Talian Kuasa Udara & Menara: Jenis, Reka Bentuk & Keselamatan

Selain stesen pengubah tenaga arus ulang-alik ultra-tinggi, apa yang lebih sering kita jumpai adalah laluan penghantaran dan pengedaran elektrik. Menara tinggi membawa konduktor yang melompat merentasi gunung dan laut, merentasi jauh sebelum mencapai bandar-bandar dan kampung-kampung. Ini juga merupakan topik yang menarik—hari ini, mari kita meneroka laluan penghantaran dan menara sokongannya.

Penghantaran dan Pengedaran Tenaga Elektrik

Pertama, mari kita fahami bagaimana elektrik dihantar. Industri tenaga elektrik terutamanya terdiri daripada empat peringkat: penjanaan, penghantaran, (stesen pengubah) pengedaran, dan penggunaan.

• Penjanaan termasuk pelbagai jenis penjana tenaga—tradisional seperti pembangkit tenaga berasaskan arang batu dan hidroelektrik, serta sumber moden seperti tenaga angin dan suria. Semua ini termasuk dalam kategori penjanaan.

• Penghantaran bergantung pada laluan penghantaran dan menara.

• Stesen pengubah (atau transformasi) utamanya menggunakan transformer. Transformer peningkat voltan di pembangkit tenaga meningkatkan voltan untuk penghantaran jarak jauh yang efisien, manakala transformer penurun voltan di sisi pengedaran mengurangkan voltan kepada tahap yang sesuai untuk rangkaian pengedaran wilayah dan pengguna akhir.

• Pengedaran di sisi pengguna melibatkan pelbagai transformer penurun voltan, serta peralatan medium dan rendah voltan, switchgear, dan kabelan.

• Penggunaan merujuk kepada peranti elektrik di rumah, serta penggunaan tenaga dalam infrastruktur bandar, bangunan, kemudahan industri, dan aplikasi lain.

Dari segi struktur, laluan penghantaran dibahagikan kepada dua jenis utama: laluan penghantaran udara dan laluan kabel. Di bawah ini adalah gambaran skematik sistem penghantaran tenaga:

Apakah tahap voltan yang sesuai untuk penghantaran tenaga jarak jauh? Untuk mengurangkan kehilangan penghantaran dan meningkatkan kecekapan, voltan AC 500 kV dan ke atas biasanya digunakan untuk penghantaran tenaga. Voltan dalam lingkungan 500 kV hingga 750 kV diklasifikasikan sebagai Penghantaran Arus Ultag Tegangan Ekstra Tinggi (EHV), manakala sistem AC 1000 kV dikenali sebagai Penghantaran Arus Ultag Tegangan Ultra Tinggi (UHV). Sebaliknya, laluan yang beroperasi dari voltan sederhana hingga 110 kV–330 kV umumnya dikategorikan sebagai laluan pengedaran. Perlu diingat bahawa klasifikasi ini mungkin berbeza dengan meningkatnya permintaan tenaga, kapasiti sistem, dan corak pengedaran tenaga di kawasan tertentu.

Tahap voltan merujuk kepada voltan antara baris—iaitu, voltan antara mana-mana dua fasa (A, B, dan C). 220 volt yang digunakan di rumah adalah voltan fasa, iaitu voltan antara mana-mana satu fasa dan tanah. Dalam realiti, bekalan tenaga perumahan berasal dari sistem voltan baris 380 volt. Hanya di pintu masuk bangunan, tiga fasa (A, B, dan C) dipisahkan—setiap fasa mungkin memberi bekalan kepada unit yang berbeza dalam bangunan perumahan. Apa yang anda sering lihat di bandar atau komuniti perumahan adalah struktur kotak—ini adalah stesen pengubah bermunculan (atau stesen kotak) (seperti ditunjukkan dalam gambar di bawah).

Stesen pengubah kotak mengintegrasikan peralatan voltan sederhana, transformer, dan peralatan pengedaran rendah voltan. Ia mentransformasikan rangkaian pengedaran bandar (biasanya 10 kV atau 20 kV) menjadi tenaga 380 V yang sesuai untuk penggunaan perumahan atau bandar. Anda mungkin tidak melihat kabelan, kerana rangkaian pengedaran bandar di China hari ini kebanyakannya menggunakan kabel bawah tanah. Namun, di beberapa kawasan perumahan lama atau kawasan luar bandar, anda masih boleh melihat laluan udara yang menghubungkan transformer dan kemudian menuju ke bangunan atau pengguna individu.

Di kawasan terbuka, laluan penghantaran udara yang biasa kita lihat terdiri daripada menara dan konduktor. Terdapat pelbagai jenis menara, dan laluan penghantaran dikategorikan sebagai arus terus (DC) atau arus ulang-alik (AC).

Penjanaan dan penggunaan tenaga di China menunjukkan ketidakseimbangan geografi yang signifikan. Sumber tenaga yang melimpah seperti arang batu, angin, suria, dan tenaga air berkonsentrasi di kawasan barat yang luas, manakala pusat beban utama berada ribuan kilometer jauhnya di kawasan tengah dan timur. Ketidakseimbangan geografi ini menjadikan penghantaran tenaga jarak jauh sebagai penyelesaian penting.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dengan perkembangan pesat pangkalan tenaga angin dan suria berskala besar, permintaan untuk penghantaran tenaga jarak jauh terus bertambah. Sebagai tulang belakang penghantaran tenaga, pembinaan grid UHV telah mempercepat, menyediakan momentum yang kuat untuk transisi tenaga dan pembangunan lestari China. Semua sistem penghantaran jarak jauh ini bergantung pada menara penghantaran dan laluan udara untuk menghubungkan grid.

Laluan Penghantaran Udara

Laluan penghantaran udara terdiri daripada konduktor yang digantung dari menara menggunakan insulator dan peralatan keras, memastikan jarak aman antara konduktor dan tanah atau bangunan. Fungsi utama laluan penghantaran adalah untuk menghantar tenaga elektrik, menghubungkan pembangkit tenaga dan stesen pengubah, membolehkan operasi selari, dan mengintegrasikan sistem tenaga ke dalam rangkaian yang disatukan.

Laluan udara menawarkan kelebihan seperti kos pelaburan yang lebih rendah, pembinaan yang lebih cepat, pemasangan yang mudah dan ringkas, pengenalan kesalahan dan bahaya potensial yang mudah, serta pemeliharaan dan pembaikan yang mudah. Untuk penghantaran jarak jauh, laluan udara secara dominan digunakan kerana kapasiti tenaga yang tinggi. Semakin jauh jarak penghantaran, semakin tinggi tahap voltan yang diperlukan.

Namun, kerana laluan udara tersebar luas dan beroperasi secara berterusan di luar ruangan, ia sering terpengaruh oleh keadaan sekitar dan faktor alam. Ini menyebabkan pelbagai kesalahan operasi, termasuk sambaran petir, kerosakan angin, penumpukan ais, kilat polusi, gangguan luar, gallop konduktor, dan insiden burung.

Selain itu, apabila bekerja dengan peralatan saklar tegangan tinggi, jurutera biasanya berurusan dengan sistem tegangan tinggi (HV), tegangan ekstra tinggi (EHV), dan tegangan ultra tinggi (UHV), kebanyakan dihubungkan melalui laluan udara. Oleh itu, keperluan teknikal untuk peralatan tegangan tinggi sangat berkaitan dengan keadaan laluan—seperti persekitaran operasi dan keadaan servis. Memahami ciri-ciri dan tingkah laku kesalahan laluan udara adalah penting untuk memahami spesifikasi teknikal peralatan tegangan tinggi.

Komponen Laluan Penghantaran Udara

Komponen utama laluan penghantaran udara termasuk asas, menara, konduktor, insulator, peralatan keras (fittings), peranti pelindung petir (seperti kabel tanah udara dan pemadam lonjakan), dan sistem grounding. Laluan moden juga mungkin termasuk komponen tambahan seperti kabel tanah optik (OPGW) dan sistem komunikasi penghantar tenaga.

(1) Konduktor

Konduktor menghantar arus dan menghantar tenaga elektrik. Satu konduktor per fasa adalah biasa untuk laluan standard. Namun, untuk EHV dan laluan penghantaran kapasiti tinggi, konduktor bundel—menggunakan dua, tiga, empat, atau lebih sub-konduktor (sering disusun dalam konfigurasi bulat)—sering digunakan. Ini mengurangkan pelepasan korona, mengurangkan kehilangan tenaga, dan mengurangkan gangguan dengan radio, televisyen, dan isyarat komunikasi lain.

(2) Kabel Pelindung (Tanah) dan Sistem Grounding

Kabel pelindung digantung di puncak menara penghantaran dan dihubungkan ke sistem grounding di setiap menara melalui konduktor turun. Semasa sambaran petir, kabel pelindung—yang ditempatkan di atas konduktor fasa—menangkap petir, mengalihkan arus dengan selamat melalui sistem grounding ke bumi. Ini mengurangkan kebarangkalian sambaran langsung ke konduktor, melindungi isolasi laluan daripada kerosakan overvoltage, dan memastikan operasi yang dapat dipercayai. Kabel pelindung biasanya dipasang sepanjang laluan yang berperingkat 110 kV dan ke atas, dan biasanya dibuat daripada tali baja galvanis.

(3) Menara (Pylon)

Menara menyokong konduktor dan kabel pelindung bersama peralatan keras yang berkaitan, memastikan jarak elektrik yang selamat antara konduktor, menara, tanah, dan mana-mana struktur atau bangunan yang saling bersilang.

(4) Insulator dan Rantaian Insulator

Insulator adalah komponen isolasi utama laluan penghantaran. Mereka menyokong atau menggantung konduktor sambil mengasingkan mereka secara elektrik dari menara, memastikan kekuatan dielektrik yang boleh dipercayai. Insulator terdedah kepada tekanan mekanikal, voltan elektrik, dan gas atmosfera yang korosif, sehingga harus mempunyai kekuatan mekanikal, prestasi isolasi, dan ketahanan terhadap degradasi yang mencukupi.

(5) Peralatan Keras (Fittings)

Peralatan keras laluan penghantaran memainkan peranan penting dalam menyokong, mengamankan, menghubungkan, dan melindungi konduktor dan kabel tanah, memastikan sambungan yang kukuh dan boleh dipercayai. Peralatan keras diklasifikasikan kepada lima jenis utama berdasarkan fungsi: klip garis, fitting penghubung, fitting penyambung, fitting pelindung, dan fitting guy wire.

(6) Asas

Asas mengankor menara ke tanah, mencegah miring, runtuh, atau penurunan.

Kita akan meneroka setiap komponen ini secara mendalam dalam perbincangan berikutnya.

(7) Menara (Pylon)

Terdapat banyak jenis laluan penghantaran dan menara, dengan tahap voltan mencapai 1000 kV. Bahan menara termasuk kayu, konkrit, rangka baja, dan struktur tiub baja, dan bentuk dan reka bentuknya berbeza-beda. Tujuan laluan penghantaran adalah untuk menghantar tenaga elektrik dari satu hujung ke hujung yang lain dengan kehilangan minimal. Oleh itu, dalam kelas voltan yang sama, laluan direka untuk mengurangkan impedans dan memaksimumkan luas rentas konduktor. Menara berfungsi untuk menyokong laluan dan mencegah kontak dengan objek konduktif lain yang boleh menyebabkan kesalahan grounding. Oleh itu, mereka dibina untuk menjadi tinggi dan stabil struktur. Gambar di bawah menunjukkan jenis menara yang biasa.

Berdasarkan fungsi sebenar mereka dalam aplikasi kejuruteraan, menara diklasifikasikan lagi kepada beberapa jenis: menara lurus (suspensi), menara sudut (sudut) (digunakan untuk mengubah arah), menara terminal (untuk menghubungkan ke dan dari stesen pengubah), menara transposisi (digunakan untuk rotasi fasa), dan menara jarak lebar (direka untuk menyeberangi sungai, tasik, atau selat utama). Di dasar setiap menara adalah asas. Konduktor digantung dari lengan silang melalui rantaian insulator.

Jika anda melihat dengan teliti menara rangka baja, anda akan melihat dua "tanduk" kecil yang meluas ke atas—satu di setiap sisi—membawa dawai nipis. Ini bukan untuk penghantaran tenaga; ini adalah kabel tanah udara (kabel pelindung), juga dikenali sebagai kabel bumi, digunakan untuk perlindungan petir.

Menara penghantaran datang dalam pelbagai bentuk. Untuk laluan tunggal, konfigurasi biasa termasuk jenis "gelang kaca" dengan konduktor disusun secara mendatar dan jenis "kepala kucing" dengan susunan konduktor segitiga. Di kawasan dengan hak laluan yang terhad atau di kawasan yang maju ekonominya di mana tanah adalah langka, menara padat yang membawa dua atau bahkan empat laluan pada struktur yang sama sering digunakan. Untuk laluan penghantaran DC UHV, terdapat juga menara jenis T, yang menyokong dua laluan yang gantung di bawah—di satu sisi kutub positif, dan di sisi lain kutub negatif.

Koridor laluan penghantaran merujuk kepada kawasan berbentuk jalur yang merentasi lateral dari konduktor luaran laluan penghantaran udara tegangan tinggi. Lebarnya ditentukan oleh tahap voltan dan diatur di bawah Peraturan Perlindungan Fasilitas Tenaga Elektrik. Sebagai contoh, zon dilindungi untuk laluan 500 kV adalah 20 meter lebar. Walaupun aktiviti pertanian terhad diperbolehkan dalam zon ini, menyimpan bahan mudah bakar atau membina bangunan adalah dilarang.

Anda mungkin juga telah memperhatikan banyak peranti berbentuk duri dan "kincir angin" kecil yang dipasang pada menara penghantaran. Apa tujuan mereka? Mereka semua adalah peranti penghalau burung! Duri anti-burung mencegah burung membuat sarang, manakala peranti "kincir angin" kecil yang berputar menakutkan burung—kedua-duanya biasa dipasang pada menara.

Struktur menara penghantaran menyediakan lokasi yang ideal bagi burung untuk membuat sarang. Namun, kotoran burung adalah konduktif. Apabila diekskresikan ke atas rantaian insulator, ia boleh mencipta laluan konduktif antara konduktor dan tanah, yang boleh menyebabkan kilat, kesalahan grounding, atau bahkan hubungan pendek fasa-ke-fasa. Oleh itu, laluan penghantaran sangat rentan terhadap apa yang mungkin disebut "burung marah." Selain itu, pokok-pokok tinggi berdekatan laluan penghantaran (atau koridor) juga boleh mengancam operasi yang selamat—misalnya, dengan menyebabkan pelanggaran jarak tanah atau hubungan pendek—dan oleh itu harus dipotong secara berkala.