Luchtlijnen & Torens: Soorten Ontwerp & Veiligheid

Naast ultra-hoge spanning AC-transformatorstations, komen we vaker tegenover elektriciteitsverdelings- en -transmissielijnen te staan. Hoge torens dragen geleiders die over bergen en zeeën springen, zich uitstrekkend tot in de verte voordat ze steden en dorpen bereiken. Dit is ook een interessant onderwerp—laten we vandaag transmissielijnen en hun ondersteunende torens verkennen.

Elektriciteitsverdeling en -transmissie

Laten we eerst begrijpen hoe elektriciteit wordt geleverd. De elektriciteitsindustrie bestaat voornamelijk uit vier fasen: opwekking, transmissie, (transformatorstation) distributie en consumptie.

• Opwekking omvat verschillende soorten generatoren—traditionele zoals kolengestookte en waterkrachtcentrales, evenals moderne bronnen zoals wind- en zonne-energie. Al deze vallen onder de categorie opwekking.

• Transmissie verloopt via transmissielijnen en torens.

• Transformatorstation (of Transformatie) maakt voornamelijk gebruik van transformatoren. Spanningsverhogende transformatoren in energiecentrales verhogen de spanning voor efficiënte langeafstandstransmissie, terwijl spanningsverlagende transformatoren aan de distributiekant de spanning verlagen tot niveaus die geschikt zijn voor regionale distributienetwerken en eindgebruikers.

• Distributie aan de consumentenkant omvat verschillende spanningsverlagende transformatoren, evenals middel- en laagspanningsapparatuur, schakelinstallaties en bedrading.

• Consumptie verwijst naar elektrische apparaten in huishoudens, evenals energieverbruik in gemeentelijke infrastructuur, gebouwen, industriële faciliteiten en andere toepassingen.

Wat betreft de structuur, worden transmissielijnen verdeeld in twee hoofdtypes: luchtlijnen en kabellijnen. Hieronder is een schematische weergave van een elektriciteits-transmissiesysteem:

Welke spanningniveaus zijn geschikt voor langeafstands-elektriciteitsverdeling? Om transmissieverliezen te verminderen en de efficiëntie te verbeteren, wordt doorgaans wisselspanning van 500 kV en hoger gebruikt voor elektriciteitsverdeling. Spanningen in het bereik van 500 kV tot 750 kV worden geclassificeerd als Extra Hoog Spanning (EHS) wisselspanning, terwijl 1000 kV wisselspanningssystemen bekend staan als Ultra Hoog Spanning (UHS) wisselspanning. In tegenstelling daarmee worden lijnen die werken van middelspanning tot 110 kV–330 kV doorgaans gecategoriseerd als distributielijnen. Let op dat deze classificaties kunnen variëren met toenemende energievraag, systeemcapaciteit en regionale energiedistributiepatronen.

Spanningsniveaus verwijzen naar lijn-lijnspanning—dat wil zeggen, de spanning tussen elk van de drie fases (A, B en C). De 220 volt die in huishoudens wordt gebruikt, is de fase-spanning, wat de spanning is tussen elke fase en de aarde. In de praktijk komt de woonomgevingelektriciteit van een 380-volt lijnspanningssysteem. Pas bij de ingang van het gebouw worden de drie fasen (A, B en C) gescheiden—elke fase kan een ander eenheid van een wooncomplex voeden. Wat je vaak ziet in steden of woonwijken is een vierkante, doosvormige constructie—dit is een plaatgestationeerd (of doosvormig) transformatorstation (zie de afbeelding hieronder).

Het doosvormige transformatorstation integreert middelspanningsapparatuur, transformatoren en laagspanningsdistributieapparatuur. Het transformeert het stedelijke middelspanningsdistributienetwerk (typisch 10 kV of 20 kV) in 380 V-stroom die geschikt is voor residentiële of gemeentelijke toepassing. Je ziet misschien geen bedrading, want hedendaagse stedelijke distributienetten in China maken meestal gebruik van ondergrondse kabels. Echter, in sommige oudere woonwijken of landelijke gebieden kun je nog steeds bovenleidingen zien die transformatoren verbinden en dan naar gebouwen of individuele consumenten lopen.

In open gebieden bestaan de bovenleidingen die we vaak zien uit torens en geleiders. Er zijn verschillende soorten torens, en transmissielijnen worden ingedeeld als gelijkstroom (GS) of wisselstroom (WS).

China’s elektriciteitsopwekking en -consumptie vertonen een aanzienlijke geografische onbalans. Rijke energiebronnen zoals steenkool, wind, zonne-energie en waterkracht zijn geconcentreerd in de uitgestrekte westelijke regio's, terwijl de belangrijkste belastingcentra duizenden kilometers verderop in de centrale en oostelijke regio's liggen. Deze geografische mispassing maakt langeafstandselectriciteitsverdeling tot een noodzakelijke oplossing.

In recente jaren, met de snelle ontwikkeling van grote wind- en zonne-energiebasis, is de vraag naar langeafstandselectriciteitsverdeling blijven groeien. Als de ruggengraat van elektriciteitsverdeling, heeft de bouw van ultra-hoogspanningsnetwerken versneld, waardoor sterke impulsen worden gegeven aan China’s energietransitie en duurzame ontwikkeling. Al deze langeafstandstransmissiesystemen vertrouwen op transmissietorens en bovenleidingen om het netwerk te verbinden.

Bovenleidingen

Een bovenleiding bestaat uit geleiders die met isolatoren en bevestigingsmaterialen aan torens worden opgehangen, waardoor veilige afstanden tussen de geleiders en de grond of gebouwen worden gewaarborgd. De primaire functie van een transmissielijn is het leveren van elektrische energie, het verbinden van energiecentrales en transformatorstations, parallelle operatie mogelijk maken en het energie-systeem integreren in een geünificeerd netwerk.

Bovenleidingen bieden voordelen zoals lagere investeringskosten, snellere bouw, eenvoudige en gemakkelijke installatie, eenvoudige identificatie van storingen en potentiële gevaren, en eenvoudige onderhoud en reparatie. Voor langeafstandstransmissie worden bovenleidingen voornamelijk gebruikt vanwege hun hoge vermogenscapaciteit. Hoe langer de transmissiedistances, hoe hoger het vereiste spanningniveau.

Echter, omdat bovenleidingen wijdverspreid zijn en continu in buitenomgevingen opereren, worden ze vaak beïnvloed door omringende omstandigheden en natuurlijke factoren. Dit leidt tot diverse operationele storingen, waaronder blikseminslagen, windschade, ijsvorming, vervuilingflits, externe interferentie, geleiderzwiepen en vogelgerelateerde incidenten.

Bovendien werken ingenieurs bij het werken met hoogspannings-installaties vaak met hoogspanning (HS), extra-hoogspanning (EHS) en ultra-hoogspanning (UHS)-systemen, waarvan de meeste via bovenleidingen zijn verbonden. Daarom zijn technische eisen voor hoogspanningsapparatuur nauw verbonden met lijnomstandigheden—zoals werkingsomgeving en dienstvoorwaarden. Het begrijpen van de kenmerken en storinggedrag van bovenleidingen is daarom essentieel voor het begrijpen van de technische specificaties van hoogspanningsapparatuur.

Onderdelen van Bovenleidingen

De belangrijkste componenten van een bovenleiding omvatten funderingen, torens, geleiders, isolatoren, bevestigingsmaterialen (fittings), bliksembeschermingsapparatuur (zoals bovenleidingen en overvoltagebeveiliging), en aardingssystemen. Moderne lijnen kunnen ook hulpcomponenten bevatten zoals optische grondgeleiders (OPGW) en krachtlijn-carriercommunicatiesystemen.

(1) Geleiders

Geleiders transporteren stroom en leveren elektrische energie. Een enkele geleider per fase is typisch voor standaardlijnen. Echter, voor EHS en hoge-capaciteittransmissielijnen worden bundelgeleiders—met behulp van twee, drie, vier of meer subgeleiders (vaak in een cirkelvormige configuratie)—vaak toegepast. Dit vermindert corona-ontlading, minimaliseert vermogensverlies en vermindert interferentie met radio, televisie en andere communicatiesignalen.

(2) Schild (Aarde) Leidingen en Aardingssystemen

Schildleidingen hangen bovenaan transmissietorens en zijn via neerleidingen verbonden met het aardingssysteem op elke toren. Tijdens een blikseminslag onderschept de schildleiding—geplaatst boven de fasegeleiders—de bliksem, waardoor de stroom veilig via het aardingssysteem in de aarde wordt afgevoerd. Dit vermindert de kans op directe inslagen op de geleiders, beschermt de lijnisolatie tegen overspanningsbeschadiging en garandeert betrouwbare werking. Schildleidingen worden doorgaans langs de volledige lengte van lijnen van 110 kV en hoger geïnstalleerd en zijn meestal gemaakt van verzinkte staaldraden.

(3) Torens (Pylons)

Torens ondersteunen de geleiders en schildleidingen samen met bijbehorende bevestigingsmaterialen, waardoor veilige elektrische afstanden tussen geleiders, torens, de grond en eventuele overstekende structuren of gebouwen worden gewaarborgd.

(4) Isolatoren en Isolatorreeksen

Isolatoren zijn de belangrijkste isolatiecomponenten van een transmissielijn. Ze ondersteunen of suspenderen de geleiders terwijl ze elektrisch geïsoleerd zijn van de torens, waardoor betrouwbare dielectrische sterkte wordt gewaarborgd. Onderworpen aan mechanische spanning, elektrische spanning en corrosieve atmosferische gassen moeten isolatoren voldoende mechanische sterkte, isolatieprestaties en weerstand tegen degeneratie bezitten.

(5) Bevestigingsmaterialen (Fittings)

Bevestigingsmaterialen voor transmissielijnen spelen een cruciale rol in het ondersteunen, bevestigen, verbinden en beschermen van geleiders en aardleidingen, waardoor robuuste en betrouwbare verbindingen worden gewaarborgd. Bevestigingsmaterialen worden ingedeeld in vijf hoofdtypen op basis van functie: lijnclamps, verbindingsfittings, aansluitfittings, beschermingsfittings en ankerfittings.

(6) Funderingen

De fundering verankert de toren in de grond, waardoor hellen, instorten of verzakking worden voorkomen.

We zullen elk van deze componenten in detail in latere discussies onderzoeken.

(7) Torens (Pylons)

Er zijn tal van types transmissielijnen en torens, met spanningniveaus tot 1000 kV. Torenmaterialen omvatten hout, beton, staalrooster en staalbuisstructuren, en hun vormen en ontwerpen variëren sterk. Het doel van een transmissielijn is om elektrische energie met minimale verliezen van het ene eind naar het andere te leveren. Daarom worden binnen dezelfde spanningklasse lijnen ontworpen om impedantie te minimaliseren en de geleiderdoorsnede te maximaliseren. Torens dienen om de lijnen te ondersteunen en contact met andere geleidende objecten te voorkomen die grondfouten kunnen veroorzaken. Daarom worden ze gebouwd om hoog en structureel stabiel te zijn. De afbeelding hieronder toont veelvoorkomende torentypen.

Op basis van hun werkelijke functies in ingenieursapplicaties, worden torens verder ingedeeld in verschillende typen: rechte (hangende) torens, hoektorens (voor richtingsverandering), eindtorens (voor aansluiting op en van transformatorstations), transpositietorens (voor fase-rotatie) en grote-spannings-torens (ontworpen om grote rivieren, meren of zeestromen te oversteken). Aan de basis van elke toren ligt de fundering. De geleiders hangen via isolatorreeksen aan dwarsarmen.

Als je goed kijkt naar een staalroostertoren, zie je twee kleine "hoorns" die naar boven uitsteken—een aan elke kant—die dunne draden dragen. Deze zijn niet voor elektriciteitsverdeling; het zijn bovenaardleidingen (schildleidingen), ook bekend als aardleidingen, die worden gebruikt voor bliksembescherming.

Transmissietorens komen in verschillende vormen voor. Voor enkelspoorlijnen zijn algemene configuraties de "wijn-glas" type met horizontaal gerangschikte geleiders en het "katkop" type met driehoekige geleiderconfiguraties. In gebieden met beperkte rechten van weg of in economisch ontwikkelde gebieden waar grond schaars is, worden vaak compacte torens gebruikt die twee of zelfs vier circuits op dezelfde structuur dragen. Voor ultra-hoogspanning (UHS) GS-transmissielijnen zijn er ook T-type torens, die twee circuits ondersteunen die hangen onder—aan de ene kant de positieve pool, en aan de andere kant de negatieve pool.

Een transmissiecorridor verwijst naar het strookvormige gebied dat lateraal uitstrekt van de buitenste geleiders van een hoogspanningsbovenleiding. De breedte ervan wordt bepaald door het spanningniveau en gereguleerd onder de Regeling ter Bescherming van Elektriciteitsfaciliteiten. Bijvoorbeeld, de beschermde zone voor een 500 kV-lijn is 20 meter breed. Terwijl beperkte landbouwactiviteiten binnen deze zone toegestaan zijn, is het opstapelen van brandbare materialen of het bouwen van gebouwen strikt verboden.

Je hebt misschien ook tal van puntvormige apparaten en kleine "windmolens" op transmissietorens opgemerkt. Waar zijn deze voor? Het zijn allemaal vogelafschrikkers! De anti-vogelspitsen voorkomen dat vogels nesten bouwen, terwijl de kleine draaiende "windmolen"-apparaten vogels afschrikken—beide worden vaak op torens gemonteerd.

De structuur van transmissietorens biedt een ideale locatie voor vogels om nesten te bouwen. Echter, vogelpoep is geleidend. Wanneer dit op isolatorreeksen wordt uitgescheiden, kan dit een geleidende pad vormen tussen de geleider en de grond, wat potentiële flitsoverslaan, grondfouten of zelfs fase-tot-fase kortsluitingen kan veroorzaken. Daarom zijn elektriciteitslijnen uitermate kwetsbaar voor wat je zou kunnen noemen “woedende vogels.” Bovendien kunnen hoge bomen in de buurt van transmissielijnen (of corridors) ook de veilige werking bedreigen—bijvoorbeeld door grondafstanden te overtreden of kortsluitingen te veroorzaken—en moeten daarom regelmatig worden gesnoeid.