Linie elektryczne powietrzne i wieże: Rodzaje projektowanie i bezpieczeństwo

Oprócz nadprzewodowych stacji przekształcających napięcie napotykamy częściej linie przesyłowe i dystrybucyjne. Wysokie wieże niosą przewody, które skaczą przez góry i morza, rozciągając się w dal, zanim dotrą do miast i wsi. To również interesujący temat—dzisiaj przeanalizujemy linie przesyłowe i ich podpierające wieże.

Przesył i dystrybucja energii elektrycznej

Najpierw zrozummy, jak dostarczana jest energia. Przemysł energetyczny składa się głównie z czterech etapów: produkcja, przesył, (stacje przekształcające) dystrybucja i zużycie.

• Produkcja obejmuje różne rodzaje generatorów energii—tradycyjne, takie jak elektrownie węglowe i wodne, oraz nowoczesne, takie jak wiatrowe i słoneczne. Wszystkie te źródła należą do kategorii produkcji.

• Przesył opiera się na liniach przesyłowych i wieżach.

• Stacja przekształcająca (lub transformująca) używa przede wszystkim transformatorów. Transformatory wzmacniające w elektrowniach zwiększają napięcie dla efektywnego długodystansowego przesyłu, podczas gdy transformatory obniżające po stronie dystrybucji zmniejszają napięcie do poziomu odpowiedniego dla regionalnych sieci dystrybucyjnych i końcowych użytkowników.

• Dystrybucja po stronie konsumenta obejmuje różne transformatory obniżające, a także urządzenia średniego i niskiego napięcia, sprzęty rozdzielcze i instalacje elektryczne.

• Zużycie odnosi się do urządzeń elektrycznych w domach, a także do zużycia energii w infrastrukturze miejskiej, budynkach, zakładach przemysłowych i innych zastosowaniach.

Pod względem struktury, linie przesyłowe dzielą się na dwa główne typy: linie przesyłowe powietrzne i kablowe. Poniżej znajduje się schematyczny diagram systemu przesyłowego:

Jakie poziomy napięcia są odpowiednie do długodystansowego przesyłu energii? Aby zmniejszyć straty przesyłowe i zwiększyć efektywność, do przesyłu energii zwykle używa się napięć przemiennych 500 kV i wyższych. Napięcia w zakresie 500 kV do 750 kV klasyfikowane są jako ekstra wysokie napięcie (EHV) przemienne, podczas gdy systemy 1000 kV AC znane są jako nadprzewodowe (UHV) napięcie przemienne. W porównaniu, linie działające od średniego napięcia do 110 kV–330 kV są ogólnie klasyfikowane jako linie dystrybucyjne. Należy pamiętać, że te klasyfikacje mogą się różnić w zależności od rosnącego zapotrzebowania na energię, pojemności systemu i regionalnych wzorców dystrybucji energii.

Poziomy napięcia odnoszą się do napięcia między fazami—that is, napięcia między dowolnymi dwiema z trzech faz (A, B i C). 220 voltów używanych w gospodarstwach domowych to napięcie fazy, czyli napięcie między dowolną jedną fazą a ziemią. W rzeczywistości, zaopatrzenie w energię elektryczną w domach pochodzi z systemu 380-voltowego napięcia między fazami. Dopiero przy wejściu do budynku trzy fazy (A, B i C) są oddzielone—każda faza może zasilać inny segment budynku mieszkalnego. To, co często widzimy w miastach lub osiedlach mieszkaniowych, to kwadratowa, pudełkowata struktura—jest to skrzynkowa (lub pudełkowa) stacja przekształcająca (jak pokazano na rysunku poniżej).

Skrzynkowa stacja przekształcająca integruje urządzenia średniego napięcia, transformatory i urządzenia dystrybucyjne niskiego napięcia. Przekształca ona miejską sieć dystrybucyjną średniego napięcia (zwykle 10 kV lub 20 kV) w 380 V energię odpowiednią do użytku mieszkaniowego lub miejskiego. Możesz nie widzieć przewodów, ponieważ współczesne sieci dystrybucyjne w Chinach korzystają głównie z kabli podziemnych. Jednak w niektórych starszych osiedlach mieszkaniowych lub obszarach wiejskich nadal można zobaczyć linie powietrzne łączące transformatory, a następnie biegnące do budynków lub pojedynczych użytkowników.

W otwartych terenach, linie przesyłowe powietrzne, które często widzimy, składają się z wież i przewodów. Istnieje wiele typów wież, a linie przesyłowe dzielą się na prąd stały (DC) i prąd przemienny (AC).

Generowanie i zużycie energii w Chinach cechuje się znacznym niezbalansowaniem geograficznym. Zasoby energetyczne, takie jak węgiel, wiatr, słońce i energia wodna, koncentrują się w rozległych regionach zachodnich, podczas gdy główne centra obciążeń leżą tysiące kilometrów dalej w środkowych i wschodnich regionach. Ta geograficzna niezgodność sprawia, że długodystansowy przesył energii jest niezbędny rozwiązaniem.

W ostatnich latach, z szybkim rozwojem dużych baz wiatrowych i słonecznych, zapotrzebowanie na długodystansowy przesył energii stale rośnie. Jako szpina przesyłowej, budowa sieci nadprzewodowych (UHV) przyspiesza, zapewniając silny impuls dla transformacji energetycznej i zrównoważonego rozwoju Chin. Wszystkie te długodystansowe systemy przesyłowe opierają się na wieżach przesyłowych i liniach powietrznych, aby połączyć sieć.

Linie przesyłowe powietrzne

Linia przesyłowa powietrzna składa się z przewodów zawieszonych na wieżach za pomocą izolatorów i sprzętu, zapewniających bezpieczny odstęp między przewodami a ziemią lub budynkami. Głównym zadaniem linii przesyłowej jest dostarczanie energii elektrycznej, łączenie elektrowni i stacji przekształcających, umożliwienie równoległej pracy i integracja systemu energetycznego w jednolitą sieć.

Linie powietrzne mają zalety, takie jak niższe koszty inwestycyjne, szybsze budowanie, proste i wygodne montowanie, łatwe identyfikowanie awarii i potencjalnych zagrożeń, a także prosta konserwacja i naprawa. Dla długodystansowego przesyłu, linie powietrzne są najczęściej używane ze względu na ich wysoką pojemność mocy. Im dłuższa odległość przesyłu, tym wyższy wymagany poziom napięcia.

Jednak, ponieważ linie powietrzne są szeroko rozpowszechnione i ciągle działają w środowisku zewnętrznym, często są one wpływowane przez otaczające warunki i czynniki naturalne. To prowadzi do różnych awarii operacyjnych, w tym uderzeń piorunów, uszkodzeń wiatrem, nagromadzenia lodu, błyskawicowych przepięć, zewnętrznych zakłóceń, drgań przewodów i incydentów związanych z ptakami.

Ponadto, pracując z sprzętem wysokiego napięcia, inżynierowie często mają do czynienia z systemami wysokiego (HV), ekstra wysokiego (EHV) i nadprzewodowego (UHV) napięcia, większość z nich jest połączona poprzez linie powietrzne. W związku z tym, wymagania techniczne dla sprzętu wysokiego napięcia są ściśle związane z warunkami linii—takimi jak środowisko pracy i warunki eksploatacji. Zrozumienie charakterystyk i zachowania awaryjnego linii powietrznych jest więc kluczowe do zrozumienia specyfikacji technicznych sprzętu wysokiego napięcia.

Składniki linii przesyłowych powietrznych

Główne składniki linii przesyłowej powietrznej obejmują fundamenty, wieże, przewody, izolatory, sprzęt (elementy), urządzenia ochronne przed piorunami (takie jak przewody ziemne i ograniczniki napięcia), oraz systemy ziemne. Nowoczesne linie mogą również zawierać dodatkowe elementy, takie jak optyczne przewody ziemne (OPGW) i systemy komunikacji z nośnikiem linii.

(1) Przewody

Przewody przesyłają prąd i dostarczają energii elektrycznej. Standardowe linie zazwyczaj mają jeden przewód na fazę. Jednak dla EHV i linii o dużej pojemności, często stosowane są zgrupowane przewody—używając dwóch, trzech, czterech lub więcej sub-przewodów (często ułożonych w konfiguracji okrągłej)—co zmniejsza rozpraszanie koronowe, minimalizuje straty mocy i zmniejsza zakłócenia dla radia, telewizji i innych sygnałów komunikacyjnych.

(2) Przewody ziemne i systemy ziemne

Przewody ziemne są zawieszone na szczycie wież przesyłowych i połączone z systemem ziemnym na każdej wieży za pomocą przewodów spadkowych. Podczas uderzenia pioruna, przewód ziemny—położony ponad przewodami fazowymi—interceptuje piorun, bezpiecznie odprowadzając prąd przez system ziemny do ziemi. To zmniejsza prawdopodobieństwo bezpośrednich uderzeń w przewody, chroni izolację linii przed uszkodzeniami przez przepięcia i zapewnia niezawodne działanie. Przewody ziemne są zazwyczaj instalowane wzdłuż całej długości linii o napięciu 110 kV i wyższym, a są zazwyczaj wykonane z ocynkowanych drutów stalowych.

(3) Wieże (Pylony)

Wieże wspierają przewody i przewody ziemne wraz z odpowiednim sprzętem, utrzymując bezpieczne odstępy elektryczne między przewodami, wieżami, ziemią i jakimikolwiek obiektami lub budynkami.

(4) Izolatory i ciągi izolatorów

Izolatory są kluczowymi elementami izolacyjnymi linii przesyłowej. Wspierają lub zawieszają przewody, jednocześnie elektrycznie izolując je od wież, zapewniając niezawodną wytrzymałość dielektryczną. Poddawane są one naprężeniom mechanicznym, napięciom elektrycznym i korodującym gazom atmosferycznym, dlatego izolatory muszą posiadać wystarczającą wytrzymałość mechaniczną, wydajność izolacyjną i odporność na degradację.

(5) Sprzęt (Elementy)

Sprzęt linii przesyłowej odgrywa kluczową rolę w wspieraniu, zabezpieczaniu, łączeniu i ochronie przewodów i przewodów ziemnych, zapewniając solidne i niezawodne połączenia. Sprzęt jest klasyfikowany na pięć głównych typów według funkcji: zaciski, elementy łączące, elementy spawalnicze, elementy ochronne i elementy podporowe.

(6) Fundamenty

Fundament przyczepia wieżę do ziemi, zapobiegając jej przechyleniu, zawaleniu lub osiadaniu.

Każdy z tych składników zostanie szczegółowo omówiony w kolejnych dyskusjach.

(7) Wieże (Pylony)

Istnieje wiele typów linii przesyłowych i wież, z poziomami napięcia dochodzącymi do 1000 kV. Materiały do budowy wież obejmują drewno, beton, kratownice stalowe i konstrukcje rur stalowych, a ich kształty i projekty bardzo się różnią. Celem linii przesyłowej jest dostarczanie energii elektrycznej z jednego końca na drugi z minimalnymi stratami. Dlatego, w tej samej klasie napięcia, linie są projektowane, aby minimalizować impedancję i maksymalizować przekrój przewodów. Wieże służą do wspierania linii i zapobiegania kontaktowi z innymi obiektami przewodzącymi, które mogłyby spowodować awarie ziemne. Są więc budowane wysoko i konstrukcyjnie stabilnie. Poniżej przedstawiono typowe typy wież.

W zależności od ich rzeczywistych funkcji w zastosowaniach inżynierskich, wieże są dalej klasyfikowane na kilka typów: wieże proste (wiszące), wieże kątowe (do zmiany kierunku), wieże końcowe (do łączenia z i do stacji przekształcających), wieże transpozycyjne (do rotacji faz) i wieże wielkoprostorowe (projektowane do przekraczania głównych rzek, jezior lub cieśnin). Na podstawie każdej wieży znajduje się fundament. Przewody są zawieszone na ramionach poprzez ciągi izolatorów.

Jeśli dokładnie spojrzysz na kratownicową wieżę stalową, zobaczysz dwa małe "rogi" wybrzuszone do góry—po jednym z każdej strony—niosące cienkie przewody. Nie służą one do przesyłania energii; są to przewody ziemne (przewody ochronne), znane również jako przewody ziemne, używane do ochrony przed piorunami.

Wieże przesyłowe mają różne kształty. Dla linii jednotorowych, popularne konfiguracje obejmują typ "kieliszek wina" z poziomo ułożonymi przewodami i typ "głowa kota" z trójkątną konfiguracją przewodów. W rejonach o ograniczonej przestrzeni lub w gęsto zaludnionych obszarach, gdzie ziemia jest skąpa, często używane są kompaktowe wieże noszące dwa, a nawet cztery torów na tej samej konstrukcji. Dla linii przesyłowych DC o nadprzewodowym napięciu (UHV) istnieją również wieże typu T, które wspierają dwa tory wiszące poniżej—po jednej stronie dodatnia faza, a po drugiej stronie ujemna faza.

Korytarz linii przesyłowej odnosi się do pasma o kształcie taśmy, rozciągającego się bocznie od najbardziej zewnętrznych przewodów wysokonapięciowej linii powietrznej. Szerokość tego pasa jest określana przez poziom napięcia i regulowana jest przez Regulamin Ochrony Obiektów Energetycznych. Na przykład, strefa ochronna dla linii 500 kV ma szerokość 20 metrów. W tej strefie dozwolone są ograniczone działania rolnicze, ale surowo zabronione jest składowanie łatwopalnych materiałów lub budowa budynków.

Możesz też zauważyć wiele kolczastych urządzeń i małych "wiatraków" zamontowanych na wieżach przesyłowych. Po co one są? Są to środki odstraszające ptaki! Kolczaste urządzenia zapobiegają budowaniu gniazd przez ptaki, a małe obracające się "wiatraki" odstraszały ptaki—oba są często montowane na wieżach.

Konstrukcja wież przesyłowych stanowi idealne miejsce do budowania gniazd przez ptaki. Jednak odchody ptaków są przewodzące. Gdy są ekskretowane na ciągi izolatorów, mogą tworzyć przewodzącą ścieżkę między przewodem a ziemią, co może prowadzić do przepięć, awarii ziemnych lub nawet zwarcia między fazami. Dlatego linie przesyłowe są szczególnie narażone na to, co można nazwać "złymi ptakami". Ponadto, wysokie drzewa w pobliżu linii przesyłowych (lub korytarzy) mogą również zagrozić bezpiecznej pracy—na przykład, powodując naruszenie odstępów od ziemi lub zwarcia—and muszą być regularnie przycinane.