Дизайн линии передачи
Башни и проводники линии электропередачи являются знакомыми элементами нашего ландшафта. Однако при ближайшем рассмотрении каждая линия передачи имеет общие компоненты с уникальными характеристиками, началами и концами.
Компоненты линии передачи (фото: Кристофер Масиосек на Flickr)
В этой статье мы перечислим основные компоненты линии электропередач и их характеристики:
-
- Башни
- Проводники
- Подстанции
- ROW (права в пути)
- Доступ к дорогам
1. Башни
Передающие башни являются наиболее заметным компонентом системы объемной передачи энергии. Их функция заключается в том, чтобы держать высоковольтные проводники отделенными от их окружения и друг от друга.
Более высокие линии напряжения требуют большего разделения. Непреднамеренная передача мощности между проводником и его окружением, известная как неисправность к земле, будет иметь место, если линия с напряжением вступает в непосредственный контакт с окружающей средой или приближается настолько, что дуга может перепрыгнуть через оставшееся разделение.
Также может возникать неисправность между проводниками. Такая неисправность называется размыканием между фазами.
Первое соображение конструкции для передающих вышек состоит в том, чтобы отделить проводники друг от друга, от башни и от других структур в окружающей среде, чтобы предотвратить неисправности. Это требование и электрический потенциал (напряжение) определяют основные физические размеры башни, включая ее высоту, расстояние между проводниками и длину изолятора, необходимые для установки проводника.
Учитывая эти основные размеры, следующее требование к конструкции заключается в обеспечении прочности конструкции, необходимой для поддержания этих расстояний при нагрузке от веса проводников, ветровых нагрузок, загрузки льда, сейсмических нагрузок и возможных воздействий.
Разумеется, структура должна удовлетворять этим требованиям наиболее экономичным образом. Это привело к широкому использованию вариантов конструкции космической рамы или фермы, которые могут обеспечить высокую прочность с минимальными требованиями к материалам. В результате появляются повсеместные решетчатые рабочие башни во всех регионах страны.
Последнее требование к дизайну состоит в том, чтобы обеспечить основу, необходимую для поддержки необходимой башни при расчетных нагрузках.
Некоторые из последствий для окружающей среды линии электропередачи приводятся непосредственно из этих требований к конструкции передающей башни.
Во-первых, физические размеры башен и результирующие линии и межстрочный интервал устанавливают необходимые минимальные размеры ROW, включая зазоры для естественных и искусственных сооружений. Для создания и поддержания этих зазоров часто необходимо удалить или урезать растительность во время строительства и эксплуатации.
Кроме того, для создания фундаментов требуются земляные работы, заливка бетона и свайное вождение.
Все эти задачи требуют подъездных дорог и служебных помещений с размерами и прочностью, достаточными для работы с крупными тяжелыми компонентами башни, землеройным оборудованием и техническим оборудованием.
Рисунок 1 - Решетка (слева) и монопольная (справа) башни
На рисунке 1 показана решетчатая башня с одноконтурной линией 765 кВ. Тщательный взгляд на фигуру показывает двенадцать проводников, натянутых из изоляторов, подвешенных на перекладине, но это одноконтурная линия. Одноконтурная линия переменного тока передает мощность в три фазы.
Напряжение в каждой фазе изменяется синусоидально с периодом 1/60 секунды, и каждая из фаз отделена от остальных на 120 градусов.
Таким образом, имеется три изолированных проводника для одной цепи передачи переменного тока. Кроме того, некоторые высокопроизводительные схемы с напряжением до 345 кВ используют несколько (объединенных) проводников для каждой фазы, а не один большой проводник.
Решетчатая башня на рисунке 1 использует группы из четырех проводников для переноса каждой из трех фаз. Выше 345 кВ, проводящие проводники обычно используются для уменьшения коронного разряда.
Строительство решетчатой башни на Большом Эдди - Рыцарь 500кВ Пересечение реки
На рисунке 1 приведено несколько других функций. Проводники поддерживаются в горизонтальной конфигурации. Эта конфигурация требует широких вышек для достижения адекватного разделения линий, что составляет около 45 футов между проводниками для 765 кВ.
Для горизонтальной конфигурации требуется, соответственно, увеличенная ширина для ROW, чем вертикальная конфигурация, которая укладывает проводники в вертикальной плоскости. Вертикальная конфигурация приводит к более высоким, более узким башням.
В этом энергетическом коридоре также используется альтернатива решетчатой башне, монопольной башне.
В этом случае монополь поддерживает много низковольтных проводников для распределения промышленным потребителям и подстанциям. Таким образом, сравнение размеров, предложенное на рисунке, недействительно. Тем не менее, монопольные башни могут использоваться для напряжения на уровне передачи и уменьшать видимый след башен.
Представленные здесь монопольные структуры фактически поддерживают две цепи из трех проводников каждый, в общей сложности шесть изолированных проводников. Только едва видны на верхних внешних краях этих башен, являются заземляющие линии, которые соединены непосредственно с башнями и служат молниезащитой.
Наконец, важно признать, что на рисунке 1 представлен важный тип общего энергетического коридора, коридор с несколькими схемами, поддерживаемый на отдельных башнях. Из-за требований к расстоянию, чтобы избежать сбоев, требуется значительная ширина для разделения линий башни.
Рисунок 2 - Несколько линий в силовом коридоре
На рисунке 2 показан другой пример общего коридора. Здесь высоковольтная распределительная линия фланкирована многими высоковольтными линиями передачи. Обратите внимание, что на решетчатых башнях несут две (трехфазные) схемы в вертикальной конфигурации и используются одиночные, а не связанные провода.
С точки зрения фотографии скрывается тот факт, что решетчатые башни в два раза превышают высоты деревянных конструкций полюсов.
Типичная высота башни передачи для горизонтальной конфигурации составляет 100 футов. Башня предназначена для выдерживания вертикальной нагрузки веса проводника и горизонтальных нагрузок от ветра к башням и проводникам. При длинных прямых трассах горизонтальная нагрузка от натяжения проводника уравновешивается линиями, идущими в противоположных направлениях.
Однако, когда требуется изменение направления, натяжение проводника является неуравновешенным, и требуется колоссальная башня, называемая башня отклонения. Эта башня, вероятно, имеет более широкий след, чем другие башни.
На рисунке 3 показана башня отклонения 765 кВ, расположенная менее чем в 50 метрах от нового двухэтажного дома.
На иллюстрации приведено хорошее представление о размерах этих башен. Отпечаток на башнях вдоль прямых сегментов меньше, потому что сбалансированная нагрузка на проводник уменьшает изгибающий момент, который должен поддерживаться на фундаменте.
Рисунок 3 - Башня отклонения в жилой зоне
Вернуться к содержанию ↑
2. Проводники
В настоящее время используются разнообразные проводящие композиции и конструкции для удовлетворения различных специфических требований. В первые годы промышленности медь использовалась почти исключительно из-за ее высокой электропроводности, но диаметры кабелей с медью определялись скорее потребностью в механической прочности, чем необходимостью повышения проводимости.
Низкое соотношение прочности к массе меди ограничивало допустимую длину пролета (расстояние между башнями).
Алюминий с его более высоким отношением прочности к массе был введен в качестве альтернативы меди, что позволило увеличить длину пролета. Хотя медь имеет более высокую электропроводность, чем алюминий, более низкая плотность алюминия дает ему отношение удельной электропроводности к массе в два раза больше, чем у меди.
Первые алюминиевые линии передачи были установлены за последние 5 лет XIX века. Дополнительным стимулом для алюминиевых проводников в последнее время является то, что алюминий более экономичен в использовании, чем медь, хотя алюминий имеет только 60% электропроводности меди. Типичные алюминиевые проводники состоят из нескольких нитей толщиной 1/8 дюймов, скрученных вместе.
Существует около 50 разновидностей многопроволочных проводников, которые названы в честь цветов, возможно, потому, что в сечениях предлагаются цветообразные узоры и симметрия. Нарцисс - это проводник длиной 61 жилет, который может переносить более 1100 ампер.
В 1907 году были внедрены композитные кабели из алюминиевой стали для достижения еще более высокого соотношения прочности и веса при сохранении электрических характеристик алюминия. Эти кабели имеют центральное ядро из стальных нитей, окруженных алюминиевыми нитями.
ACSR - Алюминиевый проводник, усиленный сталью
В то время как сталь является относительно плохим проводником, ее высокая прочность позволяет увеличить длину пролета, что снижает затраты на башни. Эти составные проводники обозначены комбинациями скрутки. Например, 84/7 имеет 84 алюминиевых нити, окружающих центральное ядро из 7 стальных нитей.
Эти композитные проводники из алюминиевой проводки (ACSR) получили названия птиц, а не названия цветов. Например, проводник ACSR 26/7 известен как Starling.
Совсем недавно был введен новый тип композита с использованием керамических волокон в матрице из алюминия, который имеет более легкий вес и более высокую прочность. Эти кабели ACCR (алюминиевый проводник с композитным армированием) были первой технологией, протестированной в Институте ускоренного тестирования Powerline Conductor Electric Power Research Institute, который был открыт в 2003 году.
Этот новый формат проводников имеет преимущество высокой прочности даже при повышенных температурах, и добавление циркония к алюминиевому сплаву делает его более устойчивым к разрушению при высоких температурах.
Вернуться к содержанию ↑
3. Подстанции
Как указано, напряжение, требуемое для экономичной передачи электроэнергии, превышает напряжение, соответствующее распределению потребителям.
Во-первых, оборудование для клиентов обычно работает только на несколько сотен вольт, а не на сотни тысяч вольт, используемых для передачи. Во-вторых, если высокое напряжение поддерживалось до точки подключения клиента, защита от сбоев была бы чрезвычайно дорогой.
Поэтому распределение от линии передачи до потребителей осуществляется при значительно более низком напряжении, поэтому трансформаторы необходимы для снижения напряжения до того, как мощность будет введена в систему распределения или подтрансмиссии. Эти трансформаторы обозначают конец линии электропередач и расположены на подстанциях. Каждая линия передачи начинается с существующей подстанции и заканчивается на новой подстанции.
Если новой линией передачи был высоковольтный постоянный ток (HVDC), то подстанция происхождения была бы расширена для размещения преобразователей переменного тока в постоянный. Промежуточные подстанции могут также потребоваться, если есть изменение напряжения вдоль маршрута, скажем, от 500 кВ до 230 кВ.
Рисунок 4 - Подстанция в окрестностях Манхэттена, Иллинойс
На рисунке 4 показана подстанция на Среднем Западе, которая поставляет ЛЭП протяженностью 765 кВ от фидеров 345 кВ, подключенных к районным электростанциям. Участок занимает около 10 акров.
На рисунке 5 показана подстанция сопоставимого размера при строительстве. Эта подстанция, которая в настоящее время завершена, представляет собой конечную линию 500 кВ, 600 МВт в Системе управления мощностью Бонневилля.
Рисунок 5 - Подстанция Wautoma под строительство
Вернуться к содержанию ↑
4. ROW (права пути)
ROW является в значительной степени пассивным, но критическим компонентом линии передачи. Он обеспечивает запас прочности между высоковольтными линиями и окружающими структурами и растительностью. ROW также обеспечивает путь для наземных проверок и доступа к башням передачи и другим компонентам линии, если требуется ремонт.
Несоблюдение адекватной ROW может привести к опасным ситуациям, включая замыкания на землю.
ROW обычно состоит из местной растительности или растений, отобранных для благоприятных структур роста (медленный рост и низкая зрелая высота). Однако в некоторых случаях подъездные пути составляют часть ROW и обеспечивают более удобный доступ для автомобилей для ремонта и осмотра.
Сдвиг прямой линии передачи
Демонстрация способности быстро, экономически эффективно и безопасно проверять сервисные сервисы для коммунальных предприятий.
Вернуться к содержанию ↑
5. Доступ к дорогам
Доступ к линиям линий электропередач для строительства и технического обслуживания линий, где это возможно, использует существующие дороги. По крайней мере, часть существующих дорог вдоль маршрута, вероятно, будет вымощена. Новые дороги, построенные для доступа, будут гравийными.
Это относится к существующим дорогам, которые нуждаются в улучшении, чтобы соответствовать нагрузкам, ожидаемым для строительства и технического обслуживания линий. Дороги также классифицируются как временные или постоянные. Временная дорога будет выведена из эксплуатации после завершения строительства, и ROW будет восстановлена.
Дорога включает дорожный транспорт, плечи и районы, прилегающие к дороге, которая была раскопана или заполнена, чтобы обеспечить дренаж и поддержку. За дорогой находятся ширина клиренса и внешняя граница ROW.
Проект по передаче электроэнергии - Германия 2013
Предоставление временных подъездных дорог и прокладок для строительства новой линии электропередач в Германии.
Вернуться к содержанию ↑
Ссылка // Проектирование, строительство и эксплуатация технологии передачи электроэнергии на большие расстояния по JC Molburg, JA Kavicky и KC Picel (Национальная лаборатория Аргонна)