Líneas eléctricas aéreas e torres: Tipos deseño e seguridade

Ademais das subestacións de corrente alterna de ultra-alto voltaxe, o que atopamos máis frecuentemente son as liñas de transmisión e distribución de enerxía eléctrica. Torres altas portan conductores que saltan por montañas e mares, estendéndose ata a lonxe antes de chegar ás cidades e aldeas. Este é tamén un tema interesante—hoxe, exploraremos as liñas de transmisión e as súas torres de apoio.

Transmisión e Distribución de Enerxía Eléctrica

Primeiro, entendamos como se entrega a electricidade. A industria da enerxía eléctrica consiste principalmente en catro etapas: xeración, transmisión, (subestación) distribución e consumo.

• A xeración inclúe diversos tipos de xeradores de enerxía—tradicionalmente, como centrais térmicas e hidroeléctricas, así como fuentes modernas como a enerxía eólica e solar. Todos estes entran na categoría de xeración.

• A transmisión depende das liñas de transmisión e as torres.

• A subestación (ou transformación) usa principalmente transformadores. Os transformadores de elevación de tensión nas centrais eléctricas aumentan a tensión para unha transmisión eficiente a longa distancia, mentres que os transformadores de diminución de tensión no lado de distribución reducen a tensión a niveis adecuados para as redes de distribución regionais e os usuarios finais.

• A distribución ao lado do consumidor implica diversos transformadores de diminución de tensión, así como equipos de media e baixa tensión, interruptores e cableado.

• O consumo refírese aos dispositivos eléctricos nos fogares, así como o uso de enerxía en infraestruturas municipais, edificios, instalacións industriais e outras aplicacións.

En termos de estrutura, as liñas de transmisión divídense en dous tipos principais: liñas aéreas de transmisión e liñas de cable. Abaixo está un esquema dun sistema de transmisión de enerxía eléctrica:

Que niveis de tensión son adecuados para a transmisión de enerxía eléctrica a longa distancia? Para reducir as perdas de transmisión e mellorar a eficiencia, normalmente úsanse tensións de corrente alterna de 500 kV ou superiores para a transmisión de enerxía. As tensións no rango de 500 kV a 750 kV clasifícanse como transmisión de extra-alto voltaxe (EHV) de corrente alterna, mentres que os sistemas de 1000 kV de corrente alterna coñécense como transmisión de ultra-alto voltaxe (UHV) de corrente alterna. En contraste, as liñas que operan desde a tensión media ata 110 kV–330 kV xeralmente categorízanse como liñas de distribución. Nota que estas clasificacións poden variar con a crecente demanda de enerxía, a capacidade do sistema e os patróns de distribución de enerxía regional.

Os niveis de tensión refírense á tensión entre fases—é dicir, a tensión entre calquera dúas das tres fases (A, B e C). Os 220 volts usados nos fogares son a tensión de fase, que é a tensión entre calquera unha fase e terra. Na realidade, o suministro eléctrico residencial orixinase dun sistema de tensión de liña de 380 volts. Só na entrada do edificio se separam as tres fases (A, B e C)—cada fase pode alimentar unha unidade diferente dun edificio residencial. O que comúnmente ves nas cidades ou comunidades residenciais é unha estructura cadrada, tipo caixa—esta é unha subestación de tipo caixa (ou subestación de caixa) (como se mostra na figura abaixo).

A subestación de tipo caixa integra equipos de media tensión, transformadores e dispositivos de distribución de baixa tensión. Transforma a rede de distribución urbana de media tensión (típicamente 10 kV ou 20 kV) en enerxía de 380 V adecuada para uso residencial ou municipal. Pode que non veas o cableado, xa que as redes de distribución urbanas en China hoxe en día usan case sempre cables subterraneos. No entanto, en algúns veciños antigos ou rexións rurais, aínda podes observar liñas aéreas que conectan os transformadores e despois van a edificios ou consumidores individuais.

En áreas abertas, as liñas aéreas de transmisión que comúnmente vemos constan de torres e conductores. Hai varios tipos de torres, e as liñas de transmisión clasifícanse como de corrente continua (DC) ou corrente alternativa (AC).

A xeración e o consumo de enerxía eléctrica en China exhiben un desequilibrio xeográfico significativo. Recursos enerxéticos abundantes como o carón, a enerxía eólica, solar e hidroeléctrica concéntpanse nas vastas rexións occidentais, mentres que os principais centros de carga están a millais de quilómetros de distancia nas rexións centrais e orientais. Esta desaxuste xeográfico fai que a transmisión de enerxía a longa distancia sexa unha solución esencial.

Nos últimos anos, co rápido desenvolvemento das bases de enerxía eólica e solar a gran escala, a demanda de transmisión de enerxía a longa distancia continuou a aumentar. Como o esqueleto da entrega de enerxía, a construción de redes de ultra-alto voltaxe (UHV) acelerouse, proporcionando un forte impulso para a transición enerxética e o desenvolvemento sustentable de China. Todos estes sistemas de transmisión a longa distancia dependen de torres de transmisión e liñas aéreas para interconectar a rede.

Liñas Aéreas de Transmisión

Unha liña aérea de transmisión consta de conductores suspendidos de torres usando aisladores e ferramentas, asegurando unha separación segura entre os conductores e o solo ou os edificios. A función principal dunha liña de transmisión é entregar enerxía eléctrica, conectar centrais eléctricas e subestacións, permitir a operación en paralelo e integrar o sistema de enerxía nunha rede unificada.

As liñas aéreas ofrecen vantaxes como custos de investimento máis baixos, construción máis rápida, instalación simple e conveniente, identificación fácil de fallos e perigos potenciais, e manutención e reparación directas. Para a transmisión a longa distancia, as liñas aéreas son predominantemente usadas debido á súa alta capacidade de potencia. Cuanto maior sexa a distancia de transmisión, maior será o nivel de tensión necesario.

No entanto, xa que as liñas aéreas están amplamente distribuídas e operan de forma continua en entornos exteriores, son frecuentemente afectadas por condicións circundantes e factores naturais. Isto leva a diversos fallos operativos, incluíndo impactos de raio, danos por vento, acumulación de xeo, flashover pola contaminación, interferencia externa, galopamento dos conductores e incidentes relacionados con aves.

Ademais, cando traballan con equipamentos de alta tensión, os enxeñeiros comúmente lidan con sistemas de alta tensión (HV), extra-alta tensión (EHV) e ultra-alta tensión (UHV), a maior parte dos cales están interconectados mediante liñas aéreas. Consecuentemente, os requisitos técnicos para o equipamento de alta tensión están estreitamente ligados ás condicións da liña—como o entorno operativo e as condicións de servizo. Comprender as características e comportamentos de fallos das liñas aéreas é, polo tanto, esencial para entender as especificacións técnicas do equipamento de alta tensión.

Compoñentes das Liñas Aéreas de Transmisión

Os compoñentes principais dunha liña aérea de transmisión inclúen fundacións, torres, conductores, aisladores, ferramentas (accesorios), dispositivos de protección contra raios (como arames de terra e protectores contra sobretensión) e sistemas de terra. As liñas modernas poden incluír tamén compoñentes auxiliares como o arame óptico de terra (OPGW) e sistemas de comunicación por portadora de liña eléctrica.

(1) Conductores

Os conductores transmiten corrente e entregan enerxía eléctrica. Un conductor por fase é típico para liñas estándar. No entanto, para liñas de EHV e transmisión de alta capacidade, adoitan adoptarse conductores agrupados—usando dous, tres, catro ou máis subconductores (xa frecuentemente dispostos en configuración circular)—. Isto reduce a descarga de corona, minimiza as perdas de potencia e diminúe a interferencia con radio, televisión e outras señales de comunicación.

(2) Arames de Terra e Sistemas de Terra

Os arames de terra están suspendidos na parte superior das torres de transmisión e conectados ao sistema de terra de cada torre mediante conductores descendentes. Durante un impacto de raio, o arame de terra—colocado sobre os conductores de fase—intercepta o raio, desviando a corrente de forma segura a través do sistema de terra ao solo. Isto reduce a probabilidade de impactos directos nos conductores, protexe o aislamento da liña de danos por sobretensión e asegura a operación fiable. Os arames de terra adoitan instalarse ao longo de toda a liña de 110 kV ou superior e son comúnmente feitos de cabos de acero galvanizado.

(3) Torres (Pilóns)

As torres sostentan os conductores e os arames de terra xunto con os accesorios asociados, mantendo unha separación eléctrica segura entre os conductores, as torres, o solo e calquera estrutura ou edificio que cruce.

(4) Aisladores e Cadenas de Aisladores

Os aisladores son os compoñentes clave de aislamento dunha liña de transmisión. Sostentan ou suspenden os conductores mentres os aislan eléctricamente das torres, asegurando unha resistencia dieléctrica fiable. Sometidos a estrés mecánico, tensión eléctrica e gases atmosféricos corrosivos, os aisladores deben posuír suficiente resistencia mecánica, rendemento de aislamento e resistencia a degradación.

(5) Ferramentas (Acessorios)

As ferramentas de liñas de transmisión desempeñan un papel crucial na sustentación, fixación, conexión e protección dos conductores e arames de terra, asegurando conexións robustas e fiables. As ferramentas clasifícanse en cinco tipos principais segundo a súa función: abrazaderas de liña, accesorios de conexión, accesorios de empalme, accesorios protectores e accesorios de amarras.

(6) Fundacións

A fundación ancla a torre ao solo, evitando inclinación, colapso ou subsistencia.

Examinaremos cada un destes compoñentes con detalle en discusiones posteriores.

(7) Torres (Pilóns)

Hai numerosos tipos de liñas de transmisión e torres, con niveis de tensión que alcanzan os 1000 kV. Os materiais das torres inclúen madeira, hormigón, estructuras de celosía de acero e tubos de acero, e as súas formas e deseños varían amplamente. O propósito dunha liña de transmisión é entregar potencia eléctrica dende un extremo a outro con mínimas perdas. Polo tanto, dentro da mesma clase de tensión, as liñas están deseñadas para minimizar a impedancia e maximizar a sección transversal do conductor. As torres sirven para sostener as liñas e evitar o contacto con outros obxectos conductores que poden causar fallos de terra. Así, constrúense altas e estruturalmente estables. A imaxe de abaixo mostra tipos comúns de torres.

Segundo as súas funcións reais nas aplicacións de enxeñaría, as torres clasifícanse ademais en varios tipos: torres rectas (de suspensión), torres de ángulo (de esquina) (usadas para cambiar de dirección), torres terminais (para conectar a e desde subestacións), torres de transposición (usadas para rotación de fases) e torres de gran tramo (deseñadas para cruzar grandes ríos, lagos ou estreitos). Na base de cada torre está a fundación. Os conductores están suspendidos de brazos transversais mediante cadenas de aisladores.

Se miras de cerca unha torre de celosía de acero, notarás dous pequenos "cornos" que se estenden cara arriba—un en cada lado—portando fios delgados. Estes non son para transmisión de enerxía; son arames de terra (arames de proteción), tamén coñecidos como arames de terra, usados para protección contra raios.

As torres de transmisión teñen varias formas. Para liñas de un só circuito, as configuracións comúns inclúen o tipo "copa de vinho" con conductores dispostos horizontalmente e o tipo "cabeza de gato" con disposición triangular dos conductores. En áreas con dereito de paso limitado ou en rexións económicamente desenvolvidas onde a terra é escasa, adoitan usar torres compactas que portan dous ou incluso catro circuitos na mesma estrutura. Para liñas de transmisión de corrente continua de ultra-alto voltaxe (UHV), tamén hai torres de tipo T, que sostentan dous circuitos pendurados debaixo—no lado positivo o polo positivo, e no outro lado o polo negativo.

Un corredor de liña de transmisión refírese á área en forma de banda que se estende lateralmente dende os conductores máis externos dunha liña aérea de alta tensión. A súa anchura determinase polo nivel de tensión e regulase baixo as Normas de Protección de Instalacións Eléctricas. Por exemplo, a zona protegida para unha liña de 500 kV ten 20 metros de ancho. Mientras que se permiten actividades agrícolas limitadas nesta zona, está absolutamente prohibido apilar materiais inflamables ou construír edificios.

Tamén poderías ter notado moitos dispositivos en forma de espigas e pequenos "molinos de vento" instalados en as torres de transmisión. ¿Para qué son estes? Son todos disuasivos de aves! As espigas antipáxaros evitan que as aves construyan nidos, mentres que os pequenos dispositivos giratorios "molinos de vento" asustan as aves—ambos son comúnmente montados en as torres.

A estrutura das torres de transmisión proporciona un lugar ideal para que as aves construyan nidos. No entanto, as deyecciones de aves son conductoras. Cando se excretan sobre as cadeias de aisladores, poden crear unha ruta conductora entre o conductor e o solo, potencialmente causando flashover, fallos de terra ou incluso cortocircuitos entre fases. Polo tanto, as liñas de enerxía eléctrica son altamente vulnerables a lo que se pode chamar "aves enfurecidas". Ademais, as árbores altas preto das liñas de transmisión (ou corredores) tamén poden ameazar a operación segura, por exemplo, provocando violacións de clearance ao solo ou cortocircuitos, e deben ser podadas regularmente.