Ako navrhnúť veže, ktoré zodpovedajú vedeniam vysokého napätia?

Obmedzenia návrhu určené napätím pre prenosové veže

Vietor, ľad a elektromagnetické zaťaženie pri 230 kV a vyššom

Pri práci s napätím 230 kV a vyšším sa stožiare prenosu stretávajú so zložitými environmentálnymi namáhaniami, ktoré nepribúdajú len úmerne úrovni napätia. Počas zlých poveternostných podmienok môže tlak vetra dosiahnuť viac ako 50 libier na štvorcový stopu, čo znamená, že bočné podpery musia byť výrazne posilnené. To platí najmä pre stožiare mriežkového typu, kde sa najväčšie zaťaženie hromadí v miestach pripojenia nôh a v bodoch pripevnenia vodičov. Ďalšou veľkou výzvou je námraza. Keď sa na vodičoch nahromadí ľad hrubý približne dva palce, trojnásobne zvyšuje ich hmotnosť, čím vzniká nerovnomerné namáhanie po celej sústave a vznikajú krútiace sily, ktoré inžinierom spôsobujú starosti. Súčasne keď poruchové prúdy prechádzajú vedením rýchlosťou vyššou ako 40 kA, vytvárajú silné elektromagnetické sily, ktoré spôsobujú prudké pohyby vodičov, niekedy až nebezpečné rezonancie samotného stožiaru. Keďže sa tieto rôzne faktory zaťaženia tak úplne prekrývajú, inžinieri sa vo veľkej miere spoliehajú na metódu konečných prvkov, aby pochopili, ako všetko funguje spoločne. Napríklad v systémoch 400 kV vo všeobecnosti mriežkové stožiare potrebujú vystuženie o 20 až 30 percent pevnejšie v porovnaní s jednoduchými stožiarmi v podobných podmienkach.

Dodržiavanie vzdialeností pre voľný priestor a povrchové prechodové vzdialenosti (IEC 61936 / IEEE 1243)

Potreba elektrického izolovania sa zvyšuje s rastúcimi napätiami. Podľa noriem ako IEC 61936 a IEEE 1243 výrazne stúpa aj požadovaná vzdušná medzera medzi fázami a uzemnením. Pri systémoch 230 kV je potrebný minimálne priestor 2,3 metra, no pri prevádzke na úrovni 345 kV tento nárast dosahuje 3,6 metra. Tieto hodnoty priamo ovplyvňujú výšku, akú musia mať diaľničné stožiare, a vzdialenosť, v akej musia byť ich priečne ramená umiestnené. Iným problémom sú izolačné reťaze, ktorých dráha povrchového preboja sa musí tiež zväčšiť. Konkrétne u polymérnych izolátorov ide v oblastiach so znečistením približne o 25 mm na kilovolt, aby sa predišlo neprijemným problémom povrchového preboja. Keď je priestor obmedzený, inžinieri často používajú V-tvaré konfigurácie izolátorov. Existuje však ďalší trvalý problém, ktorý sa neustále vracia: znečistenie. Nános solnej hmla alebo priemyselných zvyškov môže znížiť prepäťové napätie až na polovicu v niektorých prípadoch. Preto sú v regiónoch, kde sa tieto nečistoty majú tendenciu hromadiť v čase, nevyhnutné pravidelné plány čistenia.

Výber typu veže: Prispôsobenie konštrukčnej formy funkcií a prostrediu

Funkčné úlohy: zavesovacie, tažné, prepojovacie a priechodové veže

Spôsob, akým pracujú veže prenosu elektrickej energie, určuje ich fyzický tvar a konštrukciu. Nosné veže držia elektrické vodiče priamo nahor pomocou tých dlhých reťazí izolátorov, ktoré často vidíme visieť z nich, a preto sú bežným javom pozdĺž priamych úsekov elektrických vedení. Keď sa musí zmeniť smer trasy alebo keď je potrebné preklenúť rieku, prichádzajú do hry napínacie veže. Tieto sú špeciálne postavené tak, aby odolali obrovským silám, keď jedna strana vedenia ťahá silnejšie ako druhá. Existujú tiež transpozičné veže, ktoré skrúcajú polohu troch fáz vedenia, aby bolo všetko vyvážené na stovky míľ. A potom sú tu veže prekročenia, ktoré jednoducho zdvihnú vodiče dostatočne vysoko, aby preklenuli cesty, železnice alebo hory. Umiestnenie nesprávneho typu veže na nesprávne miesto môže byť nebezpečné. Predstavte si, že na ostrým oblúku umiestnite bežnú nosnú vežu namiesto napínacej veže. Počas búrok alebo silného vetra by tento nesúlad mohol viesť k zlyhaniu, ktoré by sa rýchlo rozšírilo cez celý sieťový systém.

Kompozitné materiály a tvarové kompromisy: mriežka vs. rúrkové vs. monopólové prenosové vedenia pre napätie 400 kV+

Voľba vyvažuje výkon, logistiku a vplyv na životné prostredie:

• Mriežkové veže , vyrobené z pozinkovaných oceľových profilov, ponúkajú vynikajúci pomer pevnosti ku hmotnosti a modulárnu škálovateľnosť – čo ich robí štandardnou voľbou pre projekty s napätím 400 kV+, ktoré vyžadujú maximálnu nosnosť a odolnosť proti zemetraseniam. Ich trojuholníková geometria efektívne rozptyľuje dynamickú energiu, najmä v oblastiach ohrozených zemetraseniami.
• Rúrkové oceľové stožiare ponúkajú menší vizuálny dopad a menšiu plochu zásahu, pričom uzatvorené sekcie obmedzujú expozíciu korózii. Avšak obmedzenia pri preprave obmedzujú praktické výšky pre ultra-vysokonapäťové aplikácie.
• Monopóly , hoci sa montujú rýchlejšie a vyžadujú menej pôdy, spôsobujú prudké zvyšovanie nákladov na materiál nad 230 kV. Ich konštrukcia s plnými stenami poskytuje vynikajúcu odolnosť voči asymetrickej zaťaženosti ľadom – čo je obzvlášť výhodné v alpskom teréne.

Základné konštrukčné komponenty a celistvosť nosnej dráhy v prenosových vežiach

Od priečneho ramena po základ: zabezpečenie nepretržitého prenosu sily za poruchových podmienok

Štrukturálna pevnosť týchto systémov závisí od spojitého prenosu zaťaženia, ktoré začína na upevneniach vodičov, pokračuje cez priečne ramená, pozdĺž nosnej časti stožiara až po základňu. Tieto priečne ramená pôsobia rôznymi silami, ako je veterný tlak, námraza a elektromagnetické účinky, ktoré následne odovzdávajú hlavnému nosnému rámu. V prípade mriežkových stožiarov sa prenos zaťaženia deje cez skrutkové alebo zvárané spoje, ktoré musia mať zabudovanú redundanciu, aby sa predišlo vybočeniu. Trubicové a monopólové konštrukcie fungujú inak a namiesto toho sa opierajú o pevné prírubové spojenia medzi jednotlivými časťami a vnútorné tuhnutie pre podporu. Pokiaľ ide o základy, či už sú priamo zabetónované do zeme alebo postavené pomocou mriežkových systémov, musia byť schopné odolať náhlym nárastom zaťaženia približne 2,5-násobku bežných hodnôt počas udalostí, ako je neočakávané pretrhnutie vodičov, podľa priemyselných noriem stanovených v norme IEC 61936:2020. Metóda konečných prvkov pomáha inžinierom vizualizovať, ako sa napätie šíri cez všetky komponenty, s cieľom eliminovať akúkoľvek možnosť zlyhania v jednom jedinom bode systému. Dôležitými faktormi, ktoré je potrebné skontrolovať počas overovacích procesov, sú typicky...

Ocele s vysokou tažnosťou (napr. S460ML+) zabezpečujú plastickú deformáciu namiesto krehkej poruchy pri preťažení. Korózne odolné povlaky na spojovacích miestach – overené pre pobrežné alebo chemicky agresívne prostredia – sa udržiavajú po celú dobu životnosti, aby sa zachovala spojitosť nosnej dráhy.

Overenie mechanického pevnosti a dodržiavanie predpisov pre systémy vysokonapäťových stožiarov

Keď ide o štrukturálne overovanie, inžinieri sa držia dobre zavedených medzinárodných noriem, ako je IEC 60652 pre mechanické skúšanie komponentov nadzemných vedení a ASCE 10-15, ktorá sa zaoberá špecificky návrhom oceľových prenosových stožiarov. Počas skúšania vo plnom merítku sú prototypy podrobované intenzívnym testom za simulovaných podmienok vrátane rýchlosti vetra dosahujúcich 150 kilometrov za hodinu, rôznych vertikálnych zaťažení, ako sú statické aj dynamické zaťaženia, a tiež scenárov neočakávaného prestretnutia vodičov. Tieto testy napodobňujú najextrémnejšie mechanické namáhanie, aké môže v reálnych podmienkach vzniknúť. Na overenie priebehu síl cez konštrukciu kalibrované snímače zaťaženia merajú tlakové body, zatiaľ čo teodolity sledujú akýkoľvek pohyb alebo posun ramien až po kotviace prvky základne. Výsledkom certifikácie nie je len potvrdenie dodržania predpisov, ale skutočne ukazuje bezpečnostné rozpätie, ktoré prevyšuje prevádzkové požiadavky o 25 % až 40 %. Takáto dôkladnosť má veľký význam, pretože keď dôjde k poruche v sieťach vysokého napätia nad 400 kilovoltov, jedna zlyhania v kritickom bode môže spôsobiť problémy siahajúce cez viacero regiónov a správnych území.

Často kladené otázky

Prečo je konečná analýza prvkov dôležitá pre vysokonapäťové prenosové veže?

Analýza konečných prvkov je rozhodujúca, pretože pomáha inžinierom pochopiť, ako rôzne faktory zaťaženia, ako vietor, ľad a elektromagnetické sily, vzájomne pôsobia, čo umožňuje optimálne navrhovanie a posilnenie veží.

Aké sú hlavné rozdiely medzi mriežkovými vežami a konštrukciami s monopólom?

Mriežkové veže ponúkajú vynikajúci pomer pevnosti k hmotnosti, čo je ideálne pre projekty s vysokou kapacitou, zatiaľ čo monopóly, ktoré sú jednoduchšie na inštaláciu a vyžadujú menej plochy, majú vyššie náklady nad 230 kV a poskytujú dobrú odolnosť voči zaťaženiu ľadom.

Ako ovplyvňujú normy dodržiavania predpisov návrh prenosových veží?

Normy dodržiavania predpisov určujú nevyhnutné vzdialenosti izolácie, vzdialenosti prekrivenia a nosnosť pre bezpečný prevádzku, čo ovplyvňuje voľbu materiálu, rozmery veže a celkový návrh na zvládanie environmentálnych a prevádzkových zaťažení.