Повітряні лінії електропередачі та вежі: Типи, конструкція та безпека
Окрім підстанцій екстремально високого напруги, що ми зустрічаємо частіше, це лінії передачі та розподілу електроенергії. Високі вежі несуть провідники, які перескакують через гори і моря, простягаючись на відстані, поки не досягають міст і сіл. Це також цікава тема — сьогодні давайте дослідимо лінії передачі та підтримуючі їх вежі.
Передача та розподіл електроенергії
Спочатку давайте зрозуміємо, як доставляється електроенергія. Електроенергетична галузь переважно складається з чотирьох етапів: виробництво, передача, (підстанція) розподіл та споживання.
Виробництво включає різні типи генераторів електроенергії — традиційні, такі як вугільне та водне електростанції, а також сучасні джерела, такі як вітрова та сонячна енергія. Усі ці джерела входять до категорії виробництва.
Передача залежить від ліній передачі та веж.
Підстанція (або трансформація) використовує в основному трансформатори. Підвищувальні трансформатори на електростанціях збільшують напругу для ефективної передачі на великі відстані, тоді як понижувальні трансформатори на стороні розподілу зменшують напругу до рівнів, придатних для регіональних мереж розподілу та кінцевих користувачів.
Розподіл на стороні споживача включає різні понижувальні трансформатори, а також середньо- та низьковольтове обладнання, комутаційну апаратуру та проводку.
Споживання стосується електричних пристроїв у домах, а також використання електроенергії в муніципальній інфраструктурі, будівлях, промислових об'єктах та інших застосуваннях.
З точки зору структури, лінії передачі поділяються на два основні типи: надземні лінії передачі та кабельні лінії. Нижче представлений схематичний діаграма системи передачі електроенергії:
Які рівні напруги прийнятні для передачі електроенергії на великі відстані? Для зменшення втрат та підвищення ефективності, зазвичай використовуються напруги струму чергової полярності 500 кВ та вище. Напруги в діапазоні 500 кВ–750 кВ класифікуються як екстремально високі напруги (EHV), тоді як системи 1000 кВ відомі як екстремально високі напруги (UHV). Натомість, лінії, що працюють від середньої напруги до 110 кВ–330 кВ, зазвичай класифікуються як лінії розподілу. Зверніть увагу, що ці класифікації можуть змінюватися зі зростанням попиту на енергію, ємності системи та шаблонів розподілу енергії.
Рівні напруги відносяться до напруги між фазами — тобто, напруга між будь-якими двома з трьох фаз (A, B та C). 220 вольт, які використовуються в домашніх умовах, є фазною напругою, тобто напругою між будь-якою однією фазою та землею. Насправді, постачання електроенергії в житлові будинки походить від системи напруги 380 вольт. Лише при вході в будівлю три фази (A, B та C) розділяються — кожна фаза може живлення різних одиниць житлового будинку. Те, що ви часто бачите в містах або житлових спільнотах, це квадратна, коробкоподібна конструкція — це підстанція у коробці (або коробчаста підстанція) (як показано на малюнку нижче).
Коробчаста підстанція інтегрує середньовольтове обладнання, трансформатори та низьковольтові пристрої розподілу. Вона перетворює міську мережу середнього напругу (звичайно 10 кВ або 20 кВ) на 380 В, придатні для житлового або муніципального використання. Ви можливо не побачите проводки, оскільки сучасні міські мережі розподілу в Китаї переважно використовують підземні кабелі. Однак, в деяких старих житлових районах або сільських районах, ви все ще можете спостерігати надземні лінії, які з'єднують трансформатори, а потім йдуть до будівель або окремих споживачів.
На відкритих територіях, надземні лінії передачі, які ми зазвичай бачимо, складаються з веж та провідників. Існує різні типи веж, а лінії передачі класифікуються як постійного струму (DC) або чергової полярності (AC).
Виробництво та споживання електроенергії в Китаї має значну географічну дисбаланс. Багаті енергетичні ресурси, такі як вугілля, вітрило, сонячна та водна енергія, концентруються в великих західних регіонах, тоді як основні центри завантаження знаходяться на відстані тисяч кілометрів у центральних та східних регіонах. Цей географічний дисбаланс робить передачу електроенергії на великі відстані важливим рішенням.
У останні роки, зі швидким розвитком великих баз вітрильних та сонячних електростанцій, потреба у передачі електроенергії на великі відстані продовжує зростати. Як опора передачі електроенергії, будівництво мереж екстремально високих напруг (UHV) прискорилося, забезпечуючи сильний імпульс для енергетичної трансформації та сталого розвитку в Китаї. Усі ці системи передачі на великі відстані залежать від веж та надземних ліній для з'єднання мережі.
Надземні лінії передачі
Надземна лінія передачі складається з провідників, підвішених на вежах за допомогою ізоляторів та металевих деталей, забезпечуючи безпечну відстань між провідниками та землею або будівлями. Основною функцією лінії передачі є доставка електроенергії, з'єднання електростанцій та підстанцій, можливість паралельної роботи та інтеграція електроенергетичної системи в єдину мережу.
Надземні лінії мають переваги, такі як менші витрати на інвестиції, швидке будівництво, простий та зручний монтаж, легка ідентифікація аварій та потенційних небезпек, а також простий догляд та ремонт. Для передачі на великі відстані надземні лінії використовуються переважно через їхню високу пропускну здатність. Чим довша відстань передачі, тим вищий необхідний рівень напруги.
Однак, оскільки надземні лінії широко розподілені та працюють постійно в зовнішніх умовах, вони часто відчувають вплив оточуючих умов та природних факторів. Це призводить до різних аварійних ситуацій, включаючи удар молокою, вітрові завали, намерзання льоду, загрязнення, зовнішні втручання, коливання провідників та інциденти, пов'язані з птахами.
Крім того, працюючи з високовольтним комутаційним обладнанням, інженери часто мають справу з високовольтними (HV), надвисоковольтними (EHV) та ультрависоковольтними (UHV) системами, більшість яких пов'язані через надземні лінії. Відповідно, технічні вимоги до високовольтного обладнання є тісно пов'язаними з умовами роботи ліній — такими як робоче середовище та експлуатаційні умови. Розуміння характеристик та типових дефектів надземних ліній є важливим для засвоєння технічних специфікацій високовольтного обладнання.
Компоненти надземних передавальних ліній
Основні компоненти надземної передавальної лінії включають фундаменти, опори, провідники, ізолятори, арматуру (фітинг), захисні пристрої від гроз (такі як надземні заземлювальні дроти та перехоплювачі відсипів), та системи заземлення. Сучасні лінії можуть також включати допоміжні компоненти, такі як оптичний заземлювальний дріт (OPGW) та системи зв'язку по лініях передачі електроенергії.
(1) Провідники
Провідники передають струм та доставляють електричну енергію. Для стандартних ліній типово використовується один провідник на фазу. Однак, для EHV та високовмісних передавальних ліній, зазвичай приймаються зв'язані провідники — з двох, трьох, чотирьох або більше підпровідників (часто розташованих в колі). Це зменшує коронування, мінімізує втрати потужності та зменшує завади радіо, телебаченню та іншим засобам зв'язку.
(2) Захисні (заземлювальні) дроти та системи заземлення
Захисні дроти підвішуються на вершині опор передачі та підключені до системи заземлення на кожній опорі через земляні провідники. При ударі блискавки, захисний дріт, розташований над фазовими провідниками, перехоплює блискавку, безпечно переадресовуючи струм через систему заземлення у землю. Це зменшує ймовірність прямих ударів блискавки в провідники, захищає ізоляцію лінії від пошкоджень від перевищень напруги та забезпечує надійну роботу. Захисні дроти зазвичай встановлюються вздовж всієї довжини ліній, оцінених 110 кВ і вище, та зазвичай виготовлені з гальмованої сталевої нитки.
(3) Опори (пилони)
Опори підтримують провідники та захисні дроти разом з пов'язаною арматурою, забезпечуючи безпечні електричні відстані між провідниками, опорами, землею та будь-якими перетинами конструкцій або будівель.
(4) Ізолятори та стрічки ізоляторів
Ізолятори є ключовими ізоляційними компонентами передавальної лінії. Вони підтримують або підвішують провідники, одночасно електрично ізольюючи їх від опор, забезпечуючи надійну диелектричну стійкість. Піддавані механічному напруженню, електричній напругі та корозійним атмосферним газам, ізолятори повинні мати достатню механічну стійкість, ізоляційну продуктивність та стійкість до вироблення.
(5) Арматура (фітинг)
Арматура передавальної лінії відіграє ключову роль у підтримці, захисті, з'єднанні та захисті провідників та заземлювальних дротів, забезпечуючи надійне та міцне з'єднання. Арматура класифікується на п'ять основних типів залежно від функції: зажими, з'єднуюча арматура, сполучна арматура, захисна арматура та арматура для вант.
(6) Фундаменти
Фундамент закріплює опору в землі, запобігаючи нахилу, зрушенню або осіданню.
Ми детально розглянемо кожен з цих компонентів у наступних дискусіях.
(7) Опори (пилони)
Існує багато типів передавальних ліній та опор, з рівнями напруги, що досягають 1000 кВ. Матеріали для опор включають дерево, бетон, сталеві решітки та сталеві трубчасті конструкції, а їх форми та дизайн сильно відрізняються. Метою передавальної лінії є доставка електричної енергії з одного кінця на інший з мінімальними втратами. Тому, в рамках однієї класу напруги, лінії проектуються з метою мінімізації імпедансу та максимізації площі поперечного перерізу провідника. Опори служать для підтримки ліній та запобігання контакту з іншими провідними об'єктами, які могли б спричинити заземлення. Тому вони будується високими та структурно стабільними. Нижче показані типові типи опор.
Залежно від їх фактичної функції в інженерних застосуваннях, опори поділяються на декілька типів: прямолінійні (підвіски) опори, кутові (кутові) опори (використовуються для зміни напрямку), крайні опори (для підключення до та від підстанцій), опори для перестановки фаз (використовуються для обертання фаз) та великопересічні опори (призначені для переходу через великі річки, озера або протоки). У основі кожного пилону знаходиться фундамент. Провідники підвішуються на поперечні балки через стрічки ізоляторів.
Якщо ви уважно подивитесь на сталеву решітчасту опору, ви помітите два маленькі "роги", що простягаються вгору — по одному з кожної сторони, несучі тонкі дроти. Це не для передачі електроенергії; це надземні заземлювальні дроти (захисні дроти), також відомі як земляні дроти, використовуються для захисту від гроз.
Опори передавальних ліній мають різні форми. Для одноколійних ліній, типові конфігурації включають "бокал для вина" з горизонтально розташованими провідниками та "котячий очі" з трикутною розташуванням провідників. У районах з обмеженою правою полосою або в економічно розвинених регіонах, де земля є невеликою, часто використовуються компактні опори, які носять два або навіть чотири колії на одній структурі. Для ультрависоковольтних (UHV) DC передавальних ліній, також існують T-тип опор, які підтримують два колії, що висять нижче — з одного боку додатний полюс, а з іншого — від'ємний полюс.
Коридор передавальної лінії — це смугова область, що розширюється поперек від найдальших провідників високовольтної надземної лінії електропередач. Його ширина визначається рівнем напруги та регулюється відповідно до Правил захисту електроенергетичних об'єктів. Наприклад, захищена зона для лінії 500 кВ становить 20 метрів. Хоча обмежені сільськогосподарські роботи дозволені в цій зоні, складання горючих матеріалів або будівництво будівель категорично заборонено.
Можливо, ви також помітили багато шипастих пристроїв та маленьких «вітряних меленок», встановлених на опорах передачі. Для чого вони? Це всі пристрої для відлякування птахів! Протипташині шипи запобігають будівництву гнізд, а маленькі крутячіся «вітряні меленки» відлякують птахів — обидва ці пристрої зазвичай монтується на опорах.
Конструкція опор передачі надає ідеальне місце для птахів, щоб будувати гнізда. Однак, поміт птахів є провідним. Коли вони викидаються на ряди ізоляторів, можуть утворювати провідний шлях між провідником та землею, що потенційно може спричинити пробій, заземлення або навіть коротке замикання між фазами. Тому лінії електропередачі дуже чутливі до того, що можна назвати «сердитими птахами». Крім того, високі дерева поблизу ліній передачі (або коридорів) також можуть загрожувати безпечному функціонуванню, наприклад, призводячи до порушення мінімально допустимої відстані від землі або коротких замикань, тому їх регулярно необхідно подрібнювати.
