Zakaj so nadzemske električne vodove na elektrosteberih in stolpih proste?

Zakaj so površinske električne vodove na podpornih stolpilih in prenosnih stolpih proste?

V današnjem obdobju hitrega tehnološkega napredka je prevoz ljudi, blaga in storitev postal zelo enostavnejši. Geografska razdalja ni več formidabilna ovira. Tako kot se ti materialni predmeti lahko učinkovito prenašajo na daljše razdalje, tudi električna energija mora biti prenesena široko. Vendar, na razliko od fizičnega blaga, električna energija za svojo pot potrebuje medij.

Morda ste pogosto opazili, da površinske električne vodove, ki so zavese na podpornih stolpih in prenosnih stolpih, izgledajo prosto, namesto da bi bile tesno prikrajšane. Ta vidik pogosto spodbuja vprašanje: Zakaj niso te vode tesneje prikrajšane?

V tej raziskavi bomo razkrili razloge za prosto stanje električnih vodov na stolpih in potrebo po visokosti v distribucijskih in prenosnih vodovih. Preden se poglobimo v podrobne razlage, najprej pregledajmo nekatere ključne točke, ki bodo izboljšale naše razumevanje tega elektrotehničnega pojave.

Prenos električne energije: načela, izgube in komponente

Osnove prenosa električne energije

Moč predstavlja stopnjo, s katero se opravlja delo. V kontekstu elektrike je delo opravljeno, ko električna energija prepotuje dano razdaljo. Slediloma lahko moč definiramo kot količino energije, ki je posredovana v enoti časa. Za prenos električne energije na daljše razdalje služijo električne vode kot bistveni medij za ta prenos.

Aktivna moč, komponenta električne moči, ki opravlja uporabno delo, se običajno meri v vatih. Ko gre za prenos moči, je prenos z visokim napetostjo preferiran način za ohranjanje energije. To je zato, ker tok, ki teče skozi vodilo, generira toploto, ki je lahko zelo škodljiva. Toplota povzroča, da se električne vode z časom degradirajo, kar vodi do premagrelosti in možnih odpovedi. Za zmanjšanje energetskih izgub in ohranjanje prenesene moči je bolj učinkovito zmanjšati količino električnega toka, ki teče skozi vode, hkrati pa povečati napetost. Ta pristop, znani kot prenos z visokim napetostjo, učinkovito zmanjša moč, ki se izgubi kot toplota v prenosnih vodovih.

Vodnost in izgube moči

Med procesom prenosa moči je neizbežno, da se nekaj električne moči izgubi okolju. To se zgodi predvsem zato, ker prenosni vodi niso popolnoma izolirani, kar omogoča iztekanje toplote in električne energije. Po Ohmovem zakonu je upornost (R) vodila neposredno sorazmerna dolžini (L). Slediloma, ko se poveča dolžina prenosnega voda, se poveča tudi njegova upornost. Dodatno, zrak, ki obkroža prenosne vode, ni dober vodnik in ne more učinkovito dispergirati toplote, ki jo generira električni tok, ki teče skozi vode.

Za zmanjšanje teh problemov so električne vode konstruirane z večjimi premeri. Ta izbira je temeljita na dejstvu, da je upornost (R) vodila obratno sorazmerna s prečnim prerezem. Z povečanjem premera vodila, raste tudi njegov prečni prerez, kar vodi do zmanjšanja upornosti. To zmanjšanje upornosti, na drugi strani, zmanjša izgube moči zaradi generiranja toplote v prenosnih vodovih.

Električne žice in kabli

Električni kabli in žice so vodniki, skozi katere teče električna energija, in so glavno izdelani iz bakra zaradi njegove odlične električne vodnosti. Vendar, ti vodniki niso sestavljeni iz čistega bakra. Za izboljšanje njihovih mehaničnih lastnosti, kot so trdnost in trajnost, je bakar legiran z drugimi elementi. Dodatek teh elementov ne ogroža električne vodnosti bakra. Namesto tega, izboljšajo mehanične značilnosti vodnika, s tem zagotavljajo, da lahko vzdrži zahtevnosti namestitve in delovanja, hkrati pa ohranja njegovo sposobnost učinkovitega prenosa električne energije.

Jouleov zakon električnega segrevanja

V resnici ni nobenega kovinka, ki bi bil resnično čist; čistota kakršnekoli kovine je vedno manjša od 100%. Slediloma imajo vsi kovinki notranjo upornost. Ko električni tok teče skozi vodilo, se energija dispergira v obliki toplote. Količina generirane toplote se lahko izračuna z uporabo Jouleovega zakona električnega segrevanja, ki ponuja osnovno razumevanje odnosa med električnim tokom, upornostjo in generiranjem toplote v električnih vezjih.

Druge oblike Jouleovega zakona

Jouleov zakon in vpliv okoljskih faktorjev na električne vode

Kot kaže Jouleov zakon električnega segrevanja, je toplota (P), ki jo generira pretok elektronov skozi vodilo, neposredno sorazmerna s upornostjo (R), časom (t) in kvadratom toka I^2. Ko električni tok teče skozi vodilo, mora prebiti upornost znotraj materiala. Ta upornost deluje kot ovira za gibanje elektronov, kar povzroča, da tok dispergira energijo v obliki toplote v okolje.

Vpliv vremenskih razmer in temperature na električne vode

Upornost vodnika je zelo odvisna od temperature. Ko se temperatura vodnika poveča, se poveča tudi njegova upornost. Ta pojav nastopa, ker višje temperature povzročijo, da elektroni znotraj vodnika pridobijo dodatno kinetično energijo, kar vodi do bolj naključnega in neregularnega gibanja. Ti energični elektroni pogosto naredijo trke s atomi vodilnega materiala, kar generira toploto.

Prekomerna toplota, generirana v vodniku, lahko predstavlja resno grožnjo, ki lahko povzroči toplo plavljenje in odpoved sistema. V toplejših vremenskih razmerah se vodniki raztegajo zaradi termalnega raztezanja, kar povzroča, da površinske žice postanejo prostejše. Na drugi strani, v hladnem vremenu se vodniki stisnejo, kar lahko vpliva na njihovo mehanično celovitost in električno delovanje.

Napetost v električnih vodovih

Napetost je sila, ki se pojavi v žici ali kabelu, ko je ta podvržen dvema nasprotnima silama. V primeru površinskih električnih vodov, ki so zavešeni med podpornimi stolpi ali prenosnimi stolpi, je napetost vedno prisotna. Če bi bile žice pretesne, bi se napetost zelo povečala. Ta povečana napetost bi jih naredila bolj ranljive, saj bi celo majhne kontrakcije ali ekspanzije zaradi temperaturnih sprememb ali mehaničnega stresa lahko povzročile, da bi se prelomile.

Potreba po visokosti v distribucijskih in prenosnih vodovih

Visokost v prenosnih vodovih je opazljivo navzdol ukazano krivuljo ali padec kablja med podpornimi strukturami, kot so stolpi ali stolpi. Ta krivulja je naravni rezultat kombinacije teže žice in napetosti, ki deluje na njo.

Pomen prosto površinskih električnih vodov in visokosti v prenosu električne energije

Med dolgočasnim prenosom in distribucijo električne energije je dispergiranje toplote neizbežen posledica. Prenos z visokim napetostjo se uporablja kot strategija za zmanjšanje toplote, ki se generira znotraj vodil. To je zato, ker, glede na načela elektrotehnike, zmanjšanje toka (s povečanjem napetosti) značilno zmanjša moč, ki se izgubi kot toplota (po Jouleovem zakonu P = I^2R). Dodatno, vremenske razmere in notranje temperaturne spremembe v žicah zahtevajo, da so površinske električne vode nameščene z določeno stopnjo proste stanje.

Če bi bile električne vode tesno prikrajšane, bi mrzla vremenska obdobja povzročila kontrakcijo v prenosnih vodovih. Ta kontrakcija bi vodila do velikega povečanja napetosti znotraj vodov. Povečana napetost bi lahko povzročila težke poškodbe vod in kablov, kar bi lahko vodilo do izpadov električne energije, varnostnih tveganj in dragih popravil. Da bi se izogibali takim negativnim posledicam, so električne vode namerno nameščene z prosto stanje. Ta konstrukcija omogoča, da se vodi kontrakcirajo ali ekspanzirajo z temperaturnimi spremembami brez prekomerne napetosti, s tem zagotavlja celovitost električne infrastrukture.

Visokost, navzdol ukazano zakrivljenost vodil v prenosnih vodovih med podpornimi strukturami, ni le estetski element, ampak obvezna in ključna komponenta sistemov prenosa električne energije. S tem zagotavlja dovolj prostora za ekspanzijo vodil pri visokih temperaturah, zmanjša verjetnost prekomerne upornosti in s tem tudi generiranje toplote. Poleg tega visokost učinkovito zmanjša napetost znotraj vodov, preprečuje, da bi jih podvrševali mehaničnemu stresu zaradi faktorjev, kot so temperaturne spremembe, vetrske obremenitve in akumulacija ledu.

V bistvu igra visokost ključno vlogo pri zagotavljanju varnosti, zanesljivosti in dolge življenjske dobe sistemov prenosa električne energije. Z ohranjanjem optimalne ravni visokosti, inženirji lahko zagotovijo gladko in učinkovito delovanje mreže, zmanjšajo tveganje nesreč, izpadov električne energije in dragih poškodb infrastrukture. Ta natančna ravnovesje med napetostjo, temperaturo in mehaničnim stresom je ključno za uspeh sodobnih distribucijskih omrežij električne energije.