Защо високонапреговите линии са разхлабени на електрическите стълбове и кули?

Защо високонапрегнатите електрически линии са разхлабени на електропостове и трансформаторни стълбове?

В днешната ера на бързото технологично развитие, превозът на хора, стоки и услуги стана значително по-лесен. Географското разстояние вече не е непреодолимо препятствие. Така както тези видими обекти могат да бъдат ефективно превозвани на далечни разстояния, електричеството също трябва да бъде предавано широко. Обачно, в противоречие с физическите стоки, електричеството изисква средство за своето пътуване.

Можете често да наблюдавате, че електрическите линии, подвесени на електропостове и трансформаторни стълбове, изглеждат разхлабени, вместо да са затегнати. Това зрелище често предизвиква въпроса: Защо тези линии не са по-здраво закрепени?

В това проучване ще открием причините за разхлабеността на електрическите линии на стълбовете и необходимостта от провисане както в разпределителните, така и в транспортните линии. Преди да се задълбочим в подробните обяснения, нека първо преценим някои основни точки, които ще улеснят нашето разбиране на този електротехнически феномен.

Предаване на енергия: принципи, загуби и компоненти

Основи на предаването на енергия

Енергията представлява скоростта, с която се извършва работа. В контекста на електричеството, работата се извършва, когато електрическата енергия преодолява разстояние. Следователно, енергията може да бъде дефинирана като количеството енергия, доставено за единица време. За да се превозва електричество на далечни разстояния, електрическите линии служат като основно средство за този превоз.

Активната мощност, която извършва полезна работа, обикновено се измерва в ватове. Когато става дума за предаване на енергия, предпочитан метод за спестяване на енергия е високонапрегнатото предаване. Това е така, защото електрическият ток, протичащ през проводник, генерира топлина, която може да бъде много вредна. Топлината причинява деградация на електрическите линии с течение на времето, водейки до преждевременно износване и потенциален отказ. За да се минимизират загубите на енергия и да се запази предаваната мощност, е по-ефективно да се намали количеството на електрическия ток, протичащ през линиите, докато напрежението се увеличава. Този подход, известен като високонапрегнато предаване на енергия, ефективно намалява мощността, разсейвана като топлина в предавателните линии.

Проводимост и загуби на мощност

По време на процеса на предаване на енергия, част от електрическата мощност неизбежно се губи в околната среда. Това се случва главно защото предавателните линии не са напълно изолирани, позволявайки топлинното разсейване и електрическата утечка. Според законите на Ом, съпротивлението (R) на проводника е директно пропорционално на неговата дължина (L). Следователно, колкото повече е дължината на предавателната линия, толкова повече е нейното съпротивление. Освен това, въздухът, който обгражда предавателните линии, е слаб проводник и не може ефективно да разсейва топлината, генерирана от електрическия ток, протичащ през линиите.

За да се намалят тези проблеми, електрическите линии са конструирани с по-големи диаметри. Този избор на дизайн е основан на факта, че съпротивлението (R) на проводника е обратно пропорционално на неговата сечение площ. Чрез увеличаването на диаметъра на проводника, неговата сечение площ се увеличава, водейки до намаление на съпротивлението. Това намаление на съпротивлението, от своя страна, минимизира загубите на мощност, породени от генерирането на топлина в предавателните линии.

Електрически жици и кабели

Електрическите кабели и жици са проводниците, през които електричеството пътува, и те са преобладаващо направени от мед поради нейната отлична електрическа проводимост. Обачно, тези проводници не са съставени от чиста медь. За да се подобрят техните механични свойства, като прочност и издръжливост, месингът се сплавява с други елементи. Добавянето на тези елементи не компрометира електрическата проводимост на медта. Вместо това, те подобряват механичните характеристики на проводника, гарантирайки, че той може да издържи трудностите на инсталацията и експлоатацията, докато запазва способността си да предава електричество ефективно.

Закон на Джоул за електрическото затопляне

В реалността, никой метал не е истински чист; чистотата на всеки метал винаги е по-малка от 100%. Следователно, всички метали имат вътрешно съпротивление. Когато електрически ток протича през проводник, енергията се разсейва във формата на топлина. Количеството генерирана топлина може да бъде изчислена чрез закона на Джоул за електрическото затопляне, който предоставя основно разбиране за връзката между електрически ток, съпротивление и генериране на топлина в електрическите вериги.

Други форми на закона на Джоул

Законът на Джоул и влиянието на околната среда върху електрическите линии

Както сочи законът на Джоул за електрическото затопляне, топлината (P), генерирана от протичането на електрони през проводник, е директно пропорционална на съпротивлението (R), времето (t) и квадрата на тока I^2. Когато електрически ток протича през проводник, той трябва да преодолее съпротивлението в материалa. Това съпротивление действа като пречка за движението на електроните, причинявайки тока да разсейва енергия във формата на топлина в околната среда.

Влиянието на климата и температурата върху електрическите линии

Съпротивлението на проводника е значително влияно от температурата. Когато температурата на проводника се увеличава, съпротивлението му също се увеличава. Този феномен се случва, защото повишаването на температурата причинява електроните в проводника да получат допълнителна кинетична енергия, водейки до по-хаотично и случайно движение. Тези енергийни електрони често се сблъскват с атомите на материала на проводника, генерирайки топлина в процеса.

Преизлишната топлина, генерирана от проводника, може да представлява сериозна заплаха, потенциално причинявайки топене на проводника и водейки до системни откази. При горещи климатични условия, проводниците се разширяват поради термично разширение, причинявайки надвисналите жици да станат по-разхлабени. От друга страна, при студени климатични условия, проводниците се свиват, което също може да повлияе на техните механични свойства и електрическата производителност.

Напрежение в електрическите линии

Напрежението е сила, която възниква в жица или кабел, когато е подложена на две противоположни сили. В случая на надвиснали електрически линии, подвесени между електропостове или трансформаторни стълбове, напрежението винаги е присъщо. Ако жиците бяха затегнати прекомерно, напрежението би се увеличило значително. Това повишено напрежение прави жиците по-уязвими към повреди, тъй като дори малки съкращения или разширявания, причинени от промени в температурата или механично напрежение, биха могли да ги кастрат.

Необходимостта от провисане в разпределителните и транспортните линии

Провисането в транспортните линии е забележимата надолу извитост или изпъкналост на кабелите между опорни конструкции като стълбове или кули. Тази извитост е естествен резултат от комбинирания ефект на теглото на жицата и напрежението, действащо върху нея.

Значението на разхлабените надвиснали електрически линии и провисането в електрическото предаване

По време на дългото предаване и разпределение на електричество, разсейването на топлина е неизбежен резултат. Високонапрегнатото предаване се използва като стратегическа мярка, за да се минимизира генерираната топлина в проводниците. Това е така, защото, според принципите на електротехниката, намаляването на тока (чрез увеличаване на напрежението) значително намалява мощността, разсейвана като топлина (според закона на Джоул P = I^2R). Освен това, климатичните условия и вътрешните температурни колебания на жиците изискват надвисналите електрически линии да бъдат инсталирани с определена степен на разхлабеност.

Ако електрическите линии бяха затегнати, студен период би могъл да предизвика съкращение в транспортните линии. Това съкращение би довело до значително увеличение на напрежението в линиите. Повишено напрежение може да причини сериозни повреди на жиците и кабелите, потенциално водейки до прекъсвания на електроенергията, безопасностни рискове и скъпи ремонти. За да се избегнат такива неблагоприятни последствия, електрическите линии се инсталират нарочно с разхлабеност. Този дизайн позволява на линиите да се съкращават или разширяват с промените в температурата без да изпитват прекомерно напрежение, което гарантира целостта на електрическата инфраструктура.

Провисането, надолу извитостта на транспортните линии между опорни конструкции, не е само естетична особеност, но и задължителен и критичен компонент на електрическите системи за предаване. То служи като защита срещу прекомерно затопляне, като осигурява достатъчно пространство за жиците да се разширяват при високи температури, намалявайки вероятността за прекомерно съпротивление и следващото генериране на топлина. Освен това, провисането ефективно намалява напрежението в линиите, предотвратявайки тяхното подлагане на механично напрежение, причинено от фактори като вариации в температурата, ветрови нагласи и натрупване на лед.

По същество, провисането играе ключова роля в гарантирането на безопасността, надеждността и продължителния живот на електрическите системи за предаване. Поддържайки оптимално ниво на провисане, инженерите могат да гарантират гладката и ефективна операция на мрежата, минимизирайки риска от аварии, прекъсвания на електроенергията и скъпи повреди на инфраструктурата. Тази внимателна балансираност между напрежение, температура и механично напрежение е съществена за продължаващия успех на модерните електрически разпределителни мрежи.