Hvorfor er luftledninger slappe på elektriske stolper og tårn?

Hvorfor er overføringskabler slappe på strømmastene og transmisjonstårn?

I dagens tidsalder med rask teknologisk utvikling har transport av mennesker, varer og tjenester blitt betydelig enklere. Geografisk avstand er lenger et formidabel hinder. Akkurat som disse materielle enhetene kan effektivt overføres over lange avstander, må også elektrisitet sendes langt unna. Imidlertid, i motsetning til fysiske varer, krever elektrisiteten et medium for sin reise.

Du kan ha ofte observert at kablene for strømoverføring som henger fra strømmastene og transmisjonstårn ser ut til å være slappe, snarere enn å være stramt festet. Dette synet gir ofte opphav til spørsmålet: Hvorfor er ikke disse linjene mer stramt fastsatt?

I denne undersøkelsen vil vi avdekke grunnene bak slappheten i strømkablene på mastene og nødvendigheten av sving i både distribusjons- og transmisjonslinjer. Før vi går inn på detaljerte forklaringer, la oss først se på noen viktige punkter som vil forbedre vår forståelse av dette elektrotekniske fenomenet.

Strømoverføring: Prinsipper, tap og komponenter

Grunnleggende prinsipper for strømoverføring

Kraft representerer hastigheten for utførelse av arbeid. I konteksten av elektrisitet utføres arbeid når elektrisk energi beveger seg over en avstand. Dermed kan kraft defineres som mengden energi levert per enhet tid. For å transporte elektrisitet over lange avstander, fungerer strømledere som det essensielle mediumet for denne overføringen.

Aktiv kraft, den delen av elektrisk kraft som utfører nyttig arbeid, måles typisk i watt. Når det gjelder strømoverføring, er høyspennsoverføring den foretrukne metoden for energibesparelse. Dette er fordi elektrisk strøm som flyter gjennom en ledere genererer varme, noe som kan være høy grad av skadevold. Varmen fører til at elektriske ledere forfaller over tid, noe som kan føre til for tidlig slitasje og potensiell feil. For å minimere energitap og bevare den overførte kraften, er det mer effektivt å redusere mengden elektrisk strøm som flyter gjennom ledene samtidig som spenningen økes. Denne metoden, kjent som høyspennsoverføring, reduserer effektivt kraften som dissiperes som varme i overføringsledene.

Konduksjon og krafttap

Under strømoverføringen blir noen elektrisk kraft uunngåelig tapt til omgivelsene. Dette skjer primært fordi overføringsledene ikke er fullstendig isolert, noe som tillater varmedissipasjon og elektrisk lekkasje. Ifølge Ohms lov er motstanden (R) til en ledere direkte proporsjonal med dens lengde (L). Så, jo lengre overføringsleden er, jo større blir dens motstand. I tillegg er luft, som omgir overføringsledene, en dårlig konduktor og er ikke i stand til å effektivt dissipere varmen generert av elektrisk strøm som flyter gjennom ledene.

For å mildne disse problemene, er elektriske ledere designet med større diameter. Dette valget er basert på at motstanden (R) til en ledere er invers proporsjonal med dens tværseksjonale areal. Ved å øke diameteren på ledere, øker dets tværseksjonale areal, noe som fører til en reduksjon i motstand. Denne reduksjonen i motstand, i sin tur, minimerer krafttap på grunn av varmegenerering i overføringsledene.

Elektriske tråder og kabler

Elektriske kabler og tråder er ledere som elektrisiten reiser gjennom, og de er hovedsakelig laget av kobolt på grunn av dets fremragende elektriske ledningsevne. Imidlertid er ikke disse ledere sammensatt av ren kobolt. For å forbedre deres mekaniske egenskaper, som styrke og holdbarhet, er kobolt legemengdet med andre elementer. Tilsetningen av disse elementene svekker ikke kobolts elektriske ledningsevne. I stedet forbedrer de mekaniske egenskapene til ledere, slik at de kan takle belastninger ved installasjon og drift samtidig som de beholder evnen til effektivt å overføre elektrisitet.

Joules lov om elektrisk varmegenerering

I virkeligheten er ingen metall rent; renheten av ethvert metall er alltid mindre enn 100%. Som en konsekvens av dette, har alle metaller intern motstand. Når en elektrisk strøm flyter gjennom en ledere, dissiperes energi i form av varme. Mengden varme generert kan beregnes ved hjelp av Joules lov om elektrisk varmegenerering, som gir en grunnleggende forståelse av forholdet mellom elektrisk strøm, motstand og varmegenerering i elektriske kretser.

Andre former for Joules lov

Joules lov og miljømessig påvirkning på elektriske ledere

Som indikert av Joules lov om elektrisk varmegenerering, er varmen (P) generert av elektronenes flyt gjennom en ledere direkte proporsjonal med motstanden (R), tiden (t) og kvadratet av strømmen I^2. Når en elektrisk strøm traverserer en ledere, må den overkomme motstanden i materialet. Denne motstanden virker som en hindring for elektronenes bevegelse, noe som fører til at strømmen dissiperer energi i form av varme til omgivelsene.

Påvirkningen av vær og temperatur på elektriske ledere

Motstanden til en ledere påvirkes betydelig av temperatur. Jo høyere temperaturen til ledere er, jo større blir dens motstand. Dette fenomenet oppstår fordi økende temperaturer får elektronene i ledere til å oppnå ekstra kinetisk energi, noe som fører til mer uregelmessig og tilfeldig bevegelse. Disse energiske elektronene kolliderer ofte med atomene i ledere-materialet, noe som genererer varme i prosessen.

For mye varme generert av en ledere kan være en alvorlig trussel, potensielt forårsake at den smelter og fører til systemfeil. Under varmt vær, utvider ledere seg på grunn av termisk utviding, noe som gjør at overhengeledere blir slakkere. Omvendt, under kaldt vær, kontrakter ledere, noe som også kan påvirke deres mekaniske integritet og elektriske ytelse.

Spenn i elektriske ledere

Spenn er en kraft som oppstår i en tråd eller kabel når den utsattes for to motstående krefter. I tilfellet overhengeledere som henger mellom strømmastene eller transmisjonstårn, er spenn alltid til stede. Hvis trådene ble strammet for hardt, ville spennen øke betydelig. Denne økte spennen gjør trådene mer sårbare for skade, da selv mindre kontraksjoner eller ekspansjoner på grunn av temperaturvariasjoner eller mekanisk stress kunne føre til at de brister.

Nødvendigheten av svang i distribusjons- og transmisjonsledere

Svang i overføringsledere er den observerbare nedovergående kurven eller dyppen i kabelene mellom støttekonstruksjoner som mastene eller tårn. Denne kurven er et naturlig resultat av den kombinerte effekten av trådens vekt og spennet som virker på den.

Betydningen av slappe overhengeledere og svang i elektrisk overføring

Under langdistansetransport og -distribusjon av elektrisitet, er varmedissipasjon en uunngåelig konsekvens. Høyspennsoverføring benyttes som en strategisk tiltak for å minimere varmen generert i ledere. Dette er fordi, ifølge prinsippene for elektrisk teknikk, reduserer reduksjonen av strømmen (ved å øke spenningen) betydelig kraften dissipert som varme (etter Joules lov P = I^2R. I tillegg, påvirker værforhold og interne temperaturvariasjoner i trådene at overhengeledere må monteres med en viss grad av slappe.

Hvis strømledere var stramt spant, kunne en kald periode utløse kontraksjon i overføringsledene. Denne kontraksjonen ville føre til en betydelig økning i spenn i ledene. Den økte spennen kunne forårsake alvorlig skade på trådene og kablene, potensielt resultere i strømbrudd, sikkerhetsrisikoer og kostbare reparasjoner. For å unngå slike skadelige resultater, monteres strømledere med bevisst slappe. Dette designet tillater at ledene kontraherer eller ekspanderer med temperaturvariasjoner uten å oppleve for mye spenn, noe som sikrer integriteten til elektrisk infrastruktur.

Svang, den nedovergående kurven i overføringsledere mellom støttekonstruksjoner, er ikke bare et estetisk trekk, men et obligatorisk og kritisk komponent i elektriske overføringssystemer. Den fungerer som en sikring mot overoppvarming ved å gi nok plass for trådene til å ekspandere under høye temperaturforhold, noe som reduserer sannsynligheten for for mye motstand og deretter varmegenerering. I tillegg, reduserer svang effektivt spenn i ledene, forhindrer dem fra å bli offer for mekanisk stress på grunn av faktorer som temperaturvariasjoner, vindlast og isakkumulasjon.

I essensen, spiller svang en sentral rolle for å sikre sikkerheten, påliteligheten og den forlenget levetiden til elektriske overføringssystemer. Ved å opprettholde en optimal nivå av svang, kan ingeniører garantere glatt og effektiv drift av nettet, minimerer risikoen for ulykker, strømbrudd og kostbare infrastrukturelle skader. Denne omsorgsfulle balansen mellom spenn, temperatur og mekanisk stress er essensiell for den fortsettende suksessen av moderne elektriske distribusjonsnettverk.