Как да проектирате стълбове, съвместими с високонапрежни предавателни линии?

Ограничения при проектирането, зададени от напрежението, за предавателни стълбове

Вятър, лед и електромагнитно натоварване при 230 kV и по-високи

При работа с напрежения от 230 kV или по-високи, предавателните кули изпитват сложни околните натоварвания, които не нарастват пропорционално само с нивото на напрежение. По време на лошо време вятърното налягане може да достигне над 50 паунда на квадратен фут, което означава, че страничните опори се нуждаят от сериозно усилване. Това важи особено за кулите с решетъчна конструкция, където най-големият натиск се концентрира в точките на свързване на краката и където са прикачени проводниците. Натрупването на лед също представлява голям проблем. Когато ледът достигне дебелина около два инча върху проводниците, той утроява тяхното тегло, създавайки несравномерно напрежение в системата и причиняващ усукващи сили, които инженерите мразят да виждат. Едновременно с това, когато пътните токове преминават през линиите със стойности над 40 kA, те създават мощни електромагнитни сили, които карят проводниците рязко да се движат, понякога предизвиквайки опасни резонансни ефекти в самата кула. Тъй като тези различни фактори на натоварване се преплитат напълно, инженерите разчитат силно на метода на крайните елементи, за да разберат как всичко взаимодейства. Например, при системи с 400 kV, решетъчните кули обикновено се нуждаят от укрепване с между 20 и 30 процента по-силно в сравнение с мачтови конструкции, изправени пред подобни условия.

Съответствие с разстоянията за изолация и пълзене (IEC 61936 / IEEE 1243)

Необходимостта от електрическа изолация става много по-строга с увеличаване на напрежението. Според стандарти като IEC 61936 и IEEE 1243, необходимото разстояние между фазите и земята също значително нараства. При системи от 230 kV се изисква поне 2,3 метра разстояние, но това нараства до 3,6 метра при работно напрежение от 345 kV. Тези стойности директно повлияват височината, на която трябва да бъдат построени предавателните кули, както и разстоянието между техните напречни греди. Веригите от изолатори представляват друго предизвикателство, тъй като разстоянието за повърхностно просмукване също трябва да се увеличава. По-специално при полимерни изолатори става дума за около 25 мм на киловолт в области с проблеми от замърсяване, за да се предотвратят досадните явления на повърхностно просмукване. Когато пространството е ограничено, инженерите често използват V-образни конфигурации на изолаторите. Но има още един постоянен проблем, който продължава да възниква: замърсяването. Натрупването на солена мъгла или промишлени остатъци може да намали напрежението на пробив почти наполовина в някои случаи. Затова регулярните графици за почистване стават абсолютно задължителни в райони, където тези замърсители имат тенденция да се натрупват с течение на времето.

Избор на тип кула: съвпадение на структурната форма според функцията и околната среда

Функционални роли: опори за окачване, опори за напрежение, опори за транспозиция и опори за пресичане

Начинът, по който работят електропреносните кули, определя тяхната физическа форма и конструкция. Подпорните кули удържат електрическите кабели изправени, като използват онези дълги вериги от изолатори, които често виждаме да висят от тях, което ги прави често срещана гледка по правите участъци на електропреносните линии. Когато трябва да се промени посоката или да се пресичат реки, в действие идват напрегнатите кули. Те са проектирани специално да поемат огромните сили, когато едната страна на линията дърпа по-силно от другата. Съществуват и транспозиционни кули, които разменят позициите на трите фази в линията, за да се запази баланс на стотици километри. Има още кули за пресичане, които просто издигат кабелите достатъчно високо, за да могат да преминават над пътища, железопътни линии или планини. Поставянето на неподходящ тип кула на неподходящо място може да бъде опасно. Представете си, че поставите обикновена подпорна кула на рязък завой, където трябва да има напрегната кула. По време на бури или силни ветрове такова несъответствие може да доведе до аварии, които бързо ще се разпространят през цялата електрическа мрежа.

Компромис между материал и форма: решетка срещу тръбни конструкции срещу монопол за линии над 400 kV

Изборът балансира производителността, логистиката и околната среда:

• Решетъчни кули , изградени от ъглови галванизирани стоманени профили, осигуряват превъзходно съотношение между здравина и тегло и модулна мащабируемост – което ги прави стандартни за проекти над 400 kV, изискващи максимална носимоспособност и устойчивост при земетресения. Техната триангулирана геометрия ефективно разсейва динамичната енергия, особено в зони с висок сеизмичен риск.
• Тръбни стоманени опори предлагат по-малко визуално въздействие и по-малка заета площ, като запечатаните секции ограничават корозията. Въпреки това, ограниченията при транспортирането ограничават практическата височина за приложения с ултра високо напрежение.
• Моноколи , въпреки че се монтират по-бързо и изискват по-малко земя, имат рязко нарастващи материали до ценови нива, надвишаващи 230 kV. Тяхната цялостена конструкция осигурява отлична устойчивост към асиметрично натоварване от лед – особено предимство в алпийски терени.

Основни структурни компоненти и цялостност на пътя на натоварване в предавателни кули

От напречния лост до основата: осигуряване на непрекъснат пренос на сила при аварийни условия

Структурната якост на тези системи зависи от непрекъснатото предаване на натоварване, започвайки от закрепването на проводниците, след това през напречните греди, по тялото на кулата и накрая достигайки основата. Тези напречни греди поемат различни сили като вятърно налягане, натрупване на лед и електромагнитни ефекти, преди да ги предадат на основния конструктивен каркас. По-специално при фермовите кули, предаването на натоварването става чрез болтови или заварени възли, които трябва да имат вградена резервност, за да се предотвратят проблеми с изкълчване. Цилиндричните и монополни конструкции работят по различен начин, разчитайки вместо това на здрави фланцови съединения между отделните части, както и на вътрешни усилватели за подкрепа. Когато става дума за основи, независимо дали са внедрени директно в земята или са изградени с решетъчни системи, те трябва да издържат изведнъж възникнали натоварвания, които са около 2,5 пъти по-големи от нормалните нива по време на инциденти като неочаквано скъсване на проводници, според стандарти на индустрията, зададени в IEC 61936:2020. Анализът чрез метода на крайните елементи помага на инженерите да видят как се разпределя напрежението във всички компоненти, като целта е да се премахне всяка възможност за повреда в само една точка от системата. Важни фактори, които обикновено се проверяват по време на процесите на верификация, включват...

Стомани с висока дуктилност (напр. S460ML+) осигуряват пластична деформация вместо крехко счупване при претоварване. Корозионноустойчивите покрития в точките на свързване – валидирани за крайбрежни или химически агресивни обекти – се запазват през целия експлоатационен срок, за да се осигури непрекъснатост на предаване на натоварванията.

Проверка на механичната якост и съответствие за системи с високонапрежни кули

Когато става въпрос за структурна валидация, инженерите спазват добре установени международни стандарти като IEC 60652 за механично изпитване на компоненти за надлежащи линии и ASCE 10-15, който се отнася конкретно за проектирането на стоманени предавателни кули. По време на пълномащабни изпитвания прототипите се подлагат на проверка при симулирани условия, включително скорост на вятъра до 150 километра в час, различни вертикални натоварвания – както постоянни, така и активни, както и сценарии, при които проводниците неочаквано се скъсват. Тези тестове имитират най-екстремните механични натоварвания, които биха могли да възникнат в реални условия. За да се проследи как силите се разпределят по конструкцията, калибрирани датчици за натоварване измерват точките на налягане, докато теодолити следят всякакви движения или отмествания – от напречните греди чак до анкерите на основата. Резултатът след сертифицирането показва не просто, че всичко отговаря на регламентите, а демонстрира и засили за безопасност, които надхвърлят изискванията при експлоатация с между 25% и 40%. Такава прецизност е от решаващо значение, тъй като когато в мрежи с високо напрежение над 400 киловолта се случи авария, единичен отказ в критична точка може да причини проблеми, простиращи се в няколко региона и юрисдикции.

Често задавани въпроси

Защо крайният елементен анализ е важен за високоволтови предавателни кули?

Крайният елементен анализ е от съществено значение, тъй като помага на инженерите да разберат как различните фактори на напрежение, като вятър, лед и електромагнитни сили, взаимодействат, което позволява оптимално проектиране и усилване на кулите.

Какви са основните разлики между решетъчните кули и монополни проекти?

Решетъчните кули предлагат превъзходно съотношение между здравина и тегло, идеално за проекти с висока мощност, докато монополите, които са по-лесни за инсталиране и изискват по-малко земя, имат по-високи разходи над 230 kV и осигуряват добра устойчивост срещу натоварване с лед.

Как повлияват стандарти за съответствие върху проектирането на предавателни кули?

Стандартите за съответствие определят необходимите разстояния за разчистване, изолационни пътища и товароносни способности за безопасна експлоатация, което влияе на избора на материали, размерите на кулите и общото проектиране, за да се поемат околните и експлоатационни напрежения.