Inleiding
Transmissietorens (elektrische pylonen) transporteren grote hoeveelheden hoogspannings elektriciteit over lange afstanden. Deze structuren zijn doorgaans 50 tot 150 voet hoog (16m tot 45m), met de hoogste torens die 1.247 voet (380m) hoog zijn. Transmissietorens verbinden energiecentrales met een reeks onderstations, waardoor één bulkstroomgebied van het net met een ander kan worden verbonden.
Transmissietorens
Hogere spanningen op stroomlijnen vereisen ruimte tussen elke lijn en andere objecten, zodat mensen, voertuigen en andere apparatuur zich vrij kunnen bewegen eronder. De actieve geleiders van de toren worden ondersteund door isolatoren, waarvan de lengte toeneemt met de toenemende spanning van het circuit. Om deze reden zijn transmissietorens meestal 50 tot 150 voet hoog (16m tot 45m), of hoger als ze waterwegen of andere natuurlijke kloven overspannen.
De meeste torenstructuren zijn vervaardigd uit staal, maar sommige zijn vervaardigd uit beton, hout of zelfs taai gietijzer. Houten distributiepalen, te vinden in lokale buurten (tenzij ondergrondse stroomlijnen worden gebruikt), zijn over het algemeen ongeveer 40 voet (12m) hoog. Transmissiespanningen liggen meestal tussen 23.000 volt en 765.000 volt.
Vanuit mechanisch perspectief gedragen de geleiders van een toren zich als draden waarvan de doorhang tussen hun steunpunten afhangt van de temperatuur en de voorafspanning van de geleider. Trekspanningen in de geleider hebben een grote invloed op het ontwerp van een toren.
Doorhang en Vrije Ruimte van Transmissietoren
Geleiders van Transmissietoren
Geleiders van transmissietorens worden meestal vervaardigd uit staalversterkte aluminium kabel (ACSR-Aluminium Conductor Steel-Reinforced) en zijn bijna altijd gerangschikt in sets van drie voor driefasige (3~) wisselstroom transmissie; een vierde neutrale kabel kan worden gebruikt voor transmissie over korte afstanden, maar dit is niet gebruikelijk.
Geleiders worden gegroepeerd per fase. Er kan één geleiderlijn per groep zijn (drie in totaal), twee geleiderlijnen per groep (zes in totaal), of meer. Groepen worden geïnstalleerd in veelvouden van drie, d.w.z. 3, 6, 9, en kunnen in een driehoekige vorm of parallel aan elkaar worden gerangschikt.
Configuraties van Geleiderbundels van Torens
Drievoudige groepering verhoogt de transmissie-efficiëntie. Echter, als je naar de top van een transmissietoren kijkt, zie je mogelijk een of twee kleinere, afzonderlijke draden. Deze draden hebben verschillende namen, zoals bovenleiding, statische draad, of pilotdraad, maar beschrijven allemaal dezelfde draad. Een bovenleiding (statische draad / pilotdraad) absorbeert of leidt blikseminslagen af, waardoor elektriciteit veilig naar de grond wordt geleid. Onder normale omstandigheden voert de bovenleiding geen elektriciteit (zijn spanningspotentiaal is 0).
Sommige bovenleidingen zijn gegroepeerd met glasvezelkabels die telecommunicatiegegevens overbrengen. In wezen gemaakt van glas, kunnen glasvezelkabels geen elektriciteit geleiden en worden ze niet beïnvloed door blikseminslagen.
Alternatief kun je glasvezels opmerken die een paar voet (<1m) onder transmissiegeleiders lopen. Het toevoegen van telecommunicatielijnen verhoogt het rendement op de investering dat gepaard gaat met het bouwen van transmissienetwerken. Glasvezellijnen kunnen worden geëxploiteerd door de nutsvoorziening of worden verhuurd aan kabel- of telefoonbedrijven.
Werknemers die een Glasvezelkabel Installeren
Structuren van Transmissietorens
De structuren die vaak worden gebruikt op transmissielijnen zijn ofwel van het vakwerktype of paaltype. Vakwerkstructuren zijn meestal samengesteld uit stalen hoeksecties. Palen kunnen van hout, staal of beton zijn. Elk type structuur kan zelfdragend zijn of geschoord (ondersteund door kabels).
Structuur van Transmissietoren
Paaltype structuren worden over het algemeen gebruikt voor spanningen van 345-kV of minder, terwijl vakwerkstalen structuren de voorkeur hebben voor hogere spanningsniveaus. Houten paalstructuren kunnen economisch worden gebruikt voor relatief korte transmissieafstanden en lagere spanningen.
De configuratie van een transmissielijntoren hangt af van vele factoren, waarvan sommige hieronder zijn opgesomd:
- Het aantal en type geleiders.
- De lengte van de isolatorassemblage.
- De minimale vrije ruimte die moet worden gehandhaafd tussen geleiders en de toren.
- De locatie van de grondkabel(s) ten opzichte van de buitenste geleider.
- De vrije ruimte in het midden van de overspanning, rekening houdend met het dynamische gedrag van geleiders en bliksembeveiliging van de lijn.
- De minimale vrije ruimte van de laagste geleider boven het maaiveld.
De factoren die de hoogte van een toren bepalen zijn:
- Minimale toegestane vrije ruimte (h1).
- Maximale doorhang (h2).
- Verticale afstand tussen de bovenste en onderste geleiders (h3).
- Verticale vrije ruimte tussen de grondkabel en de bovenste geleider (h4).
De totale hoogte van de toren wordt gegeven door de som van alle vier de factoren (h1+h2+h3+h4).
Structuur van Transmissietoren
Torenconfiguratie
Afhankelijk van de vereisten van het transmissiesysteem moeten verschillende lijnconfiguraties worden overwogen, variërend van enkelcircuit horizontaal tot multicircuit verticale structuren, met enkele of V-snaren in alle fasen, evenals elke combinatie hiervan. Ook voor zeer hoge spanningen (500 kV en hoger) worden geleiders gebundeld om corona-emissie te verminderen en lijninductantie te verminderen.
De configuratie van een transmissielijntoren hangt af van vele factoren, waarvan enkele van de belangrijkste hieronder zijn opgesomd:
- Spanning.
- Aantal circuits.
- Type geleiders.
- Type isolatoren.
- Mogelijke toekomstige toevoeging van nieuwe circuits.
- Tracering van transmissielijn.
- Selectie van torenlocaties.
- Selectie van stijve punten.
- Selectie van geleiderconfiguratie.
- Selectie van hoogte voor elke toren.
Torens worden geclassificeerd volgens hun gebruik, onafhankelijk van het aantal geleiders dat ze ondersteunen. Een toren moet mechanische belastingen vanuit verschillende richtingen weerstaan, bijvoorbeeld recht, onder een hoek, enz. Om het torenontwerp te vereenvoudigen en een algehele economie in kosten en onderhoud te waarborgen, worden torenontwerpen over het algemeen beperkt tot een paar standaardtypen.
Types Transmissietorens
Er zijn verschillende soorten transmissietorens en veel variaties, maar ze kunnen grofweg worden gegroepeerd als:
- Ophangingstorens – geleiders worden opgehangen tussen twee torens met behulp van ophangisolatoren.
- Terminaltorens – geleiders van een transmissielijn worden via de trekisolatoren van een toren verbonden met een onderstation of ondergrondse kabel.
- Spanningstorens – de toren kan het gewicht van de kabels en axiale belasting (trek in horizontale richting) dragen.
- Transpositietorens – de toren verandert de positie van de geleiders op een transmissielijn ten opzichte van elkaar, bijvoorbeeld in positie x, uit positie y.
Er zijn te veel torenvariaties om hier te bespreken, maar enkele van de meest voorkomende zullen nu verder worden besproken.
Types Transmissietorens
Ophangingstorens
Ophangingstorens (tangenttorens) worden voornamelijk gebruikt op tangenten, maar zijn vaak ontworpen om hoeken in de lijn tot slechts 2° te weerstaan, naast wind-, ijs- en gebroken geleiderbelastingen. Als de transmissielijn relatief vlak, kenmerkloos terrein doorkruist, kan negentig procent van de lijn uit dit type toren bestaan. Daarom biedt het ontwerp van tangenttorens de grootste kans voor de constructie-ingenieur om het totale gewicht van het benodigde staal voor het transmissiesysteem te minimaliseren.
Bovenaanzicht van Tangent Transmissietoren
Hoektorens
Hoektorens, soms 'semi-ankertorens' genoemd, moeten transversale belastingen weerstaan die onder een hoek worden geïnduceerd (naast de gebruikelijke wind-, ijs- en gebroken geleiderbelastingen). Hoektorens zijn zwaarder dan ophangingstorens uit noodzaak.
Bovenaanzicht van Hoek Transmissietoren
Hoektorens worden gebruikt wanneer de lijnafwijking een hoek groter dan 2° overschrijdt; ze worden geclassificeerd als:
- Kleine hoektorens (2-10° lijnafwijking).
- Middelgrote hoektorens (10-30° lijnafwijking).
- Grote hoektorens (30-60° lijnafwijking).
Spanningstoren / Trekstoren
In tegenstelling tot ophangingstorens gebruiken spanningstorens trekisolatoren om axiale belasting te weerstaan die op de toren wordt geplaatst door de geleiders (netto spanning die op de toren werkt).
Zijaanzicht van Ophanging en Trekstoren
Dead-End Toren
Dead-end torens (ankertorens) ondersteunen het gewicht van de verbindende geleiders en zorgen voor de spanning in de geleiders; dit type toren gebruikt ook trekisolatoren. Dead-end torens worden meestal gebruikt aan het einde van een transmissielijn voordat de lijn naar een onderstation of ondergrondse lijn gaat. Dead-end torens worden vaak periodiek geïnstalleerd tussen een reeks ophangingstorens; deze opstelling vermindert de kans op een reeks torens die cascade faalt (kan optreden wanneer een geleider op de transmissielijn faalt).
Belastingen op Transmissietorens
De belastingen die op een elektrische transmissietoren werken zijn talrijk en dynamisch, sommige zijn hieronder opgesomd:
- Dode belasting van de toren.
- Dode belasting van geleiders en andere apparatuur.
- Belasting van sneeuw op geleiders en apparatuur.
- IJslast op de toren zelf
- Montage- en onderhoudsbelastingen.
- Windbelasting op de toren.
- Windbelasting op geleiders en apparatuur.
- Belastingen van trekspanningen in geleiders.
- Seismische activiteitbelastingen (aardbevingen enz.).
De belangrijkste belasting die op een transmissietoren werkt, komt van de geleiders, en dat de geleiders zich gedragen als kettingen die alleen trekspanningen kunnen weerstaan. Bijgevolg wordt de dode belasting van de geleiders berekend met behulp van de zogenaamde gewichtsoverspanning, die aanzienlijk kan verschillen van de windoverspanning die wordt gebruikt in verband met de windbelastingberekening.
Gewichts- en Windbelastingen
De gemiddelde overspanningslengte wordt meestal gekozen tussen 300 en 450 meter. Het optreden van ijs en sneeuw enz. voegt gewicht toe aan de bedekte delen en vergroot hun blootstelling aan de effecten van wind. Onderschatting van deze omstandigheden heeft vaak geleid tot schade en instorting van transmissietorens.
De grootte en verdeling van ijs- en sneeuwbelastingen hangen af van het klimaat en de lokale omstandigheden. De windkracht wordt meestal verondersteld te werken op een horizontaal vlak. Afhankelijk van de lokale omstandigheden kan echter een schuine richting in overweging moeten worden genomen. Ook moeten verschillende windrichtingen (in het horizontale vlak) in aanmerking worden genomen voor zowel de geleiders als de toren zelf. De maximale windsnelheid komt niet gelijktijdig voor over de gehele overspanning, dus worden er coëfficiënten geïntroduceerd in de belastingberekeningen om hiervoor te compenseren.
Trekspanningen in de geleiders werken op de twee zijden van de toren in de lijnrichting. Als de krachten in evenwicht zijn, zullen er geen longitudinale krachten op een toren werken die een rechte lijn ophangt. Voor hoektorens resulteren longitudinale krachten in een resultante kracht die in het vlak van de bissectrice van de hoek werkt. Voor terminaltorens kunnen de krachten zware longitudinale resultante krachten veroorzaken. Aangezien trekspanningen variëren met externe belastingen, worden zelfs ophangingstorens op een rechte lijn beïnvloed door longitudinale krachten.
Aanvullende Doeleinden van Torens
Transmissietorens dienen vaak een dubbel of drievoudig doel. Weergegevens- en communicatieverzamelaars worden vaak op transmissietorens geïnstalleerd. Bijvoorbeeld, je hebt misschien de draaiende bekers van een anemometer opgemerkt die de windsnelheid meet, of andere meteorologische apparatuur die op een toren is geïnstalleerd. Bovendien kunnen mobiele telefoonantennes aan sommige transmissietorens op strategische locaties worden bevestigd.
Vroege torenontwerpers ontdekten dat sommige grote vogels graag nesten bouwen op de toppen van de torens. Helaas kunnen vogels een storing veroorzaken als uitgescheiden afval op een isolator terechtkomt en een kortsluiting veroorzaakt. Om deze onbedoelde storingen te voorkomen en een positieve relatie met de lokale fauna te behouden, bevatten ontwerpers nu speciale nestplatforms voor de vogels.
Vogels Nestelen op Transmissietorens
3D Model
Dit 3D-model toont een typische elektrische transmissietoren die wordt gebruikt voor het distribueren van spanning groter dan 200 kV. De toren is ontworpen om structureel sterk te zijn. De structuur is ook ontworpen om het effect van harde wind op de toren te verminderen. De bussen van de toren isoleren de toren van de elektrische kabels (transmissielijn), waardoor het elektrische potentiaal van de toren op nul blijft.
Dit 3D-model toont alle belangrijke componenten die geassocieerd zijn met een typische hoogspanningspylon; deze omvatten:
- Toren Top
- Balk
- Bussen
- Vork
- Dwarsarm
- Torenraam
- Bovenleiding
- Geleiderbundel
- Torenlichaam (Taille, Been, Diagonale Leden)
- Torenbasis (Fundering)
Gerelateerde Online Technische Cursussen
Hoe Elektrische Transformatoren Werken
Inleiding tot Elektrische Transformatoren
Elektrische Onderstations Uitgelegd
Aanvullende Bronnen
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/