Чому електричні лінії на стовпах та вежах висять вільно?
Чому електропередавальні лінії на стовпах та високовольтних вежах виглядають розслаблено?
У сучасну епоху швидкого технологічного прогресу, транспортування людей, товарів та послуг стало значно легше. Географічна відстань більше не є непреодолимою перешкодою. Так само, як ці матеріальні об'єкти можна ефективно перевезти на великі відстані, електроенергія також потребує передачі на велику відстань. Однак, на відміну від фізичних товарів, електроенергія потребує середовища для своєї подорожі.
Ви, можливо, часто помічали, що електропередавальні лінії, підвішені до стовпів та високовольтних веж, виглядають розслаблено, а не затягнутими. Цей вигляд часто спонукає питання: чому ці лінії не затягнуті міцніше?
У цьому дослідженні ми розберемо причини розслабленості електропередавальних ліній на стовпах та необхідності провісу как у розподільних, так і у передавальних лініях. Перед детальним поясненням, давайте спочатку ознайомимося з деякими ключовими моментами, які допоможуть нам краще зрозуміти цей явище електротехніки.
Передача електроенергії: принципи, втрати та компоненти
Основи передачі електроенергії
Потужність представляє собою швидкість виконання роботи. У контексті електроенергії, робота виконується, коли електрична енергія проходить відстань. Відповідно, потужність можна визначити як кількість енергії, яка передається за одиницю часу. Для транспортування електроенергії на великі відстані, електропередавальні лінії служать необхідним середовищем для цього перенесення.
Активна потужність, компонент електричної потужності, який виконує корисну роботу, зазвичай вимірюється в ватах. Щодо передачі електроенергії, високовольтна передача є переважною методикою для економії енергії. Це тому, що електричний струм, що пройшов через провідник, генерує тепло, яке може бути дуже шкідливим. Тепло призводить до поступової виробки електроліній, що призводить до раннього виснаження та можливих аварій. Для мінімізації втрат енергії та збереження переданої потужності, ефективніше зменшити кількість електричного струму, що пройшла через лінії, одночасно збільшуючи напругу. Цей підхід, відомий як високовольтна передача електроенергії, ефективно зменшує потужність, яка розсіюється як тепло в передавальних лініях.
Провідність та втрати потужності
Під час процесу передачі електроенергії, деяка електрична потужність необхідно втрачається в оточуюче середовище. Це відбувається, головним чином, тому, що передавальні лінії не повністю ізольовані, що дозволяє теплові розсіянню та електричному витоку. Згідно з законом Ома, опір (R) провідника прямо пропорційний його довжині (L). В результаті, зі збільшенням довжини передавальної лінії, зростає його опір. Крім того, повітря, яке оточує передавальні лінії, є слабким провідником і не може ефективно розсіяти тепло, що генерується електричним струмом, що проходить через лінії.
Для зниження цих проблем, електричні лінії проектуються з більшим діаметром. Цей вибір проекту базується на тому, що опір (R) провідника обернено пропорційний його поперечному перерізу. Збільшуючи діаметр провідника, його поперечний переріз зростає, що призводить до зменшення опору. Це зменшення опору, в свою чергу, мінімізує втрати потужності через генерацію тепла в передавальних лініях.
Електричні дроти та кабелі
Електричні кабелі та дроти — це провідники, через які проходить електроенергія, і вони в основному виготовлені з міді завдяки її відмінній електричній провідності. Проте, ці провідники не складаються з чистої міді. Для покращення їх механічних властивостей, таких як міцність та тривалість, мідь змішують з іншими елементами. Додавання цих елементів не погіршує електричну провідність міді. Навпаки, вони поліпшують механічні характеристики провідника, забезпечуючи, що він може витримати труднощі встановлення та експлуатації, підтримуючи при цьому свою здатність ефективно передавати електроенергію.
Закон Джоуля про електричне нагрівання
Насправді, жоден метал не є абсолютно чистим; чистота будь-якого металу завжди менша за 100%. В результаті, всі метали мають внутрішній опір. Коли електричний струм проходить через провідник, енергія розсіюється у вигляді тепла. Кількість генерованого тепла можна обчислити, використовуючи закон Джоуля про електричне нагрівання, який надає фундаментальне розуміння взаємозв'язку між електричним струмом, опором та генерацією тепла в електричних колах.
Інші форми закона Джоуля
Закон Джоуля та вплив факторів середовища на електричні лінії
Як вказує закон Джоуля про електричне нагрівання, тепло (P), генероване потоком електронів через провідник, прямо пропорційне опору (R), часу (t) та квадрату струму I^2. Коли електричний струм проходить через провідник, він повинен подолати опір всередині матеріалу. Цей опір діє як перешкода для руху електронів, призводячи до розсіювання енергії у вигляді тепла в оточуюче середовище.
Вплив погоди та температури на електричні лінії
Опір провідника значно залежить від температури. Зі зростанням температури провідника, зростає його опір. Це явище відбувається тому, що зростання температури призводить до того, що електрони всередині провідника набувають додаткової кінетичної енергії, що призводить до більш хаотичного та випадкового руху. Ці енергетичні електрони часто зіткуються з атомами матеріалу провідника, генеруючи тепло в процесі.
Надмірне тепло, генероване провідником, може становити серйозну загрозу, потенційно призводячи до його плавлення та виникнення системних аварій. У спекотну погоду провідники розширюються через термічне розширення, що призводить до розслабленості надземних дротів. Навпаки, у холодну погоду, провідники скорочуються, що також може впливати на їх механічну цілісність та електричну продуктивність.
Напруженість в електричних лініях
Напруженість — це сила, яка виникає у дроті або кабелі, коли він піддається двом протилежним силам. У випадку надземних електропередавальних ліній, підвішених між стовпами або високовольтними вежами, напруженість завжди присутня. Якщо дроти були б затягнуті занадто сильно, напруженість значно збільшилася б. Ця збільшена напруженість робить дроти більш вразливими до пошкоджень, оскільки навіть невеликі скорочення або розширення через зміни температури або механічний стрес могли б призвести до їх розриву.
Необхідність провісу в розподільних та передавальних лініях
Провіс в передавальних лініях — це помітне нижнє криволінійне або опускання кабелів між опорними конструкціями, такими як стовпи або вежі. Ця крива є природним наслідком сумісного впливу ваги дроту та напруженості, яка діє на нього.
Значення розслаблености надземних електропередавальних ліній та провісу в електропередачі
Під час передачі електроенергії на великі відстані, розсіювання тепла є необхідним наслідком. Високовольтна передача використовується як стратегічна міра для мінімізації тепла, генерованого в провідниках. Це тому, що, згідно з принципами електротехніки, зменшення струму (збільшуючи напругу) значно зменшує потужність, розсіяну як тепло (згідно з законом Джоуля P = I^2R). Крім того, погодні умови та внутрішні коливання температури дротів вимагають, щоб надземні електропередавальні лінії були встановлені з певною мірою розслабленості.
Якщо електропередавальні лінії були б затягнуті, холодна погода могла б спричинити скорочення в передавальних лініях. Це скорочення призведе до значного збільшення напруженості в лініях. Збільшена напруженість могла б призвести до серйозних пошкоджень дротів та кабелів, потенційно призводячи до відключень, безпекових загроз та дорогостоячих ремонтів. Щоб уникнути таких небажаних наслідків, електропередавальні лінії спеціально встановлюються з провісом. Цей дизайн дозволяє лініям скорочуватися або розширюватися зі змінами температури без виникнення надмірної напруженості, забезпечуючи цілісність електричної інфраструктури.
Провіс, нижнє криволінійне або опускання провідників передавальних ліній між опорними конструкціями, не є лише естетичною рисою, але й обов'язковим та критичним компонентом систем електропередачі. Він служить як захист від перегріву, надаючи достатній простір для розширення дротів у високотемпературних умовах, що зменшує ймовірність надмірного опору та наступної генерації тепла. Крім того, провіс ефективно знижує напруженість в лініях, запобігаючи їм від механічного стресу, спричиненого факторами, такими як зміни температури, вітрові навантаження та наледь.
В суті, провіс грає ключову роль у забезпеченні безпеки, надійності та тривалого строку служби систем електропередачі. Зберігаючи оптимальний рівень провісу, інженери можуть гарантувати плавне та ефективне функціонування мережі, мінімізуючи ризик аварій, відключень та дорогостоячих пошкоджень інфраструктури. Цей дбалій баланс між напруженістю, температурою та механічним стресом є необхідним для продовженого успіху сучасних систем електророзподілу.
