Як проектувати опори, сумісні з лініями електропередач високої напруги?

Обмеження проектування, пов’язані з напругою, для опор ліній передачі

Вітрове, ізове та електромагнітне навантаження при 230 кВ і вище

При роботі з напругами 230 кВ і вище, опори ліній електропередач піддаються складним навантаженням від зовнішніх чинників, які зростають не просто пропорційно до рівня напруги. Під час поганих погодних умов вітровий тиск може сягати понад 50 фунтів на квадратний фут, що вимагає серйозного підсилення бічних опор. Це особливо актуально для фермових опор, де найбільше навантаження концентрується в місцях з'єднання ніг опори та кріплення проводів. Ще одним великим викликом є накопичення льоду. Коли шар льоду на проводах досягає приблизно двох дюймів завтовшки, він потроює їхню вагу, створюючи несиметричне натягнення по всій системі та викликаючи крутильні зусилля, які інженери намагаються уникнути. У той самий час, коли струми короткого замикання проходять через лінії зі швидкістю понад 40 кА, вони створюють потужні електромагнітні сили, які спричиняють різкі рухи проводів, іноді викликаючи небезпечні резонансні коливання самої опори. Оскільки ці різні фактори навантаження повністю перекриваються, інженери значною мірою покладаються на метод скінченних елементів, щоб зрозуміти, як усе взаємодіє. Наприклад, у системах 400 кВ фермові опори, як правило, потребують підсилення каркаса на 20–30 відсотків порівняно з опорами-щоглами, що працюють в аналогічних умовах.

Відповідність відстаней розриву та повзучості (IEC 61936 / IEEE 1243)

Потреба у електричній ізоляції значно зростає з підвищенням напруги. Згідно зі стандартами, такими як IEC 61936 та IEEE 1243, необхідний проміжок між фазами та землею також суттєво збільшується. У системах 230 кВ потрібно щонайменше 2,3 метра простору, але це значення зростає до 3,6 метра при роботі на рівні 345 кВ. Ці показники безпосередньо впливають на те, якої висоти мають бути лінії електропередач і на якій відстані одна від одної повинні розташовуватися їхні траверси. Іншою проблемою є ізоляторні стрічки, оскільки їхні шляхи струму також потрібно збільшувати. Зокрема, для полімерних ізоляторів у забруднених районах потрібно близько 25 мм на кіловольт, щоб запобігти неприємним явищам поверхневого перекриття. Коли простір обмежений, інженери часто вдаються до V-подібних конфігурацій ізоляторів. Проте існує ще одна постійна проблема, яка постійно повертається — забруднення. Наприклад, сльоза солі або нагромадження промислових відкладень може скоротити напругу перекриття майже вдвічі. Саме тому в регіонах, де ці забруднювачі схильні накопичуватися з часом, обов'язковим стає регулярне очищення.

Вибір типу вежі: узгодження конструктивної форми з функцією та навколишнім середовищем

Функціональні ролі: опори підвішування, натяжні, транспозиційні та перехідні опори

Принцип роботи опор ліній електропередач визначає їхню фізичну форму та конструкцію. Опори підвішування тримають електричні дроти прямо вгору за допомогою довгих ланцюгів ізоляторів, які ми часто бачимо підвішеними на них, через що такі опори поширені на прямих ділянках ліній електропередач. Коли траса має змінити напрямок або перетнути річку, застосовуються анкерні опори. Вони спеціально спроектовані для того, щоб витримувати величезні навантаження, коли одна сторона лінії тягне сильніше, ніж інша. Існують також транспозиційні опори, які змінюють положення трьох фаз у лінії, забезпечуючи баланс протягом сотень кілометрів. А ще є перехідні опори, призначені просто піднімати дроти достатньо високо, щоб забезпечити провішування над дорогами, залізницями чи горами. Встановлення неправильного типу опори у неправильному місці може бути небезпечним. Уявіть, що звичайна опора підвішування встановлена на гострому повороті замість анкерної. Під час штормів або сильних вітрів така невідповідність може призвести до поширення пошкоджень по всій системі електромережі.

Компроміси між матеріалом і формою: решітчасті конструкції проти трубчастих опор проти монопольових для ліній 400 кВ+

Вибір поєднує продуктивність, логістику та екологічний вплив:

• Решітчасті вежі , виготовлені з оцинкованої сталевої кутової сталі, забезпечують вищі показники міцності до ваги та модульну масштабованість — що робить їх стандартним рішенням для проектів 400 кВ+, які потребують максимальної несучої здатності та стійкості до сейсмічних навантажень. Їхні трикутні геометричні елементи ефективно розсіюють динамічну енергію, особливо в сейсмічно активних зонах.
• Трубчасті сталеві опори забезпечують менший візуальний вплив і компактніші габарити, а також мають герметичні секції, що обмежують вплив корозії. Проте обмеження у транспортуванні обмежують практичну висоту при застосуванні у надвисоковольтних мережах.
• Монопольові опори , хоча й швидше монтуються та займають менше площі, призводять до значного зростання вартості матеріалів понад 230 кВ. Їхня конструкція з суцільними стінками забезпечує чудову стійкість до несиметричного навантаження від льоду — особливо вигідна в гірській місцевості.

Основні конструктивні елементи та цілісність силового ланцюга в опорах повітряних ліній передачі

Від поперечного важеля до фундаменту: забезпечення безперервної передачі зусиль у разі несправності

Міцність цих систем залежить від безперервної передачі навантаження, яке починається з кріплень проводів, проходить через поручні, далі по корпусу башти й нарешті доходить до фундаменту. Ці поручні сприймають різні навантаження, такі як вітровий тиск, обледеніння та електромагнітні впливи, після чого передають їх основному несучому каркасу. У разі ґратчастих башт шлях передачі навантаження проходить через болтові або зварні з'єднання, які мають мати вбудовану надмірність, щоб запобігти втраті стійкості. Циліндричні та монопольні конструкції працюють інакше, спираючись на міцні фланцеві з'єднання між елементами та внутрішні ребра жорсткості для підтримки. Що стосується фундаментів, незалежно від того, чи вони заглиблені безпосередньо в ґрунт, чи побудовані за допомогою решітчастих систем, вони повинні витримувати раптове зростання навантаження приблизно в 2,5 рази вище за нормальні значення під час аварійних ситуацій, наприклад, коли раптово обриваються проводи, згідно з галузевими стандартами IEC 61936:2020. Метод скінченних елементів допомагає інженерам простежити, як розподіляються напруження по всіх компонентах, з метою усунення будь-якої можливості виходу з ладу в окремо взятій точці системи. Важливими факторами, які слід перевіряти під час процесів верифікації, зазвичай є...

Сталі з високою пластичністю (наприклад, S460ML+) забезпечують пластичну деформацію замість крихкої тріщини при перевантаженні. Корозійностійкі покриття в місцях з'єднань — перевірені для прибережних або хімічно агресивних ділянок — зберігаються протягом усього терміну експлуатації для збереження неперервності передачі навантаження.

Перевірка механічної міцності та відповідності для систем високовольтних опор

Коли мова йде про структурну перевірку, інженери дотримуються добре встановлених міжнародних стандартів, таких як IEC 60652 для механічного випробування компонентів повітряних ліній електропередачі та ASCE 10-15, який спеціалізується на проектуванні сталевих опор ліній передачі. Під час випробувань у повному масштабі прототипи піддаються тестуванню за моделювання різних умов, зокрема швидкості вітру до 150 кілометрів на годину, різних вертикальних навантажень — як постійних (власна вага), так і активних, а також сценаріїв несподіваного обриву проводів. Ці випробування імітують найбільш екстремальні механічні напруження, які можуть виникнути в реальних умовах. Для контролю розподілу зусиль у конструкції використовуються калібровані тензометричні датчики, що вимірюють точковий тиск, а теодоліти фіксують будь-які рухи чи зміщення — від поперечних балок аж до анкерів фундаменту. Результати після сертифікації демонструють не лише відповідність нормативним вимогам, а й показують запас міцності, який перевищує експлуатаційні вимоги на 25–40%. Така ретельність має велике значення, адже у разі аварії у мережах високої напруги понад 400 кіловольт одна несправність у критичній точці може спричинити проблеми, які охоплять кілька регіонів та юрисдикцій.

Часто задані питання

Чому аналіз методом скінченних елементів важливий для високовольтних ліній електропередач?

Аналіз методом скінченних елементів є критичним, оскільки допомагає інженерам зрозуміти, як різні фактори навантаження, такі як вітер, лід і електромагнітні сили, взаємодіють між собою, що дозволяє оптимізувати конструкцію та підсилення щогл.

Яка основна відмінність між фермовими щоглами та одностовповими конструкціями?

Фермові щогли мають краще співвідношення міцності до ваги, що ідеально підходить для проектів з високою потужністю, тоді як одностовпові конструкції, простіші у встановленні та менш трудомісткі щодо землі, мають вищу вартість понад 230 кВ і забезпечують добру стійкість до навантажень від льоду.

Як стандарти відповідності впливають на проектування щогл ліній електропередач?

Стандарти відповідності визначають необхідні відстані для ізоляції, повздовжні витікання та вантажопідйомність для безпечного функціонування, що впливає на вибір матеріалів, габарити щогл та загальну конструкцію для витримування експлуатаційних та природних навантажень.