Làm thế nào để thiết kế các tháp phù hợp với đường dây truyền tải điện áp cao?

Các Ràng buộc Thiết kế theo Điện áp cho Các Tháp Truyền tải

Tải trọng gió, băng tuyết và điện từ ở mức 230 kV trở lên

Khi làm việc với điện áp từ 230 kV trở lên, các tháp truyền tải phải đối mặt với những ứng suất môi trường phức tạp không chỉ tăng tỷ lệ thuận theo mức điện áp. Trong điều kiện thời tiết xấu, áp lực gió có thể đạt trên 50 pound mỗi foot vuông, nghĩa là các giá đỡ bên cần được gia cố nghiêm trọng. Điều này đặc biệt đúng với các tháp kiểu giàn, nơi mà ứng suất lớn nhất tập trung tại các điểm nối chân tháp và nơi dây dẫn được gắn vào. Việc tích tụ băng cũng tạo ra một thách thức lớn khác. Khi lớp băng dày khoảng hai inch bám trên dây dẫn, trọng lượng dây dẫn sẽ tăng gấp ba lần, tạo ra lực căng không đều trong hệ thống và gây ra các lực xoắn mà các kỹ sư rất lo ngại. Đồng thời, khi dòng sự cố đi qua đường dây với cường độ trên 40 kA, chúng tạo ra các lực điện từ mạnh khiến dây dẫn rung lắc dữ dội, đôi khi gây ra hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm ngay trong bản thân tháp. Vì các yếu tố ứng suất khác nhau này chồng chéo lên nhau một cách hoàn toàn, các kỹ sư phải dựa rất nhiều vào phân tích phần tử hữu hạn để hiểu rõ cách mọi thứ tương tác với nhau. Ví dụ, trong các hệ thống 400 kV, các tháp giàn nói chung cần có cấu trúc giằng chống chắc chắn hơn từ 20 đến 30 phần trăm so với các thiết kế cột đơn phải chịu điều kiện tương tự.

Tuân thủ khoảng cách cách điện và khoảng cách rò rỉ (IEC 61936 / IEEE 1243)

Yêu cầu về cách điện trở nên khắt khe hơn nhiều khi điện áp tăng lên. Theo các tiêu chuẩn như IEC 61936 và IEEE 1243, khoảng cách cách điện yêu cầu giữa các pha và đất cũng tăng đáng kể. Ở hệ thống 230 kV cần ít nhất 2,3 mét khoảng trống, nhưng con số này tăng lên tới 3,6 mét khi vận hành ở mức 345 kV. Những con số này ảnh hưởng trực tiếp đến chiều cao cần xây dựng của các tháp truyền tải và khoảng cách giữa các cánh tay ngang phải đặt xa nhau bao nhiêu. Dây cách điện cũng đặt ra một thách thức khác vì khoảng cách rò điện (creepage) của chúng cũng cần được tăng tỷ lệ tương ứng. Cụ thể đối với cách điện polymer, chúng ta cần khoảng 25 mm mỗi kilovolt ở những khu vực có vấn đề về ô nhiễm để ngăn ngừa hiện tượng theo dõi bề mặt gây phiền toái. Khi không gian bị hạn chế, kỹ sư thường sử dụng cấu hình dây chữ V cho các chuỗi cách điện. Tuy nhiên, vẫn tồn tại một vấn đề dai dẳng luôn quay trở lại: sự nhiễm bẩn. Sương muối hoặc lớp cặn từ hoạt động công nghiệp có thể làm giảm điện áp phóng điện bề mặt gần một nửa trong một số trường hợp. Đó là lý do vì sao lịch trình vệ sinh định kỳ trở nên absolutely necessary ở những khu vực mà các chất gây nhiễm bẩn này có xu hướng tích tụ theo thời gian.

Lựa chọn loại tháp: Phù hợp hình thức cấu trúc với chức năng và môi trường

Các vai trò chức năng: tháp treo, tháp chịu kéo, tháp chuyển tiếp và tháp vượt

Cách thức hoạt động của các tháp truyền tải điện quyết định hình dạng và cấu tạo vật lý của chúng. Các tháp treo giữ dây điện thẳng đứng bằng những dãy sứ cách điện dài mà ta thường thấy treo lủng lẳng bên dưới, khiến chúng trở thành hình ảnh phổ biến dọc theo các đoạn đường dây điện thẳng. Khi tuyến đường cần đổi hướng hoặc vượt qua sông ngòi, các tháp néo sẽ được sử dụng. Những tháp này được xây dựng đặc biệt để chịu được lực kéo lớn khi một phía của đường dây kéo mạnh hơn phía kia. Ngoài ra còn có các tháp hoán vị, thực hiện việc đảo vị trí ba pha trên đường dây nhằm duy trì sự cân bằng trên hàng trăm dặm. Và cuối cùng là các tháp vượt, đơn giản chỉ nâng dây điện đủ cao để vượt qua đường bộ, đường sắt hay núi đồi. Việc sử dụng sai loại tháp ở vị trí không phù hợp có thể dẫn đến nguy hiểm. Hãy tưởng tượng nếu đặt một tháp treo thông thường tại khúc cua gấp nơi đáng lẽ phải dùng tháp néo. Trong điều kiện bão hoặc gió mạnh, sự không tương thích này có thể gây ra sự cố lan rộng nhanh chóng khắp toàn bộ hệ thống lưới điện.

Sự đánh đổi giữa vật liệu và hình thức: giàn tháp so với cột ống so với cột đơn cho các tuyến trên 400 kV

Việc lựa chọn cần cân bằng giữa hiệu suất, logistics và môi trường:

• Tháp Lattice , được xây dựng từ các thanh thép mạ kẽm dạng góc, mang lại tỷ lệ độ bền trên trọng lượng vượt trội và khả năng mở rộng mô-đun — làm cho chúng trở thành lựa chọn mặc định cho các dự án trên 400 kV yêu cầu khả năng chịu tải tối đa và độ bền vững động đất. Hình học tam giác của chúng hiệu quả trong việc phân tán năng lượng động, đặc biệt ở các khu vực dễ xảy ra động đất.
• Các cột thép ống giảm tác động thị giác và chiếm diện tích nhỏ hơn, với các đoạn kín hạn chế tiếp xúc ăn mòn. Tuy nhiên, giới hạn vận chuyển làm giới hạn chiều cao thực tế đối với các ứng dụng điện áp cực cao.
• Tháp đơn , mặc dù nhanh lắp đặt hơn và tốn ít đất hơn, nhưng chi phí vật liệu tăng mạnh khi vượt quá 230 kV. Cấu trúc thành đặc của chúng có khả năng chống tải băng không đối xứng rất tốt — đặc biệt có lợi ở vùng núi alpine.

Các thành phần cấu trúc chính và tính toàn vẹn đường truyền lực trong các tháp truyền tải

Từ thanh ngang đến móng: Đảm bảo truyền lực liên tục trong điều kiện sự cố

Độ bền cấu trúc của các hệ thống này phụ thuộc vào việc truyền tải liên tục từ các điểm nối dây dẫn, đi qua các cánh đòn ngang, dọc theo thân tháp và cuối cùng đến móng. Những cánh đòn ngang này chịu các lực khác nhau như áp lực gió, tích tụ băng tuyết và các hiệu ứng điện từ trước khi truyền chúng sang khung kết cấu chính. Đối với các tháp giàn cụ thể, đường truyền tải lực diễn ra thông qua các khớp nối bulông hoặc hàn cần được thiết kế dự phòng để ngăn ngừa hiện tượng mất ổn định. Các thiết kế dạng ống và cột đơn hoạt động theo cách khác, chủ yếu dựa vào các mối nối bích chắc chắn giữa các bộ phận cùng với các gân gia cường bên trong để tăng độ vững. Khi nói đến phần móng, dù là loại chôn trực tiếp xuống đất hay được xây dựng bằng hệ thống giàn giáo, chúng đều phải chịu được sự gia tăng tải trọng đột ngột khoảng 2,5 lần mức bình thường trong các sự cố như khi dây dẫn bị đứt bất ngờ, theo tiêu chuẩn ngành IEC 61936:2020. Phân tích phần tử hữu hạn giúp kỹ sư hình dung cách mà ứng suất lan truyền khắp các thành phần, nhằm loại bỏ mọi khả năng xảy ra hư hỏng tại một điểm duy nhất trong hệ thống. Các yếu tố quan trọng cần kiểm tra trong quá trình xác minh thường bao gồm...

Thép dẻo cao (ví dụ: S460ML+) đảm bảo biến dạng dẻo thay vì gãy giòn khi quá tải. Lớp phủ chống ăn mòn tại các điểm nối—được kiểm định đối với các vị trí ven biển hoặc có môi trường hóa học khắc nghiệt—được duy trì trong suốt thời gian sử dụng để đảm bảo tính liên tục của đường truyền lực.

Xác Minh Độ Bền Cơ Học Và Tuân Thủ Đối Với Hệ Thống Cột Điện Áp Cao

Khi nói đến kiểm định kết cấu, các kỹ sư tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn quốc tế đã được thiết lập tốt như IEC 60652 về thử nghiệm cơ học các thành phần đường dây trên không và ASCE 10-15, tiêu chuẩn này đề cập cụ thể đến thiết kế tháp truyền tải thép. Trong quá trình thử nghiệm ở quy mô đầy đủ, các nguyên mẫu được kiểm tra dưới các điều kiện mô phỏng bao gồm tốc độ gió lên tới 150 kilômét mỗi giờ, các tải trọng thẳng đứng khác nhau gồm cả tải trọng tĩnh và tải trọng hoạt động, cùng với các tình huống dây bị đứt bất ngờ. Những bài thử nghiệm này mô phỏng lại các ứng suất cơ học khắc nghiệt nhất có thể xảy ra trong thực tế. Để kiểm tra cách lực truyền qua kết cấu, các cảm biến tải đã hiệu chuẩn sẽ đo các điểm áp lực, trong khi máy kinh vĩ theo dõi mọi chuyển động hay dịch chuyển từ các cánh ngang xuống tận các neo móng. Những gì chúng tôi thu được sau chứng nhận không chỉ là bằng chứng chứng minh mọi thứ đều đáp ứng quy định, mà còn cho thấy biên độ an toàn vượt quá yêu cầu vận hành từ 25% đến 40%. Mức độ cẩn trọng như vậy thực sự quan trọng, bởi vì khi có sự cố xảy ra trong các mạng điện cao áp trên 400 kilôvôn, một điểm hỏng hóc tại vị trí then chốt có thể gây ra vấn đề lan rộng qua nhiều khu vực và địa phương khác nhau.

Các câu hỏi thường gặp

Tại sao phân tích phần tử hữu hạn lại quan trọng đối với các tháp truyền tải điện áp cao?

Phân tích phần tử hữu hạn rất quan trọng vì nó giúp các kỹ sư hiểu được cách các yếu tố ứng suất khác nhau như gió, băng và lực điện từ tương tác với nhau, cho phép tối ưu hóa thiết kế và gia cố tháp.

Sự khác biệt chính giữa tháp giàn và thiết kế cột đơn là gì?

Tháp giàn mang lại tỷ lệ độ bền trên trọng lượng vượt trội, lý tưởng cho các dự án công suất lớn, trong khi cột đơn dễ lắp đặt hơn và tốn ít diện tích đất hơn, nhưng chi phí cao hơn khi vượt quá 230 kV, đồng thời có khả năng chống chịu tốt trước tải băng.

Các tiêu chuẩn tuân thủ ảnh hưởng đến thiết kế tháp truyền tải như thế nào?

Các tiêu chuẩn tuân thủ quy định khoảng cách an toàn, khoảng cách rò rỉ và khả năng chịu tải cần thiết để vận hành an toàn, từ đó ảnh hưởng đến lựa chọn vật liệu, kích thước tháp và toàn bộ thiết kế nhằm xử lý các ứng suất môi trường và vận hành.