Linee Elettriche Aeree & Torri: Tipi Progettazione & Sicurezza
Oltre alle sottostazioni ad alta tensione, ciò che incontriamo più frequentemente sono le linee di trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica. Torri alte sorreggono i conduttori che attraversano montagne e mari, estendendosi fino a raggiungere città e villaggi. Questo è anche un argomento interessante—oggi esploreremo le linee di trasmissione e le torri di sostegno.
Trasmissione e Distribuzione dell'Energia Elettrica
Prima di tutto, comprendiamo come l'energia elettrica viene consegnata. L'industria dell'energia elettrica si compone principalmente di quattro fasi: generazione, trasmissione, (sottostazione) distribuzione e consumo.
La generazione include vari tipi di generatori di energia—tradizionali come centrali termiche a carbone e idroelettriche, nonché moderne come energia eolica e solare. Tutti questi rientrano nella categoria della generazione.
La trasmissione si basa su linee di trasmissione e torri.
La sottostazione (o trasformazione) utilizza principalmente trasformatori. I trasformatori elevatori nelle centrali elettriche aumentano la tensione per una trasmissione efficiente a lunga distanza, mentre i trasformatori abbassatori sul lato di distribuzione riducono la tensione a livelli adatti per le reti di distribuzione regionali e gli utenti finali.
La distribuzione sul lato consumatore coinvolge vari trasformatori abbassatori, nonché attrezzature a media e bassa tensione, apparati di manovra e cavi.
Il consumo si riferisce agli apparecchi elettrici domestici, nonché all'uso di energia in infrastrutture comunali, edifici, impianti industriali e altre applicazioni.
In termini di struttura, le linee di trasmissione sono divise in due tipi principali: linee aerea e linee sotterranee. Di seguito è riportato uno schema di un sistema di trasmissione dell'energia elettrica:
Quali livelli di tensione sono adatti per la trasmissione a lunga distanza dell'energia elettrica? Per ridurre le perdite di trasmissione e migliorare l'efficienza, solitamente si utilizzano tensioni AC di 500 kV e superiori per la trasmissione dell'energia. Le tensioni comprese tra 500 kV e 750 kV sono classificate come Trasmissione Ad Alta Tensione (EHV) AC, mentre i sistemi AC da 1000 kV sono noti come Trasmissione Ad Ultra Alta Tensione (UHV) AC. In contrasto, le linee che operano da tensioni medie fino a 110 kV–330 kV sono generalmente categorizzate come linee di distribuzione. Si noti che queste classificazioni possono variare in base alla crescente domanda di potenza, alla capacità del sistema e ai modelli di distribuzione energetica regionale.
I livelli di tensione si riferiscono alla tensione tra fasi—cioè, la tensione tra due delle tre fasi (A, B e C). I 220 volt utilizzati nelle abitazioni sono la tensione di fase, ovvero la tensione tra una singola fase e il terreno. Nella realtà, l'approvvigionamento di energia residenziale proviene da un sistema a tensione di linea di 380 volt. Solo all'ingresso dell'edificio le tre fasi (A, B e C) vengono separate—ogni fase può alimentare una diversa unità di un edificio residenziale. Quello che si vede comunemente nelle città o nelle comunità residenziali è una struttura quadrata, simile a una scatola—questa è una sottostazione a padiglione (o a scatola) (come mostrato nella figura sottostante).
La sottostazione a scatola integra attrezzature a media tensione, trasformatori e dispositivi di distribuzione a bassa tensione. Essa trasforma la rete di distribuzione urbana a media tensione (tipicamente 10 kV o 20 kV) in energia elettrica a 380 V adatta per uso residenziale o comunale. Potreste non vedere i cavi, poiché le reti di distribuzione urbane in Cina oggi usano principalmente cavi sotterranei. Tuttavia, in alcune aree residenziali più vecchie o rurali, è ancora possibile osservare linee aeree che collegano i trasformatori e poi corrono verso edifici o consumatori individuali.
Nelle aree aperte, le linee aeree di trasmissione che comunemente vediamo sono costituite da torri e conduttori. Esistono vari tipi di torri, e le linee di trasmissione sono classificate come corrente continua (DC) o corrente alternata (AC).
La generazione e il consumo di energia elettrica in Cina presentano un significativo squilibrio geografico. Risorse energetiche abbondanti come carbone, vento, sole e energia idrica sono concentrate nelle vaste regioni occidentali, mentre i principali centri di carico si trovano a migliaia di chilometri di distanza nelle regioni centrali e orientali. Questo squilibrio geografico rende la trasmissione a lunga distanza dell'energia un'essenziale soluzione.
Negli ultimi anni, con lo sviluppo rapido delle basi di energia eolica e solare su larga scala, la domanda di trasmissione a lunga distanza ha continuato a crescere. Come spina dorsale della fornitura di energia, la costruzione di reti UHV (Ultra High Voltage) ha accelerato, fornendo una forte spinta per la transizione energetica e lo sviluppo sostenibile della Cina. Tutti questi sistemi di trasmissione a lunga distanza si basano su torri di trasmissione e linee aeree per interconnettere la rete.
Linee Aeree di Trasmissione
Una linea aerea di trasmissione è composta da conduttori sospesi su torri tramite isolatori e accessori, assicurando una sicura distanza tra i conduttori e il terreno o gli edifici. La funzione principale di una linea di trasmissione è quella di trasmettere l'energia elettrica, connettere le centrali elettriche e le sottostazioni, consentire l'operazione parallela e integrare il sistema elettrico in una rete unificata.
Le linee aeree offrono vantaggi come costi di investimento inferiori, costruzione più rapida, installazione semplice e conveniente, facile identificazione di guasti e pericoli, e manutenzione e riparazione facili. Per la trasmissione a lunga distanza, le linee aeree sono ampiamente utilizzate a causa della loro elevata capacità di potenza. Più lunga è la distanza di trasmissione, maggiore deve essere il livello di tensione richiesto.
Tuttavia, poiché le linee aeree sono ampiamente distribuite e operano continuamente in ambienti esterni, sono frequentemente influenzate dalle condizioni circostanti e dai fattori naturali. Ciò porta a vari guasti operativi, inclusi colpi di fulmine, danni da vento, accumulo di ghiaccio, flashover dovuti a inquinamento, interferenze esterne, galoppamento dei conduttori e incidenti legati agli uccelli.
Inoltre, quando si lavora con apparati di manovra ad alta tensione, gli ingegneri trattano comunemente con sistemi ad alta tensione (AT), extra-alta tensione (EAT) e ultra-alta tensione (UAT), la maggior parte dei quali sono interconnessi tramite linee aeree. Di conseguenza, i requisiti tecnici per l'attrezzatura ad alta tensione sono strettamente legati alle condizioni delle linee—come l'ambiente operativo e le condizioni di servizio. Comprendere le caratteristiche e i comportamenti dei guasti delle linee aeree è quindi essenziale per comprendere le specifiche tecniche dell'attrezzatura ad alta tensione.
Componenti delle Linee Aeree di Trasmissione
I componenti principali di una linea aerea di trasmissione includono fondamenta, torri, conduttori, isolatori, accessori (fittings), dispositivi di protezione contro i fulmini (come fili di terra e parafulmini) e sistemi di messa a terra. Le linee moderne possono anche includere componenti ausiliari come fili ottici di terra (OPGW) e sistemi di comunicazione a portatore di linea.
(1) Conduttori
I conduttori trasmettono la corrente e forniscono l'energia elettrica. Per le linee standard, un conduttore per fase è tipico. Tuttavia, per le linee EAT e ad alta capacità, sono comunemente adottati conduttori fasciati—utilizzando due, tre, quattro o più sub-conduttori (spesso disposti in configurazione circolare)—per ridurre il fenomeno del bagliore, minimizzare le perdite di potenza e ridurre l'interferenza con radio, televisione e altri segnali di comunicazione.
(2) Fili di Terra e Sistemi di Messa a Terra
I fili di terra sono sospesi in cima alle torri di trasmissione e collegati al sistema di messa a terra in ogni torre tramite conduttori di scarico. Durante un colpo di fulmine, il filo di terra—posizionato sopra i conduttori di fase—intercetta il fulmine, deviando la corrente in modo sicuro attraverso il sistema di messa a terra nel terreno. Questo riduce la probabilità di colpi diretti ai conduttori, protegge l'isolamento della linea da danni dovuti a sovratensioni e garantisce un'operazione affidabile. I fili di terra sono tipicamente installati lungo l'intera lunghezza delle linee a partire da 110 kV e sono comunemente realizzati con cavi d'acciaio zinco-laminati.
(3) Torri (Piloni)
Le torri sostengono i conduttori e i fili di terra insieme agli accessori associati, mantenendo sicure distanze elettriche tra i conduttori, le torri, il terreno e qualsiasi struttura o edificio di passaggio.
(4) Isolatori e Serie di Isolatori
Gli isolatori sono i componenti chiave di isolamento di una linea di trasmissione. Essi sostengono o sospendono i conduttori, isolandoli elettricamente dalle torri e assicurando una resistenza dielettrica affidabile. Sottoposti a stress meccanici, tensioni elettriche e gas atmosferici corrosivi, gli isolatori devono possedere sufficiente resistenza meccanica, prestazioni di isolamento e resistenza alla degradazione.
(5) Accessori (Fittings)
Gli accessori delle linee di trasmissione svolgono un ruolo cruciale nel supporto, fissaggio, connessione e protezione dei conduttori e dei fili di terra, assicurando connessioni robuste e affidabili. Gli accessori sono classificati in cinque tipi principali in base alla funzione: morsetti, connettori, giunti, protettori e accessori per tiranti.
(6) Fondamenta
La fondazione ancore la torre al terreno, prevenendo inclinazioni, crolli o affondamenti.
Esamineremo dettagliatamente ciascuno di questi componenti in discussioni successive.
(7) Torri (Piloni)
Esistono numerosi tipi di linee e torri di trasmissione, con livelli di tensione che raggiungono fino a 1000 kV. I materiali per le torri includono legno, cemento, strutture a graticcio d'acciaio e strutture a tubo d'acciaio, e le loro forme e progetti variano ampiamente. Lo scopo di una linea di trasmissione è quello di trasmettere l'energia elettrica da un'estremità all'altra con perdite minime. Pertanto, all'interno della stessa classe di tensione, le linee sono progettate per minimizzare l'impedenza e massimizzare la sezione trasversale dei conduttori. Le torri servono a sostenere le linee e a prevenire il contatto con altri oggetti conduttori che potrebbero causare guasti a terra. Pertanto, sono costruite alte e strutturalmente stabili. L'immagine sottostante mostra i tipi comuni di torri.
In base alle loro funzioni effettive nelle applicazioni ingegneristiche, le torri sono ulteriormente classificate in diversi tipi: torri in linea (di sospensione), torri angolari (per cambiare direzione), torri terminali (per connettersi alle e dalle sottostazioni), torri di inversione (per la rotazione delle fasi) e torri a grande spanna (progettate per attraversare grandi fiumi, laghi o stretti). Alla base di ogni torre si trova la fondazione. I conduttori sono sospesi da bracci trasversali tramite serie di isolatori.
Se si osserva attentamente una torre a graticcio d'acciaio, si noteranno due piccole "corna" che si estendono verso l'alto—una su ciascun lato—che sorreggono fili sottili. Questi non sono destinati alla trasmissione di energia; sono fili di terra (fili di schermo), noti anche come fili di terra, utilizzati per la protezione dai fulmini.
Le torri di trasmissione hanno varie forme. Per le linee monofase, configurazioni comuni includono il tipo "calice da vino" con conduttori disposti orizzontalmente e il tipo "testa di gatto" con disposizione triangolare dei conduttori. In aree con diritti di passaggio limitati o in regioni economicamente sviluppate dove la terra è scarsa, sono spesso utilizzate torri compatte che portano due o persino quattro circuiti sulla stessa struttura. Per le linee di trasmissione DC UHV, esistono anche torri a T, che supportano due circuiti sospesi—da un lato il polo positivo e dall'altro il polo negativo.
Un corridoio di linea di trasmissione si riferisce all'area a striscia che si estende lateralmente dagli estremi conduttori di una linea aerea ad alta tensione. La sua larghezza è determinata dal livello di tensione e regolamentata dalle Regolamentazioni sulla Protezione delle Installazioni Elettriche. Ad esempio, la zona protetta per una linea a 500 kV è larga 20 metri. Sebbene siano permessi limitati utilizzi agricoli all'interno di questa zona, è severamente vietato accumulare materiali infiammabili o costruire edifici.
Potreste aver notato anche numerosi dispositivi a forma di punta e piccoli "mulini a vento" installati sulle torri di trasmissione. A cosa servono? Sono tutti dispositivi di dissuasione degli uccelli! Le punte anti-uccelli impediscono agli uccelli di costruire nidi, mentre i piccoli dispositivi a "mulino a vento" che girano spaventano gli uccelli—entrambi sono comunemente montati sulle torri.
La struttura delle torri di trasmissione offre un luogo ideale per gli uccelli per costruire nidi. Tuttavia, le deiezioni degli uccelli sono conduttive. Quando vengono espulse sugli isolatori, possono creare un percorso conduttivo tra il conduttore e il terreno, potenzialmente causando flashover, guasti a terra o addirittura cortocircuiti tra fasi. Pertanto, le linee elettriche sono molto vulnerabili a ciò che potrebbe essere definito "uccelli arrabbiati". Inoltre, gli alberi alti vicini alle linee di trasmissione (o corridoi) possono anche minacciare l'operazione sicura—ad esempio, causando violazioni della distanza da terra o cortocircuiti—andando quindi soggetti a regolari tagli.
