Воздушные линии электропередачи и опоры: типы конструкции и безопасность
Помимо ультравысоковольтных переменных подстанций, чаще всего мы сталкиваемся с линиями передачи и распределения электроэнергии. Высокие опоры несут проводники, которые пересекают горы и моря, протягиваясь на большие расстояния до городов и деревень. Это также интересная тема — сегодня давайте рассмотрим линии передачи и их опоры.
Передача и распределение электроэнергии
Давайте сначала разберемся, как доставляется электроэнергия. Электроэнергетическая отрасль в основном состоит из четырех этапов: генерация, передача, (подстанция) распределение и потребление.
Генерация включает различные типы электростанций — традиционные, такие как угольные и гидроэлектростанции, а также современные источники, такие как ветровая и солнечная энергия. Все они относятся к категории генерации.
Передача осуществляется посредством линий передачи и опор.
Подстанция (или трансформация) в основном использует трансформаторы. Повышающие трансформаторы на электростанциях увеличивают напряжение для эффективной дальней передачи, а понижающие трансформаторы на стороне распределения снижают напряжение до уровней, подходящих для региональных распределительных сетей и конечных пользователей.
Распределение на стороне потребителя включает различные понижающие трансформаторы, а также оборудование среднего и низкого напряжения, коммутационные устройства и проводку.
Потребление относится к электрическим устройствам в домах, а также к использованию электроэнергии в муниципальной инфраструктуре, зданиях, промышленных объектах и других применениях.
По структуре линии передачи делятся на два основных типа: воздушные линии передачи и кабельные линии. Ниже приведена схематическая диаграмма системы передачи электроэнергии:
Какие уровни напряжения подходят для дальней передачи электроэнергии? Чтобы снизить потери при передаче и повысить эффективность, обычно используются переменные напряжения 500 кВ и выше. Напряжения в диапазоне от 500 кВ до 750 кВ классифицируются как сверхвысокое напряжение (СВН) переменного тока, а системы 1000 кВ переменного тока известны как ультравысокое напряжение (УВН) переменного тока. В то время как линии, работающие от среднего напряжения до 110 кВ–330 кВ, обычно относятся к распределительным линиям. Обратите внимание, что эти классификации могут меняться с ростом спроса на электроэнергию, мощности системы и региональных паттернов распределения энергии.
Уровни напряжения относятся к линейному напряжению — то есть напряжению между любыми двумя из трех фаз (A, B и C). 220 вольт, используемые в быту, это фазное напряжение, которое представляет собой напряжение между любой одной фазой и землей. На самом деле, домашнее электроснабжение происходит от системы линейного напряжения 380 вольт. Только при входе в здание три фазы (A, B и C) разделяются — каждая фаза может питать разные блоки жилого дома. То, что вы обычно видите в городах или жилых комплексах, это квадратная коробчатая конструкция — это компактная (или коробчатая) подстанция (как показано на рисунке ниже).
Коробчатая подстанция объединяет оборудование среднего напряжения, трансформаторы и устройства низковольтного распределения. Она преобразует городскую распределительную сеть среднего напряжения (обычно 10 кВ или 20 кВ) в 380 В, подходящие для бытового или муниципального использования. Вы можете не видеть проводку, так как большинство городских распределительных сетей в Китае сегодня используют подземные кабели. Однако в некоторых старых жилых районах или сельской местности все еще можно увидеть воздушные линии, соединяющие трансформаторы, а затем идущие к зданиям или отдельным потребителям.
На открытых участках воздушные линии передачи, которые мы обычно видим, состоят из опор и проводников. Существуют различные типы опор, и линии передачи классифицируются как постоянного тока (ПТ) или переменного тока (ПТ).
Производство и потребление электроэнергии в Китае имеют значительный географический дисбаланс. Богатые энергетические ресурсы, такие как уголь, ветровая, солнечная и гидроэнергия, сосредоточены в обширных западных регионах, тогда как основные центры нагрузки находятся за тысячи километров в центральных и восточных регионах. Этот географический дисбаланс делает дальнюю передачу электроэнергии необходимым решением.
В последние годы, с быстрым развитием крупных баз ветровой и солнечной энергии, спрос на дальнюю передачу электроэнергии продолжает расти. Как основа доставки электроэнергии, строительство ультравысоковольтных (УВН) сетей ускорилось, предоставляя мощный импульс для перехода Китая к устойчивому развитию. Все эти системы дальней передачи полагаются на опоры и воздушные линии для взаимосвязи сетей.
Воздушные линии передачи
Воздушная линия передачи состоит из проводников, подвешенных на опорах с помощью изоляторов и крепежных элементов, обеспечивая безопасное расстояние между проводниками и землей или зданиями. Основная функция линии передачи — доставка электрической энергии, соединение электростанций и подстанций, обеспечение параллельной работы и интеграция энергетической системы в единую сеть.
Воздушные линии имеют преимущества, такие как меньшие затраты на инвестиции, более быстрое строительство, простота и удобство установки, легкость обнаружения неисправностей и потенциальных опасностей, а также простота технического обслуживания и ремонта. Для дальней передачи электроэнергии воздушные линии широко используются благодаря своей высокой пропускной способности. Чем больше расстояние передачи, тем выше требуется уровень напряжения.
Однако, поскольку воздушные линии широко распространены и работают в условиях открытого воздуха, они часто подвергаются воздействию окружающих условий и природных факторов. Это приводит к различным эксплуатационным неисправностям, включая удары молнии, ветровые повреждения, образование льда, загрязнение и пробой, внешние помехи, галопирование проводов и инциденты, связанные с птицами.
Кроме того, при работе с высоковольтными коммутационными устройствами инженеры обычно имеют дело с высоковольтными (ВН), сверхвысоковольтными (СВН) и ультравысоковольтными (УВН) системами, большинство из которых связаны через воздушные линии. Поэтому технические требования к высоковольтному оборудованию тесно связаны с условиями линий — такими как эксплуатационная среда и условия службы. Понимание характеристик и поведения неисправностей воздушных линий является, следовательно, важным для понимания технических спецификаций высоковольтного оборудования.
Компоненты воздушных линий передачи
Основные компоненты воздушной линии передачи включают фундаменты, опоры, проводники, изоляторы, крепежные элементы (фитинги), устройства защиты от молний (например, заземляющие провода и ограничители перенапряжений) и заземляющие системы. Современные линии также могут включать вспомогательные компоненты, такие как оптический заземляющий провод (OPGW) и системы связи по линиям электропередачи.
(1) Проводники
Проводники передают ток и доставляют электрическую энергию. Для стандартных линий типичен один проводник на фазу. Однако для СВН и линий большой пропускной способности обычно используются пучковые проводники — с двумя, тремя, четырьмя или более подпроводниками (часто расположенные в круговой конфигурации). Это снижает коронный разряд, минимизирует потери мощности и уменьшает помехи радио, телевидению и другим средствам связи.
(2) Заземляющие провода и заземляющие системы
Заземляющие провода подвешиваются на вершине опор и соединяются с заземляющей системой каждой опоры через отводные проводники. При ударе молнии заземляющий провод, расположенный над фазными проводниками, перехватывает молнию, безопасно направляя ток через заземляющую систему в землю. Это снижает вероятность прямых ударов молнии в проводники, защищает изоляцию линии от повреждений от перенапряжения и обеспечивает надежную работу. Заземляющие провода обычно устанавливаются вдоль всей длины линий напряжением 110 кВ и выше и обычно изготавливаются из оцинкованных стальных канатов.
(3) Опоры (пирамиды)
Опоры поддерживают проводники и заземляющие провода вместе с соответствующими крепежными элементами, обеспечивая безопасное электрическое расстояние между проводниками, опорами, землей и любыми пересекающими конструкциями или зданиями.
(4) Изоляторы и изоляторные цепочки
Изоляторы являются ключевыми изоляционными компонентами линии передачи. Они поддерживают или подвешивают проводники, одновременно электрически изолируя их от опор, обеспечивая надежную диэлектрическую прочность. Подвергаясь механическим нагрузкам, электрическому напряжению и коррозионным атмосферным газам, изоляторы должны обладать достаточной механической прочностью, изоляционными свойствами и устойчивостью к деградации.
(5) Крепежные элементы (фитинги)
Крепежные элементы линии передачи играют важную роль в поддержке, закреплении, соединении и защите проводников и заземляющих проводов, обеспечивая прочные и надежные соединения. Крепежные элементы классифицируются на пять основных типов по функции: зажимы, соединительные фитинги, соединительные муфты, защитные фитинги и фитинги для оттяжек.
(6) Фундаменты
Фундамент закрепляет опору в земле, предотвращая наклон, обрушение или оседание.
Мы подробно рассмотрим каждый из этих компонентов в последующих обсуждениях.
(7) Опоры (пирамиды)
Существует множество типов линий передачи и опор, с уровнями напряжения, достигающими 1000 кВ. Материалы опор включают дерево, бетон, стальные решетчатые и стальные трубчатые конструкции, и их формы и дизайны сильно различаются. Цель линии передачи — доставить электрическую энергию от одного конца к другому с минимальными потерями. Поэтому, в рамках одного класса напряжения, линии проектируются таким образом, чтобы минимизировать импеданс и максимизировать площадь сечения проводника. Опоры служат для поддержки линий и предотвращения контакта с другими проводящими объектами, которые могли бы вызвать замыкание на землю. Поэтому они строятся высокими и структурно устойчивыми. На изображении ниже показаны общие типы опор.
В зависимости от их фактической функции в инженерных приложениях, опоры дополнительно классифицируются на несколько типов: промежуточные (подвесные) опоры, угловые опоры (используемые для изменения направления), концевые опоры (для подключения к и от подстанций), опоры для переключения фаз и опоры для больших пролетов (разработанные для пересечения крупных рек, озер или проливов). В основании каждой опоры находится фундамент. Проводники подвешиваются на траверсах через изоляторные цепочки.
Если внимательно посмотреть на стальную решетчатую опору, можно заметить два маленьких "рога", выступающих вверх — по одному с каждой стороны, несущих тонкие провода. Эти провода не предназначены для передачи электроэнергии; это заземляющие провода (защитные провода), также известные как земляные провода, используемые для защиты от молний.
Опоры передачи имеют различные формы. Для одноцепных линий общими конфигурациями являются "бокал" с горизонтально расположенными проводниками и "кошачья голова" с треугольным расположением проводников. В районах с ограниченным пространством или в экономически развитых регионах, где земля дефицитна, часто используются компактные опоры, несущие две или даже четыре цепи на одной структуре. Для ультравысоковольтных (УВН) линий постоянного тока также существуют T-образные опоры, которые поддерживают две цепи, свисающие снизу — на одной стороне положительный полюс, а на другой — отрицательный полюс.
Коридор линии передачи — это полоса, простирающаяся поперечно от внешних проводников высоковольтной воздушной линии. Его ширина определяется уровнем напряжения и регулируется Правилами охраны электрических установок. Например, защищенная зона для линии 500 кВ составляет 20 метров. Хотя в этой зоне допускаются ограниченные сельскохозяйственные работы, складирование горючих материалов или строительство зданий строго запрещено.
Вы также, возможно, заметили множество шиповатых устройств и маленьких "ветряных мельниц", установленных на опорах передачи. Для чего они? Это все средства защиты от птиц! Анти-птичьи шипы предотвращают постройку гнезд, а маленькие вращающиеся "ветряные мельницы" отпугивают птиц — все это обычно устанавливается на опорах.
Структура опор передачи предоставляет идеальное место для птиц, чтобы строить гнезда. Однако птичий помет является проводящим. Когда он попадает на изоляторные цепочки, он может создать проводящий путь между проводником и землей, что потенциально может вызвать пробой, замыкание на землю или даже фазное короткое замыкание. Поэтому линии электропередачи очень уязвимы для того, что можно назвать "злыми птицами". Кроме того, высокие деревья, находящиеся рядом с линиями передачи (или коридорами), также могут угрожать безопасной работе, например, вызывая нарушения заземления или короткие замыкания, и поэтому должны регулярно подрезаться.
