Proč jsou vedení elektrické distribuce na elektrických sloupech a věžích volně zavěšená

Proč jsou vedení elektrické distribuce na elektrárnách a vysílacích věžích volně zavěšená?

V dnešní době rychlého technologického pokroku se přeprava lidí, zboží a služeb stala mnohem jednodušší. Geografická vzdálenost již není nepřekonatelným překážkou. Stejně jako lze tělesné objekty efektivně přenášet na velké vzdálenosti, musí být i elektrina přenášena široko daleko. Avšak na rozdíl od fyzických zboží potřebuje elektrina médium pro svou cestu.

Možná jste často pozorovali, že vedení elektrické distribuce zavěšená na sloupech a vysílacích věžích vypadají volně, místo aby byla pevně upevněna. Tento pohled často vyvolává otázku: Proč nejsou tyto vedení upevněna pevněji?

V této zkoumání odhalíme důvody za volnost vedení na sloupech a nutnost propadu jak v distribučních, tak v přenosových vedeních. Než se ponoříme do detailních vysvětlení, projděme si nejdříve některé základní body, které posílí naše porozumění tohoto elektrotechnického jevu.

Elektrický přenos: principy, ztráty a komponenty

Základy přenosu elektrické energie

Mocnost představuje rychlost, s jakou je práce provedena. V kontextu elektriky je práce splněna, když elektrická energie projde určitou vzdálenost. Mocnost lze tedy definovat jako množství energie dodané za jednotku času. Pro přepravu elektriky na velké vzdálenosti slouží vedení jako nezbytné médium pro tento přenos.

Aktivní mocnost, která představuje část elektrické mocnosti, která provádí užitečnou práci, se obvykle měří v wattech. Při přenosu elektrické energie je preferovanou metodou pro úsporu energie vysokotlaký přenos. To proto, že proud průchodem vodičem vytváří teplo, což může být velmi škodlivé. Teplo způsobuje degradaci elektrických vedení v průběhu času, což vede ke snížení životnosti a možným selháním. Aby se minimalizovaly ztráty energie a zachovala přenášená mocnost, je efektivnější snížit množství elektrického proudu průchodem vedení a zvýšit napětí. Tento přístup, známý jako vysokotlaký přenos elektrické energie, efektivně snižuje mocnost rozptylenou jako teplo v přenosových vedeních.

Vedení a ztráty mocnosti

Během procesu přenosu elektrické energie se nějaká část elektrické mocnosti nevyhnutelně ztrácí do okolí. Toto se stává hlavně proto, že přenosová vedení nejsou plně izolována, což umožňuje disipaci tepla a elektrické uniky. Podle Ohmovy zákona je odpor (R) vodiče přímo úměrný jeho délce (L). V důsledku toho, jak se délka přenosového vedení zvětšuje, roste i jeho odpor. Kromě toho vzduch, který obklopuje přenosová vedení, je špatný vodič a nedokáže efektivně disipovat teplo generované proudem průchodem vedení.

Aby se tyto problémy zmírnila, jsou elektrická vedení konstruována s větším průřezem. Tento návrh je založen na skutečnosti, že odpor (R) vodiče je nepřímo úměrný jeho ploše průřezu. Zvětšením průměru vodiče se jeho plocha průřezu zvětší, což vede ke snížení odporu. Toto snížení odporu pak minimalizuje ztráty mocnosti způsobené generací tepla v přenosových vedeních.

Elektrické dráty a kabely

Elektrické kabely a dráty jsou vodiče, kterými elektrika putuje, a jsou převážně vyráběny z mědi kvůli její vynikající elektrické vodivosti. Nicméně, tyto vodiče nejsou složeny z čistého mědi. Aby se zlepšily jejich mechanické vlastnosti, jako je síla a trvanlivost, se měď spojuje s jinými prvky. Přidání těchto prvků nezpůsobuje snížení elektrické vodivosti mědi. Naopak, zlepšují mechanické charakteristiky vodiče, což zajišťuje, že může vydržet nároky instalace a provozu, zatímco udržuje schopnost efektivního přenosu elektriky.

Joulův zákon o elektrickém zahřívání

Ve skutečnosti žádné kovy nejsou opravdu čisté; čistota jakéhokoli kovu je vždy nižší než 100%. V důsledku toho mají všechny kovy vnitřní odpor. Když elektrický proud průchodem vodičem, energie se disipuje ve formě tepla. Množství tepla, které se vygeneruje, lze vypočítat pomocí Joulova zákona o elektrickém zahřívání, který poskytuje základní pochopení vztahu mezi elektrickým proudem, odporem a generací tepla v elektrických obvodech.

Ostatní formy Joulova zákona

Joulův zákon a vliv environmentálních faktorů na elektrická vedení

Jak ukazuje Joulův zákon o elektrickém zahřívání, teplo (P) vygenerované proudem elektronů průchodem vodičem je přímo úměrné odporu (R), času (t) a čtverci proudu I^2. Když elektrický proud průchodem vodičem, musí překonat odpor v materiálu. Tento odpor funguje jako překážka pro pohyb elektronů, což způsobuje, že proud disipuje energii ve formě tepla do okolí.

Vliv počasí a teploty na elektrická vedení

Odpor vodiče je významně ovlivněn teplotou. Jak se teplota vodiče zvyšuje, roste i jeho odpor. Tento jev nastává proto, že rostoucí teploty způsobují, že elektrony v vodiči získávají dodatečnou kinetickou energii, což vedou k více chaotickému a náhodnému pohybu. Tyto energetické elektrony často kolizují s atomy materiálu vodiče, což vede k vytváření tepla.

Excesivní teplo generované vodičem může představovat vážné nebezpečí, které může vést k tavení a selhání systému. Za horkého počasí se vodiče rozšiřují kvůli termickému roztažení, což způsobuje, že povrchové vedení se stávají volnější. Naopak, za chladného počasí se vodiče stahují, což může ovlivnit jejich mechanickou integritu a elektrické vlastnosti.

Napětí v elektrických vedeních

Napětí je síla, která vzniká v drátu nebo kabelu, když je podroben dvěma opačným silám. U povrchových vedení elektrické distribuce zavěšených mezi sloupy nebo vysílacími věžemi je napětí vždy přítomno. Pokud by byly dráty příliš utaženy, napětí by se značně zvýšilo. Toto zvýšené napětí způsobí, že dráty budou více zranitelné, protože i malé kontrakce nebo expanze způsobené změnami teploty nebo mechanickým stresem by mohly způsobit, že se přetrhnou.

Nutnost propadu v distribučních a přenosových vedeních

Propad v přenosových vedeních je viditelný dolů zakřivení nebo záhyb kabelů mezi nosnými strukturami, jako jsou sloupy nebo věže. Tato křivka je přirozeným výsledkem kombinace hmotnosti drátu a napětí, které na něj působí.

Význam volně zavěšených povrchových vedení a propadu v elektrické distribuci

Během dlouhodobého přenosu a distribuce elektriky je disipace tepla nevyhnutelným důsledkem. Vysokotlaký přenos se používá jako strategická opatření k minimalizaci tepla generovaného v vodičích. To proto, že podle principů elektrotechniky snížení proudu (zvýšením napětí) významně snižuje mocnost rozptylenou jako teplo (podle Joulova zákona P = I^2R). Kromě toho počasí a vnitřní fluktuace teploty v drátech vyžadují, aby povrchové vedení byly instalovány s určitou mírou volnosti.

Pokud by byly vedení elektrické distribuce naměřena, mohl by stud způsobit kontrakci v přenosových vedeních. Tato kontrakce by vedla k výraznému zvýšení napětí v vedeních. Zvýšené napětí by mohlo způsobit vážné poškození drátů a kabelů, což by mohlo vést k výpadkům elektriky, bezpečnostním rizikům a nákladným opravám. Aby se takové škodlivé výsledky zabránily, jsou vedení elektrické distribuce úmyslně instalovány s volnou páskou. Tento design umožňuje, aby se vedení kontraktovala nebo expandovala s teplotními změnami bez zkušenosti s přílišným napětím, což chrání integritu elektrické infrastruktury.

Propad, dolů zakřivení vedení elektrické distribuce mezi nosnými strukturami, není pouze estetickým prvkem, ale nezbytnou a klíčovou součástí systémů elektrické distribuce. Slouží jako ochrana proti přehřátí tím, že poskytuje dostatek prostoru pro vedení, aby se mohla rozšířit za vysokoteplotních podmínek, což snižuje pravděpodobnost nadměrného odporu a následné generace tepla. Kromě toho propad efektivně minimalizuje napětí v vedeních, zabráňuje jim podlehnutí mechanickému stresu způsobenému faktory, jako jsou teplotní změny, větrné zatížení a ledové akumulace.

V podstatě hraje propad klíčovou roli v zajištění bezpečnosti, spolehlivosti a prodloužení životnosti systémů elektrické distribuce. Udržováním optimálního stupně propadu inženýři mohou zaručit hladký a efektivní provoz sítě, minimalizovat riziko nehod, výpadků elektriky a nákladného poškození infrastruktury. Tento pečlivý rovnováha mezi napětím, teplotou a mechanickým stresem je klíčová pro trvalý úspěch moderních sítí elektrické distribuce.