Miksi yläjohdot ovat löysiä sähköpiloissa ja tornissa?
Miksi sähkölinjat ovat löysät sähkölavoilla ja siirtolinjoilla?
Nykyajan nopeasti kehittyvän teknologian aikana ihmisten, tavarojen ja palvelujen kuljetus on tullut huomattavasti helpommaksi. Maantieteellinen etäisyys ei enää ole este. Aivan kuten näitä konkreettisia asioita voidaan tehokkaasti kuljettaa pitkiä matkoja, myös sähkö tarvitsee kuljetusta kauas. Kuitenkin, erona fysisiltä tavaroilta, sähköllä on oltava mediumi sen matkaan.
Olet ehkä usein huomannut, että sähkölinjat, jotka ripustetaan sähkölavoille ja siirtolinjoille, näyttävät olevan löysänä, eivätkä tiukasti kiinnitetynä. Tämä näkyvä ilmiö usein herättää kysymyksen: Miksi näitä linjoja ei kiinnitetä tiukemmin?
Tässä tutkimuksessa selvitämme sähkölinjojen löyseudesta lavojen ja sekä jakelulinjojen että siirtolinjojen venymisen tarpeesta. Ennen syvällisempiä selityksiä, käymme läpi joitakin olennaisia kohtia, jotka parantavat ymmärrystämme tästä sähkötekniikan ilmiöstä.
Sähkönsiirto: Periaatteet, hukkapuolet ja komponentit
Sähkönsiirron perusteet
Voima edustaa työn suoritusnopeutta. Sähkön yhteydessä työ suoritetaan, kun sähköenergia kulkee etäisyyden yli. Näin voimaa voidaan määritellä energian määräksi, joka toimitetaan aika yksikköä kohden. Pitkiä etäisyyksiä varten sähkölinjat toimivat olennaisena mediunina tämän siirron kannalta.
Aktiivivoima, joka on sähkövoiman osa, joka suorittaa hyödyllistä työtä, mitataan yleensä wattina. Sähkönsiirrossa korkean jännitteen siirto on suosittu energia-säästömenetelmä. Tämä johtuu siitä, että virta, joka kulkee johtimen läpi, tuottaa lämpöä, mikä voi olla erittäin haitallista. Lämpö aiheuttaa sähkölinjojen rappeutumisen ajan mittaan, mikä johtaa ennenaikaiseen kuluvuuteen ja potentiaalisiin epäonnistumisiin. Energiaviipaleiden ja siirrettävän voiman säilyttämiseksi on tehokasta vähentää kulkevaa sähkövirtaa linjoissa ja lisätä jännitettä. Tätä menetelmää, tunnetaan korkean jännitteen sähkönsiirtotekniikkana, joka tehokkaasti vähentää lämpöä, joka hukkuu siirtolinjoissa.
Johtaminen ja voimahukka
Sähkönsiirron aikana osa sähkövoimasta hukkuu ympäristöön. Tämä tapahtuu pääasiassa siksi, että siirtolinjat eivät ole täysin eristettyjä, mikä mahdollistaa lämpöenergian hajottumisen ja sähkövuodon. Ohmin lain mukaan johtimen vastus (R) on suoraan verrannollinen sen pituuteen (L). Näin ollen, mitä pidempi siirtolinja on, sitä suurempi on sen vastus. Lisäksi ilma, joka ympäröi siirtolinjoja, on heikko johtaja eikä pysty tehokkaasti häipyttämään lämpöä, jota virta johtimeen kulkiessaan tuottaa.
Näiden ongelmien lievittämiseksi sähkölinjat on suunniteltu suuremmalla halkaisijalla. Tämä suunnittelupäätös perustuu siihen, että johtimen vastus (R) on käänteisesti verrannollinen sen poikkileikkauksen pinta-alaan. Suurennettuaan johtimen halkaisijaa, sen poikkileikkauksen pinta-ala kasvaa, mikä johtaa vastuksen vähenemiseen. Tämä vastuksen väheneminen puolestaan vähentää voimahukkaa, joka johtuu lämpöenergian tuotosta siirtolinjoissa.
Sähköjohtimet ja -kaapeli
Sähkökaapelit ja -johtimet ovat johtimia, joiden kautta sähkö kulkee, ja ne valmistetaan pääasiassa kuparista sen erinomaisen sähköjohtavuuden vuoksi. Kuitenkaan nämä johtimet eivät ole tehty puhtaasta kuparista. Mekaanisten ominaisuuksien, kuten vahvuuden ja kestävyyden parantamiseksi kupari sekoitetaan muihin alkuaineisiin. Nämä lisäykset eivät vaaranna kuparin sähköjohtavuutta. Sen sijaan ne parantavat johtimen mekaanisia ominaisuuksia, varmistamalla, että se pystyy kestämään asennuksen ja toiminnan haasteet samalla, kun se ylläpitää kykyään tehokkaasti siirtää sähköä.
Joulen laki sähkölämmönnästä
Todellisuudessa ei ole mitään metallia, joka olisi todella puhtaa; kaikkien metallien puhtaus on aina alle 100%. Tämän seurauksena kaikki metallit omistavat sisäistä vastusta. Kun sähkövirta kulkee johtimen läpi, energia hajottuu lämpöenergiaksi. Lämpöenergian määrä voidaan laskea Joulen laista sähkölämmönnästä, joka antaa perustavanlaatuisen ymmärryksen sähkövirtan, vastuksen ja lämpöenergian tuotannon välisestä suhteesta sähköverkoissa.
Muut muodot Joulen laista
Joulen laki ja ympäristötekijöiden vaikutus sähköjohtimiin
Kuten Joulen laki sähkölämmönnästä osoittaa, lämpö (P), jonka elektronien virtaus tuottaa johtimessa, on suoraan verrannollinen vastuuseen (R), aikaan (t) ja virran neliöön I^2. Kun sähkövirta kulkee johtimen läpi, se on pakotettu ylittämään materiaalin vastus. Tämä vastus toimii esteenä elektronien liikkeelle, mikä saa virran hajottamaan energiaansa lämpöenergiaksi ympäristöön.
Säätilan ja lämpötilan vaikutus sähköjohtimiin
Johtimen vastus on merkittävästi riippuva lämpötilasta. Kun johtimen lämpötila nousee, niin nousee myös sen vastus. Tämä ilmiö johtuu siitä, että korkeampi lämpötila antaa johtimen elektronien lisää kinettistä energiaa, mikä johtaa satunnaisempaan ja epäsäännöllisempään liikkeeseen. Nämä energiset elektronit törmäävät usein johtimateriaalin atomeihin, mikä tuottaa lämpöä prosessissa.
Liiallinen lämpö, jonka johtin tuottaa, voi aiheuttaa vakavan uhan, jopa sulattamalla johtimen ja johtamaan järjestelmän epäonnistumiseen. Kuumassa säätä johtimet laajenevat termisen laajenemisen vuoksi, mikä tekee ylälaidoista löysämmiksi. Toisaalta, kylmässä säätä johtimet supistuvat, mikä voi vaikuttaa myös niiden mekaaniseen kokonaisuuteen ja sähköiseen toimintaan.
Jännitys sähköjohtimissa
Jännitys on voima, joka syntyy langassa tai kaapelissa, kun se altistutaan kahdelle päinvastaiselle voimalle. Ylälaidoissa, jotka on ripustettu sähkölavoille tai siirtolinjoille, jännitys on aina läsnä. Jos jäykkästi kiinnitetään, jännitys kasvaisi huomattavasti. Tämä korkea jännitys tekee laidoista alttiimpia vaurioille, sillä jopa pienet supistumat tai laajenemiset lämpötilan vaihteluista tai mekaanisista rasituksista voisivat saada ne rikkoutumaan.
Venymän tarve jakelu- ja siirtolinjoissa
Siirtolinjoissa havaittava venymä on kaapelin huomaavainen alas kaareva kurssi tai taipuma tukirakenteiden, kuten lavojen tai tornien, välillä. Tämä kaarevuus on luonnollinen seuraus kaapelin painon ja jännityksen yhteisvaikutuksesta.
Löysien ylälaidojen ja venymän merkitys sähkönsiirrossa
Pitkiä etäisyyksiä varten sähkönsiirrossa ja -jakelussa lämpöenergian hajoaminen on väistämätöntä. Korkean jännitteen siirto otetaan käyttöön strategisena toimenpiteenä sähköjohtimien sisällä tuotetun lämpöenergian vähentämiseksi. Tämä johtuu sähkötekniikan periaatteista, joiden mukaan virtaa (lisäämällä jännitettä) merkittävästi vähennetään voimaa, joka hukkuu lämpöenergiaksi (Joulen lain P = I^2R mukaisesti). Lisäksi säätöolosuhteet ja langojen sisäiset lämpötilan vaihtelut edellyttävät, että ylälaidot asennetaan tietyllä määrällä löysyyttä.
Jos sähkölinjat olisivat tiukasti kiinnitetty, kylmä sääolosuhteet voisivat aiheuttaa siirtolinjoissa supistumista. Tämä supistuminen johtaisi huomattavaan jännityksen kasvuun linjoissa. Korkea jännitys voisi aiheuttaa vakavia vahinkoja johtimille ja kaapeleille, mikä saattaisi johtaa sähkökatkoksiin, turvallisuusriskiin ja kalliisiin korjauksiin. Välttääksesi tällaiset haitalliset tulokset, sähkölinjat asennetaan tahallisesti löysinä. Tämä suunnitelma sallii linjojen supistua tai laajentua lämpötilan muutosten kanssa ilman, että ne kokevat liiallista jännitystä, mikä suojelee sähköinfrastruktuurin eheyttä.
Venymä, eli siirtolinjojen johtimien alas kaareva kurssi tukirakenteiden välissä, ei ole pelkästään estetiikkaa, vaan pakollinen ja kriittinen osa sähkönsiirtojärjestelmiä. Se toimii suojana ylikuumenemiselle tarjoten riittävästi tilaa johtimille laajentua korkeissa lämpötiloissa, vähentäen liiallisen vastuksen ja lämpöenergian tuotannon riskiä. Lisäksi venymä tehokkaasti vähentää jännitystä linjoissa, estäen ne alistumasta mekaaniseen stressiin, kuten lämpötilavaihtelut, tuulen kuormitus ja jään kertyminen.
Periaatteessa venymä on keskeisessä roolissa sähkönsiirtojärjestelmien turvallisuuden, luotettavuuden ja pitkäikäisyyden takaamisessa. Optimaalisen venymän ylläpitämällä insinöörit voivat taata verkon sujuvan ja tehokkaan toiminnan, vähentäen onnettomuuksien, sähkökatkojen ja kalliiden infrastruktuurivahingoitten riskiä. Tämä huolellinen tasapaino jännityksen, lämpötilan ja mekaanisen stressin välillä on välttämätöntä modernien sähköjakelujärjestelmien jatkuvan menestyksen kannalta.
