Hogyan tervezzünk távvezetéki oszlopokat, amelyek illeszkednek a nagyfeszültségű távvezetékekhez?

Feszültségtől vezérelt tervezési korlátozások távvezetéki oszlopokhoz

Szél-, jég- és elektromágneses terhelés 230 kV-on és felette

230 kV vagy annál magasabb feszültségek esetén a távvezeték-oszlopok olyan összetett környezeti terhelésekkel kerülnek szembe, amelyek nem csupán arányosan növekednek a feszültségszinttel. Rossz időjárási körülmények között a szélterhelés meghaladhatja az 50 fontot négyzetlábanként, ami azt jelenti, hogy az oldaltámaszokat komolyan erősíteni kell. Ez különösen a rácsos oszlopoknál igaz, ahol a legnagyobb terhelés az alapok csatlakozási pontjainál és a vezetékek rögzítési helyeinél lép fel. A jégképződés további jelentős kihívást is jelent. Amikor a vezetékeken körülbelül két hüvelyk vastag jégréteg képződik, a vezetékek súlya megháromszorozódik, ami egyenlőtlen húzófeszültséget okoz a rendszerben, és csavaróerőket generál, amelyeket a mérnökök nagyon nehéznek találnak kezelni. Ugyanakkor, amikor a zárlati áramok 40 kA feletti értéken haladnak át a vezetékeken, erős elektromágneses erőket hoznak létre, amelyek miatt a vezetékek hevesen megkezdik a csapkodást, néha veszélyes rezonanciát indítva el magukban az oszlopban. Mivel ezek a különböző terhelési tényezők olyan teljes mértékben átfedik egymást, a mérnökök nagy mértékben az elemi elemzésre (finite element analysis) támaszkodnak ahhoz, hogy megértsék, hogyan működik minden együtt. Például 400 kV-os rendszerek esetén a rácsos oszlopok általában 20 és 30 százalékkal erősebb merevítést igényelnek, mint a hasonló körülményeknek kitett monopólusos oszlopok.

Távolsági és áramutak megfelelősége (IEC 61936 / IEEE 1243)

Az elektromos szigetelés igénye lényegesen növekszik a feszültségszint emelkedésével. Az IEC 61936 és az IEEE 1243 szabványok szerint a fázisok, illetve a föld közötti szükséges szabad tér is jelentősen megnő. 230 kV-os rendszereknél legalább 2,3 méteres távolság szükséges, ám ez 345 kV-nál 3,6 méterre emelkedik. Ezek a számok közvetlenül befolyásolják a villamosenergia-átviteli oszlopok magasságát és a rájuk szerelt keresztdeszkák egymástól való távolságát. A szigetelőláncok további kihívást jelentenek, mivel azok felületi átvezetési távolságát is arányosan növelni kell. Különösen polimer szigetelők esetén kb. 25 mm/kV érték szükséges olyan területeken, ahol szennyeződés miatt előfordulhatnak kellemetlen felületi átívelési problémák. Amikor a hely szűkös, a mérnökök gyakran V-alakú szigetelőlánc-kialakításhoz folyamodnak. Ám van egy másik, kitartóan visszatérő probléma: a szennyeződés. Sóköd vagy ipari lerakódás akár majdnem felére is csökkentheti az átívelési feszültséget bizonyos esetekben. Ezért rendszeres tisztítási ütemtervek elengedhetetlenek azon területeken, ahol ezek a szennyeződések idővel felhalmozódnak.

Toronytípus kiválasztása: a szerkezeti forma illesztése a funkcióhoz és a környezethez

Funkcionális szerepek: felfüggesztő, húzó, átkötő és keresztező tornyok

A távvezeték-oszlopok működési módja határozza meg fizikai alakjukat és szerkezetüket. A felfüggesztő oszlopok az elektromos vezetékeket egyenesen tartják fent, hosszú szigetelőlánccal, amelyeket gyakran lógva láthatunk rajtuk, így ezek jellemzően egyenes szakaszok mentén fordulnak elő a villamosenergia-hálózatokban. Amikor az útvonal irányt kell változtasson vagy folyók felett haladjon át, feszítőoszlopokat használnak. Ezeket kifejezetten arra tervezték, hogy elbírják a nagy erőket, amelyek akkor keletkeznek, ha a vonal egyik oldala erősebben húz, mint a másik. Léteznek továbbá fáziscsere oszlopok is, amelyek a három fázist felcserélik a vonal mentén, így biztosítva az egyensúlyt több száz kilométeren keresztül. Vannak aztán átvezető oszlopok, amelyek egyszerűen csak annyira emelik fel a vezetékeket, hogy át tudjanak haladni utak, vasutak vagy hegyek felett. Ha rossz típusú oszlopot építenek rossz helyre, az veszélyes lehet. Képzeljük el, mi történne, ha egy sima felfüggesztő oszlopot telepítenének éles kanyarba, ahol feszítőoszlopnak kellene lennie. Erős vihar vagy szél esetén ez a hiba gyorsan terjedő meghibásodásokhoz vezethet az egész hálózatban.

Anyag és forma kompromisszumok: rácsos, csöves és monopólusos kivitel 400 kV feletti vezetékeknél

A kiválasztás a teljesítmény, logisztika és környezeti hatások közötti egyensúlyt jelent:

• Rácsos tornyok , galvanizált acélszögekből készült rácsos tornyok, kiváló szilárdság-tömeg arányt és moduláris bővíthetőséget biztosítanak – így alapértelmezett választásnak számítanak 400 kV feletti projektekhez, ahol maximális teherbírásra és szeizmikus ellenállásra van szükség. Háromszögeléses geometriájuk hatékonyan disszipálja a dinamikus energiát, különösen földrengésveszélyes területeken.
• Csöves acéloszlopok csökkentett látványhatást és kisebb alapterületet nyújtanak, lezárt szakaszaik korlátozzák a korrózió kockázatát. Szállítási korlátok azonban megkérdőjelezhetik alkalmazhatóságukat nagyon magas feszültségű hálózatoknál.
• Egyoszlopos tornyok , amelyek ugyan gyorsabban telepíthetők és kevesebb területet igényelnek, de anyagköltségük meredeken növekszik 230 kV felett. tömör falú kialakításuk kiváló ellenállást biztosít az aszimmetrikus jégrakódásnak – különösen előnyös alpesi terepen.

Alapvető szerkezeti elemek és terhelésátviteli integritás átviteli tornyokban

Keresztkartól az alapig: folyamatos erőátvitel biztosítása hibaállapotban

Ezeknek a rendszereknek a szerkezeti szilárdsága azon folyamatos terhelésátadáson múlik, amely a vezetéktartók rögzítésénél indul, majd áthalad a keresztrudakon, végigfut a torony törzsén, és végül eléri az alapot. A keresztrudak különféle erőket vesznek fel, például szélterhet, jégfelhalmozódást és elektromágneses hatásokat, mielőtt ezeket továbbadják a fő teherhordó vázaszerkezetnek. Rácsos tornyok esetében a terhelésátadás vagy csavarkötésekkel, vagy hegesztett kapcsolatokkal történik, amelyeknél beépített tartalékokra van szükség a horpadások megelőzése érdekében. A cső- és monopólusos kialakítások másképp működnek, erős flanschkapcsolatokra építenek az alkatrészek között, valamint belső bordákkal biztosítják a merevséget. Az alapozások tekintetében, legyen szó közvetlen talajba süllyesztésről vagy rostékos rendszerű kialakításról, ki kell bírniuk a hirtelen terhelésnövekedéseket, amelyek balesetek, például váratlan vezetékszakadás során körülbelül a normál szint 2,5-szeresét is elérhetik, ahogyan azt az IEC 61936:2020 szabvány előírja. A véges elemes analízis segítségével az építészek nyomon követhetik a feszültség eloszlását az összes alkatrészen keresztül, és így elkerülhetővé válik annak a lehetősége, hogy a rendszer egyetlen pontján meghibásodás lépjen fel. A ellenőrzési folyamatok során vizsgálandó fontos tényezők általában...

Nagy alakváltozási képességű acélok (például S460ML+) biztosítják a rugalmas deformálódást rideg törés helyett túlterhelés esetén. A kapcsolódási pontokon alkalmazott korrózióálló bevonatok—tengerparti vagy kémiai hatásoknak kitett területeken történő felhasználásra érvényesített minősítéssel—az élettartam során fennmaradnak, így biztosítva a teherátadási útvonal folytonosságát.

Mechanikai Szilárdság Ellenőrzése és Megfelelősége Magasfeszültségű Toronyrendszerekhez

Amikor szerkezeti érvényesítésről van szó, a mérnökök megalapozott nemzetközi szabványokhoz tartják magukat, mint például az IEC 60652 az elektromos vezetékek mechanikai vizsgálatához, illetve az ASCE 10-15, amely kifejezetten a acél átviteli tornyok tervezését tárgyalja. A teljes méretű tesztelés során a prototípusokat különféle szimulált körülményeknek vetik alá, beleértve a 150 kilométer/órás szebességeket, különböző függőleges terheléseket – mint saját súly és dinamikus terhelések –, valamint olyan helyzeteket, amikor a vezetékek váratlanul elszakadnak. Ezek a tesztek a valós életben előfordulható legszigorúbb mechanikai igénybevételeket utánozzák. Annak ellenőrzésére, hogyan terjednek az erők a szerkezeten belül, kalibrált terhelésérzékelők mérik a nyomás alatt álló pontokat, miközben teodolitok követik a keresztrudaktól egészen az alapozás rögzítőiig terjedő mozgásokat vagy elmozdulásokat. Amit a tanúsítás után kapunk, nem csupán az előírásoknak való megfelelés bizonyítéka, hanem azt is mutatja, hogy a biztonsági tartalékok az üzemeltetési követelményeket 25% és 40% között meghaladják. Ez a fajta alaposság különösen fontos, mert amikor valami elromlik egy 400 kilovolt feletti nagyfeszültségű hálózaton, egyetlen hiba egy kritikus ponton több régiót és joghatóságot is érintő problémákat okozhat.

Gyakran Ismételt Kérdések

Miért fontos a végeselemes analízis a nagyfeszültségű távvezetéki oszlopoknál?

A végeselemes analízis elengedhetetlen, mivel segít az építészeknek megérteni, hogyan hatnak egymásra különböző terhelési tényezők, mint a szél, jég és elektromágneses erők, lehetővé téve az optimális toronytervezést és megerősítést.

Mik a fő különbségek a rácsos tartók és az önálló oszlopok között?

A rácsos tartók kiváló szilárdság-tömeg arányt nyújtanak, amely ideális nagy kapacitású projektekhez, míg az önálló oszlopok könnyebben telepíthetők és kevesebb helyet igényelnek, de költségeik meghaladják a 230 kV-ot, jó ellenállást biztosítva jégterhelés esetén.

Hogyan befolyásolják a megfelelőségi szabványok a távvezetéki oszlopok tervezését?

A megfelelőségi szabványok előírják a szükséges távolságokat, átbúzási távolságokat és teherbírást a biztonságos üzemeltetés érdekében, amely befolyásolja az anyagválasztást, a torony méreteit és az általános tervezést, hogy kezelni tudják a környezeti és üzemeltetési terheléseket.