Introduzione
Le torri di trasmissione (tralicci elettrici) trasportano grandi quantità di corrente ad alta tensione su lunghe distanze. Queste strutture solitamente sono alte tra i 50 e i 150 piedi (16m a 45m), con le torri più alte che raggiungono i 1.247 piedi (380m). Le torri di trasmissione collegano le centrali elettriche a una serie di sottostazioni, permettendo a una regione di rete di connettersi a un'altra.
Torri di Trasmissione
Le linee elettriche ad alta tensione richiedono spazio tra ciascuna linea e altri oggetti, permettendo a persone, veicoli e altre attrezzature di muoversi liberamente sotto di esse. I conduttori attivi della torre sono supportati da isolatori, la cui lunghezza aumenta con l'aumento della tensione del circuito. Per questo motivo, le torri di trasmissione solitamente sono alte tra i 50 e i 150 piedi (16m a 45m), o più alte se attraversano corsi d'acqua o altri ostacoli naturali.
La maggior parte delle strutture delle torri sono realizzate in acciaio, ma alcune sono realizzate in cemento, legno o anche ghisa duttile. I pali di distribuzione in legno, che si trovano nei quartieri locali (a meno che non si utilizzino linee elettriche sotterranee), sono generalmente alti circa 40 piedi (12m). Le tensioni di trasmissione sono solitamente comprese tra 23.000 volt e 765.000 volt.
Da un punto di vista meccanico, i conduttori di una torre si comportano come fili il cui cedimento tra i punti di supporto dipende dalla temperatura e dalla pre-tensionatura del conduttore. Le forze di trazione nel conduttore hanno un grande effetto sul design della torre.
Cedimento e Distanza di Sicurezza della Torre di Trasmissione
Conduttori delle Torri di Trasmissione
I conduttori delle torri di trasmissione sono solitamente realizzati in cavo di alluminio rinforzato con acciaio (ACSR-Aluminium Conductor Steel-Reinforced) e sono quasi sempre disposti in set di tre per la trasmissione di corrente alternata trifase (3~); un quarto cavo neutro può essere utilizzato per la trasmissione su brevi distanze, ma non è comune.
I conduttori sono raggruppati per fase. Ci potrebbe essere una linea di conduttori per gruppo (tre in totale), due linee di conduttori per gruppo (sei in totale), o più. I gruppi sono installati in multipli di tre, cioè 3, 6, 9, e possono essere disposti in una forma triangolare o paralleli tra loro.
Configurazioni di Fascio di Conduttori della Torre
Il raggruppamento a tre vie aumenta l'efficienza della trasmissione. Tuttavia, se guardi in cima a una torre di trasmissione, potresti vedere uno o due fili più piccoli e solitari. Questi fili hanno diversi nomi, filo di terra aerea, filo statico, o filo pilota, ma descrivono tutti lo stesso filo. Un filo di terra aerea (filo statico / filo pilota) assorbe o devia i fulmini, convogliando l'elettricità in sicurezza a terra. In condizioni normali, il filo aereo non trasporta elettricità (il suo potenziale di tensione è 0).
Alcuni fili di terra aerea sono raggruppati con cavi in fibra ottica che trasmettono dati di telecomunicazione. Essenzialmente fatti di vetro, i cavi in fibra ottica non possono condurre elettricità e non sono influenzati dai fulmini.
In alternativa, potresti notare fibre ottiche che corrono a pochi piedi (<1m) sotto i conduttori di trasmissione. Aggiungere linee di telecomunicazione aumenta il ritorno sull'investimento associato alla costruzione di reti di trasmissione. Le linee in fibra ottica possono essere gestite dall'utility o affittate a società di cavi o telefoniche.
Lavoratori che Installano un Cavo in Fibra Ottica
Strutture delle Torri di Trasmissione
Le strutture comunemente utilizzate sulle linee di trasmissione sono di tipo reticolare o di tipo palo. Le strutture reticolari sono solitamente composte da sezioni angolari in acciaio. I pali possono essere in legno, acciaio o cemento. Ogni tipo di struttura può essere autoportante o tirantata (supportata da cavi).
Struttura della Torre di Trasmissione
Le strutture di tipo palo sono generalmente utilizzate per tensioni di 345-kV o inferiori, mentre le strutture in acciaio reticolare sono preferite per livelli di tensione più elevati. Le strutture in legno possono essere utilizzate economicamente per distanze di trasmissione relativamente brevi e tensioni più basse.
La configurazione di una torre di linea di trasmissione dipende da molti fattori, alcuni dei quali sono elencati di seguito:
- Il numero e il tipo di conduttori.
- La lunghezza dell'assemblaggio dell'isolatore.
- Le distanze minime da mantenere tra i conduttori e la torre.
- La posizione del(i) filo(i) di terra rispetto al conduttore più esterno.
- La distanza di sicurezza a metà campata considerando il comportamento dinamico dei conduttori e la protezione contro i fulmini della linea.
- La distanza minima del conduttore più basso dal livello del suolo.
I fattori che determinano l'altezza di una torre sono:
- Distanza minima consentita dal suolo (h1).
- Cedimento massimo (h2).
- Distanza verticale tra i conduttori superiore e inferiore (h3).
- Distanza verticale tra il filo di terra e il conduttore superiore (h4).
L'altezza totale della torre è data dalla somma di tutti e quattro i fattori (h1+h2+h3+h4).
Struttura della Torre di Trasmissione
Configurazione della Torre
A seconda delle esigenze del sistema di trasmissione, devono essere considerate varie configurazioni di linea che vanno da strutture orizzontali a circuito singolo a strutture verticali multi-circuito, con stringhe singole o a V in tutte le fasi, nonché qualsiasi combinazione di queste. Inoltre, per tensioni molto elevate (500 kV e oltre), i conduttori sono raggruppati per ridurre l'emissione di corona e ridurre l'induttanza della linea.
La configurazione di una torre di linea di trasmissione dipende da molti fattori, alcuni dei più importanti sono elencati di seguito:
- Tensione.
- Numero di circuiti.
- Tipo di conduttori.
- Tipo di isolatori.
- Possibile aggiunta futura di nuovi circuiti.
- Tracciamento della linea di trasmissione.
- Selezione dei siti delle torri.
- Selezione dei punti rigidi.
- Selezione della configurazione dei conduttori.
- Selezione dell'altezza per ciascuna torre.
Le torri sono classificate in base al loro utilizzo, indipendentemente dal numero di conduttori che supportano. Una torre deve resistere ai carichi meccanici provenienti da una gamma di direzioni, ad esempio dritta, ad angolo, ecc. Per semplificare il design della torre e garantire un'economia complessiva nei costi e nella manutenzione, i progetti delle torri sono generalmente limitati a pochi tipi standard.
Tipi di Torri di Trasmissione
Esistono diversi tipi di torri di trasmissione e molte varianti, ma possono essere raggruppate approssimativamente come:
- Torri di Sospensione – i conduttori sono sospesi tra due torri utilizzando isolatori di sospensione.
- Torri Terminali – i conduttori di una linea di trasmissione sono collegati a una sottostazione o a un cavo sotterraneo tramite gli isolatori di tensione di una torre.
- Torri di Tensione – la torre può sostenere il peso dei cavi e il carico assiale (tensione in direzione orizzontale).
- Torri di Trasposizione – la torre cambia la posizione dei conduttori su una linea di trasmissione rispetto l'uno all'altro, ad esempio in posizione x, fuori posizione y.
Ci sono troppe varianti di torri per essere discusse qui, ma alcune delle più comuni saranno ora discusse ulteriormente.
Tipi di Torri di Trasmissione
Torri di Sospensione
Le torri di sospensione (torri tangenti) sono utilizzate principalmente su tangenti ma sono spesso progettate per resistere ad angoli nella linea solo fino a 2°, oltre ai carichi di vento, ghiaccio e conduttori rotti. Se la linea di trasmissione attraversa un terreno relativamente piatto e privo di caratteristiche, il novanta percento della linea può essere composto da questo tipo di torre. Pertanto, il design della torre tangente offre la maggiore opportunità per l'ingegnere strutturale di minimizzare il peso totale dell'acciaio richiesto per il sistema di trasmissione.
Vista dall'Alto della Torre di Trasmissione Tangente
Torri ad Angolo
Le torri ad angolo, a volte chiamate torri 'semi-ancoraggio', devono resistere ai carichi trasversali indotti ad un angolo (oltre ai soliti carichi di vento, ghiaccio e conduttori rotti). Le torri ad angolo sono più pesanti delle torri di sospensione per necessità.
Vista dall'Alto della Torre di Trasmissione ad Angolo
Le torri ad angolo sono utilizzate quando la deviazione della linea supera un angolo maggiore di 2°; sono classificate come:
- Torri ad angolo piccolo (deviazione della linea 2-10°).
- Torri ad angolo medio (deviazione della linea 10-30°).
- Torri ad angolo grande (deviazione della linea 30-60°).
Torre di Tensione / Torre di Strain
A differenza delle torri di sospensione, le torri di tensione utilizzano isolatori di strain per resistere al carico assiale posto sulla torre dai conduttori (tensione netta che agisce sulla torre).
Vista Laterale della Torre di Sospensione e di Strain
Torre di Fine Linea
Le torri di fine linea (torri di ancoraggio) supportano il peso dei conduttori di collegamento e si occupano della tensione nei conduttori; questo tipo di torre utilizza anche isolatori di strain. Le torri di fine linea sono tipicamente utilizzate alla fine di una linea di trasmissione prima che la linea passi a una sottostazione o a una linea sotterranea. Le torri di fine linea sono spesso installate periodicamente tra una serie di torri di sospensione; questa configurazione riduce la probabilità che una serie di torri fallisca a cascata (può verificarsi quando un conduttore sulla linea di trasmissione fallisce).
Carichi delle Torri di Trasmissione
I carichi che agiscono su una torre di trasmissione elettrica sono numerosi e dinamici, alcuni sono elencati di seguito:
- Carico morto della torre.
- Carico morto dai conduttori e altre attrezzature.
- Carico dalla neve sui conduttori e attrezzature.
- Carico di ghiaccio sulla torre stessa
- Carichi di montaggio e manutenzione.
- Carico del vento sulla torre.
- Carico del vento sui conduttori e attrezzature.
- Carichi dalle forze di trazione dei conduttori.
- Carichi da attività sismica (terremoti ecc.).
Il carico principale che agisce su una torre di trasmissione deriva dai conduttori, e i conduttori si comportano come catene in grado di resistere solo a forze di trazione. Di conseguenza, il carico morto dai conduttori è calcolato utilizzando il cosiddetto span di peso, che può essere notevolmente diverso dallo span di vento utilizzato in relazione al calcolo del carico del vento.
Carichi di Peso e Vento
La lunghezza media dello span è solitamente scelta per essere tra 300 e 450 metri. La presenza di ghiaccio e neve ecc. aggiunge peso alle parti coperte e aumenta la loro esposizione agli effetti del vento. La sottovalutazione di queste circostanze ha spesso portato a danni e al collasso delle torri di trasmissione.
La dimensione e la distribuzione dei carichi di ghiaccio e neve dipendono dal clima e dalle condizioni locali. La forza del vento è solitamente considerata come agente su un piano orizzontale. Tuttavia, a seconda delle condizioni locali, potrebbe essere necessario considerare una direzione inclinata. Inoltre, devono essere prese in considerazione diverse direzioni del vento (nel piano orizzontale) per i conduttori e per la torre stessa. La velocità massima del vento non si verifica simultaneamente lungo l'intero span, quindi nei calcoli dei carichi vengono introdotti coefficienti per tener conto di ciò.
Le forze di trazione nei conduttori agiscono sulle due facce della torre nella direzione della linea. Se le forze sono bilanciate, non ci saranno forze longitudinali che agiranno su una torre che sospende una linea retta. Per le torri ad angolo, le forze longitudinali risultano in una forza risultante che agisce nel piano bisettore dell'angolo. Per le torri terminali, le forze possono causare forti forze risultanti longitudinali. Poiché le forze di trazione variano con i carichi esterni, anche le torri di sospensione su una linea retta sono influenzate da forze longitudinali.
Scopi Aggiuntivi delle Torri
Le torri di trasmissione spesso servono a uno scopo doppio o triplo. I raccoglitori di dati meteorologici e di comunicazione sono spesso installati sulle torri di trasmissione. Ad esempio, potresti aver notato le coppe rotanti di un anemometro che misura la velocità del vento, o altre attrezzature meteorologiche installate su una torre. Inoltre, antenne per telefoni cellulari possono essere attaccate ad alcune torri di trasmissione in posizioni strategiche.
I primi progettisti di torri scoprirono che alcuni grandi uccelli amano costruire nidi in cima alle torri. Sfortunatamente, gli uccelli possono causare un'interruzione se i rifiuti escretati cadono su un isolatore e causano un cortocircuito. Per prevenire queste interruzioni involontarie e mantenere una relazione positiva con la fauna locale, i progettisti ora includono piattaforme speciali per la nidificazione degli uccelli.
Uccelli che Nidificano sulle Torri di Trasmissione
Modello 3D
Questo modello 3D mostra una tipica torre di trasmissione elettrica utilizzata per distribuire tensioni superiori a 200 kV. La torre è progettata per essere strutturalmente forte. La sua struttura è anche progettata per ridurre l'effetto dei venti forti sulla torre. Gli isolatori della torre isolano la torre dai cavi elettrici (linea di trasmissione), garantendo così che il potenziale elettrico della torre rimanga a zero.
Questo modello 3D mostra tutti i principali componenti associati a un tipico traliccio elettrico ad alta tensione; questi includono:
- Parte Superiore della Torre
- Trave
- Isolatori
- Forcella
- Braccio Trasversale
- Finestra della Torre
- Filo di Terra Aerea
- Fascio di Conduttori
- Corpo della Torre (Vita, Gamba, Membri Diagonali)
- Base della Torre (Fondazione)
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Risorse Aggiuntive
https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_tower
http://www.hydroquebec.com/learning/transport/types-pylones.html
https://www.electrical4u.com/electrical-transmission-tower-types-and-design/