Overhead Power Lines & Towers: Typer Design & Sikkerhet

Utenom ultra-høyspente AC-transformasjoner, støter vi oftere på krafttransmisjon og distribusjonslinjer. Høye tårn bærer ledere som hopper over fjell og hav, strekker seg ut i det fjerne før de når byer og landsbyer. Dette er også et interessant emne—i dag skal vi utforske transmisjonslinjer og deres støttekonstruksjoner.

Krafttransmisjon og -distribusjon

La oss først forstå hvordan strøm leveres. Kraftelektrisitetsindustrien består hovedsakelig av fire stadier: produksjon, transmisjon, (transformator) distribusjon og forbruk.

• Produksjon inkluderer ulike typer kraftgeneratører—tradisjonelle som kullfyrte og vannkraftverk, samt moderne kilder som vind- og solenergi. Alle disse faller under kategorien produksjon.

• Transmisjon baserer seg på transmisjonslinjer og tårn.

• Transformator (eller transformasjon) bruker hovedsakelig transformatorer. Oppsteppingstransformatorer ved kraftverk øker spenningen for effektiv langdistansetransmisjon, mens nedsteppingstransformatorer på distribusjonssiden reduserer spenningen til nivåer som er egnet for regionale distribusjonsnettverk og sluttkunder.

• Distribusjon på forbrukersiden involverer ulike nedsteppingstransformatorer, samt medium- og lavspenningsutstyr, skruvebrytere og kabler.

• Forbruk refererer til elektriske enheter i hjem, samt strømforbruk i kommunale infrastrukturer, bygninger, industrielle anlegg og andre anvendelser.

Når det gjelder struktur, deles transmisjonslinjer inn i to hovedtyper: luftledningslinjer og kabellinjer. Nedenfor er et skjematisert diagram av et krafttransmisjonssystem:

Hvilke spenningsnivåer er egnet for langdistansetransmisjon? For å redusere transmisjons tap og forbedre effektiviteten, brukes vanligvis AC-spenninger på 500 kV og over for krafttransmisjon. Spenninger i området 500 kV til 750 kV klassifiseres som ekstra høy spente (EHV) AC-transmisjon, mens 1000 kV AC-systemer kalles for ultra-høy spente (UHV) AC-transmisjon. I motsetning til dette, opererer linjer fra medium spente opp til 110 kV–330 kV generelt som distribusjonslinjer. Merk at disse klassifikasjonene kan variere med økende energibehov, systemkapasitet og regionale energidistribusjonsmønstre.

Spenningsnivåer refererer til fasespenning—altså spenningen mellom to av de tre fasene (A, B og C). De 220 volt som brukes i husholdninger er fase til jord spenning, altså spenningen mellom en fase og jord. I virkeligheten kommer strømforsyningen til boliger fra et 380-volt fasespenningssystem. Bare ved inngangen til bygningen blir de tre fasene (A, B og C) separert—hver fase kan forsyne en annen enhet i et beboelsesbygg. Det du ofte ser i byer eller boligområder er en kvadratisk, boksaktig konstruksjon—dette er en pad-montert (eller bokstype) transformator (som vist på figuren nedenfor).

Bokstype transformator integrerer mediumspenningsutstyr, transformatorer og lavspenningsdistribusjonsenheter. Den transformerer byens mediumspenningsdistribusjonsnettverk (vanligvis 10 kV eller 20 kV) til 380 V strøm som er egnet for bolig- eller kommunal bruk. Du vil kanskje ikke se kablene, da de fleste urbane distribusjonsnettverk i Kina i dag bruker underjordiske kabler. Men i noen eldre boligområder eller landlige områder kan du fremdeles observere luftledninger som kobler transformatorer og deretter kjører til bygninger eller individuelle forbrukere.

I åpne områder, består de luftledningslinjene vi ofte ser av tårn og ledere. Det finnes ulike typene tårn, og transmisjonslinjer deles inn i enten direkte strøm (DC) eller vekselstrøm (AC).

Kinas kraftproduksjon og -forbruk viser betydelig geografisk ubalanse. Rik energiresurser som kull, vind, sol og vannkraft er koncentrert i de store vestlige regionene, mens de største belastningsområdene ligger tusenvis av kilometer unna i sentrale og østlige regioner. Denne geografiske misligholdelsen gjør langdistansetransmisjon til en essensiell løsning.

I løpet av de siste årene, med rask utvikling av store vind- og solkraftbasar, har behovet for langdistansetransmisjon fortsett å øke. Som rygraden for kraftlevering, har byggingen av ultra-høy-spente (UHV) nettverk akselerert, noe som gir sterk drivkraft for Kinas energiomstilling og bærekraftige utvikling. Alle disse langdistansetransmisjonssystemene baserer seg på transmisjonstårn og luftledninger for å koble nettverket sammen.

Luftledningslinjer

En luftledningslinje består av ledere som henger fra tårn ved hjelp av isolatører og montering, som sikrer trygg avstand mellom ledere og bakken eller bygninger. Hovedfunksjonen til en transmisjonslinje er å levere elektrisk energi, koble kraftverk og transformatorer, muliggjøre parallell drift og integrere kraftsystemet i et forent nettverk.

Luftledninger har fordeler som lavere investeringskostnader, raskere konstruksjon, enkel og bekvem installasjon, lett identifisering av feil og potensielle farer, samt enkel vedlikehold og reparasjon. For langdistansetransmisjon, brukes hovedsakelig luftledninger grunnet deres høye effekt kapasitet. Jo lengre transmisjonsavstanden, jo høyere må spenningsnivået være.

Men fordi luftledninger er vidt fordelte og opererer kontinuerlig i utendørs miljø, blir de ofte påvirket av omgivelsesforhold og naturlige faktorer. Dette fører til ulike driftsfeil, inkludert lynnedslag, vindskader, isakkumulering, forurensningsspark, eksterne forstyrrelser, lederdans, og fuglerelaterte hendelser.

Ved arbeid med høyspenningskontrollutstyr, møter ingeniører vanligvis høy spente (HV), ekstra høy spente (EHV) og ultra-høy spente (UHV) systemer, de fleste koblet sammen via luftledninger. Dermed er tekniske krav til høyspenningsutstyr nært knyttet til linjestatus—som driftsmiljø og betingelser. Forståelse av luftledningenes karakteristika og feiloppførsel er derfor nødvendig for å forstå tekniske spesifikasjoner for høyspenningsutstyr.

Komponenter i luftledningslinjer

De viktigste komponentene i en luftledningslinje inkluderer fundament, tårn, ledere, isolatører, monteringsutstyr (fittings), lynbeskyttelsesenheter (som overhengende jordledere og overvoltagebeskyttere) og jordingsystemer. Moderne linjer kan også inkludere hjelpemidler som optisk jordleder (OPGW) og kraftledningsbårer kommunikasjonssystemer.

(1) Ledere

Ledere overfører strøm og levere elektrisk energi. Enkeltleder per fase er typisk for standardlinjer. Men for EHV og høykapasitets transmisjonslinjer, er bundlete ledere—ved bruk av to, tre, fire eller flere sub-ledere (ofte arrangert i en sirkulær konfigurasjon)—vanligvis adoptert. Dette reduserer koronalyd, minimerer effekt tap og reduserer forstyrrelser av radio, TV og andre kommunikasjonssignaler.

(2) Skjerm (Jord) ledere og jordingsystemer

Skjermledere henger på toppen av transmisjonstårn og er koblet til jordingsystemet på hvert tårn via nedledere. Under et lynnedslag, avfanger skjermlederen—plassert over faselederne—lynen, og ledet trygt gjennom jordingsystemet ned i jorden. Dette reduserer sannsynligheten for direkte treff på ledere, beskytter linjes isolasjon mot overspenningsskade, og sikrer pålitelig drift. Skjermledere er vanligvis installert langs hele lengden av linjer med spenning på 110 kV og over, og er vanligvis laget av galvaniserte stålstrimler.

(3) Tårn (Pyloner)

Tårn støtter ledere og skjermledere sammen med tilhørende monteringsutstyr, ved å opprettholde trygge elektriske avstander mellom ledere, tårn, bakken, og eventuelle kryssende konstruksjoner eller bygninger.

(4) Isolatører og isolatørstrenger

Isolatører er de viktigste isoleringskomponentene i en transmisjonslinje. De støtter eller henger ledere mens de elektrisk isolerer dem fra tårnene, og sikrer pålitelig dielektrisk styrke. Uteksponert for mekanisk stress, elektrisk spenning og korrosive atmosfærisk gasser, må isolatører ha tilstrekkelig mekanisk styrke, isoleringsytelse og motstand mot forringing.

(5) Monteringsutstyr (Fittings)

Transmisjonslinje monteringsutstyr har en viktig rolle i å støtte, fastholde, koble og beskytte ledere og jordledere, og sikre robuste og pålitelige forbindelser. Monteringsutstyr er klassifisert i fem hovedtyper basert på funksjon: linjeklammer, koblingsfittings, spissfittings, beskyttelsesfittings, og guy wire fittings.

(6) Fundament

Fundamentet ankres tårnet til bakken, forhindrer helning, kollaps eller nedgravning.

Vi vil undersøke hver av disse komponentene i detalj i senere diskusjoner.

(7) Tårn (Pyloner)

Det finnes mange typer transmisjonslinjer og tårn, med spenningsnivåer opp til 1000 kV. Tårnmaterialer inkluderer tre, betong, stålrammer og stål-rørkonstruksjoner, og deres former og design varierer sterkt. Formålet med en transmisjonslinje er å levere elektrisk kraft fra den ene enden til den andre med minimale tap. Derfor, innenfor samme spenningsklasse, er linjene designet for å minimere impedans og maksimere leders snittareal. Tårnene har til formål å støtte linjene og forhindre kontakt med andre ledende objekter som kan forårsake jordfeil. Derfor er de bygget høye og strukturelt stabile. Bildet nedenfor viser vanlige tårntyper.

Basert på deres faktiske funksjoner i ingeniøranvendelser, er tårnene videre klassifisert i flere typer: rettlinjet (hengende) tårn, vinkeltårn (brukt for å endre retning), terminaltårn (for å koble til og fra transformatorer), transposisjonstårn (brukt for fase rotasjon), og store spennings tårn (designet for å krysse store elver, innsjøer eller strømmer). Ved bunnen av hvert tårn er fundamentet. Ledere er hengende fra kryssarmene gjennom isolatørstrenger.

Hvis du ser nøye på et stålrammetårn, vil du merke to små "horn" som strekker seg oppover—ett på hver side—bærer tynde tråder. Disse er ikke for strømoverføring; de er overhengende jordledere (skjermledere), også kjent som jordledere, brukt for lynbeskyttelse.

Transmisjonstårn kommer i ulike former. For enkeltsirkuitslinjer, er vanlige konfigurasjoner "vin-glass" typen med horisontalt arrangerte ledere og "kattekopf" typen med trekantig lederoppstilling. I områder med begrenset rettighet eller i økonomisk utviklede regioner hvor land er knapt, brukes ofte kompakte tårn som bærer to eller selv fire sirkutter på samme struktur. For ultra-høy-spente (UHV) DC-transmisjonslinjer, finnes det også T-type tårn, som støtter to sirkutter hangende nedenfor—på den ene siden positiv pol, og på den andre siden negativ pol.

En transmisjonskorridor refererer til det båndformede området som strekker seg lateralt fra de ytreste ledere av en høyspente luftledningslinje. Dens bredde er bestemt av spenningsnivået og reguleres under Regulations on the Protection of Electric Power Facilities. For eksempel, er beskyttelseszonen for en 500 kV-linje 20 meter bred. Mens begrenset landbruk er tillatt innen denne zonen, er det strengt forbudt å stape flammbare materialer eller bygge bygninger.

Du kan også ha merket mange spydspisse enheter og små "vindmøller" installert på transmisjonstårn. Hva er disse for? De er alle fugleavvisere! Fugleavvisende spisser forhindrer fugler fra å bygge rede, mens de små roterende "vindmøller" skremmer fugler unna—begge er vanligvis montert på tårn.

Strukturen av transmisjonstårn gir en ideal plass for fugler å bygge rede. Men, fuglefrø er ledende. Når de utskilles på isolatørstrenger, kan de skape en ledende vei mellom lederen og bakken, potensielt forårsake spark, jordfeil, eller selv fase til fase kortslutning. Derfor er kraftlinjer svært sårbare for det som kan kalles "sinnefugler." I tillegg, kan høye trær nær transmisjonslinjer (eller korridorer) også true sikker drift—for eksempel ved å forårsake jordavstandsovertramp eller kortslutning—and derfor må de regelmessig klippes.