Kako zasnovati stolpe, ki ustrezajo visokonapetostnim vodovodom?

Omejitve konstrukcijskega načrtovanja, odvisne od napetosti za prenosne stolpe

Obremenitev zaradi vetra, ledu in elektromagnetnega delovanja pri 230 kV in višjih

Ko se dela z napetostmi 230 kV ali višjimi, morajo stolpi za prenos električne energije prenašati zapletene okoljske obremenitve, ki se ne povečujejo le sorazmerno z nivojem napetosti. Med neugodnimi vremenskimi razmerami lahko tlak vetra doseže več kot 50 funtov na kvadratni čevelj, kar pomeni, da morajo biti stranske podpore ustrezno okrepljene. To velja še posebej za stolpe rešetkaste konstrukcije, kjer se največja obremenitev kopiči v točkah priključitve nog in tam, kjer so pritrjeni vodniki. Zbiranje ledu predstavlja še ena pomembna izziva. Ko se na vodnikih nabere led debeline približno dveh palcev, se njihova teža potroji, kar povzroči neenakomeren napetostni profil po sistemu ter zavijalne sile, ki jih inženirji radi izogibajo. Hkrati pa, ko skozi vodeče elemente tečejo napake z jakostmi nad 40 kA, nastanejo močne elektromagnetne sile, ki povzročijo nasilno rahetanje vodnikov, kar včasih sproži nevarne resonančne pojave v samem stolpu. Ker se ti različni dejavniki obremenitve tako popolnoma prekrivajo, se inženirji zelo oslanjajo na metodo končnih elementov, da bi razumeli, kako vse deluje skupaj. Na primer, pri sistemih 400 kV splošno potrebujejo rešetkasti stolpi okvirjevje med 20 in 30 odstotkov tršega v primerjavi z enojnimi stolpi (monopoli) v podobnih pogojih.

Skladnost z razdaljami za izpraznitev in poglobitev (IEC 61936 / IEEE 1243)

Potreba po električni izolaciji postaja vedno zahtevnejša z naraščanjem napetosti. Glede na standarde, kot sta IEC 61936 in IEEE 1243, se zahtevana razdalja med fazami in ozemljitvijo znatno poveča. Pri 230 kV sistemi potrebujejo vsaj 2,3 metra prostora, vendar se to poveča na 3,6 metra pri obratovanju na nivoju 345 kV. Te vrednosti neposredno vplivajo na višino, do katere morajo biti gradnje stolpi za prenos, ter na razdaljo, s katero morajo biti oddaljeni njihovi nosilni drogovi. Še en izziv predstavljajo verige izolatorjev, saj se morajo tudi njihove površinske drsne razdalje povečati. Posebej pri polimernih izolatorjih gledamo na približno 25 mm na kilovolt v območjih z problemi onesnaženja, da bi preprečili nadležne težave s površinskim drsenjem. Ko postane prostor omejen, se inženirji pogosto obrnejo k V-oblikovnim konfiguracijam izolatorjev. Vendar obstaja še en stalni problem, ki se vedno znova pojavlja: onesnaženje. Zgradba solne meglice ali industrijskih ostankov lahko v nekaterih primerih zmanjša napetost preskoka skoraj za polovico. Zato redni urniki čiščenja postanejo popolnoma nujni v regijah, kjer se ti kontaminanti sčasoma kopičijo.

Izbira tipa stolpa: uskladitev konstrukcijske oblike z funkcijo in okoljem

Funkcionalne vloge: nosilni, napetostni, premostitveni in križni stolpi

Način delovanja stolpov za prenos električne energije določa njihovo fizično obliko in konstrukcijo. Nosilni stolpi držijo električne vodnike navpično navzgor s pomočjo dolgih verig izolatorjev, ki jih pogosto vidimo obešene nanje, zato so pogost pojav vzdolž ravnih odsekov daljnovodov. Ko se pot spremeni ali ko je treba prečkati reko, prihajajo v poštev napetostni stolpi. Ti so posebej zgrajeni tako, da zmorejo ogromne sile, ko ena stran voda vleče močneje kot druga. Obstajajo tudi transpozicijski stolpi, ki zavrtijo položaj treh faz v vodu, da ostane vse uravnoteženo na stotine kilometrov. Nato pa so še prečni stolpi, ki preprosto dvignejo vodnike dovolj visoko, da omogočijo prehod čez ceste, železnice ali gore. Uporaba napačnega tipa stolpa na napačnem mestu lahko predstavlja nevarnost. Si zamislite, da namesto napetostnega stolpa postavite navadni nosilni stolp na ostru ovinku. Med nevihtami ali sunki vetra bi ta neujemnost lahko povzročila hitro širjenje okvar skozi celoten omrežni sistem.

Kompenzacije med materialom in obliko: rešetkasta konstrukcija proti cevnatim stolpom proti monopodom za linije 400 kV+

Izbira uravnava zmogljivost, logistiko in vpliv na okolje:

• Rešetkasti stolpi , izdelani iz pocinkanega jekla v obliki kotnikov, ponujajo odličen razmerje med trdnostjo in težo ter modularno razširljivost – zaradi česar so privzeta rešitev za projekte 400 kV+, ki zahtevajo največjo nosilnost in odpornost proti potresom. Njihova triangulirana geometrija učinkovito razprši dinamično energijo, še posebej v potresno ogroženih conah.
• Cevnati jekleni stolpi ponujajo manjši vizualni vpliv in odtis, pri čemer zaprti profili omejujejo izpostavljenost koroziji. Vendar pa omejitve pri prevozu omejujejo praktične višine za uporabo pri ultra visokonapetostnih aplikacijah.
• Monopoli , čeprav hitrejši za montažo in manj potratni glede zemljišča, povzročajo močno povečanje stroškov materiala nad 230 kV. Njihova konstrukcija s polnimi stenami zagotavlja odlično odpornost proti asimetričnemu ledenemu bremenu – kar je še posebej prednostno v alpskem terenu.

Osnovni strukturni elementi in celovitost poti obremenitve v stolpih za prenos

Od prečnega nosilca do temelja: zagotavljanje neprekinjenega prenosa sile ob okvarnih pogojih

Nosilna trdnost teh sistemov je odvisna od neprekinjenega prenosa obremenitve, ki se začne pri priključkih vodnikov, potuje skozi prečne nosilce, vzdolž stebra stolpa in končno doseže temelj. Ti prečni nosilci prevzamejo različne sile, kot so tlak vetra, nabiranje ledu in elektromagnetni učinki, preden jih prenesejo na glavni nosilni okvir. Pri rešetkastih stolpih se prenos obremenitve izvaja prek vijakov ali zvarjenih spojev, ki morajo imeti vgrajeno rezervnost, da se prepreči učinek izbočenja. Cevasti in enoslojni stolpi delujejo drugače, saj se opirajo na trdne flenske spojne dele ter notranje okrepitve za dodatno podporo. Kar se tiče temeljev, bodisi da so neposredno vgrajeni v tla ali izdelani s pomočjo rešetkastih sistemov, morajo prenesti nenadne povečanja obremenitve okoli 2,5-krat več kot običajno med incidenti, kot je nenadejno pretrganje vodnikov, kar določajo industrijski standardi IEC 61936:2020. Metoda končnih elementov pomaga inženirjem pri vizualizaciji širjenja napetosti po vseh komponentah z namenom, da se odpravi možnost odpovedi v katerikoli posamezni točki sistema. Pomembni dejavniki, ki jih je treba preveriti med postopki overjanja, bi tipično vključevali...

Jekla z visoko duktilnostjo (npr. S460ML+) zagotavljajo plastično deformacijo namesto krhkega loma ob preobremenitvi. Korozivzdržne prevleke na spojnih točkah—preverjene za območja ob morju ali kemikalijah—ostanejo ohranjene v celotnem življenjskem ciklu, da se zagotovi neprekinjenost prenosa obremenitev.

Preverjanje mehanske trdnosti in skladnost za sisteme visokonapetostnih stolpov

Ko gre za strukturno preverjanje, inženirji upoštevajo dobro uveljavljene mednarodne standarde, kot sta IEC 60652 za mehanske preskuse sestavnih delov vodov nad zemljo in ASCE 10-15, ki se posebej ukvarja s konstrukcijo jeklenih stebrov za prenos električne energije. Med celostnim testiranjem se prototipi preizkusijo v simuliranih pogojih, vključno s sunki vetra do 150 kilometrov na uro, različnimi navpičnimi obremenitvami – tako statičnimi kot dinamičnimi – ter scenariji nenadnega pretrganja vodnikov. Ti preskusi posnemajo najbolj ekstremne mehanske napetosti, ki bi jih lahko kadarkoli doživeli v resničnih razmerah. Za spremljanje porazdelitve sil skozi konstrukcijo merijo tlakove točke kalibrirane celice za obremenitev, medtem ko teodoliti beležijo morebitna premikanja ali pomike od vzdolžnic vse do sidrnih točk v fundaciji. Po potrditvi ne dobimo le dokaza, da vse izpolnjuje predpise, temveč tudi rezultate, ki kažejo varnostne meje, ki presegajo operativne zahteve za 25 % do 40 %. Takšna temeljitost je bistvena, saj en sam okvarjen element v visokonapetostnih omrežjih nad 400 kilovolti v kritični točki povzroči težave, ki segajo čez več regij in pristojnosti.

Pogosta vprašanja

Zakaj je analiza končnih elementov pomembna za stolpe visokonapetostnih vodov?

Analiza končnih elementov je zelo pomembna, saj inženirjem pomaga razumeti, kako se različni napetostni dejavniki, kot so veter, led in elektromagnetne sile, medsebojno vplivajo, kar omogoča optimalno konstrukcijo in okrepitev stolpov.

Kakšne so glavne razlike med rešetkastimi stolpi in stolpi monopoli?

Rešetkasti stolpi ponujajo odličen razmerje med trdnostjo in težo, kar je idealno za projekte z visoko zmogljivostjo, medtem ko so monopoli lažji za namestitev in zahtevajo manj zemljišča, vendar povzročajo višje stroške nad 230 kV ter zagotavljajo dobro odpornost proti ledenemu obremenjevanju.

Kako vplivajo standardi skladnosti na konstrukcijo stolpov za prenos električne energije?

Standardi skladnosti določajo potrebne razdalje za prosto višino, povoze in nosilnost za varno delovanje, kar vpliva na izbiro materiala, dimenzije stolpov in splošno konstrukcijo, da se omogoči obravnavanje okoljskih in obratovalnih napetosti.