Воздушная линия электропередачи — это структура, используемая для передачи и распределения электроэнергии на большие расстояния. Она состоит из одного или нескольких проводников (обычно кратных трем), подвешенных на башнях или столбах . Поскольку окружающий воздух обеспечивает хорошее охлаждение , изоляцию вдоль длинных проходов и позволяет осуществлять оптический контроль, воздушные линии электропередачи, как правило, являются самым дешевым методом передачи электроэнергии для больших объемов.
.jpg/1280px-NAURU_JULY_2007_(10709113444).jpg)
Башни для поддержки линий изготавливаются из дерева (как выращенного, так и ламинированного), стали или алюминия (решетчатые конструкции или трубчатые столбы), бетона и иногда армированного пластика. Неизолированные проводники на линии обычно изготавливаются из алюминия (обычного или армированного сталью или композитными материалами, такими как углеродное и стекловолокно), хотя некоторые медные провода используются в средневольтном распределении и низковольтных соединениях с помещениями клиентов. Основной целью проектирования воздушных линий электропередач является поддержание достаточного зазора между находящимися под напряжением проводами и землей, чтобы предотвратить опасный контакт с линией и обеспечить надежную поддержку проводников, устойчивость к штормам, гололедным нагрузкам, землетрясениям и другим потенциальным причинам повреждений. [1] Сегодня некоторые воздушные линии обычно эксплуатируются при напряжении между проводниками, превышающем 765 000 вольт, а в некоторых случаях возможны даже более высокие напряжения.
Воздушные линии электропередачи в электроэнергетике классифицируются по диапазону напряжений:
Конструкции для воздушных линий принимают различные формы в зависимости от типа линии. Конструкции могут быть такими простыми, как деревянные столбы , непосредственно установленные в земле, несущие одну или несколько поперечных балок для поддержки проводников, или «безрукавная» конструкция с проводниками, поддерживаемыми изоляторами, прикрепленными к боковой стороне столба. Трубчатые стальные столбы обычно используются в городских районах. Высоковольтные линии часто переносятся на стальных башнях или пилонах решетчатого типа. Для отдаленных районов алюминиевые башни могут быть установлены вертолетами . [4] [5] Также использовались бетонные столбы. [1] Также доступны столбы из армированного пластика, но их высокая стоимость ограничивает применение.
Каждая конструкция должна быть спроектирована с учетом нагрузок, накладываемых на нее проводниками. [1] Вес проводника должен быть выдержан, а также динамические нагрузки из-за ветра и накопления льда, а также эффекты вибрации. Там, где проводники находятся на прямой линии, опорам нужно только противостоять весу, поскольку натяжение в проводниках приблизительно уравновешивается без результирующей силы на конструкции. Гибкие проводники, поддерживаемые на своих концах, приближаются к форме цепной линии , и большая часть анализа для строительства линий электропередачи основана на свойствах этой формы. [1]
Крупный проект линии электропередачи может иметь несколько типов опор, с «тангенциальными» («подвесными» или «линейными» опорами, Великобритания) опорами, предназначенными для большинства позиций, и более прочными опорами, используемыми для поворота линии на угол, тупиковыми (завершающими) линиями или для важных пересечений рек или дорог. В зависимости от критериев проектирования конкретной линии, конструкции полугибкого типа могут полагаться на вес проводников, которые должны быть сбалансированы по обе стороны каждой опоры. Более жесткие конструкции могут быть предназначены для того, чтобы оставаться на месте, даже если один или несколько проводников сломаются. Такие конструкции могут быть установлены с интервалами на линиях электропередач, чтобы ограничить масштаб каскадных отказов опор. [1]
Фундаменты для башенных конструкций могут быть большими и дорогими, особенно если грунтовые условия плохие, например, в заболоченных местах. Каждая конструкция может быть значительно стабилизирована с помощью растяжек, чтобы противодействовать некоторым силам, прикладываемым проводниками.
Линии электропередач и опорные конструкции могут быть формой визуального загрязнения . В некоторых случаях линии закапывают, чтобы избежать этого, но такое « подземное » размещение обходится дороже и поэтому не распространено.
Для конструкции с одним деревянным столбом ЛЭП столб помещается в землю, затем от него отходят три поперечины, либо в шахматном порядке, либо все в одну сторону. Изоляторы крепятся к поперечинам. Для конструкции с деревянным столбом типа «Н» два столба помещаются в землю, затем поверх них устанавливается поперечина, простирающаяся в обе стороны. Изоляторы крепятся на концах и в середине. Решетчатые конструкции башен имеют две общие формы. Одна имеет пирамидальное основание, затем вертикальную секцию, где отходят три поперечины, как правило, в шахматном порядке. Изоляторы деформации крепятся к поперечинам. Другая имеет пирамидальное основание, которое простирается до четырех точек опоры. Сверху этого размещается горизонтальная фермообразная конструкция.
Заземленный провод иногда протягивается вдоль вершин вышек для обеспечения защиты от молнии. Оптический заземляющий провод — более продвинутая версия со встроенными оптическими волокнами для связи. Маркеры воздушных проводов могут быть установлены на заземляющем проводе для соответствия рекомендациям Международной организации гражданской авиации . [6] Некоторые маркеры включают в себя мигающие лампы для предупреждения в ночное время.
Одноцепная линия электропередачи несет проводники только для одной цепи. Для трехфазной системы это означает, что каждая опора поддерживает три проводника.
Двухцепная линия электропередачи имеет две цепи. Для трехфазных систем 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 на одну линию приходится два проводника, но в редких случаях на одной опоре располагается только один полюс системы.
В некоторых странах, например, в Германии, большинство линий электропередачи с напряжением выше 100 кВ реализуются как двойные, четверные или в редких случаях даже шестеричные линии электропередачи, поскольку права прохода встречаются редко. Иногда все проводники устанавливаются при возведении опор; часто некоторые цепи устанавливаются позже. Недостатком двухцепных линий электропередачи является то, что обслуживание может быть затруднено, поскольку требуется либо работа в непосредственной близости от высокого напряжения, либо отключение двух цепей. В случае отказа могут быть затронуты обе системы.
Крупнейшей двухцепной линией электропередачи является 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 из-за коммутации и молнии . Изоляторы в целом классифицируются как штыревые, которые поддерживают проводник над конструкцией, или подвесного типа, где проводник висит под конструкцией. Изобретение натяжного изолятора стало решающим фактором, позволившим использовать более высокие напряжения.
В конце XIX века ограниченная электрическая прочность штыревых изоляторов телеграфного типа ограничивала напряжение не более 69 000 вольт . До 33 кВ (69 кВ в Северной Америке) обычно используются оба типа. [1] При более высоких напряжениях для воздушных проводов распространены только изоляторы подвесного типа.
Изоляторы обычно изготавливаются из фарфора мокрого процесса или закаленного стекла , с увеличением использования полимерных изоляторов, армированных стеклом. Однако с ростом уровня напряжения полимерные изоляторы ( на основе силиконовой резины ) находят все большее применение. [7] Китай уже разработал полимерные изоляторы с самым высоким напряжением системы 1100 кВ, а Индия в настоящее время разрабатывает линию 1200 кВ (самое высокое напряжение системы), которая изначально будет заряжаться до 400 кВ, чтобы быть модернизированной до линии 1200 кВ. [8]
Подвесные изоляторы состоят из нескольких блоков, причем количество дисков изоляторов блоков увеличивается при более высоких напряжениях. Количество дисков выбирается на основе напряжения линии, требований к устойчивости к молнии, высоты и факторов окружающей среды, таких как туман, загрязнение или соляной туман. В случаях, когда эти условия не являются оптимальными, необходимо использовать более длинные изоляторы. В этих случаях требуются более длинные изоляторы с более длинным путем утечки тока. Изоляторы деформации должны быть достаточно прочными механически, чтобы выдерживать полный вес пролета проводника, а также нагрузки, вызванные накоплением льда и ветром. [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 накопления грязи. Полупроводниковая глазурь также обеспечивает более равномерное распределение напряжения по длине цепи изоляторных блоков.
Полимерные изоляторы по своей природе обладают гидрофобными характеристиками, что обеспечивает улучшенные характеристики во влажном состоянии. Кроме того, исследования показали, что удельная длина пути утечки, требуемая для полимерных изоляторов, намного меньше, чем требуемая для фарфора или стекла. Кроме того, масса полимерных изоляторов (особенно при более высоких напряжениях) примерно на 50–30 % меньше, чем у сопоставимой фарфоровой или стеклянной струны. Лучшая защита от загрязнения и характеристики во влажном состоянии приводят к более широкому использованию таких изоляторов.
Изоляторы для очень высоких напряжений, превышающих 200 кВ, могут иметь на своих выводах градуировочные кольца . Это улучшает распределение электрического поля вокруг изолятора и делает его более устойчивым к перекрытиям при скачках напряжения.
_line.jpg/1280px-Sample_cross-section_of_high_tension_power_(pylon)_line.jpg)
Наиболее распространенным проводником, используемым для передачи сегодня, является алюминиевый провод, армированный сталью (ACSR). Также широко используется провод из алюминиевого сплава (AAAC). Алюминий используется, поскольку он весит примерно в два раза меньше медного кабеля с сопоставимым сопротивлением (хотя диаметр больше из-за более низкой удельной проводимости ), а также он дешевле. [1] Медь была более популярна в прошлом и все еще используется, особенно при более низких напряжениях и для заземления.
Хотя более крупные проводники теряют меньше энергии из-за меньшего электрического сопротивления , они более дороги, чем более мелкие проводники. Правило оптимизации, называемое законом Кельвина (названное в честь лорда Кельвина ), гласит, что оптимальный размер проводника для линии находится, когда стоимость энергии, потраченной впустую в проводнике, равна годовому проценту, выплачиваемому на эту часть стоимости строительства линии из-за размера проводников. Задача оптимизации усложняется дополнительными факторами, такими как изменяющаяся годовая нагрузка, изменяющаяся стоимость установки и дискретные размеры кабеля, которые обычно производятся. [1] [10]
Поскольку проводник является гибким объектом с равномерным весом на единицу длины, форма проводника, натянутого между двумя опорами, приближается к форме цепной линии . Провисание проводника (вертикальное расстояние между самой высокой и самой низкой точкой кривой) изменяется в зависимости от температуры и дополнительной нагрузки, такой как ледяной покров. Для безопасности необходимо поддерживать минимальный зазор над головой. Поскольку температура и, следовательно, длина проводника увеличиваются с увеличением тока через него, иногда можно увеличить пропускную способность (uprate), заменив проводники на тип с более низким коэффициентом теплового расширения или более высокой допустимой рабочей температурой .
Два таких проводника, которые обеспечивают уменьшенный тепловой прогиб, известны как проводники с композитным сердечником (проводник ACCR и проводник ACCC ). Вместо стальных жил сердечника, которые часто используются для увеличения общей прочности проводника, проводник ACCC использует сердечник из углеродного и стекловолокна, который обеспечивает коэффициент теплового расширения около 1/10 от коэффициента теплового расширения стали. Хотя композитный сердечник непроводящий, он значительно легче и прочнее стали, что позволяет включать на 28% больше алюминия (используя компактные трапециевидные жилы) без какого-либо увеличения диаметра или веса. 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. Уменьшенный тепловой прогиб проводника с углеродным сердечником позволяет ему проводить в два раза больше тока («допустимая токовая нагрузка») по сравнению с полностью алюминиевым проводником (AAC) или ACSR.
Линии электропередач и их окрестности должны обслуживаться линейными рабочими , иногда с помощью вертолетов с мойками высокого давления или циркулярными пилами , которые могут работать в три раза быстрее. Однако эта работа часто происходит в опасных зонах диаграммы высоты и скорости 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. Передача выше 132 кВ создает проблему коронного разряда , который вызывает значительные потери мощности и помехи в цепях связи. Чтобы уменьшить этот эффект короны, предпочтительно использовать более одного проводника на фазу или пучки проводников. [15]
Проводники пучка состоят из нескольких параллельных кабелей, соединенных с интервалами распорками, часто в цилиндрической конфигурации. Оптимальное количество проводников зависит от номинального тока, но обычно линии более высокого напряжения имеют и более высокий ток. American Electric Power [16] строит линии 765 кВ, используя шесть проводников на фазу в пучке. Распорки должны противостоять силам, вызванным ветром, 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, создает нежелательный слышимый шум и мешает системам связи . Поле, окружающее связку проводников, похоже на поле, которое окружало бы один очень большой проводник — это создает более низкие градиенты, что смягчает проблемы, связанные с высокой напряженностью поля. Эффективность передачи улучшается, поскольку компенсируются потери из-за эффекта короны.
Связанные проводники охлаждаются более эффективно из-за увеличенной площади поверхности проводников, что дополнительно снижает потери в линии. При передаче переменного тока связанные проводники также позволяют избежать снижения токовой нагрузки одного большого проводника из-за скин-эффекта . Связанный проводник также имеет более низкое реактивное сопротивление по сравнению с одиночным проводником.
Хотя сопротивление ветра выше, вызванные ветром колебания могут быть демпфированы в распорках пучка. Нагрузка от гололеда и ветра на пучки проводов будет больше, чем на один провод того же общего сечения, и пучки проводов сложнее устанавливать, чем одиночные проводники.
Воздушные линии электропередач часто оснащены заземляющим проводом (экранированный провод, статический провод или воздушный заземляющий провод). Заземляющий провод обычно заземляется (заземляется) в верхней части опорной конструкции, чтобы свести к минимуму вероятность прямых ударов молнии в фазные проводники. [17] В цепях с заземленной нейтралью он также служит параллельным с землей путем для токов короткого замыкания. Очень высоковольтные линии электропередачи могут иметь два заземляющих проводника. Они находятся либо на самых внешних концах самой высокой поперечной балки, либо на двух V-образных точках мачты, либо на отдельном плече траверсы. Старые линии могут использовать разрядники для защиты от перенапряжений каждые несколько пролетов вместо экранированного провода; такая конфигурация обычно встречается в более сельских районах Соединенных Штатов. Защищая линию от молнии, конструкция аппаратуры на подстанциях упрощается из-за меньшей нагрузки на изоляцию. Защитные провода на линиях электропередачи 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 как один проводник. Заземляющий проводник монтируется на небольших изоляторах, соединенных молниеотводами над фазными проводниками. Изоляция предотвращает электрохимическую коррозию опоры.
Распределительные линии среднего напряжения могут также использовать один или два защитных провода или могут иметь заземленный провод, протянутый под фазными проводами, чтобы обеспечить некоторую степень защиты от соприкосновения высоких транспортных средств или оборудования с линией под напряжением, а также для обеспечения нейтральной линии в системах с соединением звездой.
На некоторых линиях электропередачи очень высокого напряжения в бывшем Советском Союзе заземляющий провод используется для систем связи по ЛЭП и монтируется на изоляторах на опорах.
Воздушные изолированные кабели используются редко, обычно на коротких расстояниях (менее километра). Изолированные кабели могут быть напрямую прикреплены к конструкциям без изолирующих опор. Воздушная линия с голыми проводниками, изолированными воздухом, как правило, менее затратна, чем кабель с изолированными проводниками.
Более распространенный подход — «покрытый» линейный провод. Он рассматривается как голый кабель, но часто безопаснее для диких животных, так как изоляция на кабелях увеличивает вероятность того, что хищная птица с большим размахом крыльев выживет при соприкосновении с линиями, и немного снижает общую опасность линий. Такие типы линий часто можно увидеть на востоке США и в густо заросших лесом районах, где возможен контакт с линией деревьев. Единственная ловушка — стоимость, так как изолированный провод часто дороже своего голого аналога. Многие коммунальные компании используют покрытый линейный провод в качестве материала для перемычек, где провода часто находятся ближе друг к другу на столбе, например, подземный стояк/ концевая головка , а также на реклоузерах, выключателях и т. п.
Поскольку линии электропередач могут страдать от аэроупругого колебания, вызванного ветром, для снижения вибраций на линиях часто устанавливаются демпферы Стокбриджа .
Компактная воздушная линия электропередачи требует меньшей полосы отвода, чем стандартная воздушная линия электропередачи. Проводники не должны располагаться слишком близко друг к другу. Этого можно добиться либо за счет коротких пролетов и изолирующих перекладин, либо путем разделения проводников в пролете изоляторами. Первый тип проще в строительстве, поскольку он не требует изоляторов в пролете, которые могут быть сложны в установке и обслуживании.
Примерами компактных линий являются:
Компактные линии электропередачи могут быть спроектированы для повышения напряжения существующих линий с целью увеличения мощности, которая может передаваться по существующей полосе отвода. [18]
Воздушные линии низкого напряжения могут использовать либо неизолированные проводники, размещенные на стеклянных или керамических изоляторах, либо воздушную кабельную систему. Количество проводников может быть от двух (чаще всего фаза и нейтраль) до шести (три фазных проводника, отдельная нейтраль и земля плюс уличное освещение, питаемое общим выключателем); распространенный случай — четыре (три фазы и нейтраль, где нейтраль также может служить защитным заземляющим проводником).
Воздушные линии или воздушные провода используются для передачи электроэнергии трамваям, троллейбусам или поездам. Воздушная линия спроектирована по принципу одного или нескольких воздушных проводов, расположенных над рельсовыми путями. Питающие станции, расположенные на равных интервалах вдоль воздушной линии, подают электроэнергию из высоковольтной сети. В некоторых случаях используется переменный ток низкой частоты, который распределяется специальной сетью 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 линия с шахматной решеткой. Вдоль линии с шахматной решеткой кабели-проводники для питания заземляющей сети передающей антенны крепятся на внешней стороне кольца, в то время как проводник внутри кольца крепится к изоляторам, ведущим к высоковольтному стоячему фидеру антенны.
Использование области под воздушной линией ограничено, поскольку объекты не должны приближаться слишком близко к проводникам под напряжением. Воздушные линии и конструкции могут покрываться льдом, создавая опасность. Радиоприем может быть ухудшен под линией электропередачи как из-за экранирования антенны приемника воздушными проводами, так и из-за частичного разряда на изоляторах и острых концах проводников, что создает радиопомехи.
В районе воздушных линий электропередачи существует опасность возникновения помех, например, запуск воздушных змеев или воздушных шаров, использование лестниц или работа механизмов.
Воздушные распределительные и электропередачные линии вблизи аэродромов часто обозначены на картах, а сами линии помечены заметными пластиковыми отражателями, чтобы предупреждать пилотов о наличии проводников.
Строительство воздушных линий электропередач, особенно в диких районах, может иметь значительные экологические последствия. Экологические исследования для таких проектов могут учитывать влияние вырубки кустарников, изменение путей миграции мигрирующих животных, возможный доступ хищников и людей вдоль коридоров передачи, нарушение среды обитания рыб на пересечениях рек и другие эффекты.
Авиация общего назначения, дельтапланеризм, парапланеризм, прыжки с парашютом, воздушные шары и воздушные змеи должны избегать случайного контакта с линиями электропередач. Почти каждый продукт для воздушных змеев предупреждает пользователей держаться подальше от линий электропередач. Смерть наступает, когда самолеты врезаются в линии электропередач. Некоторые линии электропередач обозначены маркерами препятствий, особенно вблизи взлетно-посадочных полос или над водными путями, которые могут поддерживать операции гидросамолетов. Размещение линий электропередач иногда занимает места, которые в противном случае использовались бы дельтапланами. [19] [20]
Первая передача электрических импульсов на большое расстояние была продемонстрирована 14 июля 1729 года физиком Стивеном Греем . [ требуется ссылка ] В демонстрации использовались влажные пеньковые шнуры, подвешенные на шелковых нитях (низкое сопротивление металлических проводников в то время не было оценено по достоинству).
Однако первое практическое использование воздушных линий было в контексте телеграфии . К 1837 году экспериментальные коммерческие телеграфные системы достигли расстояния в 20 км (13 миль). Передача электроэнергии была осуществлена в 1882 году с первой высоковольтной передачей между Мюнхеном и Мисбахом (60 км). В 1891 году была построена первая трехфазная воздушная линия переменного тока по случаю Международной выставки электричества во Франкфурте , между Лауффеном и Франкфуртом.
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 такого напряжения, а в 1926 году построила переправу через Рейн с опорами Фёрде — двумя мачтами высотой 138 метров.
В 1953 году компания American Electric Power ввела в эксплуатацию первую линию электропередачи напряжением 345 кВ в США . В Германии в 1957 году была введена в эксплуатацию первая воздушная линия электропередачи напряжением 380 кВ (между трансформаторной станцией и Роммерскирхеном). В том же году в Италии была введена в эксплуатацию воздушная линия электропередачи, проходящая через Мессинский пролив, опоры которой обслуживали переправу через Эльбу 1. Это было использовано в качестве модели для строительства переправы через Эльбу 2 во второй половине 1970-х годов, где были построены самые высокие опоры воздушной линии электропередачи в мире. Ранее, в 1952 году, первая линия электропередачи напряжением 380 кВ была введена в эксплуатацию в Швеции , 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 строились воздушные линии электропередачи напряжением 765 кВ. В 1985 году в Советском Союзе была построена воздушная линия электропередачи между Кокшетау и Экибастузской электростанцией , это была трехфазная линия переменного тока напряжением 1150 кВ. В 1999 году в Японии была построена первая линия электропередачи, рассчитанная на напряжение 1000 кВ с двумя цепями, — Кита-Иваки . В 2003 году началось строительство самой высокой воздушной линии электропередачи в Китае — переход через реку Янцзы .
В 21 веке замена стали на сердечники из углеродного волокна ( прогрессивная репроводимость ) стала для коммунальных предприятий способом увеличения пропускной способности линий электропередачи без увеличения площади используемых земель.
Воздушная линия электропередачи является одним из примеров линии передачи . На частотах энергосистемы можно сделать много полезных упрощений для линий типичной длины. Для анализа энергосистем распределенное сопротивление, последовательная индуктивность, сопротивление утечки шунта и емкость шунта можно заменить подходящими сосредоточенными значениями или упрощенными сетями.
Короткую длину линии электропередачи (менее 80 км) можно аппроксимировать сопротивлением последовательно с индуктивностью и игнорировать шунтирующие проводимости. Это значение не является полным сопротивлением линии, а скорее последовательным сопротивлением на единицу длины линии. Для более длинной линии (80–250 км) в модель добавляется шунтирующая емкость. В этом случае принято распределять половину общей емкости на каждую сторону линии. В результате линия электропередачи может быть представлена как двухполюсная сеть , например, с параметрами ABCD. [21]
Схему можно охарактеризовать как
где
Средняя линия имеет дополнительный шунтирующий ввод
где
6.2.8 ... сферическая ... диаметром не менее 60 см. ... 6.2.10 ... должна быть одного цвета.
Медиа, связанные с Воздушные линии электропередач на Wikimedia Commons
