Башня электропередачи (также опора электропередач , гидробашня или пилон ) — это высокое сооружение , обычно решетчатая башня из стали, которая используется для поддержки воздушной линии электропередачи . В электрических сетях опоры электропередач несут высоковольтные линии электропередачи, которые транспортируют большую часть электроэнергии от генерирующих станций к электрическим подстанциям , с которых электроэнергия поставляется конечным потребителям; кроме того, опоры линий электропередач используются для поддержки низковольтных линий субпередачи и распределения , которые транспортируют электроэнергию от подстанций к потребителям электроэнергии.
Существует четыре категории опор линий электропередачи: (i) опора подвеса , (ii) тупиковая терминальная опора, (iii) натяжная опора и (iv) транспозиционная опора . [1] Высота опор линий электропередачи обычно составляет от 15 до 55 м (от 49 до 180 футов), [1] хотя, когда требуются более длинные пролеты, например, для пересечения водного пути, иногда используются более высокие опоры. Для смягчения последствий изменения климата необходимо больше опор линий электропередачи , и в результате опоры линий электропередачи стали политически важными в 2020-х годах. [2] [3]
Башня передачи — название конструкции, используемой в промышленности в Соединенных Штатах и некоторых других англоязычных странах. [4] В Европе и Великобритании термины «опорная стойка» и «пилон» происходят от базовой формы конструкции — обелиска с конической вершиной. [5] В Канаде используется термин «гидробашня» , поскольку гидроэлектроэнергия является основным источником электроэнергии для страны. [6] [7]
Трехфазные системы электроснабжения используются для линий электропередачи переменного тока высокого напряжения (66 или 69 кВ и выше) и сверхвысокого напряжения (110 или 115 кВ и выше; чаще всего 138 или 230 кВ и выше в современных системах) . В некоторых европейских странах, например, в Германии, Испании или Чехии, для линий электропередачи среднего напряжения (выше 10 кВ) также используются меньшие решетчатые башни. Башни должны быть спроектированы так, чтобы нести три (или кратные трем) проводника. Башни обычно представляют собой стальные решетки или фермы (в некоторых случаях в Австралии, Канаде, Германии и Скандинавии используются деревянные конструкции ), а изоляторы представляют собой либо стеклянные или фарфоровые диски, либо композитные изоляторы с использованием силиконового каучука или EPDM-каучука , собранные в струны или длинные стержни, длина которых зависит от напряжения линии и условий окружающей среды.
Обычно сверху размещают один или два заземляющих провода , также называемых «защитными» проводами, чтобы перехватывать молнию и безопасно отводить ее в землю.
Башни высокого и сверхвысокого напряжения обычно проектируются для переноса двух или более электрических цепей. [ необходима цитата ] Если линия построена с использованием башен, рассчитанных на перенос нескольких цепей, нет необходимости устанавливать все цепи во время строительства. Действительно, по экономическим причинам некоторые линии электропередачи проектируются для трех (или четырех) цепей, но изначально устанавливаются только две (или три) цепи.
Некоторые высоковольтные цепи часто возводятся на той же опоре, что и линии 110 кВ. Параллельные цепи линий 380 кВ, 220 кВ и 110 кВ на тех же опорах являются обычным явлением. Иногда, особенно в случае с цепями 110 кВ, параллельная цепь несет тяговые линии для электрификации железных дорог .
Высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) бывают монополярными или биполярными . В биполярных системах используется схема расположения проводников с одним проводником с каждой стороны опоры. В некоторых схемах заземляющий проводник используется в качестве электродной линии или заземляющего возврата. В этом случае его приходилось устанавливать с изоляторами, оснащенными разрядниками на опорах, чтобы предотвратить электрохимическую коррозию опор. Для однополюсной передачи HVDC с заземляющим возвратом можно использовать опоры только с одним проводником. Однако во многих случаях опоры проектируются для последующего преобразования в двухполюсную систему. В этих случаях часто по механическим причинам устанавливаются проводники с обеих сторон опоры. Пока не понадобится второй полюс, он либо используется в качестве электродной линии, либо подключается параллельно к используемому полюсу. В последнем случае линия от преобразовательной станции до заземляющего электрода строится как подземный кабель, как воздушная линия на отдельной полосе отвода или с использованием заземляющих проводников.
Опоры электродной линии используются в некоторых схемах HVDC для переноса линии электропередачи от преобразовательной станции к заземляющему электроду. Они похожи на конструкции, используемые для линий с напряжением 10–30 кВ, но обычно несут только один или два проводника.
Башни линий электропередач переменного тока могут быть преобразованы для полного или смешанного использования HVDC, чтобы увеличить уровень передачи электроэнергии с меньшими затратами, чем строительство новой линии электропередачи. [8] [9]
Опоры, используемые для однофазных линий тяги переменного тока , по конструкции аналогичны опорам, используемым для трехфазных линий 110 кВ. Для этих линий также часто используются стальные трубы или бетонные столбы. Однако системы тягового тока железной дороги являются двухполюсными системами переменного тока, поэтому тяговые линии рассчитаны на два проводника (или кратные двум, обычно четыре, восемь или двенадцать). Они обычно располагаются на одном уровне, при этом каждая цепь занимает половину траверсы. Для четырех тяговых цепей расположение проводников осуществляется на двух уровнях, а для шести электрических цепей расположение проводников осуществляется на трех уровнях.
Опоры линий электропередач должны выдерживать различные внешние воздействия, включая ветер, лед и сейсмическую активность, а также выдерживать вес тяжелых проводов.
Для разных стран характерны разные формы опор ЛЭП, которые также зависят от напряжения и количества цепей.
Дельта-пилоны являются наиболее распространенной конструкцией для одноцепных линий из-за их устойчивости. Они имеют V-образный корпус с горизонтальным плечом наверху, который образует перевернутую дельту . Более крупные дельта-башни обычно используют два защитных троса.
Портальные опоры широко используются в США, Ирландии, Скандинавии и Канаде. Они стоят на двух опорах с одной поперечиной, что придает им форму буквы H. До 110 кВ их часто делали из дерева, но на линиях более высокого напряжения используют стальные опоры.
Меньшие одноцепные опоры могут иметь две небольшие поперечины с одной стороны и одну с другой.
Одноуровневые пилоны имеют только одну траверсу, несущую 3 кабеля с каждой стороны. Иногда они имеют дополнительную траверсу для защитных кабелей. Они часто используются вблизи аэропортов из-за их уменьшенной высоты.
Дунайские опоры или Донаумастен получили свое название от линии, построенной в 1927 году рядом с рекой Дунай . Они являются наиболее распространенной конструкцией в странах Центральной Европы, таких как Германия или Польша. Они имеют две поперечины, верхняя часть несет один, а нижняя часть несет два кабеля с каждой стороны. Иногда они имеют дополнительную поперечину для защитных кабелей.
Башни в форме тонны являются наиболее распространенной конструкцией, они имеют 3 горизонтальных уровня с одним тросом, очень близко к пилону с каждой стороны. В Соединенном Королевстве второй уровень часто (но не всегда) шире других, в то время как в Соединенных Штатах все поперечные рычаги имеют одинаковую ширину.
В 2021 году в Соединенном Королевстве был установлен первый Т-образный пилон, новая трубчатая Т-образная конструкция, для новой линии электропередачи на атомную электростанцию Хинкли-Пойнт C , по которой проходят две высоковольтные линии электропередачи напряжением 400 кВ. [10] [11] Конструкция представляет собой электрические кабели, натянутые под траверсой на одном столбе, что снижает визуальное воздействие на окружающую среду по сравнению с решетчатыми пилонами. Эти 36 Т-образных пилонов стали первой крупной реконструкцией в Великобритании с 1927 года, разработанной датской компанией Bystrup , победителем конкурса 2011 года из более чем 250 заявок, проведенного Королевским институтом британских архитекторов и правительством Ее Величества . [12]
Y-образные пилоны — это новая концепция для опор линий электропередач. Обычно они имеют растяжку или опорную балку, помогающую поддерживать форму «Y» в башне. [13] [14]
Башни в форме рождественской елки на 4 или даже 6 цепей распространены в Германии и имеют 3 поперечных плеча, где самое высокое плечо имеет по одному кабелю, второе плечо имеет два кабеля, а третье плечо имеет по три кабеля с каждой стороны. Кабели на третьем плече обычно несут цепи для более низкого высокого напряжения.
Для создания ответвлений линий, например, для соединения близлежащих подстанций, необходимы специально спроектированные опоры.
Башни могут быть самонесущими и способными противостоять всем силам, вызванным нагрузкой проводников, несбалансированными проводниками, ветром и льдом в любом направлении. Такие башни часто имеют приблизительно квадратные основания и обычно четыре точки контакта с землей.
Полугибкая опора спроектирована таким образом, что может использовать воздушные заземляющие провода для передачи механической нагрузки на соседние конструкции, если фазный проводник обрывается и конструкция подвергается неуравновешенным нагрузкам. Этот тип полезен при сверхвысоких напряжениях, когда фазные проводники связаны (два или более провода на фазу). Маловероятно, что все они сломаются одновременно, за исключением катастрофического падения или шторма.
Мачта с растяжками имеет очень малую площадь основания и опирается на растяжки в натяжении, чтобы поддерживать конструкцию и любую несбалансированную нагрузку натяжения от проводников. Башня с растяжками может быть сделана в форме буквы V, что экономит вес и стоимость. [15]
Столбы из трубчатой стали обычно собираются на заводе и затем размещаются на полосе отвода. Из-за их прочности и простоты изготовления и установки многие коммунальные службы в последние годы предпочитают использовать монополярные стальные или бетонные опоры вместо решетчатой стали для новых линий электропередач и замены опор. [ необходима цитата ]
В Германии стальные трубчатые опоры также устанавливаются преимущественно для линий среднего напряжения, кроме того, для высоковольтных линий электропередачи или двух электрических цепей для рабочих напряжений до 110 кВ. Стальные трубчатые опоры также часто используются для линий 380 кВ во Франции и для линий 500 кВ в Соединенных Штатах .
Решетчатая башня представляет собой каркасную конструкцию из стальных или алюминиевых секций. Решетчатые башни используются для линий электропередач всех напряжений и являются наиболее распространенным типом для высоковольтных линий электропередачи. Решетчатые башни обычно изготавливаются из оцинкованной стали. Алюминий используется для снижения веса, например, в горных районах, где конструкции размещаются с помощью вертолета. Алюминий также используется в средах, которые могут быть коррозионно-активными для стали. Дополнительные затраты на материал алюминиевых башен будут компенсированы более низкой стоимостью установки. Конструкция алюминиевых решетчатых башен аналогична конструкции из стали, но должна учитывать более низкий модуль Юнга алюминия .
Решетчатая башня обычно собирается на месте, где она должна быть возведена. Это делает возможным строительство очень высоких башен, до 100 м (328 футов) (а в особых случаях и выше, как в случае с пересечением Эльбы 1 и пересечением Эльбы 2 ). Сборка решетчатых стальных башен может осуществляться с помощью крана . Решетчатые стальные башни обычно изготавливаются из стальных балок углового профиля (L-образных или T-образных ). Для очень высоких башен часто используются фермы .
Древесина — материал, использование которого в высоковольтной передаче ограничено. Из-за ограниченной высоты доступных деревьев максимальная высота деревянных опор ограничена примерно 30 м (98 футов). Древесина редко используется для решетчатых каркасов. Вместо этого ее используют для строительства многополюсных конструкций, таких как конструкции H-образной и K-образной рам. Напряжения, которые они выдерживают, также ограничены, например, в других регионах, где деревянные конструкции выдерживают напряжение только до примерно 30 кВ.
В таких странах, как Канада или США, деревянные башни выдерживают напряжение до 345 кВ; они могут быть менее дорогостоящими, чем стальные конструкции, и использовать преимущества изолирующих свойств древесины от перенапряжения. [15] По состоянию на 2012 год [обновлять]линии 345 кВ на деревянных башнях все еще используются в США, и некоторые из них все еще строятся по этой технологии. [16] [17] Древесину также можно использовать для временных конструкций при строительстве постоянной замены.
Бетонные опоры используются в Германии обычно только для линий с рабочим напряжением ниже 30 кВ. В исключительных случаях бетонные опоры используются также для линий 110 кВ, а также для коммунальной сети или для железнодорожной тяговой сети. Бетонные опоры для среднего напряжения используются также в Канаде и США.
В Швейцарии бетонные опоры высотой до 59,5 метров (самая высокая в мире опора из сборного бетона в Литтау ) используются для воздушных линий электропередачи 380 кВ. В Аргентине и некоторых других странах Южной Америки многие воздушные линии электропередачи, за исключением сетей сверхвысокого напряжения , были размещены на трубчатых бетонных опорах. Также в странах бывшего СССР бетонные опоры распространены, хотя и с траверсами из стали. [18]
Бетонные опоры, которые не изготавливаются заводским способом, также используются для конструкций высотой более 60 метров. Одним из примеров является опора высотой 61,3 м (201 фут) линии электропередачи 380 кВ около электростанции Reuter West в Берлине. [ необходима цитата ] В Китае некоторые опоры для линий, пересекающих реки, были построены из бетона. Самая высокая из этих опор принадлежит переходу линии электропередачи Янцзы в Нанкине и имеет высоту 257 м (843 фута).
Иногда (в частности, на стальных решетчатых башнях для самых высоких уровней напряжения) устанавливаются передающие установки, а антенны монтируются наверху над или под воздушным заземляющим проводом . Обычно эти установки предназначены для услуг мобильной связи или рабочего радио энергетической компании, но иногда также и для других радиоуслуг, таких как направленное радио. Так, передающие антенны для маломощных FM-радио- и телевизионных передатчиков уже были установлены на пилонах. На вышке Elbe Crossing 1 находится радарная установка, принадлежащая Гамбургскому водному и навигационному управлению.
Для пересечения широких долин необходимо поддерживать большое расстояние между проводниками, чтобы избежать коротких замыканий, вызванных столкновением проводниковых кабелей во время штормов. Для достижения этого иногда для каждого проводника используется отдельная мачта или башня. Для пересечения широких рек и проливов с плоскими береговыми линиями необходимо строить очень высокие башни из-за необходимости большого зазора по высоте для навигации. Такие башни и проводники, которые они несут, должны быть оборудованы лампами безопасности полетов и отражателями.
Два известных широких речных перехода — это Elbe Crossing 1 и Elbe Crossing 2. Последний имеет самые высокие мачты воздушной линии в Европе высотой 227 м (745 футов). В Испании опоры воздушной линии в испанском заливе Кадис имеют особенно интересную конструкцию. Основные башни перехода имеют высоту 158 м (518 футов) с одной траверсой наверху конструкции усеченного каркаса. Самые длинные пролеты воздушной линии — это переход через норвежский пролет Согне-фьорд (4597 м (15082 фута) между двумя мачтами) и пролет Амералик в Гренландии (5376 м (17638 футов)). В Германии воздушная линия перехода EnBW AG через Эйахталь имеет самый длинный пролет в стране — 1444 м (4738 футов).
Для того чтобы спустить воздушные линии в крутые, глубокие долины, иногда используются наклонные башни. Они используются на плотине Гувера , расположенной в Соединенных Штатах, для спуска по скалистым стенам Черного каньона в Колорадо . В Швейцарии опора, наклоненная примерно на 20 градусов к вертикали, расположена около Сарганса , Санкт-Галленс . Высоко наклонные мачты используются на двух опорах 380 кВ в Швейцарии, верхние 32 метра одной из них изогнуты на 18 градусов к вертикали.
Дымовые трубы электростанций иногда оснащаются перекладинами для крепления проводников отходящих линий. Из-за возможных проблем с коррозией дымовыми газами такие конструкции встречаются очень редко.
Существуют также различные пилоны и столбы линий электропередач, установленные на зданиях. Наиболее распространенными являются небольшие столбы на крыше, используемые в некоторых странах, например, в Германии, для реализации воздушных сетей 400/230 вольт для электроснабжения домов [1].
Однако существуют также опорные конструкции для высокого напряжения, устанавливаемые на крыше. Некоторые тепловые электростанции в Польше, такие как Полянецкая электростанция , и в бывшем Советском Союзе, такие как Лукомльская электростанция, используют портальные пилоны на крыше здания электростанции для высоковольтной линии от трансформатора машины до распределительного устройства. Также другие промышленные здания могут иметь опорную конструкцию линии электропередачи на крыше. Такое устройство можно найти на сталелитейном заводе в Днепре, Украина, в точке с координатами 48°28'57"N 34°58'43"E и на сталелитейном заводе во Фрайтале, Германия, в точке с координатами 50°59'53"N 13°38'26"E. В Соединенных Штатах такое устройство может быть более распространено, чем в других странах [2], [3] Также существуют настоящие высоковольтные башни на крыше промышленных зданий, как на сталелитейном заводе в Пьомбино, Италия [4] и на крыше промышленного здания в Череповце, Россия, в точке с координатами 59°8'52"N 37°51'55"E.
До 2015 года на жилом высотном здании в Дачжоу, Китай, в точке с координатами 31°11'28" с.ш. и 107°30'43" в.д. стояла опора линии электропередачи.
Кроме того, возможно, что нижние части опоры ЛЭП находятся в здании. Такую конструкцию человек, не имеющий возможности видеть внутреннюю часть здания, не сможет отличить от настоящей опоры на крыше. Конструкция такого типа — башня 9108 высоковольтной тяговой линии электропередачи 110 кВ в Фульде [5], Файл:Mast9108-Fundament.jpg .
Новый тип пилонов, называемый пилонами Wintrack, будет использоваться в Нидерландах с 2010 года. Пилоны были спроектированы как минималистская конструкция голландскими архитекторами Zwarts и Jansma. Использование физических законов для проектирования сделало возможным уменьшение магнитного поля. Кроме того, визуальное воздействие на окружающий ландшафт снижено. [19]
Два столба в форме клоуна появились в Венгрии, по обе стороны автомагистрали М5 , недалеко от Уйхартьяна . [20]
Зал славы профессионального футбола в Кантоне, штат Огайо, США, и компания American Electric Power объединились для разработки, проектирования и установки башен в форме стоек ворот, расположенных по обеим сторонам межштатной автомагистрали 77 около зала в рамках модернизации энергетической инфраструктуры. [21]
Опора Микки — это опора линии электропередачи в форме Микки Мауса на обочине межштатной автомагистрали 4 , недалеко от Walt Disney World в Орландо, штат Флорида . Bog Fox — это проектная опора в Эстонии к югу от Ристи в точке с координатами 58° 59′ 33.44″ с.ш., 24° 3′ 33.19″ в.д.
В России было построено несколько пилонов, задуманных как произведения искусства [6]
Перед тем, как возводить опоры ЛЭП, прототипы опор испытываются на испытательных станциях . Существует множество способов их сборки и возведения:
Международная организация гражданской авиации выпускает рекомендации по маркерам для вышек и подвешенных между ними проводов . Некоторые юрисдикции делают эти рекомендации обязательными, например, что некоторые линии электропередач должны иметь маркеры воздушных проводов, размещенные с интервалами, и что на всех достаточно высоких вышках должны быть установлены предупреждающие огни , [25] это особенно касается вышек линий электропередач, которые находятся в непосредственной близости от аэропортов .
На опорах линий электропередач часто имеется идентификационная бирка с указанием названия линии (либо конечных точек линии, либо внутреннего обозначения энергетической компании) и номера опоры. Это упрощает определение места неисправности для энергетической компании, которой принадлежит опора.
Башни линий электропередач, как и другие стальные решетчатые башни, включая радиовещательные или сотовые вышки, отмечены знаками, которые запрещают доступ общественности из-за опасности высокого напряжения. Часто это достигается с помощью знака, предупреждающего о высоком напряжении. В других случаях вся точка доступа к коридору линий электропередач отмечена знаком. Знак, предупреждающий о высоком напряжении, может также содержать название компании, которая построила конструкции, а также приобрела и обозначила земли, на которых стоят конструкции линий электропередач, а также участки линии или полосы отвода.
Башенные конструкции можно классифицировать по способу, которым они поддерживают линейные проводники. [26] Подвесные конструкции поддерживают проводник вертикально с помощью подвесных изоляторов. Натяжные конструкции сопротивляются чистому натяжению в проводниках, а проводники крепятся к конструкции через натяжные изоляторы. Тупиковые конструкции поддерживают полный вес проводника, а также все натяжение в нем, и также используют натяжные изоляторы.
Конструкции классифицируются как касательная подвеска, угловая подвеска, касательная деформация, угловая деформация, касательная тупиковая и угловая тупиковая. [15] Там, где проводники находятся на прямой линии, используется касательная башня. Угловые башни используются там, где линия должна менять направление.
Обычно для трехфазной цепи переменного тока требуется три проводника, хотя однофазные и цепи постоянного тока также переносятся на башнях. Проводники могут быть расположены в одной плоскости или с помощью нескольких траверс могут быть расположены в примерно симметричной, треугольной схеме для балансировки импедансов всех трех фаз. Если требуется переносить более одной цепи, а ширина полосы отвода линии не позволяет использовать несколько башен, две или три цепи могут переноситься на одной и той же башне с использованием нескольких уровней траверс. Часто несколько цепей имеют одинаковое напряжение, но на некоторых конструкциях могут встречаться смешанные напряжения.
Изоляторы электрически изолируют токоведущую сторону кабелей передачи от конструкции башни и земли. Они представляют собой либо стеклянные или фарфоровые диски, либо композитные изоляторы с использованием силиконового каучука или EPDM-каучука . Они собираются в струны или длинные стержни, длина которых зависит от напряжения линии и условий окружающей среды. При использовании дисков кратчайший поверхностный электрический путь между концами максимизируется, что снижает вероятность утечки во влажных условиях.
Демпферы Стокбриджа добавляются к линиям электропередачи на расстоянии метра или двух от башни. Они состоят из короткого отрезка кабеля, закрепленного параллельно самой линии и утяжеленного на каждом конце. Размеры и габариты тщательно разработаны для гашения любого нарастания механических колебаний линий, которые могут быть вызваны механическими вибрациями, скорее всего, вызванными ветром. Без них возможно возникновение стоячей волны, которая растет в размерах и разрушает линию или башню.
Дугогасительные рога иногда добавляются к концам изоляторов в областях, где могут возникнуть скачки напряжения. Они могут быть вызваны либо ударами молнии, либо коммутационными операциями. Они защищают изоляторы линий электропередач от повреждения из-за дуги. Их можно увидеть как округлые металлические трубы на обоих концах изолятора, и они обеспечивают путь к земле в экстремальных обстоятельствах, не повреждая изолятор.
Башни будут иметь уровень физической безопасности, чтобы не допустить подъема на них людей или животных. Это может быть защитное ограждение или барьеры для подъема, добавленные к опорным стойкам. Некоторые страны требуют, чтобы решетчатые стальные башни были оборудованы заграждением из колючей проволоки примерно на высоте 3 м (9,8 фута) над землей, чтобы предотвратить несанкционированное восхождение. Такие заграждения часто можно найти на башнях вблизи дорог или других мест с легким общественным доступом, даже там, где нет законного требования. В Соединенном Королевстве все такие башни оснащены колючей проволокой.
Некоторые опоры линий электропередач, особенно для напряжений выше 100 кВ, несут передающие антенны. В большинстве случаев это антенны сотовой связи и антенны для радиорелейных линий, примыкающих к ним, но также возможно, что установлены антенны радиорелейных систем энергетических компаний или антенны для небольших вещательных передатчиков в диапазоне VHF/UHF. Северная башня Elbekreuzung 1 несет на своей конструкции на высоте 30 метров радиолокационную станцию для мониторинга движения судов на реке Эльба. Башня 93 объекта 4101 , сетчатый фильтр в Хюрте к югу от Кельна, Германия, несла с 1977 по 2010 год общественную смотровую площадку, на которую можно было подняться по лестнице.
Следующие опоры линий электропередач примечательны своей огромной высотой, необычным дизайном, необычным местом строительства или использованием в произведениях искусства. Жирным шрифтом выделены конструкции, которые когда-то были самыми высокими опорами линий электропередач в мире.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )6.2.8 ... сферическая ... диаметром не менее 60 см. ... 6.2.10 ... должна быть одного цвета. ... Рисунок 6-2 ... 6.3.13
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )