Varför är luftledningar lös på elektriska stolpar och torn?

Varför är överföringsledningar lös på elstolpar och överföringstorn?

I denna tid av snabb teknisk utveckling har transport av människor, varor och tjänster blivit betydligt enklare. Geografiskt avstånd är inte längre ett stort hinder. Precis som dessa konkreta enheter kan effektivt transporteras över långa avstånd behöver också elektricitet överföras långt bort. Men till skillnad från fysiska varor kräver elektricitet ett medium för sin resa.

Du kanske ofta observerat att de elektriska ledningarna som hänger från elstolpar och överföringstorn verkar vara lös istället för hårt fastsatta. Detta synsätt väcker ofta frågan: Varför är inte dessa ledningar fastsatta strammare?

I denna undersökning kommer vi att avslöja orsakerna bakom lösheten i kraftledningar på stolar och nödvändigheten av sags i både distributions- och överföringsledningar. Innan vi går in på detaljerade förklaringar, låt oss först granska några viktiga punkter som kommer att öka vår förståelse för detta elektrotekniska fenomen.

Elkraftöverföring: Principer, förluster och komponenter

Grundläggande principer för elkraftöverföring

Kraft representerar den hastighet med vilken arbete utförs. I sammanhanget med elektricitet utförs arbete när elektrisk energi passerar ett avstånd. Därför kan kraft definieras som mängden energi som levereras per tidsenhet. För att transportera elektricitet över långa avstånd fungerar kraftledningar som det nödvändiga mediet för denna överföring.

Aktiv kraft, den del av elektrisk kraft som utför användbart arbete, mäts vanligtvis i watt. När det gäller kraftöverföring är högspänningsöverföring den föredragna metoden för energibesparing. Detta beror på att elektrisk ström som flödar genom en ledare genererar värme, vilket kan vara mycket skadligt. Värmen gör att elektriska ledningar försämras över tid, vilket leder till för tidig slitage och potentiell misslyckande. För att minimera energiförlusterna och bevara den överförda kraften är det mer effektivt att minska mängden elektrisk ström som flödar genom ledningarna samtidigt som spänningen ökas. Denna metod, känd som högspänningskraftöverföring, minskar effektivt den kraft som dissiperas som värme i överföringsledningarna.

Konduktion och kraftförluster

Under processen för kraftöverföring förloras en del av elektrisk kraft till omgivningen. Detta inträffar främst eftersom överföringsledningar inte är fullständigt isolerade, vilket tillåter värmedissipation och elektrisk läcka. Enligt Ohms lag är resistansen (R) hos en ledare direkt proportionell mot dess längd (L). Såsom resultatet av detta, när längden på överföringsledningen ökar, ökar också dess resistans. Dessutom är luften, som omger överföringsledningarna, en dålig ledare och kan inte effektivt dissipera värmen som genereras av den elektriska strömmen som flödar genom ledningarna.

För att mildra dessa problem konstrueras elektriska ledningar med större diametrar. Denna designval baseras på faktum att resistansen (R) hos en ledare är inversproportionell mot dess tvärsnittsarea. Genom att öka diametern på ledaren ökar dess tvärsnittsarea, vilket leder till en minskning av resistansen. Denna minskning av resistansen, i sin tur, minimerar kraftförlusterna på grund av värmebildning i överföringsledningarna.

Elektriska trådar och kablar

Elektriska kablar och trådar är ledarna genom vilka elektricitet passerar, och de är huvudsakligen tillverkade av koppar på grund av dess utmärkta elektriska ledningsförmåga. Men dessa ledare består inte av rent koppar. För att förbättra deras mekaniska egenskaper, såsom styrka och hållbarhet, blandas koppar med andra ämnen. Läggandet till dessa ämnen undergräver inte kopparns elektriska ledningsförmåga. Istället förbättrar de de mekaniska egenskaperna hos ledaren, vilket säkerställer att den kan motstå ansträngningarna vid installation och drift samtidigt som den bibehåller sin förmåga att effektivt överföra elektricitet.

Joules lag om elektrisk uppvärmning

I verkligheten är inget metall rent; renheten hos alla metaller är alltid mindre än 100%. Som ett resultat har alla metaller intern resistans. När en elektrisk ström flödar genom en ledare dissiperas energi i form av värme. Mängden värme som genereras kan beräknas med hjälp av Joules lag om elektrisk uppvärmning, vilket ger en grundläggande förståelse för relationen mellan elektrisk ström, resistans och värmebildning i elektriska kretsar.

Andra former av Joules lag

Joules lag och miljöfaktors påverkan på elektriska ledningar

Enligt Joules lag om elektrisk uppvärmning är värmen (P) som genereras av elektronflödet genom en ledare direkt proportionell mot resistansen (R), tiden (t) och kvadraten av strömmen I^2. När en elektrisk ström passerar genom en ledare måste den övervinna resistansen i materialet. Denna resistans fungerar som ett hinder för elektronernas rörelse, vilket gör att strömmen dissiperas energi i form av värme till omgivningen.

Vädret och temperaturens påverkan på elektriska ledningar

Resistansen hos en ledare påverkas avsevärt av temperatur. När temperaturen hos ledaren stiger, ökar också dess resistans. Detta fenomen uppstår eftersom stigande temperaturer får elektronerna inuti ledaren att få ytterligare kinetisk energi, vilket leder till mer kaotisk och slumpmässig rörelse. Dessa energirika elektroner kolliderar ofta med atomerna i ledarmaterialet, vilket genererar värme i processen.

Överdriven värme som genereras av en ledare kan utgöra en allvarlig hot, potentiellt orsaka den att smälta och leda till systemmisslyckanden. Vid varma väderförhållanden expanderar ledare på grund av termisk expansion, vilket gör att överföringsledningar blir lösare. Å andra sidan, vid kallt väder, dras ledarna ihop, vilket också kan påverka deras mekaniska integritet och elektriska prestanda.

Spänning i elektriska ledningar

Spänning är en kraft som uppstår i en tråd eller kabel när den utsätts för två motsatta krafter. I fallet med överföringsledningar som hänger mellan elstolar eller överföringstorn, finns spänning alltid. Om trådarna spändes för hårt skulle spänningen öka markant. Denna ökade spänning gör trådarna mer utsatta för skador, eftersom även små kontraktioner eller expansioner på grund av temperaturvariationer eller mekanisk stress kan orsaka att de brister.

Nödvändigheten av sags i distributions- och överföringsledningar

Sags i överföringsledningar är den märkbara nedåtgående kurvan eller dippen i kablar mellan stödstrukturer som stolar eller torn. Denna kurva är ett naturligt resultat av kombinerade effekter av trådens vikt och spänningen som verkar på den.

Betydelsen av lös överföringsledningar och sags i elektrisk överföring

Under långdistansöverföring och distribution av elektricitet är värmedissipation en oundviklig konsekvens. Högspänningsöverföring används som en strategisk åtgärd för att minimera värme som genereras inuti ledare. Detta beror på att, enligt principerna inom elektroteknik, minskning av strömmen (genom ökning av spänningen) minskar signifikant den kraft som dissiperas som värme (enligt Joules lag P = I^2R. Dessutom, väderförhållanden och interna temperaturvariationer i trådarna kräver att överföringsledningar installeras med en viss grad av lösighet.

Om kraftledningar var stramt spända, skulle en kallperiod kunna orsaka kontraktion i överföringsledningarna. Denna kontraktion skulle leda till en betydande ökning av spänningen inuti ledningarna. Den ökade spänningen skulle kunna orsaka allvarliga skador på trådarna och kablar, potentiellt resultera i strömavbrott, säkerhetsrisker och dyra reparationer. För att undvika sådana negativa konsekvenser installeras kraftledningar med ett visst mått av lösighet. Denna design tillåter ledningarna att kontrahera eller expandera med temperaturvariationer utan att uppleva överdriven spänning, vilket skyddar integriteten hos elinfrastrukturen.

Sags, den nedåtgående kurvan hos överföringsledningsledare mellan stödstrukturer, är inte bara en estetisk funktion utan en obligatorisk och kritisk komponent i elektriska överföringssystem. Den fungerar som en säkerhet mot överhettning genom att ge tillräckligt med utrymme för trådarna att expandera under höga temperaturer, vilket minskar sannolikheten för överdriven resistans och efterföljande värmebildning. Dessutom minimerar sags effektivt spänningen inuti ledningarna, vilket förhindrar dem från att falla offer för mekanisk stress orsakad av faktorer som temperaturvariationer, vindbelastning och isbildning.

I essensen spelar sags en avgörande roll för att säkerställa säkerheten, tillförlitligheten och den förlängda livslängden av elektriska överföringssystem. Genom att upprätthålla ett optimalt nivå av sags kan ingenjörer garantera en smidig och effektiv drift av nätet, vilket minimerar risken för olyckor, strömavbrott och dyra infrastruktursskador. Denna noggranna balans mellan spänning, temperatur och mekanisk stress är nödvändig för det fortsatta framgångsrika arbetet med moderna eldistributionsnät.