Naplatne linije i toranj: Vrste dizajn i sigurnost

Osim ultra-naponskih AC podstaničnih stanica, češće susrećemo električne mreže za prijenos i distribuciju energije. Visoke tornjevi nose provodnike koji prelaze preko planina i mora, proširujući se u daljinu prije nego što stignu do gradova i sela. To je također zanimljivo temelj—danas ćemo istražiti prijenosne linije i njihove nosače.

Prijenos i Distribucija Struje

Prvo, shvatimo kako se struja dostavlja. Elektroenergetski sektor uglavnom sastoji od četiri faze: proizvodnja, prijenos, (podstanica) distribucija i potrošnja.

• Proizvodnja uključuje razne vrste generatora struje—tradicionalne, poput termoelektrana i hidroelektrana, kao i moderne izvore, poput vjetra i sunca. Sve to spada u kategoriju proizvodnje.

• Prijenos ovisi o prijenosnim linijama i tornjevima.

• Podstanica (ili transformacija) uglavnom koristi transformatore. Step-up transformatori u elektranama povećavaju napon za učinkovit prijenos na daleke udaljenosti, dok step-down transformatori na strani distribucije smanjuju napon na razine prikladne za regionalne distribucijske mreže i krajnje korisnike.

• Distribucija na strani potrošača uključuje razne step-down transformatore, kao i opremu srednjeg i niskog napona, prekidničku opremu i žice.

• Potrošnja odnosi se na elektro uređaje u kućanstvima, kao i upotrebu struje u komunalnoj infrastrukturi, zgradama, industrijskim objektima i drugim primjenama.

U pogledu strukture, prijenosne linije dijele se na dvije glavne vrste: nadzemne prijenosne linije i kabelske linije. Eto sheme sistema prijenosa struje:

Koji su nivoe napona prikladni za prijenos struje na daleke udaljenosti? Da bi se smanjile gubitke pri prijenosu i poboljšala učinkovitost, obično se za prijenos struje koriste AC naponi od 500 kV i više. Naponi u rasponu od 500 kV do 750 kV klasificiraju se kao Extra High Voltage (EHV) AC prijenos, dok 1000 kV AC sustavi poznati su kao Ultra High Voltage (UHV) AC prijenos. U suprotnosti, linije koje operiraju od srednjeg napona do 110 kV–330 kV općenito se klasificiraju kao distribucijske linije. Naučite da ove klasifikacije mogu varirati s porastom potražnje za snaga, kapacitet sustava i regionalni uzorci distribucije energije.

Nivoe napona odnose se na napon između faz—na primjer, napon između bilo koje dvije od tri faze (A, B i C). 220 voltova koji se koriste u kućanstvima predstavlja fazni napon, tj. napon između bilo koje jedne faze i zemlje. U stvarnosti, opskrbni sustav strujom u kućanstvu dolazi iz sustava napona od 380 volti. Samo na ulazu u zgradu se tri faze (A, B i C) razdvajaju—svaka faza može ispitivati različite jedinice zgrade. Ono što najčešće vidite u gradovima ili naseljima je kvadratni, kutijaoblikovani objekt—ovo je pad-mounted (ili kutijaoblikovana) podstanica (kao što je prikazano na slici ispod).

Kutijaoblikovana podstanica integriše opremu srednjeg napona, transformatore i opremu za distribuciju niskog napona. Pretvara mrežu srednjeg napona (obično 10 kV ili 20 kV) u struju od 380 V prikladnu za prebivalište ili komunalnu upotrebu. Možda nećete vidjeti žice, jer su danas većina distribucijskih mreža u Kini podzemne. Međutim, u nekim starijim prebivalištima ili ruralnim regijama, još uvijek možete vidjeti nadzemne linije koje povezuju transformatore i zatim teče do zgrada ili pojedinačnih potrošača.

Na otvorenim prostorima, nadzemne prijenosne linije koje obično vidimo sastoje se od tornjeva i provodnika. Postoji mnogo vrsta tornjeva, a prijenosne linije klasificiraju se kao direct current (DC) ili alternating current (AC).

Generiranje i potrošnja struje u Kini pokazuju značajnu geografsku neravnotežu. Obilje energetskih resursa, poput ugljena, vjetra, sunca i hidroenergije, koncentrirano je u velikim zapadnim regijama, dok se glavni centri opterećenja nalaze tisuće kilometara daleko u centralnim i istočnim regijama. Ova geografska neusklađenost čini dalekovisinski prijenos struje nužnim rješenjem.

U posljednjih godina, s brzim razvojem velikih baznih vjetrovih i sunčevih elektrana, potražnja za dalekovisinskim prijenosom struje nastavila je rasti. Kao osnovni nosač prijenosa struje, izgradnja ultra visokonaponskih (UHV) mreža ubrzala se, pružajući snažan poticaj za tranziciju energije i održivi razvoj u Kini. Svi ti sistemi dalekovisinskog prijenosa ovisni su o tornjevima i nadzemnim linijama za povezivanje mreže.

Nadzemne Prijenosne Linije

Nadzemna prijenosna linija sastoji se od provodnika koji su suspendirani sa tornjeva pomoću izolatora i hardvera, osiguravajući sigurnu razmak između provodnika i zemlje ili zgrada. Glavna funkcija prijenosne linije jest dostava električne energije, povezivanje elektrana i podstaničnih stanica, omogućavanje paralelnog rada i integracija elektroenergetske mreže u jedinstvenu mrežu.

Nadzemne linije nude prednosti, poput nižih troškova investicija, brže izgradnje, jednostavnog i praktičnog montaža, lako identificiranje grešaka i potencijalnih opasnosti, te jednostavnog održavanja i popravka. Za dalekovisinski prijenos, nadzemne linije su uglavnom korištene zbog svoje velike snage prijenosa. Duži je prijenos, veći je potreban nivou napona.

Međutim, budući da su nadzemne linije široko raspoređene i neprekidno operiraju na vanjskom okruženju, često su utjecane okolnim uvjetima i prirodnim faktorima. To dovodi do različitih operativnih grešaka, uključujući udarne struje, vjetar, ledenje, onesnaženje, vanjski smetnje, galopiranje provodnika i ptice.

Također, kada se radi s opremom visokog napona, inženjeri se često suočavaju s sistemima visokog (HV), extra visokog (EHV) i ultra visokog (UHV) napona, većina kojih je povezana putem nadzemnih linija. Stoga su tehnički zahtjevi za opremom visokog napona tesno vezani uz uvjete linije—poput radnog okruženja i uvjeta službe. Razumijevanje karakteristika i ponašanja grešaka nadzemnih linija stoga je ključno za razumijevanje tehničkih specifikacija opreme visokog napona.

Komponente Nadzemnih Prijenosnih Linija

Glavne komponente nadzemne prijenosne linije uključuju temelje, tornjeve, provodnike, izolatore, hardver (fitinge), uređaje za zaštitu od udarne struje (poput nadzemnih zemljanih provodnika i ograničitelja prenapona) i sustave zemljanja. Moderne linije mogu također uključivati pomoćne komponente poput optičkog zemljanih provodnika (OPGW) i sustava komunikacije preko strujnih linija.

(1) Provodnici

Provodnici prenose struju i dostavljaju električnu energiju. Zabušteni provodnici—koristeći dva, tri, četiri ili više subprovodnika (često raspoređeni u kružnoj konfiguraciji)—obično se koriste za EHV i visokokapacitetne prijenosne linije. Ovo smanjuje koronarnu razlagu, smanjuje gubitke struje i smanjuje smetnje radio, televizijskim i drugim komunikacijskim signalima.

(2) Zemljani Provodnici i Sustavi Zemljanja

Zemljani provodnici suspendirani su na vrhu prijenosnih tornjeva i spojeni su s sustavom zemljanja na svakom tornju putem dolnih provodnika. Tijekom udarne struje, zemljani provodnik—pozicioniran iznad faza—preusmjerava struju kroz sustav zemljanja u zemlju. Ovo smanjuje vjerojatnost direktnih udaraca na provodnike, štiti izolaciju linije od preopterećenja i osigurava pouzdan rad. Zemljani provodnici obično su instalirani duž cijele dužine linija od 110 kV i više, i često su izrađeni od galvaniziranih čeličnih konoplja.

(3) Tornjevi (Piloni)

Tornjevi podržavaju provodnike i zemljane provodnike zajedno s pripadajućim hardverom, održavajući sigurne električne razmake između provodnika, tornjeva, zemlje i bilo kakvih prelaznih struktura ili zgrada.

(4) Izolatori i Lančane Izolatori

Izolatori su ključne izolacijske komponente prijenosne linije. Podržavaju ili suspendiraju provodnike dok ih električno izoliraju od tornjeva, osiguravajući pouzdanu dielektričnu čvrstoću. Izloženi mehaničkom opterećenju, električnom naponu i korozivnim atmosferskim plinovima, izolatori moraju imati dovoljnu mehaničku čvrstoću, izolacijske performanse i otpornost na degradaciju.

(5) Hardver (Fitingi)

Hardver prijenosne linije igra ključnu ulogu u podršci, zadržavanju, povezivanju i zaštiti provodnika i zemljanih provodnika, osiguravajući čvrstu i pouzdanu vezu. Hardver se klasificira u pet glavnih vrsta prema funkciji: fittingi za čvršćenje, fittingi za spajanje, fittingi za spajanje, fittingi za zaštitu i fittingi za gužve.

(6) Temelji

Temelj sidri tornjev na zemlji, sprečavajući nagibanje, rušenje ili propadanje.

Svaku od ovih komponenti detaljnije ćemo ispuniti u sljedećim raspravama.

(7) Tornjevi (Piloni)

Postoji mnogo vrsta prijenosnih linija i tornjeva, s nivoom napona koji dosegu do 1000 kV. Materijali za tornjeve uključuju drvo, beton, čelične rešetke i čelične cevne strukture, a njihove forme i dizajni variraju. Cilj prijenosne linije jest dostava električne energije s jednog kraja na drugi s minimalnim gubitcima. Stoga, unutar iste klase napona, linije su dizajnirane da minimiziraju impedanciju i maksimiziraju površinu presjeka provodnika. Tornjevi služe za podršku linijama i sprečavanje kontakta s drugim vodljivim objektima koji bi mogli uzrokovati zemljanske greške. Stoga su izgrađeni visoki i strukturno stabilni. Slika ispod prikazuje uobičajene vrste tornjeva.

Na osnovu svoje stvarne funkcije u inženjerskim primjenama, tornjevi se dalje klasificiraju u nekoliko vrsta: ravne (suspendne) tornjevi, kutni (uglji) tornjevi (koriste se za promjenu smjera), terminalni tornjevi (za povezivanje s podstaničnim stanicama), transpozicijski tornjevi (koriste se za rotaciju faza) i tornjevi za veliki span (dizajnirani za prelaz preko velikih rijeka, jezera ili kanala). Na dnu svakog tornja nalazi se temelj. Provodnici suspendirani su s poprečnih ramena putem lančanih izolatora.

Ako pažljivo pogledate čelični tornjev rešetke, primijetit ćete dva mala "rogovi" koji se nadizaju prema gore—jedan na svakoj strani—koji nose tanke žice. Ovi nisu namijenjeni za prijenos struje; oni su nadzemni zemljani provodnici (zemljani provodnici), također poznati kao zemljani provodnici, koriste se za zaštitu od udarne struje.

Tornjevi dolaze u različitim oblicima. Za jednosmjernu liniju, uobičajene konfiguracije uključuju "čašu za vino" s horizontalno raspoređenim provodnicima i "mačku glavu" s trokutastim rasporedom provodnika. U područjima s ograničenim pravom na korist od zemlje ili u ekonomski razvijenim područjima gdje je zemlja skupa, često se koriste kompaktni tornjevi koji nose dvije ili čak četiri linije na istoj strukturi. Za ultra visokonaponske (UHV) DC prijenosne linije postoje i T-oblikovni tornjevi, koji podržavaju dvije linije koje visijo ispod—na jednoj strani pozitivni pol, a na drugoj negativni pol.

Koridor prijenosne linije odnosi se na trakasti dio koji se širi bočno od najspoljnijih provodnika visokonaponske nadzemne strujne linije. Širina mu se određuje nivoom napona i regulirana je pod Propisima o zaštiti električnih instalacija. Na primjer, zaštićena zona za 500 kV liniju široka je 20 metara. Iako su ograničene poljoprivrede aktivnosti dopuštene u toj zoni, stavljanje gorskih materijala ili građenje zgrada strogo je zabranjeno.

Možda ste primijetili brojne klinaste uređaje i male "vjetrenice" instalirane na tornjevima. Zašto su ovdje? Svi su to odvraćači ptica! Anti-ptiči klinovi sprečavaju ptice da grade gnezda, dok male vrtule "vjetrenice" straše ptice—sve su ovo uobičajeno postavljene na tornjeve.

Struktura tornjeva pruža idealno mjesto za ptice da grade gnezda. Međutim, ptićje ekskrementi su vodljivi. Kada se ekskrementi ispite na lančane izolatore, mogu stvoriti vodljivi put između provodnika i zemlje, potencijalno uzrokujući flashover, zemljanske greške ili čak faza-faza kratkih spojeva. Stoga su strujne linije vrlo osjetljive na ono što se može nazvati "besnim pticama." Također, visoke drveće blizu prijenosnih linija (ili koridora) također može prijetiti sigurnom radu—na primjer, uzrokujući prekršaje zemljanskog razmaka ili kratkih spojeva—and moraju stoga redovito se primiti.