Jak navrhnout věže, které odpovídají vedení vysokého napětí?

Konstrukční omezení řízená napětím pro přenosové věže

Vítr, led a elektromagnetické zatížení při napětí 230 kV a vyšším

Při práci s napětím 230 kV a vyšším se stožáry vedení setkávají se složitými environmentálními zatíženími, která nevzrůstají pouze úměrně úrovni napětí. Během nepříznivého počasí může větrný tlak dosáhnout více než 50 liber na čtvereční stopu, což znamená, že boční podpěry musí být výrazně posíleny. To platí zejména pro stožáry mřížové konstrukce, kde se největší namáhání hromadí v místech připojení nohou a v místech uchycení vodičů. Další velkou výzvou je námraza. Když se na vodičích nahromadí led o tloušťce asi dva palce, ztrojnásobí jejich hmotnost, což vytváří nerovnoměrné tahové síly v celém systému a způsobuje krouticí momenty, které inženýři rádi nevidí. Současně, když poruchové proudy protékají vedením rychlostí vyšší než 40 kA, vznikají silné elektromagnetické síly, které způsobují prudké pohyby vodičů, někdy až nebezpečné rezonance samotného stožáru. Vzhledem k tomu, že se tyto různé faktory zatížení tak úplně překrývají, spoléhají se inženýři při pochopení vzájemné interakce jednotlivých prvků silně na metodu konečných prvků. Například u soustav 400 kV obecně vyžadují mřížové stožáry ztužení o 20 až 30 procent pevnější ve srovnání s jednohlubkovými konstrukcemi za podobných podmínek.

Dodržení vzdáleností pro odlehčení a povrchové svody (IEC 61936 / IEEE 1243)

Potřeba elektrické izolace se zvyšuje s rostoucím napětím. Podle norem jako IEC 61936 a IEEE 1243 se požadovaná vzdálenost mezi fázemi a uzemněním výrazně zvětšuje. U systémů 230 kV je zapotřebí minimálně 2,3 metru volného prostoru, avšak u provozních úrovní 345 kV to stoupá až na 3,6 metru. Tyto hodnoty přímo ovlivňují výšku, jakou musí mít stožáry vedení, a také vzdálenost jejich příčných ramen. Další výzvou jsou izolační řetězce, jejichž povrchové dráhy únikového proudu je rovněž nutno navrhovat delší. Co se týče polymerových izolátorů, v oblastech s problémy znečištění se počítá přibližně s 25 mm na kilovolt, aby se předešlo nepříjemným problémům s povrchovým výbojem. Když je prostor omezený, inženýři často používají V-tvarové konfigurace izolátorů. Existuje však další trvalý problém, který se neustále vrací: znečištění. Například slaná mlha nebo usazeniny průmyslového odpadu mohou snížit napětí přeskoku až zhruba na polovinu. Proto jsou v oblastech, kde se tyto nečistoty časem hromadí, nezbytné pravidelné intervaly čištění.

Výběr typu věže: Přizpůsobení konstrukční formy funkci a prostředí

Funkční role: stožáry pro zavěšení, tažné, přepínací a křižovatkové věže

Způsob, jakým pracují věže pro přenos energie, určuje jejich fyzický tvar a konstrukci. Napínací věže drží elektrické vodiče rovně nahoru pomocí dlouhých řetězců izolátorů, které často vidíme viset z nich dolů, a jsou tak běžným jevem podél přímých úseků vedení. Když se trasa musí změnit nebo překonat řeku, používají se napínací věže. Ty jsou speciálně postaveny tak, aby odolaly obrovským silám, když jedna strana vedení působí větší tah než druhá. Existují také věže pro překlady, které mění pozici tří fází ve vedení, aby byla na stovkách kilometrů zachována rovnováha. A pak existují převaděcí věže, které prostě zvednou vodiče dostatečně vysoko, aby překonaly silnice, železnice nebo hory. Umístění špatného typu věže na špatné místo může být nebezpečné. Představte si, že na ostrém ohybu bude namísto napínací věže běžná napínací věže. Během bouřek nebo silného větru by tento nesoulad mohl vést k selhání, které by se rychle šířilo celým energetickým systémem.

Komproisy mezi materiálem a tvarem: mřížové konstrukce vs. trubkové sloupy vs. monolitní stožáry pro vedení 400 kV+

Výběr vyvažuje výkon, logistiku a vliv na životní prostředí:

• Mřížové věže , sestavené z pozinkovaných ocelových úhelníků, poskytují vynikající poměr pevnosti k hmotnosti a modulární škálovatelnost – což je činí standardem pro projekty 400 kV+, které vyžadují maximální nosnost a odolnost proti zemětřesení. Jejich trojúhelníková geometrie efektivně rozptyluje dynamickou energii, zejména v oblastech náchylných k zemětřesením.
• Trubkové ocelové sloupy působí menším vizuálním dopadem a mají menší plošnou náročnost, přičemž uzavřené profily omezují expozici korozním vlivům. Dopravní omezení však omezují praktickou výšku pro aplikace ultra vysokého napětí.
• Jednostěžné věže , i když jsou rychlejší na instalaci a méně náročné na plochu, vykazují strmý nárůst materiálových nákladů nad 230 kV. Jejich plnostěnná konstrukce poskytuje vynikající odolnost proti asymetrickému namáhání ledem – což je zvláště výhodné v horském terénu.

Základní konstrukční prvky a integrita přenosu zatížení ve stožárech elektrického vedení

Od příčného ramene ke základu: zajištění nepřetržitého přenosu síly za poruchových podmínek

Nosná pevnost těchto systémů závisí na nepřetržitém přenosu zatížení, které začíná u upevnění vodičů, pokračuje přes příčné rameny, dále po těle věže a nakonec dosahuje základů. Tato příčná ramena přebírají různé síly, jako je větrný tlak, námrazový nános a elektromagnetické účinky, než je předají hlavnímu nosnému rámu. U mřížových věží konkrétně dochází k přenosu zatížení prostřednictvím šroubovaných nebo svařovaných spojů, které musí mít vestavěnou redundanci, aby se zabránilo vybočení. Trubkové a jednopólové konstrukce fungují jinak a spoléhají se místo toho na pevné přírubové spoje mezi jednotlivými částmi a vnitřní ztužení pro podporu. Co se týče základů, ať už jsou přímo zabetonovány do země nebo postaveny pomocí mřížových systémů, musí být schopny odolat náhlému zvýšení zatížení přibližně 2,5násobku běžných hodnot během událostí, jako je neočekávané přetržení vodičů, a to podle průmyslových norem stanovených IEC 61936:2020. Metoda konečných prvků pomáhá inženýrům sledovat, jak se napětí šíří skrz všechny komponenty, s cílem eliminovat jakoukoli možnost poruchy v jediném bodě systému. Důležitými faktory, které je třeba ověřit během kontrolních procesů, jsou obvykle...

Oceli vysoké tažnosti (např. S460ML+) zajišťují plastickou deformaci namísto křehkého lomu při přetížení. Korozivzdorné povlaky na místech spojů – ověřené pro pobřežní nebo chemicky agresivní lokality – jsou udržovány po celou dobu životnosti, aby byla zachována kontinuita přenosu zatížení.

Ověření mechanické pevnosti a soulad pro systémy vysokonapěťových stožárů

Pokud jde o ověřování konstrukce, inženýři se řídí dobře zavedenými mezinárodními normami, jako je IEC 60652 pro mechanické zkoušení součástí nadzemních vedení a ASCE 10-15, která se specificky zabývá návrhem ocelových přenosových věží. Během zkušebnictví ve skutečné velikosti jsou prototypy podrobovány intenzivním testům za simulovaných podmínek, včetně rychlosti větru dosahujících 150 kilometrů za hodinu, různých vertikálních zatížení, jak statických, tak dynamických, a také scénářů nečekaného přetržení vodičů. Tyto testy napodobují extrémní mechanické namáhání, které by mohlo ve skutečnosti kdykoliv nastat. Pro kontrolu rozložení sil v konstrukci měří kalibrované snímače zatížení tlakové body, zatímco teodolity sledují jakékoli pohyby nebo deformace od příčných ramen až po kotvy základů. Výsledkem certifikace není pouze potvrzení souladu s předpisy, ale také demonstrace bezpečnostních rezerv, které převyšují provozní požadavky o 25 % až 40 %. Tato důkladnost má velký význam, protože pokud dojde k poruše v síti vysokého napětí nad 400 kilovoltů, jedna selhání v kritickém bodě může způsobit problémy sahající přes několik regionů a správních oblastí.

Nejčastější dotazy

Proč je pro vysokonapěťové přenosové věže důležitá metoda konečných prvků?

Metoda konečných prvků je zásadní, protože pomáhá inženýrům porozumět tomu, jak různé zatěžující faktory, jako je vítr, led a elektromagnetické síly, vzájemně působí, což umožňuje optimální návrh a zesílení věží.

Jaké jsou hlavní rozdíly mezi mřížovými věžemi a konstrukcemi s monopólem?

Mřížové věže nabízejí vynikající poměr pevnosti k hmotnosti, což je ideální pro projekty s vysokou kapacitou, zatímco monopóly, které jsou jednodušší na instalaci a vyžadují méně plochy, mají vyšší náklady nad 230 kV a poskytují dobrý odpor proti zatížení ledem.

Jak ovlivňují normy shody návrh přenosových věží?

Normy shody stanovují nezbytné vzdálenosti izolace, creepage vzdálenosti a nosné kapacity pro bezpečný provoz, čímž ovlivňují volbu materiálu, rozměry věží a celkový návrh tak, aby odolaly environmentálním a provozním zatížením.