetilstande—som driftsmiljø og servicebetingelser. At forstå karakteristikker og fejladfærd for luftledninger er derfor afgørende for at forstå de tekniske specifikationer for højspændingsudstyr.
Komponenter i luftledninger
De hovedkomponenter i en luftledning inkluderer fundament, tårne, ledere, isolatorer, hardware (monteringsdele), lynbeskyttelsesenheder (som overhede jordledere og overslagstopper), og jordsystemer. Moderne ledninger kan også inkludere hjælpekomponenter som optisk jordleder (OPGW) og strømledningsbaseret kommunikationssystemer.
(1) Ledere
Ledere transmitterer strøm og leverer elektrisk energi. Enkeltleder per fase er typisk for standardlinjer. Imidlertid, for EHV og højkapacitets overførselslinjer, anvendes ofte bundlete ledere—ved hjælp af to, tre, fire eller flere sub-ledere (ofte arrangeret i en cirkulær konfiguration)—for at reducere koronaudslip, minimere strømtab, og formindske støj for radio, TV og andre kommunikations signaler.
(2) Skjold (Jord) ledere og jordsystemer
Skjoldledere er suspenderet på toppen af transmissions tårne og forbundet til jordsystemet ved hver tårn via nedledere. Under et lynnedslag, fanger skjoldlederen—placeret over faselederne—lynet, og dirigerer sikkert strømmen gennem jordsystemet ned i jorden. Dette reducerer sandsynligheden for direkte nedslag på ledere, beskytter linjeisolering mod overslagskader, og sikrer pålidelig drift. Skjoldledere installeres typisk langs hele længden af linjer på 110 kV og over, og er ofte lavet af galvaniserede stålstrimler.
(3) Tårne (Pyloner)
Tårne understøtter ledere og skjoldledere sammen med tilhørende hardware, ved at opretholde sikre elektriske afstande mellem ledere, tårne, jorden, og eventuelle krydsende strukturer eller bygninger.
(4) Isolatorer og isolatorstrenger
Isolatorer er de vigtigste isoleringskomponenter i en overførselsledning. De understøtter eller suspenderer ledere, mens de elektrisk isolerer dem fra tårne, og sikrer pålidelig dielektrisk styrke. Udsat for mekanisk stress, elektrisk spænding, og korrosive atmosfæriske gasser, må isolatorer have tilstrækkelig mekanisk styrke, isoleringsydeevne, og modstandskraft over for nedbrydning.
(5) Hardware (Monteringsdele)
Overførselsledningshardware spiller en afgørende rolle i at understøtte, fastholde, forbinde, og beskytte ledere og jordledere, og sikre robuste og pålidelige forbindelser. Hardware er inddelt i fem hovedtyper baseret på funktion: linjeskruer, forbindelsesdele, forbindelsessamlinger, beskyttelsesdele, og guy wire fittings.
(6) Fundament
Fundamentet ankret tårnet til jorden, forhindrer hældning, kollapse, eller nedslidning.
Vi vil undersøge hver af disse komponenter i detaljer i efterfølgende diskussioner.
(7) Tårne (Pyloner)
Der findes mange typer overførselsledninger og tårne, med spændingsniveauer, der når op til 1000 kV. Tårnmaterialer inkluderer træ, beton, stålgrids, og stålrørkonstruktioner, og deres former og design varierer meget. Formålet med en overførselsledning er at overføre elektrisk strøm fra den ene ende til den anden med minimal tab. Derfor er linjer designet for at minimere impedans og maksimere ledersektionsareal inden for samme spændingsklasse. Tårne tjener til at understøtte linjerne og forhindre kontakt med andre ledende objekter, der kunne forårsage jordfejl. Derfor er de bygget høje og strukturelt stabile. Billedet nedenfor viser almindelige typer af tårne.
Baseret på deres faktiske funktioner i ingeniørapplikationer, er tårne yderligere inddelede i flere typer: retlinjet (suspensions) tårne, vinkeltårne (brugt til at ændre retning), terminal tårne (til forbindelse til og fra understationer), transpositions tårne (brugt til fase rotation), og store spans tårne (designet til at krydse store floder, søer, eller sund). Ved bunden af hvert tårn er fundamentet. Ledere er suspenderet fra krydsarme ved hjælp af isolatorstrenger.
Hvis du ser nærmere på et stålgridtårn, vil du bemærke to små "horn," der strækker sig opad—et på hver side—bærer tynde ledere. Disse er ikke til strømoverførsel; de er overhede jordledere (skjoldledere), også kendt som jordledere, brugt til lynbeskyttelse.
Overførsels tårne kommer i forskellige former. For enkeltsirkuit linjer, er almindelige konfigurationer "vin-glas" type med horisontalt arrangerede ledere, og "kat-hoved" type med trekantet lederarrangement. I områder med begrænset rettighed eller i økonomisk udviklede regioner, hvor land er skrævt, bruges ofte kompakte tårne, der bærer to eller endda fire sirkuit på samme struktur. For ultra højspænding (UHV) DC-overførselslinjer, findes der også T-type tårne, der understøtter to sirkuit hængende nedenfor—på den ene side positiv pol, og på den anden side negativ pol.
En overførselslednings korridor refererer til den stribeformede zone, der strækker sig lateralt fra de yderste ledere af en højspændingsoverførselsledning. Dens bredde bestemmes af spændingsniveauet og reguleres i henhold til Reglerne for Beskyttelse af Elanlæg. For eksempel er den beskyttede zone for en 500 kV linje 20 meter bred. Mens begrænset landbrug er tilladt i denne zone, er det strengt forbudt at stape brandfarlige materialer eller opføre bygninger.
Du kan også have bemærket mange piggenede enheder og små "vindmøller" installeret på overførsels tårne. Hvilken formål har disse? De er alle fugleafskærmninger! Fuglepigene forhindrer fugle i at bygge rede, mens de små roterende "vindmøller" skræmmer fugle væk—begge er ofte monteret på tårne.
Strukturen af overførsels tårne giver et ideelt sted for fugle til at bygge rede. Imidlertid er fuglepåsset ledbare. Når det ekskreteres på isolatorstrenger, kan det skabe en ledbare vej mellem lederen og jorden, potentielt forårsage spark, jordfejl, eller endda fase-fase kortslutning. Derfor er strømledninger højst sårbare for, hvad man kan kalde, "redebyggende fugle." Desuden kan høje træer nær overførselsledninger (eller korridorer) også true sikker drift—f.eks. ved at forårsage jordafstandsovertrædelse eller kortslutning—and derfor skal de regelmæssigt klippes.