Wieże przesyłowe energii elektrycznej

Wprowadzenie

Wieże przesyłowe (słupy energetyczne) transportują duże ilości prądu wysokiego napięcia na znaczne odległości. Te konstrukcje zazwyczaj mają wysokość od 50 do 150 stóp (16m do 45m), a najwyższe wieże osiągają 1 247 stóp (380m) wysokości. Wieże przesyłowe łączą elektrownie z szeregiem stacji transformatorowych, co umożliwia połączenie jednego regionu sieci z innym.

Wieże przesyłowe

Wyższe napięcia na liniach energetycznych wymagają przestrzeni między każdą linią a innymi obiektami, co umożliwia bezpieczne przemieszczanie się ludzi, pojazdów i innego sprzętu pod spodem. Przewody pod napięciem na wieży są podtrzymywane przez izolatory, których długość zwiększa się wraz ze wzrostem napięcia obwodu. Z tego powodu wieże przesyłowe zazwyczaj mają wysokość od 50 do 150 stóp (16m do 45m) lub wyższą, jeśli przekraczają cieki wodne lub inne naturalne przeszkody.

Większość konstrukcji wież jest wykonana ze stali, ale niektóre są wykonane z betonu, drewna lub nawet żeliwa sferoidalnego. Drewniane słupy dystrybucyjne, spotykane w lokalnych dzielnicach (chyba że używane są podziemne linie energetyczne), mają zazwyczaj około 40 stóp (12m) wysokości. Napięcia przesyłowe zazwyczaj mieszczą się w zakresie od 23 000 woltów do 765 000 woltów.

Z mechanicznego punktu widzenia, przewody wieży zachowują się jak druty, których zwis między punktami podparcia zależy od temperatury i wstępnego naprężenia przewodu. Siły rozciągające w przewodzie mają duży wpływ na projekt wieży.

Zwisy i prześwity wieży przesyłowej

Przewody wieży przesyłowej 

Przewody wieży przesyłowej są zazwyczaj wykonane z kabla aluminiowego wzmocnionego stalą (ACSR-Aluminium Conductor Steel-Reinforced) i prawie zawsze są ułożone w zestawy po trzy dla trójfazowego (3~) prądu przemiennego; czwarty przewód neutralny może być używany do przesyłu na krótkie odległości, ale nie jest to powszechne.

Przewody są grupowane według faz. Może być jedna linia przewodowa na grupę (trzy łącznie), dwie linie przewodowe na grupę (sześć łącznie) lub więcej. Grupy są instalowane w wielokrotnościach trzech, tj. 3, 6, 9, i mogą być ułożone w kształt trójkąta lub równolegle do siebie.  

Konfiguracje wiązek przewodów wieży

Trójfazowe grupowanie zwiększa efektywność przesyłu. Jednakże, jeśli spojrzysz na szczyt wieży przesyłowej, możesz zobaczyć jeden lub dwa mniejsze, samotne przewody. Te przewody mają kilka nazw, przewód uziemiający, przewód statyczny lub przewód pilotowy, ale wszystkie opisują ten sam przewód. Przewód uziemiający (przewód statyczny / przewód pilotowy) absorbuje lub odchyla uderzenia pioruna, przekazując elektryczność bezpiecznie do ziemi. W normalnych warunkach przewód uziemiający nie przewodzi prądu (jego potencjał napięcia wynosi 0).

Niektóre przewody uziemiające są grupowane z kablowymi światłowodami, które przekazują dane telekomunikacyjne. Zasadniczo wykonane ze szkła, kable światłowodowe nie przewodzą prądu i nie są podatne na uderzenia pioruna.

Alternatywnie, możesz zauważyć światłowody biegnące kilka stóp (<1m) poniżej przewodów przesyłowych. Dodanie linii telekomunikacyjnych zwiększa zwrot z inwestycji związany z budową sieci przesyłowych. Linie światłowodowe mogą być obsługiwane przez zakład energetyczny lub wynajmowane firmom kablowym lub telefonicznym.  

Pracownicy instalujący kabel światłowodowy

Struktury wież przesyłowych

Struktury powszechnie używane na liniach przesyłowych to albo konstrukcje kratowe, albo konstrukcje słupowe. Konstrukcje kratowe są zazwyczaj złożone z kątowników stalowych. Słupy mogą być wykonane z drewna, stali lub betonu. Każdy typ konstrukcji może być samonośny lub podparty linami (podtrzymywany przez kable).

Struktura wieży przesyłowej

Konstrukcje słupowe są zazwyczaj używane dla napięć do 345 kV lub mniej, podczas gdy konstrukcje kratowe ze stali są preferowane dla wyższych poziomów napięcia. Konstrukcje słupowe z drewna mogą być ekonomicznie używane na stosunkowo krótkie odległości przesyłowe i niższe napięcia.

Konfiguracja wieży linii przesyłowej zależy od wielu czynników, niektóre z nich są wymienione poniżej:

• Liczba i rodzaj przewodów. 
• Długość zespołu izolatorów.
• Minimalne prześwity, które należy zachować między przewodami a wieżą.
• Lokalizacja przewodu uziemiającego w stosunku do najbardziej zewnętrznego przewodu.
• Prześwit w połowie rozpiętości wymagany z uwzględnieniem dynamicznego zachowania przewodów i ochrony linii przed piorunami.
• Minimalny prześwit najniższego przewodu nad poziomem gruntu.

Czynniki wpływające na wysokość wieży to:

• Minimalny dopuszczalny prześwit nad ziemią (h1).
• Maksymalny zwis (h2).
• Pionowy odstęp między górnym a dolnym przewodem (h3).
• Pionowy prześwit między przewodem uziemiającym a górnym przewodem (h4).

Całkowita wysokość wieży jest określana przez sumę wszystkich czterech czynników (h1+h2+h3+h4).

Struktura wieży przesyłowej

Konfiguracja wieży

W zależności od wymagań systemu przesyłowego, należy rozważyć różne konfiguracje linii od pojedynczego obwodu poziomego do wielokrotnego obwodu pionowego, z pojedynczym lub V-strunami we wszystkich fazach, a także dowolną kombinację tych elementów. Ponadto, dla bardzo wysokich napięć (500 kV i więcej), przewody są wiązane w wiązki w celu zmniejszenia emisji korony i zmniejszenia indukcyjności linii.

Konfiguracja wieży linii przesyłowej zależy od wielu czynników, niektóre z najważniejszych są wymienione poniżej:

• Napięcie.
• Liczba obwodów.
• Rodzaj przewodów.
• Rodzaj izolatorów.
• Możliwość przyszłego dodania nowych obwodów.
• Trasowanie linii przesyłowej.
• Wybór miejsc na wieże.
• Wybór punktów sztywnych.
• Wybór konfiguracji przewodów.
• Wybór wysokości dla każdej wieży.

Wieże są klasyfikowane według ich zastosowania, niezależnie od liczby przewodów, które podtrzymują. Wieża musi wytrzymać obciążenia mechaniczne z różnych kierunków, np. prosto, pod kątem itp. Aby uprościć projektowanie wież i zapewnić ogólną ekonomię kosztów i utrzymania, projekty wież są zazwyczaj ograniczone do kilku standardowych typów.

Typy wież przesyłowych

Istnieje kilka typów wież przesyłowych i wiele wariantów, ale można je w przybliżeniu podzielić na:

• Wieże zawieszeniowe – przewody są zawieszone między dwiema wieżami za pomocą izolatorów zawieszeniowych.
• Wieże końcowe – przewody z linii przesyłowej są podłączone do stacji transformatorowej lub kabla podziemnego za pomocą izolatorów naprężeniowych wieży.
• Wieże naprężeniowe – wieża może wytrzymać ciężar kabli i obciążenie osiowe (naprężenie w kierunku poziomym).
• Wieże transpozycyjne – wieża zmienia położenie przewodów na linii przesyłowej względem siebie, np. w pozycji x, poza pozycją y.

Istnieje zbyt wiele wariantów wież, aby je tu omówić, ale niektóre z najczęstszych zostaną teraz omówione szczegółowo.

Typy wież przesyłowych

Wieże zawieszeniowe

Wieże zawieszeniowe (wieże tangentowe) są używane głównie na tangentach, ale często są projektowane tak, aby wytrzymać kąty w linii tylko do 2°, oprócz obciążeń wiatrem, lodem i zerwanymi przewodami. Jeśli linia przesyłowa przebiega przez stosunkowo płaski, pozbawiony cech teren, dziewięćdziesiąt procent linii może składać się z tego typu wieży. Dlatego projekt wieży tangentowej daje największą możliwość inżynierowi konstrukcji na zminimalizowanie całkowitej masy stali wymaganej dla systemu przesyłowego.

Widok z góry wieży tangentowej

Wieże kątowe

Wieże kątowe, czasami nazywane „wieżami półkotwicznymi”, muszą wytrzymać obciążenia poprzeczne wywołane pod kątem (oprócz zwykłych obciążeń wiatrem, lodem i zerwanymi przewodami). Wieże kątowe są cięższe niż wieże zawieszeniowe z konieczności.

Widok z góry wieży kątowej

Wieże kątowe są używane, gdy odchylenie linii przekracza kąt większy niż 2°; są klasyfikowane jako:

• Wieże małego kąta      (2-10° odchylenie linii).
• Wieże średniego kąta (10-30° odchylenie linii).
• Wieże dużego kąta     (30-60° odchylenie linii).

Wieża naprężeniowa / Wieża naprężeniowa

W przeciwieństwie do wież zawieszeniowych, wieże naprężeniowe używają izolatorów naprężeniowych do wytrzymywania obciążeń osiowych nakładanych na wieżę przez przewody (netto naprężenie działające na wieżę).

Widok z boku wieży zawieszeniowej i naprężeniowej

Wieża końcowa

Wieże końcowe (wieże kotwiczne) podtrzymują ciężar łączących przewodów i wytrzymują naprężenie w przewodach; ten typ wieży również używa izolatorów naprężeniowych. Wieże końcowe są zazwyczaj używane na końcu linii przesyłowej przed przejściem linii do stacji transformatorowej lub linii podziemnej. Wieże końcowe są często instalowane okresowo między serią wież zawieszeniowych; to ustawienie zmniejsza prawdopodobieństwo kaskadowego uszkodzenia serii wież (może wystąpić, gdy przewód na linii przesyłowej ulegnie awarii).

Obciążenia wież przesyłowych

Obciążenia działające na wieżę przesyłową energii elektrycznej są liczne i dynamiczne, niektóre z nich są wymienione poniżej:

• Obciążenie martwe wieży.
• Obciążenie martwe od przewodów i innego sprzętu.
• Obciążenie od śniegu na przewodach i sprzęcie.
• Obciążenie lodem na samej wieży
• Obciążenia związane z montażem i konserwacją.
• Obciążenie wiatrem na wieży.
• Obciążenie wiatrem na przewodach i sprzęcie.
• Obciążenia od sił rozciągających przewodów.
• Obciążenia związane z aktywnością sejsmiczną (trzęsienia ziemi itp.).

Główne obciążenie działające na wieżę przesyłową pochodzi od przewodów, które zachowują się jak łańcuchy zdolne do wytrzymywania tylko sił rozciągających. W związku z tym obciążenie martwe od przewodów jest obliczane przy użyciu tzw. rozpiętości wagowej, która może być znacznie różna od rozpiętości wiatrowej używanej w związku z obliczaniem obciążenia wiatrem.

Obciążenia wagowe i wiatrowe

Średnia długość rozpiętości jest zazwyczaj wybierana na między 300 a 450 metrów. Występowanie lodu i śniegu itp. dodaje wagi pokrytym częściom i zwiększa ich narażenie na działanie wiatru. Niedoszacowanie tych okoliczności często prowadziło do uszkodzeń i zawalenia się wież przesyłowych.

Wielkość i rozkład obciążeń lodowych i śniegowych zależy od klimatu i lokalnych warunków. Siła wiatru jest zazwyczaj przyjmowana jako działająca na płaszczyźnie poziomej. Jednak w zależności od lokalnych warunków może być konieczne uwzględnienie kierunku nachylonego. Również różne kierunki wiatru (w płaszczyźnie poziomej) muszą być brane pod uwagę zarówno dla przewodów, jak i samej wieży. Maksymalna prędkość wiatru nie występuje jednocześnie na całej rozpiętości, dlatego do obliczeń obciążeń wprowadzane są współczynniki uwzględniające ten fakt.

Siły rozciągające w przewodach działają na dwie strony wieży w kierunku linii. Jeśli siły są zrównoważone, na wieżę zawieszającą prostą linię nie będą działały siły wzdłużne. Dla wież kątowych siły wzdłużne skutkują siłą wypadkową działającą w płaszczyźnie dwusiecznej kąta. Dla wież końcowych siły mogą powodować ciężkie siły wzdłużne wypadkowe. Ponieważ siły rozciągające zmieniają się wraz z obciążeniami zewnętrznymi, nawet wieże zawieszeniowe na prostej linii są dotknięte siłami wzdłużnymi.

Dodatkowe cele wież

Wieże przesyłowe często pełnią podwójną lub potrójną funkcję. Na wieżach przesyłowych często instalowane są kolektory danych pogodowych i komunikacyjnych. Na przykład, mogłeś zauważyć obracające się kubki anemometru mierzącego prędkość wiatru lub inny sprzęt meteorologiczny zainstalowany na wieży. Dodatkowo, anteny telefonii komórkowej mogą być przymocowane do niektórych wież przesyłowych w strategicznych lokalizacjach.

Wczesni projektanci wież odkryli, że niektóre duże ptaki lubią budować gniazda na szczycie wież. Niestety, ptaki mogą spowodować awarię, jeśli wydalony odpad wyląduje na izolatorze i spowoduje zwarcie. Aby zapobiec tym niezamierzonym awariom i utrzymać pozytywne relacje z lokalną fauną, projektanci teraz uwzględniają specjalne platformy gniazdowe dla ptaków.

Ptaki gniazdujące na wieżach przesyłowych

Model 3D

Ten model 3D przedstawia typową wieżę przesyłową energii elektrycznej używaną do dystrybucji napięcia większego niż 200 kV. Wieża jest zaprojektowana tak, aby była strukturalnie mocna. Jej konstrukcja jest również zaprojektowana w celu zmniejszenia wpływu silnych wiatrów na wieżę. Tuleje wieży izolują wieżę od kabli elektrycznych (linii przesyłowej), zapewniając, że potencjał elektryczny wieży pozostaje na zerze.

Ten model 3D pokazuje wszystkie główne komponenty związane z typowym wysokonapięciowym słupem energetycznym; należą do nich:

• Szczyt wieży
• Belka
• Tuleje
• Widelec
• Ramię poprzeczne
• Okno wieży
• Przewód uziemiający
• Wiązka przewodów
• Korpus wieży (talia, noga, elementy diagonalne)
• Podstawa wieży (fundament)

Dodatkowe zasoby

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/