Navezne električne vodove in stolpi: Vrste dizajn in varnost

Osim napetostnih postaj z visoko napetostjo, pogosteje srečujemo tudi prenosne in distribucijske linije. Visoke stolpi nosijo vodnike, ki se raztegajo čez gore in morja, preden dosežejo mesta in vaske. To je tudi zanimiva tema—danes bomo raziskovali prenosne linije in njihove podpornike.

Prenos in distribucija električne energije

Najprej razumimo, kako se dostavlja električna energija. Električni sektor se glavno sestoji iz štirih faz: proizvodnja, prenos, (napetostna postaja) distribucija in poraba.

• Proizvodnja vključuje različne vrste generatorjev—tradicionalne, kot so premogovne elektrarne in hidroelektrarne, ter moderne vire, kot so vetrska in sončna energija. Vse to spada pod kategorijo proizvodnje.

• Prenos temelji na prenosnih linijah in stolpih.

• Napetostna postaja (ali transformacijska postaja) uporablja predvsem transformatorje. Transformatorji za povišanje napetosti v elektrarnah povišajo napetost za učinkovit dolgoposežni prenos, medtem ko transformatorji za znižanje napetosti na strani distribucije znižajo napetost na ravni, primerno za regionalne distribucijske omrežja in končne uporabnike.

• Distribucija na strani potrošnika vključuje različne transformatorje za znižanje napetosti, kot tudi opremo za srednjo in nizko napetost, preklopnike in žice.

• Poraba se nanaša na električne naprave v domačih gospodinstvih, kot tudi uporabo električne energije v komunalnih infrastrukturah, stavbah, industrijskih objektih in drugih aplikacijah.

Po strukturi so prenosne linije razdeljene na dva glavna tipa: površinske prenosne linije in kabelske linije. Spodaj je shema sistema prenosa električne energije:

Kateri ravni napetosti so primerne za dolgoposežni prenos električne energije? Za zmanjšanje izgub pri prenosu in izboljšanje učinkovitosti se običajno za prenos električne energije uporablja AC napetost 500 kV in višje. Napetosti v območju od 500 kV do 750 kV so klasificirane kot zelo visoka napetost (EHV) AC, medtem ko so sistemi 1000 kV AC znani kot ultra-visoka napetost (UHV) AC. Na drugi strani so linije, ki delujejo od srednje napetosti do 110 kV–330 kV, običajno klasificirane kot distribucijske linije. Opomba: te klasifikacije se lahko spreminjajo glede na rastučo povpraševanje po energiji, kapaciteto sistema in regionalne vzorce razporeditve energije.

Ravni napetosti se nanašajo na napetost med fazi—to je napetost med katerima koli dvema od treh faz (A, B in C). 220 volt, ki se uporabljajo v gospodinjstvih, je fazna napetost, to je napetost med eno fazo in zemljo. V resnici izvira oskrba z električno energijo v gospodinjstvih iz sistema s sistemsko napetostjo 380 volt. Le na vhodu v stavbo so tri faze (A, B in C) ločene—vsaka faza morebitno krpi različne enote stanovanjskega zgradbe. To, kar pogosto vidite v mestih ali naseljih, je kvadratna, škatlasta struktura—ta je pad-mounted (ali box-type) napetostna postaja (kot je prikazano na spodnji sliki).

Box-type napetostna postaja združuje opremo za srednjo napetost, transformatorje in naprave za distribucijo nizke napetosti. Preoblikuje urbano distribucijsko omrežje srednje napetosti (običajno 10 kV ali 20 kV) v 380 V energijo, primerno za stanovanjsko ali komunalno uporabo. Možno je, da žice ne vidite, saj danes večina urbanih distribucijskih omrežij v Kitajski uporablja podzemne kable. Vendar pa v nekaterih starejših naseljih ali podeželskih območjih lahko še vedno opazite površinske linije, ki povezujejo transformatorje in potem tečejo do zgradb ali posameznih potrošnikov.

Na odprtih območjih so površinske prenosne linije, ki jih pogosto vidimo, sestavljene iz stolpov in vodnikov. Obstajajo različne vrste stolpov, in prenosne linije so klasificirane kot tok pravokotnega (DC) ali izmeničnega (AC) toka.

Proizvodnja in poraba električne energije v Kitajski kažejo značilno geografsko neravnovesje. Obilje energetskih virov, kot so premog, veter, sonce in hidroenergija, je koncentrirano v obsežnih zahodnih regijah, medtem ko se glavni območji porabe nahajajo tisoč kilometrov oddaljena v srednjih in vzhodnih regijah. To geografsko neujemanje čini dolgoposežni prenos električne energije ključnim rešitvijo.

V zadnjih letih, s hitrim razvojem velikih baz za vetrsko in sončno energijo, je povpraševanje po dolgoposežnem prenosu električne energije nadaljevalo z rastjo. Kot grlica za dostavo električne energije se je pospešila gradnja omrežij ultra-visoke napetosti (UHV), ki zagotavljajo močan podpor za prehod Kitajske na trajnostno energijo in razvoj. Vsi ti sistemi dolgoposežnega prenosa se zanašajo na stolpe in površinske linije za povezovanje omrežja.

Površinske prenosne linije

Površinska prenosna linija se sestoji iz vodnikov, ki so završčeni na stolpih z uporabo izolatorjev in montažne opreme, ki zagotavljajo varno razdaljo med vodniki in tla ali zgradbe. Glavna funkcija prenosne linije je dostava električne energije, povezovanje elektrarn in napetostnih postaj, omogočanje vzporednega delovanja in integracija elektroenergetskega sistema v enotno omrežje.

Površinske linije imajo prednosti, kot so nižje investicijske stroške, hitrejša gradnja, preprosta in priročna namestitvena postopek, lažja identifikacija napak in tveganj, ter preprost vzdrževanje in popravilo. Za dolgoposežni prenos se uporabljajo predvsem površinske linije zaradi njihove visoke zmogljivosti. Dolžina prenosa je neposredno sorazmerna s potrebno stopnjo napetosti.

Toda ker so površinske linije široko porazmerjene in delujejo neprekinjeno v odprtem okolju, so pogosto vplivani s sosednjimi pogoji in naravnimi dejavniki. To vodi do različnih operativnih napak, vključno z udari metulja, škodo zaradi vetra, ledenje, onesnaženje, vanjsko motnje, trčanje vodnikov in incidenti, povezani z pticami.

Ko delajo z visokonapetostno preklopnico, inženirji pogosto obravnavajo visokonapetostne (VN), izredno visokonapetostne (IVN) in ultra-visokonapetostne (UVN) sisteme, večina katerih je povezana preko površinskih vod. Zato so tehnični zahtevi za visokonapetostno opremo tesno povezane s stanjem vod – kot so delovne razmere in pogoji uporabe. Razumevanje lastnosti in nezgodnih obnašanj površinskih vod je torej ključnega pomena za razumevanje tehničnih specifikacij visokonapetostne opreme.

Sestavne dele površinskih prenosnih vod

Glavni sestavni deli površinske prenosne vode vključujejo temelje, stolpe, vodiče, izolatorje, montažne elemente (priloge), zaščitne naprave proti negativnim vplivom (kot so površinske zemljske vode in varnostna ventila), ter zemljenje. Moderni vodi lahko vključujejo tudi pomožne komponente, kot so optične zemljske vode (OPGW) in sistemi za komunikacijo preko vod.

(1) Vodiči

Vodiči prenašajo tok in dostavljajo električno energijo. Za standardne vode je tipičen en vodič na fazo. Vendar pa za IVN in vode visoke kapacitete pogosto uporabljamo združene vodiče – s dvema, tremi, štirim ali več podvodiči (često postavljeni v krožnem obliku). To zmanjša koronski odboj, minimalizira izgube moči in zmanjša motnje pri radiju, televiziji in drugih komunikacijskih signalih.

(2) Ščitne (zemljske) vode in sistema zemljenja

Ščitne vode so zavese na vrhu prenosnih stolpov in so povezane z sistemom zemljenja na vsakem stolpu preko vodov za zemljenje. Ob udaru nihanja ščitna voda, ki je postavljena nad fazne vodiče, uhvati nihanje in varno odvaja tok skozi sistem zemljenja v zemljo. To zmanjša verjetnost neposrednih udarcev na vodiče, zaščiti izolacijo vod pred poškodbo zaradi previsoke napetosti in zagotavlja zanesljivo delovanje. Ščitne vode so običajno nameščene vzdolž celotne dolžine vod z napetostjo 110 kV in višje in so običajno izdelane iz galvaniziranih jeklenih nitic.

(3) Stolpi (stolpi)

Stolpi podpirajo vodiče in ščitne vode skupaj z pripadajočimi montažnimi elementi, ohranjajojo varne električne razmike med vodiči, stolpi, zemljo in kakršnimi koli presečnimi strukturami ali stavbami.

(4) Izolatorji in izolatorske nize

Izolatorji so ključni izolacijski komponenti prenosne vode. Podpirajo ali zaveščajo vodiče, hkrati pa jih električno ločujejo od stolpov, kar zagotavlja zanesljivo dielektrično trdoto. Izpostavljeni mehanskim napetostim, električnim napetostim in korozivnim atmosferskim plinom morajo izolatorji imeti dovolj mehanske trditve, izolacijske lastnosti in odpornost na degradacijo.

(5) Montažni elementi (priloge)

Montažni elementi prenosnih vod igrajo ključno vlogo pri podpori, zavarovanju, povezovanju in zaščiti vodičev in zemljskih vod, kar zagotavlja močne in zanesljive povezave. Montažni elementi so razdeljeni na pet glavnih vrst glede na funkcijo: vodni klepci, spojne priloge, spajalne priloge, zaščitne priloge in priloge za zemljenje.

(6) Temelji

Temelj zaključuje stolp na zemljo, preprečuje naklon, run, ali propadanje.

Vsakega od teh sestavnih delov bomo podrobneje preučili v nadaljnjih razpravah.

(7) Stolpi (stolpi)

Obstaja veliko vrst prenosnih vod in stolpov, z napetostmi, ki dosežejo do 1000 kV. Materiali za stolpe vključujejo les, beton, črevesne mreže in črevesne cevi, njihove oblike in dizajni pa se zelo razlikujejo. Namen prenosne vode je dostaviti električno energijo od enega kraja do drugega z minimalnimi izgubami. Zato so vodovi znotraj iste napetostne skupine zasnovani tako, da zmanjšajo impedanco in maksimirajo premer vodičev. Stolpi služijo za podporo vodov in preprečevanje stika z drugimi vodljivimi predmeti, ki bi lahko povzročili zemljenje. Zato so zgrajeni visoki in strukturno stabilni. Slika spodaj prikazuje običajne vrste stolpov.

Glede na njihovo dejansko funkcijo v inženirskih aplikacijah so stolpi dodatno razdeljeni na več vrst: ravni (viseči) stolpi, kotni (kotni) stolpi (za spreminjanje smeri), terminalni stolpi (za povezavo z in iz transformatornih postaj), transpozicijski stolpi (za rotacijo faza) in stolpi za velike obsege (zastopani za prelaz preko velikih rek, jezer ali tiralskih prelivov). Na dnu vsakega stolpa je temelj. Vodiči so zaveščeni na poprečnicah preko izolatorskih nizov.

Če globoko pogledate črevesni stolp, boste opazili dva majhna "roga", ki se raztegajo navzgor – en na vsaki strani – nosilca tankih vodov. Ti niso namenjeni prenašanju električne energije; to so površinske zemljske vode (ščitne vode), tudi znane kot zemljske vode, uporabljene za zaščito pred negativnimi vplivi.

Prenosni stolpi obstajajo v različnih oblikah. Za enojne ceste vode so običajne konfiguracije "vinjasta" vrsta z horizontalno razporejenimi vodiči in "mačja glava" vrsta z trikotniki vodičev. V območjih z omejenim pravicami ali v gospodarsko razvitih regijah, kjer je zemljišče redko, pogosto uporabljajo kompaktni stolpi, ki nosijo dve ali celo štiri ceste na isti strukturi. Za ultra-visokonapetostne (UVN) DC prenosne vode obstajajo tudi T-vrstne stolpi, ki podpirajo dve cesti, ki visita pod – na eni strani pozitivna pola, na drugi strani negativna pola.

Trasa prenosne vode se nanaša na pasasto območje, ki se razteza poprečno od najbolj zunanjih vodičev visokonapetostne površinske prenosne vode. Njegova širina je določena glede na raven napetosti in urejena v Pravilih o zaščiti električnih naprav. Na primer, zaščitno območje za 500 kV vodo je 20 metrov široko. Čeprav so dovoljene omejene kmetijske dejavnosti v tem območju, je strogo prepovedano skladiščenje hočežnih materialov ali gradnja stavb.

Morda ste opazili tudi veliko kolčastih naprav in majhnih "vetrenjakov", nameščenih na nosilnih stolpah. Kaj so to za? Vse so odvračevalci ptic! Kolčasti odvračevalci preprečujejo pticam gnezditev, medtem ko majhne vrteči se "vetrenjaki" strahujejo ptice - obe napravi sta pogosto nameščeni na stolpih.

Struktura nosilnih stolpov ponuja idealno mesto za gnezdenje ptic. Vendar pa je ptičji trus vodljiv. Ko je izkakšan na nizke izolatorje, lahko ustvari vodljivo pot med vodnikom in talo, kar lahko povzroči proženje, talni krš ali celo krajšanje faza. Zato so električne vodnike zelo občutljive na to, kar bi lahko imenovali "zlobne ptice". Poleg tega lahko tudi visoke drevesa blizu vodnih črt (ali koridorjev) ogrozijo varnost delovanja - na primer z kršitvijo razdalje do tla ali s krajšanjem faz - in morajo zato redno prstati.