Воздушная линия электропередачи — это сооружение, используемое при передаче и распределении электроэнергии для передачи электрической энергии на большие расстояния. Он состоит из одного или нескольких проводников (обычно кратных трем), подвешенных на башнях или столбах . Поскольку большая часть изоляции обеспечивается воздухом, воздушные линии электропередачи, как правило, являются самым дешевым способом передачи больших объемов электроэнергии.
.jpg/1280px-NAURU_JULY_2007_(10709113444).jpg)
Башни для поддержки линий изготавливаются из дерева (сыром или ламинированного), стали или алюминия (решетчатые конструкции или трубчатые опоры), бетона и иногда армированного пластика. Голые провода на линии обычно изготавливаются из алюминия (простого или армированного сталью или композитных материалов, таких как углеродное и стекловолокно), хотя некоторые медные провода используются в распределительных сетях среднего напряжения и низковольтных соединениях с помещениями потребителей. . Основная цель проектирования воздушной линии электропередачи — поддерживать достаточный зазор между проводами, находящимися под напряжением, и землей, чтобы предотвратить опасный контакт с линией, а также обеспечить надежную поддержку проводников, устойчивость к штормам, ледовым нагрузкам, землетрясениям и другим потенциальным повреждениям. причины. [1] Сегодня воздушные линии обычно эксплуатируются при напряжении между проводниками, превышающем 765 000 вольт, а в некоторых случаях возможно даже более высокое напряжение.
Воздушные линии электропередачи классифицируются в электроэнергетике по диапазону напряжений:
Конструкции для ВЛ принимают разнообразную форму в зависимости от типа линии. Конструкции могут быть такими же простыми, как деревянные столбы , непосредственно вкопанные в землю, несущие одну или несколько поперечных балок для поддержки проводников, или «безрукие» конструкции с проводниками, опирающимися на изоляторы, прикрепленные к боковой части столба. Трубчатые стальные опоры обычно используются в городских районах. Высоковольтные линии часто прокладывают на стальных опорах или опорах решетчатого типа. В отдаленных районах алюминиевые башни могут быть установлены с помощью вертолетов . [4] [5] Также использовались бетонные столбы. [1] Также доступны опоры из армированного пластика, но их высокая стоимость ограничивает применение.
Каждая конструкция должна быть рассчитана на нагрузки, оказываемые на нее проводниками. [1] Должен выдерживаться вес проводника, а также динамические нагрузки из-за ветра, скопления льда и воздействия вибрации. Если проводники расположены по прямой линии, опорам нужно только противостоять весу, поскольку натяжение проводников примерно уравновешивается без результирующей силы, действующей на конструкцию. Гибкие проводники, поддерживаемые на концах, имеют форму контактной сети , и большая часть анализа строительства линий электропередачи опирается на свойства этой формы. [1]
Проект крупной линии электропередачи может включать несколько типов башен: «тангенциальные» («подвесные» или «линейные» башни, Великобритания) башни, предназначенные для большинства позиций, и более прочные башни, используемые для поворота линии под углом, в тупик. (завершающий) линию или важные пересечения рек или дорог. В зависимости от критериев проектирования конкретной линии конструкции полугибкого типа могут рассчитывать на балансировку веса проводников по обе стороны каждой опоры. Более жесткие конструкции могут оставаться в вертикальном положении даже в случае повреждения одного или нескольких проводников. Такие конструкции могут быть установлены через определенные промежутки времени на линиях электропередачи, чтобы ограничить масштаб каскадных отказов опор. [1]
Фундаменты для башен могут быть большими и дорогостоящими, особенно если состояние грунта плохое, например, на заболоченных территориях. Каждую конструкцию можно значительно стабилизировать, используя растяжки для противодействия некоторым силам, приложенным проводниками.
Линии электропередач и опорные конструкции могут стать формой визуального загрязнения . В некоторых случаях, чтобы избежать этого, линии закапывают в землю, но такое « заглубление » обходится дороже и поэтому встречается нечасто.
Для конструкции с одним деревянным опорным столбом столб втыкается в землю, затем от него отходят три траверсы, либо в шахматном порядке, либо все в одну сторону. Изоляторы крепятся к траверсам. Для конструкции деревянных столбов типа «Н» в землю вкапывают два столба, затем поверх них кладут перекладину, идущую в обе стороны. Изоляторы крепятся на концах и в середине. Решетчатые башенные конструкции имеют две распространенные формы. У одного есть пирамидальное основание, затем вертикальное сечение, из которого выходят три поперечины, обычно расположенные в шахматном порядке. Изоляторы деформации прикреплены к траверсам. Другой имеет пирамидальное основание, которое простирается до четырех точек опоры. Поверх него размещается горизонтальная ферменная конструкция.
Иногда по вершинам башен протягивают заземляющий провод для обеспечения молниезащиты. Оптический заземляющий провод — это более совершенная версия со встроенными оптическими волокнами для связи. Маркеры верхних проводов могут быть установлены на заземляющем проводе в соответствии с рекомендациями Международной организации гражданской авиации . [6] Некоторые маркеры оснащены мигающими лампами для предупреждения в ночное время.
В одноцепной линии электропередачи проходят проводники только одной цепи. Для трехфазной системы это означает, что каждая опора поддерживает три проводника.
Двухцепная линия электропередачи имеет два контура. В трехфазных системах каждая опора поддерживает и изолирует шесть проводников. Однофазные линии переменного тока, используемые для тягового тока, имеют четыре проводника для двух цепей. Обычно обе цепи работают при одном и том же напряжении.
В системах HVDC обычно по два проводника на линию, но в редких случаях только один полюс системы проходит по группе опор.
В некоторых странах, например в Германии, большинство линий электропередачи напряжением выше 100 кВ реализованы как двойные, четверные или, в редких случаях, даже шестиместные линии электропередачи, поскольку полосы отвода встречаются редко. Иногда все проводники устанавливаются при возведении пилонов; часто некоторые схемы устанавливаются позже. Недостатком двухцепных линий электропередачи является то, что техническое обслуживание может быть затруднено, поскольку требуется либо работа в непосредственной близости от источников высокого напряжения, либо отключение двух цепей. В случае сбоя могут быть затронуты обе системы.
Крупнейшая двухцепная линия электропередачи — линия электропередачи Кита-Иваки .
.JPG/1280px-Hamilton_Beach_Pylon_(2).JPG)
Изоляторы должны поддерживать проводники и выдерживать как нормальное рабочее напряжение, так и скачки напряжения, вызванные коммутацией и молнией . Изоляторы в целом подразделяются на штыревые, которые поддерживают проводник над конструкцией, или на подвесные, когда проводник висит под конструкцией. Изобретение деформационного изолятора стало решающим фактором, позволившим использовать более высокие напряжения.
В конце XIX века ограниченная электрическая прочность штыревых изоляторов телеграфного типа ограничивала напряжение до уровня не более 69 000 вольт . Обычно используются оба типа до примерно 33 кВ (69 кВ в Северной Америке). [1] При более высоких напряжениях для воздушных проводов обычно используются только изоляторы подвесного типа.
Изоляторы обычно изготавливаются из фарфора, полученного методом мокрой обработки , или закаленного стекла , при этом все чаще используются полимерные изоляторы, армированные стекловолокном. Однако с ростом уровня напряжения все большее распространение получают полимерные изоляторы (на основе силиконового каучука ). [7] Китай уже разработал полимерные изоляторы с самым высоким системным напряжением 1100 кВ, а Индия в настоящее время разрабатывает линию 1200 кВ (самое высокое системное напряжение), которая первоначально будет заряжена напряжением 400 кВ, а затем будет модернизирована до линии 1200 кВ. [8]
Подвесные изоляторы состоят из нескольких блоков, при этом количество дисковых изоляторов увеличивается при повышении напряжения. Количество дисков выбирается в зависимости от напряжения сети, требований к устойчивости к молниям, высоты над уровнем моря и факторов окружающей среды, таких как туман, загрязнение или солевой туман. В случаях, когда эти условия неоптимальны, необходимо использовать более длинные изоляторы. В этих случаях требуются более длинные изоляторы с большей длиной пути утечки тока утечки. Тензоизоляторы должны быть достаточно прочными механически, чтобы выдерживать полный вес пролета проводника, а также нагрузки из-за скопления льда и ветра. [9]
Фарфоровые изоляторы могут иметь полупроводниковую глазурь, так что через изолятор проходит небольшой ток (несколько миллиампер). Это слегка нагревает поверхность и уменьшает эффект запотевания и скопления грязи. Полупроводниковая глазурь также обеспечивает более равномерное распределение напряжения по длине цепочки изоляторов.
Полимерные изоляторы по своей природе обладают гидрофобными характеристиками, обеспечивающими улучшенные характеристики во влажной среде. Кроме того, исследования показали, что удельная длина пути утечки, необходимая для полимерных изоляторов, намного ниже, чем для фарфора или стекла. Кроме того, масса полимерных изоляторов (особенно при более высоких напряжениях) примерно на 50–30% меньше, чем у сравнительной фарфоровой или стеклянной струны. Улучшение характеристик загрязнения и влажности приводит к более широкому использованию таких изоляторов.
Изоляторы, рассчитанные на очень высокое напряжение, превышающее 200 кВ, могут иметь на своих выводах калибровочные кольца . Это улучшает распределение электрического поля вокруг изолятора и делает его более устойчивым к пробоям при скачках напряжения.
_line.jpg/1280px-Sample_cross-section_of_high_tension_power_(pylon)_line.jpg)
Наиболее распространенным проводником, используемым сегодня для передачи, является алюминиевый проводник, армированный сталью (ACSR). Также широко используются проводники из алюминиевых сплавов (AAAC). Алюминий используется потому, что он имеет примерно половину веса медного кабеля сопоставимого сопротивления (хотя и большего диаметра из-за более низкой удельной проводимости ), а также дешевле. [1] Медь была более популярна в прошлом и до сих пор используется, особенно при более низких напряжениях и для заземления.
Хотя более крупные проводники теряют меньше энергии из-за более низкого электрического сопротивления , они дороже, чем проводники меньшего размера. Правило оптимизации, называемое законом Кельвина, гласит, что оптимальный размер проводника для линии находится, когда стоимость энергии, потраченной впустую в проводнике, равна годовым процентам, выплачиваемым на эту часть стоимости строительства линии из-за размера проводников. . Проблема оптимизации усложняется дополнительными факторами, такими как меняющаяся годовая нагрузка, различная стоимость установки и обычно изготавливаемые кабели дискретных размеров. [1] [10]
Поскольку проводник представляет собой гибкий объект с одинаковым весом на единицу длины, форма проводника, натянутого между двумя башнями, напоминает контактную сеть . Провисание проводника (расстояние по вертикали между самой высокой и самой низкой точкой кривой) варьируется в зависимости от температуры и дополнительной нагрузки, например, от ледяного покрова. В целях безопасности необходимо соблюдать минимальный зазор над головой. Поскольку температура и, следовательно, длина проводника увеличиваются с увеличением тока через него, иногда можно увеличить допустимую мощность (uprate) путем замены проводников на тип с меньшим коэффициентом теплового расширения или более высокой допустимой рабочей температурой .
Два таких проводника, которые обеспечивают уменьшенное тепловое провисание, известны как проводники с композитным сердечником ( проводник ACCR и ACCC ). Вместо прядей со стальным сердечником, которые часто используются для увеличения общей прочности проводника, в проводнике ACCC используется сердечник из углеродного и стекловолокна, коэффициент теплового расширения которого составляет около 1/10 от коэффициента теплового расширения стали. Хотя композитный сердечник не проводит ток, он существенно легче и прочнее стали, что позволяет включать на 28% больше алюминия (с использованием компактных жил трапециевидной формы) без каких-либо потерь в диаметре или весе. Добавленное содержание алюминия помогает снизить потери в линии на 25–40 % по сравнению с другими проводниками того же диаметра и веса, в зависимости от электрического тока. Уменьшенное тепловое провисание проводника с углеродным сердечником позволяет ему выдерживать вдвое больший ток («токовая нагрузка») по сравнению с полностью алюминиевым проводником (AAC) или ACSR.
Линии электропередачи и прилегающую к ним территорию должны обслуживать монтеры , которым иногда помогают вертолеты с мойками высокого давления или циркулярные пилы , которые могут работать в три раза быстрее. Однако эта работа часто происходит в опасных зонах диаграммы высота-скорость вертолета , [11] [12] [13] , и пилот должен иметь квалификацию для этого метода « человеческого внешнего груза ». [14]
Для передачи электроэнергии на большие расстояния используется передача высокого напряжения. При передаче выше 132 кВ возникает проблема коронного разряда , вызывающего значительные потери мощности и помехи в цепях связи. Чтобы уменьшить эффект коронного разряда, предпочтительно использовать более одного проводника на фазу или связать его в пучки. [15]
Пучковые проводники состоят из нескольких параллельных кабелей, соединенных через промежутки с помощью прокладок, часто имеющих цилиндрическую конфигурацию. Оптимальное количество проводников зависит от номинального тока, но обычно линии более высокого напряжения также имеют более высокий ток. Компания American Electric Power [16] строит линии 765 кВ с использованием шести проводников на фазу в пучке. Прокладки должны противостоять силам ветра и магнитным силам во время короткого замыкания.
Связанные проводники уменьшают градиент напряжения вблизи линии. Это снижает вероятность коронного разряда. При сверхвысоком напряжении градиент электрического поля на поверхности одного проводника достаточно высок, чтобы ионизировать воздух, что приводит к потере энергии, созданию нежелательного звукового шума и помехам в системах связи . Поле, окружающее пучок проводников, аналогично полю, которое окружает один очень большой проводник — это создает меньшие градиенты, что смягчает проблемы, связанные с высокой напряженностью поля. Эффективность передачи повышается за счет устранения потерь из-за эффекта коронного разряда.
Связанные проводники охлаждаются более эффективно благодаря увеличенной площади поверхности проводников, что еще больше снижает потери в линии. При передаче переменного тока пучковые проводники также позволяют избежать снижения токовой нагрузки одного большого проводника из-за скин-эффекта . Пучковый проводник также имеет более низкое реактивное сопротивление по сравнению с одиночным проводником.
Хотя сопротивление ветра выше, колебания, вызванные ветром, можно демпфировать с помощью прокладок пучка. Ледовая и ветровая нагрузка пучков проводов будет больше, чем у одиночного проводника того же общего сечения, а монтаж пучков проводов сложнее, чем одиночных.
Воздушные линии электропередачи часто оборудуются заземляющим проводом (экранированным проводом, статическим проводом или воздушным заземляющим проводом). Заземляющий провод обычно заземляют (заземляют) в верхней части несущей конструкции, чтобы свести к минимуму вероятность прямых ударов молнии в фазные провода. [17] В цепях с заземленной нейтралью он также служит параллельным с землей путем для токов повреждения. Линии электропередачи очень высокого напряжения могут иметь два заземляющих проводника. Они находятся либо на крайних концах самой высокой поперечины, либо в двух V-образных точках мачты, либо на отдельной поперечине. На старых линиях вместо экранированного провода могут использоваться ограничители перенапряжения через каждые несколько пролетов; эта конфигурация обычно встречается в более сельских районах Соединенных Штатов. Защищая линию от молний, конструкция аппаратов на подстанциях упрощается за счет снижения нагрузки на изоляцию. Экранированные провода на линиях передачи могут включать оптические волокна ( оптические заземляющие провода /OPGW), используемые для связи и управления энергосистемой.
На некоторых преобразовательных станциях HVDC заземляющий провод используется также в качестве электродной линии для подключения к удаленному заземляющему электроду. Это позволяет системе HVDC использовать землю в качестве одного проводника. Заземляющий провод монтируется на небольших изоляторах, соединенных молниеотводами над фазными проводами. Изоляция предотвращает электрохимическую коррозию пилона.
В распределительных линиях среднего напряжения также могут использоваться один или два экранированных провода или может иметься заземлённый провод, натянутый под фазными проводами, чтобы обеспечить некоторую степень защиты от высоких транспортных средств или оборудования, касающихся линии под напряжением, а также для обеспечения нейтральной линии в Проводные системы типа «звезда».
На некоторых линиях электропередач очень высокого напряжения в бывшем Советском Союзе заземляющий провод используется для систем ПЛК и крепится на изоляторах на опорах.
Воздушные изолированные кабели используются редко, обычно на небольших расстояниях (менее километра). Изолированные кабели можно крепить непосредственно к конструкциям без изолирующих опор. Воздушная линия с оголенными проводниками, изолированными воздухом, обычно обходится дешевле, чем кабель с изолированными жилами.
Более распространенный подход — «покрытый» линейный провод. С ним обращаются как с голым кабелем, но часто он безопаснее для диких животных, поскольку изоляция кабелей увеличивает вероятность того, что хищник с большим размахом крыльев выживет при касании линий, и немного снижает общую опасность линий. Линии такого типа часто можно увидеть на востоке Соединенных Штатов и в густолесистых районах, где вероятен контакт с линиями деревьев. Единственная проблема — это стоимость, поскольку изолированный провод часто дороже, чем его голый аналог. Многие коммунальные компании используют закрытые линейные провода в качестве перемычки там, где провода часто располагаются ближе друг к другу на опоре, например, в подземном стояке / насадке , а также в устройствах повторного включения, вырезах и т.п.
Поскольку линии электропередачи могут страдать от аэроупругого флаттера , вызванного ветром, к линиям часто прикрепляют демпферы Стокбриджа для уменьшения вибраций.
Компактная воздушная линия электропередачи требует меньшей полосы отвода, чем стандартная воздушная линия электропередачи. Проводники не должны приближаться слишком близко друг к другу. Этого можно добиться либо короткими пролетами и изолирующими перекладинами, либо разделением проводников в пролете изоляторами. Первый тип проще построить, поскольку он не требует изоляторов в пролете, которые могут быть сложны в установке и обслуживании.
Примеры компактных линий:
Компактные линии электропередачи могут быть спроектированы для повышения напряжения существующих линий с целью увеличения мощности, которая может передаваться по существующей полосе отвода. [18]
В воздушных линиях низкого напряжения могут использоваться либо голые проводники на стеклянных или керамических изоляторах, либо воздушная пучковая кабельная система. Количество проводников может быть от двух (скорее всего, фаза и нейтраль) до шести (три фазных провода, отдельная нейтраль и земля плюс уличное освещение, питаемое от общего выключателя); обычно их четыре (три фазы и нейтраль, где нейтраль также может служить проводником защитного заземления).
Воздушные линии или воздушные провода служат для передачи электрической энергии трамваям, троллейбусам или поездам. Воздушная линия спроектирована по принципу размещения одного или нескольких воздушных проводов над железнодорожными путями. Фидерные станции через равные промежутки времени поставляют электроэнергию от высоковольтной сети. В некоторых случаях используется низкочастотный переменный ток, распределяемый по специальной сети тягового тока .
Воздушные линии также иногда используются для питания передающих антенн, особенно для эффективной передачи длинных, средних и коротких волн. Для этой цели часто используется шахматная линия массива. В шахматном порядке токопроводящие кабели для питания сети заземления передающей антенны крепятся с внешней стороны кольца, а жила внутри кольца крепится к изоляторам, ведущим к высоковольтному стоячему фидеру антенны. .
Использование территории под воздушной линией ограничено, поскольку предметы не должны приближаться слишком близко к проводам, находящимся под напряжением. Воздушные линии и конструкции могут сбрасывать лед, создавая опасность. Радиоприем может быть нарушен под линией электропередачи как из-за экранирования антенны приемника воздушными проводниками, так и из-за частичного разряда на изоляторах и острых концах проводников, создающего радиопомехи.
В зоне, прилегающей к воздушным линиям, существует опасность возникновения помех; например, запуск воздушных змеев или воздушных шаров, использование лестниц или работающего оборудования.
Воздушные линии электропередачи вблизи аэродромов часто обозначаются на картах, а сами линии отмечаются заметными пластиковыми отражателями, чтобы предупреждать пилотов о наличии проводников.
Строительство воздушных линий электропередачи, особенно в дикой местности, может иметь значительные последствия для окружающей среды. Экологические исследования для таких проектов могут учитывать влияние вырубки кустарников, изменение маршрутов миграции мигрирующих животных, возможный доступ хищников и людей по коридорам передачи, нарушения среды обитания рыб на пересечениях ручьев и другие последствия.
Авиация общего назначения, дельтапланеризм, парапланеризм, прыжки с парашютом, полеты на воздушном шаре и воздушных змеях должны избегать случайного контакта с линиями электропередачи. Почти каждый продукт кайта предупреждает пользователей держаться подальше от линий электропередачи. Смертельные случаи происходят, когда самолет врезается в линии электропередачи. Некоторые линии электропередач отмечены маркерами препятствий, особенно вблизи взлетно-посадочных полос или над водными путями, которые могут обеспечивать полеты гидросамолетов. Для размещения линий электропередачи иногда используются места, которые в противном случае использовались бы для дельтапланов. [19] [20]
Первую передачу электрических импульсов на увеличенное расстояние продемонстрировал 14 июля 1729 года физик Стивен Грей . [ нужна цитата ] В демонстрации использовались влажные конопляные шнуры, подвешенные на шелковых нитях (низкое сопротивление металлических проводников в то время не ценилось).
Однако первое практическое использование воздушных линий было в контексте телеграфии . К 1837 году экспериментальные коммерческие телеграфные системы протянулись на расстояние 20 км (13 миль). Передача электроэнергии была осуществлена в 1882 году с первой высоковольтной передачей между Мюнхеном и Мисбахом (60 км). В 1891 году по случаю Международной выставки электроэнергии во Франкфурте , между Лауффеном и Франкфуртом , была построена первая трехфазная воздушная линия переменного тока .
В 1912 году была введена в эксплуатацию первая воздушная линия электропередачи напряжением 110 кВ, а в 1923 году — первая воздушная линия электропередачи напряжением 220 кВ. В 1920-х годах компания RWE AG построила первую воздушную линию на это напряжение, а в 1926 году построила переправу через Рейн с опорами Вёрде . , две мачты высотой 138 метров.
В 1953 году первая линия 345 кВ была введена в эксплуатацию компанией American Electric Power в США . В Германии в 1957 году была введена в эксплуатацию первая воздушная линия электропередачи напряжением 380 кВ (между трансформаторной подстанцией и Роммерскирхеном). В том же году в Италии была введена в эксплуатацию воздушная линия пересечения Мессинского пролива, пилоны которой обслуживали переправу через Эльбу-1. По ней во второй половине 1970-х гг. строительство самых высоких опор ВЛ в мире. Ранее, в 1952 году, в Швеции была введена в эксплуатацию первая линия 380 кВ на расстоянии 1000 км (625 миль) между наиболее населенными районами на юге и крупнейшими гидроэлектростанциями на севере. Начиная с 1967 года в России, а также в США и Канаде были построены воздушные линии напряжением 765 кВ. В 1982 году в Советском Союзе были построены воздушные линии электропередачи между Электросталью и Экибастузской электростанцией , это была линия трехфазного переменного тока напряжением 1150 кВ ( ЛЭП Экибастуз-Кокшетау ). В 1999 году в Японии была построена первая линия электропередачи, рассчитанная на 1000 кВ с двумя цепями, — линия электропередачи Кита-Иваки . В 2003 году началось строительство самой высокой воздушной линии в Китае — перехода через реку Янцзы .
Воздушная линия электропередачи является одним из примеров линии электропередачи . На частотах энергосистемы можно сделать много полезных упрощений для линий типичной длины. Для анализа энергосистем распределенное сопротивление, последовательная индуктивность, сопротивление утечки шунта и шунтирующая емкость могут быть заменены подходящими сосредоточенными значениями или упрощенными схемами.
Небольшую длину линии электропередачи (менее 80 км) можно аппроксимировать сопротивлением, включенным последовательно с индуктивностью, игнорируя шунтирующие проводимости. Это значение не является общим сопротивлением линии, а представляет собой последовательное сопротивление на единицу длины линии. Для большей длины линии (80–250 км) в модель добавляется шунтирующая емкость. В этом случае принято распределять половину общей емкости на каждую сторону линии. В результате линию электропередачи можно представить как двухполюсную сеть , например, с параметрами ABCD. [21]
Цепь можно охарактеризовать как
где
Средняя линия имеет дополнительный шунтирующий доступ.
где
6.2.8...сферическая...диаметром не менее 60 см. ... 6.2.10 ... должен быть одного цвета.
СМИ, связанные с воздушными линиями электропередачи, на Викискладе?
