Αεροφωλιές & Πύργοι: Τύποι, Σχεδίαση & Ασφάλεια

Εκτός από τις υπερυψηλής τάσης ΜΗΚ, πιο συχνά αντιμετωπίζουμε γραμμές μεταφοράς και διανομής ρεύματος. Υψηλά πύργια φέρουν ηλεκτροδοτικούς ηγαστήρες που διασχίζουν βουνά και θάλασσες, εκτεινόμενοι στο μακρινό, πριν φτάσουν σε πόλεις και χωριά. Αυτό είναι επίσης ένα ενδιαφέρον θέμα—σήμερα, ας εξερευνήσουμε τις γραμμές μεταφοράς και τα υποστηρίζοντα τους πύργια.

Μεταφορά και Διανομή Ρεύματος

Πρώτα, ας κατανοήσουμε πώς μεταφέρεται το ρεύμα. Η βιομηχανία της ηλεκτρικής ενέργειας αποτελείται κυρίως από τέσσερις στάδια: παραγωγή, μεταφορά, (ΜΗΚ) διανομή και κατανάλωση.

• Η παραγωγή περιλαμβάνει διάφορους τύπους γεννητών—παραδοσιακούς, όπως οι θερμοηλεκτρικοί και υδροηλεκτρικοί σταθμοί, καθώς και σύγχρονες πηγές, όπως οι ανεμογεννήτριες και οι φωτοβολταϊκοί πίνακες. Όλα αυτά περιλαμβάνονται στην κατηγορία της παραγωγής.

• Η μεταφορά εξαρτάται από τις γραμμές μεταφοράς και τα πύργια.

• Το ΜΗΚ (ή Μετατροπή) χρησιμοποιεί κυρίως τρανσφορματόρες. Οι τρανσφορματόρες αύξησης στους σταθμούς παραγωγής αυξάνουν την τάση για αποτελεσματική μακρινή μεταφορά, ενώ οι τρανσφορματόρες μείωσης στην πλευρά διανομής μειώνουν την τάση σε επίπεδα που είναι κατάλληλα για τα περιφερειακά δίκτυα διανομής και τους τελικούς χρήστες.

• Η διανομή στην πλευρά του καταναλωτή περιλαμβάνει διάφορους τρανσφορματόρες μείωσης, καθώς και εξοπλισμό μεσαίας και χαμηλής τάσης, στροβίλια και κατανομή.

• Η κατανάλωση αναφέρεται σε ηλεκτρικά συστήματα στα σπίτια, καθώς και στην χρήση ρεύματος σε μητροπολιτική υποδομή, κτίρια, βιομηχανικές εγκαταστάσεις και άλλες εφαρμογές.

Σε ό,τι αφορά τη δομή, οι γραμμές μεταφοράς χωρίζονται σε δύο κύριους τύπους: αεροφωριτές γραμμές μεταφοράς και καλωδιακές γραμμές. Παρακάτω είναι ένα σχηματικό διάγραμμα ενός συστήματος μεταφοράς ρεύματος:

Ποια είναι τα επίπεδα τάσης που είναι κατάλληλα για τη μακρινή μεταφορά ρεύματος; Για να μειωθούν οι απώλειες μεταφοράς και να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητα, γενικά χρησιμοποιούνται ΤΝΑ 500 kV και πάνω για τη μεταφορά ρεύματος. Τάσεις στο εύρος 500 kV έως 750 kV ταξινομούνται ως Υψηλής Τάσης (ΥΤ) μεταφορά, ενώ τα συστήματα 1000 kV ΤΝΑ ονομάζονται Υπερυψηλής Τάσης (ΥΥΤ) μεταφορά. Σε αντίθεση, οι γραμμές που λειτουργούν από μεσαία τάση μέχρι 110 kV–330 kV γενικά ταξινομούνται ως γραμμές διανομής. Σημειώνεται ότι αυτές οι ταξινομήσεις μπορεί να διαφέρουν με την αυξανόμενη ζήτηση ρεύματος, την ικανότητα του συστήματος και τους περιφερειακούς προσανατολισμούς ενέργειας.

Τα επίπεδα τάσης αναφέρονται στην τάση μεταξύ φασών—δηλαδή, η τάση μεταξύ οποιωνδήποτε δύο από τις τρεις φάσεις (A, B, και C). Τα 220 βολτ που χρησιμοποιούνται στα σπίτια είναι η φασική τάση, δηλαδή η τάση μεταξύ οποιασδήποτε μιας φάσης και της γης. Στην πραγματικότητα, η εφοδιασμός ρεύματος στα κατοικία προέρχεται από ένα σύστημα 380 βολτ. Μόνο στην είσοδο του κτιρίου χωρίζονται οι τρεις φάσεις (A, B, και C)—κάθε φάση μπορεί να εφοδιάζει ένα διαφορετικό μοναδικό κτίριο. Το περίγραμμα, κουτί-σχημα δομή που συνηθίζετε να βλέπετε στις πόλεις ή κοινότητες είναι ένας εγκαταστάσεις ΜΗΚ (ή κουτί-σχημα) (όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα).

Η κουτί-σχημα εγκατάσταση ολοκληρώνει εξοπλισμό μεσαίας τάσης, τρανσφορματόρες και συστήματα κατανομής χαμηλής τάσης. Μετατρέπει το δίκτυο μεσαίας τάσης (συνήθως 10 kV ή 20 kV) σε 380 V ρεύμα, κατάλληλο για κατοικιακή ή μητροπολιτική χρήση. Μπορεί να μην δείτε τα καλώδια, καθώς τα δίκτυα διανομής στις Κινέζικες πόλεις σήμερα χρησιμοποιούν κυρίως υπόγεια καλώδια. Ωστόσο, σε κάποιες παλαιότερες κοινότητες ή αγροτικές περιοχές, μπορείτε ακόμη να δείτε αεροφωριτές γραμμές που συνδέουν τους τρανσφορματόρες και στη συνέχεια οδηγούν σε κτίρια ή άτομα καταναλωτές.

Σε ανοιχτές περιοχές, οι αεροφωριτές γραμμές μεταφοράς που συνηθίζουμε να βλέπουμε αποτελούνται από πύργια και ηγαστήρες. Υπάρχουν διάφοροι τύποι πύργων, και οι γραμμές μεταφοράς ταξινομούνται ως εναλλασσόμενη ή συνεχής ροή (ΤΝΑ ή ΤΝΣ).

Η παραγωγή και η κατανάλωση ρεύματος στην Κίνα εμφανίζουν σημαντική γεωγραφική ανισορροπία. Πλούσιες ενεργειακές πηγές, όπως ο άνθρακας, ο αέρας, ο ήλιος και η υδροηλεκτρική ενέργεια, είναι συγκεντρωμένες στις ευρύτατες δυτικές περιοχές, ενώ τα κύρια κέντρα φορτίου βρίσκονται χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά στις κεντρικές και ανατολικές περιοχές. Αυτή η γεωγραφική αναλογία καθιστά απαραίτητη τη μακρινή μεταφορά ρεύματος.

Τα τελευταία χρόνια, με την ταχεία ανάπτυξη μεγάλων βάσεων ανεμογεννήτριων και φωτοβολταϊκών, η ζήτηση για μακρινή μεταφορά ρεύματος έχει συνεχή αύξηση. Ως στήριξη της μεταφοράς ρεύματος, η κατασκευή δικτύων ΥΥΤ έχει επιταχυνθεί, παρέχοντας ισχυρή ώθηση για τη μετάβαση της ενέργειας και την αειφόρο ανάπτυξη της Κίνας. Όλα αυτά τα συστήματα μακρινής μεταφοράς εξαρτώνται από τα πύργια και τις αεροφωριτές γραμμές για την ενσωμάτωση του δικτύου.

Αεροφωριτές Γραμμές Μεταφοράς

Μια αεροφωριτής γραμμή μεταφοράς αποτελείται από ηγαστήρες που είναι εναρμονισμένοι σε πύργια με τη χρήση απομονωτών και εξοπλισμού, διασφαλίζοντας ασφαλή απόσταση μεταξύ των ηγαστήρων και του εδάφους ή των κτιρίων. Η κύρια λειτουργία μιας γραμμής μεταφοράς είναι η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας, η σύνδεση σταθμών παραγωγής και ΜΗΚ, η επιτροποποίηση παράλληλης λειτουργίας και η ενσωμάτωση του συστήματος σε ένα ενιαίο δίκτυο.

Οι αεροφωριτές γραμμές παρέχουν πλεονεκτήματα όπως χαμηλότερο κόστος επένδυσης, ταχύτερη κατασκευή, απλή και εύκολη εγκατάσταση, εύκολη αναγνώριση παραλλαγών και πιθανών απειλών, καθώς και απλή συντήρηση και επισκευή. Για τη μακρινή μεταφορά, οι αεροφωριτές γραμμές χρησιμοποιούνται κυρίως λόγω της υψηλής δυνατότητας παροχής ρεύματος. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταφοράς, τόσο υψηλότερο είναι το απαιτούμενο επίπεδο τάσης.

Ωστόσο, επειδή οι αεροφωριτές γραμμές είναι ευρέως διανεμημένες και λειτουργούν συνεχώς σε εξωτερικό περιβάλλον, επηρεάζονται συχνά από περιβαλλοντικές και φυσικές παραμέτρους. Αυτό οδηγεί σε διάφορα λειτουργικά προβλήματα, όπως χτυπήματα αστραπής, ζημιές από ανέμου, πάγο, ρύπανση, εξωτερικές παρεμβολές, τρόπος κίνησης των ηγαστήρων και περιστατικά που σχετίζονται με πουλιά.

Επιπλέον, όταν εργάζονται με σύρματα υψηλής τάσης, οι μηχανικοί αντιμετωπίζουν συνήθως συστήματα υψηλής (HV), εξαιρετικά υψηλής (EHV) και υπερανώμαλας (UHV) τάσης, τα περισσότερα από τα οποία είναι συνδεδεμένα μέσω αεροφωνικών γραμμών. Συνεπώς, οι τεχνικές απαιτήσεις για εξοπλισμό υψηλής τάσης είναι στενά συνδεδεμένες με τις συνθήκες των γραμμών, όπως η λειτουργική περιβάλλοντα και οι συνθήκες λειτουργίας. Η κατανόηση των χαρακτηριστικών και των συμπεριφορών παραλλαγών των αεροφωνικών γραμμών είναι επομένως ζωτική για την κατανόηση των τεχνικών προδιαγραφών του εξοπλισμού υψηλής τάσης.

Συστατικά Μέρη των Αεροφωνικών Γραμμών Μεταφοράς

Τα κύρια συστατικά μέρη μιας αεροφωνικής γραμμής μεταφοράς περιλαμβάνουν θεμελίωση, πύργους, διαγωνίες, επιμήκες, εξοπλισμό (προσαρμογές), συσκευές προστασίας από τον κεραυνό (όπως αεροφωνικές γεωμαγνητικές γραμμές και συσκευές προστασίας από συρροές) και συστήματα γεωμαγνητισμού. Οι σύγχρονες γραμμές μπορεί να περιλαμβάνουν επίσης βοηθητικά συστατικά, όπως αεροφωνικές γεωμαγνητικές γραμμές (OPGW) και συστήματα επικοινωνίας με φορέα γραμμής.

(1) Διαγωνίες

Οι διαγωνίες μεταφέρουν ρεύματα και παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια. Τυπικά, για τυπικές γραμμές, χρησιμοποιείται μία διαγωνία ανά φάση. Ωστόσο, για EHV και γραμμές μεταφοράς υψηλής ικανότητας, συνηθίζεται η χρήση συνδεδεμένων διαγωνιών - με δύο, τρεις, τέσσερις ή περισσότερες υπο-διαγωνίες (συχνά διατεταγμένες σε κυκλική διάταξη). Αυτό μειώνει την έκθεση σε κορωνιοειδή απορροφητικότητα, μειώνει την απώλεια ενέργειας και μειώνει την παρεμβολή σε ραδιοφωνικά, τηλεοπτικά και άλλα σημάτα επικοινωνίας.

(2) Προστατευτικές (Γεωμαγνητικές) Γραμμές και Συστήματα Γεωμαγνητισμού

Οι προστατευτικές γραμμές είναι αναρτημένες στο κορυφαίο μέρος των πύργων μεταφοράς και συνδέονται με το σύστημα γεωμαγνητισμού σε κάθε πύργο μέσω κατεβατικών διαγωνιών. Κατά τη διάρκεια ενός κεραυνού, η προστατευτική γραμμή, που είναι τοποθετημένη πάνω από τις φασικές διαγωνίες, αναλαμβάνει τον κεραυνό, διαθέτοντας το ρεύμα μέσω του συστήματος γεωμαγνητισμού στη γη. Αυτό μειώνει την πιθανότητα άμεσων χτυπήσεων στις διαγωνίες, προστατεύει την απομόνωση της γραμμής από ζημιές λόγω υπερτάσεων και εξασφαλίζει την αξιόπιστη λειτουργία. Οι προστατευτικές γραμμές είναι συνήθως εγκατεστημένες κατά την ολότητα της μήκους των γραμμών που έχουν τάση 110 kV και άνω και είναι συνήθως κατασκευασμένες από επενδυμένες σε χαλκόνικο στάχτης σε ομάδες.

(3) Πύργοι (Πύλες)

Οι πύργοι υποστηρίζουν τις διαγωνίες και τις προστατευτικές γραμμές με τον συναφή εξοπλισμό, διατηρώντας ασφαλείς ηλεκτρικές αποστάσεις μεταξύ των διαγωνιών, των πύργων, της γης και οποιωνδήποτε διασταυρώνονται κατασκευών ή κτιρίων.

(4) Επιμήκες και Σειρές Επιμήκων

Τα επιμήκη είναι τα βασικά συστατικά απομόνωσης μιας γραμμής μεταφοράς. Υποστηρίζουν ή αναρτούν τις διαγωνίες ενώ ταυτόχρονα τις απομονώνουν ηλεκτρικά από τους πύργους, εξασφαλίζοντας αξιόπιστη διελεκτρική αντοχή. Υπό την επιρροή μηχανικών ορέξεων, ηλεκτρικής τάσης και διαβρωτικών ατμοσφαιρικών αερίων, τα επιμήκη πρέπει να διαθέτουν αρκετή μηχανική αντοχή, απομονωτική απόδοση και αντοχή στη διάβρωση.

(5) Εξοπλισμός (Προσαρμογές)

Ο εξοπλισμός της γραμμής μεταφοράς διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στην υποστήριξη, την ασφάλεια, τη σύνδεση και την προστασία των διαγωνιών και των γεωμαγνητικών γραμμών, εξασφαλίζοντας σταθερές και αξιόπιστες συνδέσεις. Ο εξοπλισμός κατατάσσεται σε πέντε κύριες κατηγορίες με βάση τη λειτουργία: κλάμπες γραμμής, προσαρμογές σύνδεσης, προσαρμογές σύνδεσης, προστατευτικές προσαρμογές και προσαρμογές συντεταγμένων.

(6) Θεμελίωση

Η θεμελίωση εγκάθεται τον πύργο στο έδαφος, προλαμβάνοντας την κλίση, την κατάρρευση ή την κατάπτωση.

Θα εξετάσουμε κατ' επιμέρους καθένα από αυτά τα συστατικά σε επόμενες συζητήσεις.

(7) Πύργοι (Πύλες)

Υπάρχουν πολλοί τύποι γραμμών μεταφοράς και πύργων, με επίπεδα τάσης που φτάνουν έως 1000 kV. Τα υλικά πύργων περιλαμβάνουν ξύλο, βетόν, πλέγμα χάλυβα και δομές από σωλήνες χάλυβα, και οι μορφές και τα σχέδια τους διαφέρουν ευρέως. Ο στόχος μιας γραμμής μεταφοράς είναι να μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια από το ένα άκρο στο άλλο με ελάχιστες απώλειες. Συνεπώς, στην ίδια τάξη τάσης, οι γραμμές σχεδιάζονται για να ελαχιστοποιήσουν την αντίσταση και να μεγιστοποιήσουν την επιφάνεια των διαγωνιών. Οι πύργοι υποστηρίζουν τις γραμμές και προλαμβάνουν την επαφή με άλλα διεγκεφαλικά αντικείμενα που θα μπορούσαν να προκαλέσουν σφάλματα γεωμαγνητισμού. Συνεπώς, κατασκευάζονται ψηλοί και δομικά σταθεροί. Το παρακάτω εικονίδιο δείχνει κοινούς τύπους πύργων.

Βάσει των πραγματικών λειτουργιών τους σε εφαρμογές μηχανικής, οι πύργοι ταξινομούνται περαιτέρω σε αρκετούς τύπους: ευθείες (κρεμαστές) πύργοι, γωνιακοί (γωνιακοί) πύργοι (που χρησιμοποιούνται για αλλαγή κατεύθυνσης), τελικοί πύργοι (για σύνδεση με και από υποσταθμούς), πύργοι αλλαγής φάσης (που χρησιμοποιούνται για περιστροφή φάσης) και πύργοι μεγάλης απόστασης (σχεδιασμένοι για διάσχιση μεγάλων ποταμών, λίμνων ή στενών). Στη βάση κάθε πύργου είναι η θεμελίωση. Οι διαγωνίες είναι κρεμασμένες από τα διασταυρωτικά όπλα μέσω σειρών επιμήκων.

Αν παρατηρήσετε προσεκτικά έναν πύργο πλέγματος χάλυβα, θα παρατηρήσετε δύο μικρά "κέρατα" που εκτείνονται κάθετα - ένα σε κάθε πλευρά - φέροντας λεπτά σύρματα. Αυτά δεν είναι για τη μεταφορά ενέργειας, είναι αεροφωνικές γεωμαγνητικές γραμμές (προστατευτικές γραμμές), επίσης γνωστές ως γεωμαγνητικές γραμμές, που χρησιμοποιούνται για προστασία από τον κεραυνό.

Οι πύργοι μεταφοράς εμφανίζονται σε διάφορες μορφές. Για μονοδιαδρομικές γραμμές, κοινές διατάξεις περιλαμβάνουν τον τύπο "ποτήρι οίνου" με διαγωνίες διατεταγμένες οριζόντια και τον τύπο "κεφάλι γάτας" με τριγωνική διάταξη διαγωνιών. Σε περιοχές με περιορισμένη ζώνη διαδρομής ή σε οικονομικά ανεπτυγμένες περιοχές όπου η γη είναι σπάνια, συχνά χρησιμοποιούνται συμπαγείς πύργοι που φέρουν δύο ή ακόμη και τέσσερις διαδρομές στην ίδια δομή. Για γραμμές μεταφοράς UHV DC, υπάρχουν επίσης πύργοι T, οι οποίοι υποστηρίζουν δύο διαδρομές που κρεμάνε κάτω - με το θετικό πόλο στη μία πλευρά και τον αρνητικό πόλο στην άλλη πλευρά.

Μια ζώνη διαδρομής μεταφοράς αναφέρεται στη στρίψη μορφής περιοχή που εκτείνεται οριζόντια από τις εξωτερικές διαγωνίες μιας αεροφωνικής γραμμής υψηλής τάσης. Το πλάτος της καθορίζεται από το επίπεδο τάσης και ρυθμίζεται από το Κανονισμό για την Προστασία των Ηλεκτροπαραγωγικών Εγκαταστάσεων. Για παράδειγμα, η προστατευμένη ζώνη για μια γραμμή 500 kV είναι 20 μέτρα πλάτος. Εντός αυτής της ζώνης επιτρέπονται περιορισμένες γεωργικές δραστηριότητες, αλλά απαγορεύεται η στοίβαξη ανεπτυγμένων υλικών ή η κατασκευή κτιρίων.

Ίσως έχετε παρατηρήσει πολλά συστήματα αντιορνιθού διαμόρφωσης και μικρά «ανεμοί» εγκατεστημένα σε πύργους μεταφοράς. Τι είναι αυτά; Όλα αυτά είναι αντιορνιθικά μέτρα! Τα αντιορνιθικά σπαθιά εμποδίζουν τα πουλιά να κατασκευάζουν τα φωλιά τους, ενώ τα μικρά στροβιλοειδή «ανεμόμυλα» τα τρομάζουν—και τα δύο είναι συνηθισμένα εγκατεστημένα σε πύργους.

Η δομή των πύργων μεταφοράς παρέχει ιδανική θέση για τα πουλιά να κατασκευάζουν τα φωλιά τους. Ωστόσο, τα πουλιά διατρέχουν τον κίνδυνο να προκαλέσουν προβλήματα. Τα πουλικά εξαρτήματα είναι συγκεκριμένα. Όταν εκτοπίζονται στις σειρές απομονωτών, μπορούν να δημιουργήσουν ηλεκτρικό δρόμο μεταξύ του οδηγού και της γης, πιθανά προκαλώντας χαμηλή ένταση, συνδέσεις με τη γη ή ακόμη και συνδέσεις μεταξύ φάσεων. Συνεπώς, οι γραμμές μεταφοράς είναι εξαιρετικά ευάλωτες σε αυτό που μπορεί να ονομαστεί «χαλασμένα πουλιά». Επιπλέον, ψηλά δέντρα κοντά στις γραμμές μεταφοράς (ή διάδρομοι) μπορούν επίσης να απειλήσουν την ασφαλή λειτουργία, για παράδειγμα, προκαλώντας παραβιάσεις χώρου ή συνδέσεις, και πρέπει επομένως να κοβούνται κανονικά.