Почему провода высоковольтных линий электропередачи свободно свисают на опорах и башнях?
Почему воздушные линии электропередачи на опорах и трансформаторных башнях ослаблены?
В эпоху быстрого технологического прогресса перевозка людей, товаров и услуг стала значительно проще. Географическое расстояние больше не является серьезным препятствием. Так же, как эти материальные объекты могут эффективно транспортироваться на большие расстояния, электроэнергия также должна передаваться широко. Однако, в отличие от физических товаров, электроэнергия требует среды для своего перемещения.
Вы, вероятно, часто замечали, что линии электропередачи, подвешенные на опорах и трансформаторных башнях, выглядят ослабленными, а не туго натянутыми. Это зрелище часто вызывает вопрос: почему эти линии не закреплены более плотно?
В этом исследовании мы раскроем причины ослабления линий электропередачи на опорах и необходимость провисания как в распределительных, так и в магистральных линиях. Прежде чем углубиться в подробные объяснения, давайте сначала рассмотрим некоторые ключевые моменты, которые улучшат наше понимание этого явления в области электротехники.
Передача электроэнергии: принципы, потери и компоненты
Основы передачи электроэнергии
Мощность представляет собой скорость выполнения работы. В контексте электроэнергии работа выполняется, когда электрическая энергия преодолевает расстояние. Следовательно, мощность можно определить как количество переданной энергии за единицу времени. Для передачи электроэнергии на большие расстояния линии электропередачи служат основным средством для этого переноса.
Активная мощность, которая выполняет полезную работу, обычно измеряется в ваттах. При передаче электроэнергии предпочтительным методом является высоковольтная передача для экономии энергии. Это связано с тем, что электрический ток, проходящий через проводник, генерирует тепло, которое может быть крайне вредным. Тепло приводит к постепенному разрушению электрических линий, что вызывает преждевременный износ и возможные отказы. Чтобы минимизировать потери энергии и сохранить передаваемую мощность, более эффективно уменьшить количество электрического тока, протекающего по линиям, одновременно увеличивая напряжение. Этот подход, известный как высоковольтная передача электроэнергии, эффективно снижает мощность, рассеиваемую в виде тепла в линиях передачи.
Проводимость и потери мощности
В процессе передачи электроэнергии часть электрической мощности неизбежно теряется в окружающей среде. Это происходит главным образом потому, что линии передачи не полностью изолированы, что позволяет теплу рассеиваться и происходить утечке электричества. Согласно закону Ома, сопротивление (R) проводника прямо пропорционально его длине (L). Таким образом, по мере увеличения длины линии передачи увеличивается и ее сопротивление. Кроме того, воздух, окружающий линии передачи, является плохим проводником и не способен эффективно рассеивать тепло, генерируемое электрическим током, проходящим по линиям.
Для уменьшения этих проблем электрические линии проектируются с большим диаметром. Этот выбор основан на том, что сопротивление (R) проводника обратно пропорционально его поперечному сечению. Увеличивая диаметр проводника, увеличивается его поперечное сечение, что приводит к уменьшению сопротивления. Это снижение сопротивления, в свою очередь, минимизирует потери мощности из-за генерации тепла в линиях передачи.
Электрические провода и кабели
Электрические кабели и провода являются проводниками, по которым передается электроэнергия, и они преимущественно изготовлены из меди из-за ее отличной электропроводности. Однако эти проводники не состоят из чистой меди. Для улучшения их механических свойств, таких как прочность и долговечность, медь сплавляют с другими элементами. Добавление этих элементов не снижает электропроводность меди. Напротив, они улучшают механические характеристики проводника, обеспечивая его способность выдерживать трудности установки и эксплуатации, сохраняя при этом способность эффективно передавать электроэнергию.
Закон Джоуля о нагреве электрическим током
На самом деле, ни одно металлическое вещество не является абсолютно чистым; степень чистоты любого металла всегда меньше 100%. В результате все металлы обладают внутренним сопротивлением. Когда электрический ток проходит через проводник, энергия рассеивается в виде тепла. Количество генерируемого тепла можно рассчитать, используя закон Джоуля о нагреве электрическим током, который предоставляет фундаментальное понимание взаимосвязи между электрическим током, сопротивлением и генерацией тепла в электрических цепях.
Другие формы закона Джоуля
Закон Джоуля и влияние факторов окружающей среды на электрические линии
Как указывает закон Джоуля о нагреве электрическим током, тепло (P), генерируемое потоком электронов через проводник, прямо пропорционально сопротивлению (R), времени (t) и квадрату тока I^2. Когда электрический ток проходит через проводник, он должен преодолеть сопротивление внутри материала. Это сопротивление действует как препятствие для движения электронов, вызывая рассеивание энергии в виде тепла в окружающую среду.
Влияние погоды и температуры на электрические линии
Сопротивление проводника значительно зависит от температуры. По мере увеличения температуры проводника увеличивается и его сопротивление. Это явление происходит потому, что повышение температуры приводит к тому, что электроны внутри проводника получают дополнительную кинетическую энергию, что вызывает более хаотическое и случайное движение. Эти энергичные электроны часто сталкиваются с атомами материала проводника, генерируя при этом тепло.
Избыточное тепло, генерируемое проводником, может представлять серьезную угрозу, потенциально вызывая его плавление и приводя к сбоям системы. В условиях жаркой погоды проводники расширяются из-за теплового расширения, что приводит к ослаблению воздушных линий. Наоборот, в холодную погоду проводники сжимаются, что также может влиять на их механическую целостность и электрические характеристики.
Натяжение в электрических линиях
Натяжение — это сила, возникающая в проводе или кабеле, когда он подвергается воздействию двух противоположных сил. В случае воздушных линий электропередач, подвешенных между опорами или трансформаторными башнями, натяжение всегда присутствует. Если провода будут затянуты слишком сильно, натяжение значительно увеличится. Это повышенное натяжение делает провода более уязвимыми для повреждений, так как даже небольшие сжатия или расширения из-за изменения температуры или механического напряжения могут привести к их разрыву.
Необходимость провисания в распределительных и магистральных линиях
Провисание в линиях передачи — это заметная внизу кривая или изгиб кабелей между опорными конструкциями, такими как опоры или башни. Эта кривизна является естественным результатом сочетания веса провода и натяжения, действующего на него.
Значение ослабленных воздушных линий электропередач и провисания в электропередаче
В процессе дальней передачи и распределения электроэнергии рассеяние тепла является неизбежным последствием. Высоковольтная передача используется как стратегическая мера для минимизации генерируемого тепла в проводниках. Это связано с тем, что, согласно принципам электротехники, уменьшение тока (путем увеличения напряжения) значительно снижает мощность, рассеиваемую в виде тепла (согласно закону Джоуля P = I^2R). Кроме того, погодные условия и внутренние колебания температуры проводов требуют, чтобы воздушные линии электропередач устанавливались с определенной степенью ослабления.
Если линии электропередач были бы туго натянуты, то холодная погода могла бы вызвать сжатие линий передачи. Это сжатие привело бы к значительному увеличению натяжения в линиях. Повышенное натяжение могло бы вызвать серьезные повреждения проводов и кабелей, потенциально приводя к отключениям, опасностям и дорогостоящим ремонтам. Чтобы избежать таких негативных последствий, линии электропередач намеренно устанавливаются с некоторым ослаблением. Этот дизайн позволяет линиям сжиматься или расширяться с изменением температуры без чрезмерного натяжения, тем самым обеспечивая целостность электрической инфраструктуры.
Провисание, или внизу направленная кривизна проводников линий передач между опорными конструкциями, не является просто эстетической особенностью, но обязательным и критически важным компонентом систем электропередачи. Оно служит защитой от перегрева, предоставляя достаточное пространство для расширения проводов при высоких температурах, снижая вероятность избыточного сопротивления и последующей генерации тепла. Кроме того, провисание эффективно уменьшает натяжение в линиях, предотвращая их повреждение из-за факторов, таких как колебания температуры, ветровые нагрузки и образование льда.
В сущности, провисание играет ключевую роль в обеспечении безопасности, надежности и продолжительного срока службы систем электропередачи. Поддерживая оптимальный уровень провисания, инженеры могут гарантировать плавную и эффективную работу сети, минимизируя риск аварий, отключений и дорогостоящих повреждений инфраструктуры. Этот тщательный баланс между натяжением, температурой и механическим напряжением является необходимым для успешной работы современных сетей распределения электроэнергии.
