Dalekovod

Nadzemni dalekovod je struktura koja se koristi u prenosu i distribuciji električne energije za prenos električne energije na velike udaljenosti. Sastoji se od jednog ili više provodnika (obično više od tri) okačenih na stubove. Pošto okolni zrak obezbjeđuje dobro hlađenje, izolaciju duž dugih prolaza i omogućava optičku inspekciju, nadzemni dalekovodi su generalno najjeftiniji način prenosa velikih količina električne energije.

Više dalekovoda u Carmona, Cavite.

Konstrukcija

Radnik na dalekovodu u Nauru (2007)

Tornjevi za podupiranje vodova izrađuju se od drveta, čelika ili aluminija (bilo rešetkastih konstrukcija ili cijevnih stubova), betona i povremeno ojačane plastike. Provodnici golih žica na liniji su uglavnom napravljeni od aluminija (obični ili ojačani čelikom ili kompozitnim materijalima kao što su ugljična i staklena vlakna), iako se neke bakrene žice koriste u srednjenaponskoj distribuciji i niskonaponskim vezama do prostorija korisnika. Glavni cilj projektovanja nadzemnih dalekovoda jest održavanje odgovarajućeg razmaka između provodnika pod naponom i zemlje kako bi se spriječio opasan kontakt sa vodovima, te da se osigura pouzdana podrška provodnicima, otpornost na oluje, opterećenja od leda, zemljotresa i drugih potencijalnih uzroka oštećenja. Danas neki nadzemni vodovi rutinski rade na naponima koji prelaze 765.000 volti između provodnika, s čak i višim naponima mogućim u nekim slučajevima.

Klasifikacija prema radnom naponu

Visoki i srednjenaponski dalekovodi u Łomżi, Poljska

U elektroprivredi nadzemni dalekovodi se klasificiraju prema rasponu napona i to na:

• Nizak napon (NN) – manji od 1000 volti, koristi se za vezu između stambenog ili malog poslovnog korisnika i preduzeća.
• Srednji napon (SN; distribucija) – između 1000 volti (1 kV) i 69 kV, koristi se za distribuciju u urbanim i ruralnim područjima.
• Visoki napon (VN; prenos manji od 100 kV ili prenos na naponima kao što su 115 kV i 138 kV), koji se koristi za prenos velikih količina električne energije i priključenje za veoma velike potrošače.
• Ekstra visoki napon (EVN; prijenos) – od 345 kV, do oko 800 kV, koristi se za prijenos na velike udaljenosti, vrlo velike snage.
• Ultravisoki napon (UVN) – viši od 800 kV. Financial Times je izvijestio da su linije UVN "promijene igre", čineći globalnu električnu mrežu potencijalno izvodljivom. StateGrid je rekao da u poređenju sa konvencionalnim linijama, UVN omogućava prenos pet puta više snage, preko šest puta veće udaljenosti.

Konstrukcije

Nadzemni vodovi povezani na stub u Gloucestershireu, Engleska.

Dva stuba u Dnjepru, Ukrajina

Konstrukcije za nadzemne vodove imaju različite oblike ovisno o vrsti vodova. Konstrukcije mogu biti jednostavne poput drvenih stubova direktno postavljenih u zemlju, noseći jednu ili više poprečnih nosača za podupiranje provodnika, ili "bez ruku" konstrukcija s provodnicima oslonjenim na izolatore pričvršćene sa strane stuba. Cijevni čelični stubovi se obično koriste u urbanim sredinama. Visokonaponski vodovi se često nose na čeličnim tornjevima ili pilonima tipa rešetke. Za udaljena područja, aluminijski tornjevi se mogu postaviti helikopterima. Korišteni su i betonski stubovi. Dostupni su i stubovi od ojačane plastike, ali njihova cijena ograničava primjenu.

Svaka konstrukcija mora biti projektovana za opterećenja koja joj nameću provodnici. Mora se izdržati težina provodnika, kao i dinamička opterećenja uslijed vjetra i akumulacije leda, te efekti vibracija. Tamo gdje su provodnici u pravoj liniji, stubovi trebaju izdržati samo težinu jer se napetost u provodnicima približno balansira bez rezultujuće sile na strukturu. Fleksibilni provodnici oslonjeni na svojim krajevima približni su obliku kontaktne mreže, a veliki dio analize za izgradnju dalekovoda oslanja se na svojstva ovog oblika.

Veliki projekt dalekovoda može imati nekoliko tipova stubova, sa "tangentnim" ("ovjesnim" ili "linijskim" tornjevima) tornjevima namijenjenim za većinu položaja i teže izgrađenim tornjevima koji se koriste za okretanje vodova pod uglom, završetak linije, ili za važne prelaze rijeka ili puta. U zavisnosti od kriterija projektovanja za određenu liniju, strukture polufleksibilnog tipa mogu se oslanjati na težinu provodnika koji će biti uravnotežen na obje strane svakog tornja. Čvrstije strukture mogu biti namijenjene da ostanu stajati čak i ako je jedan ili više provodnika prekinut. Takve strukture se mogu instalirati u intervalima u dalekovodima kako bi se ograničile razmjere kaskadnih kvarova tornjeva.

Temelji za tornjevske strukture mogu biti veliki i skupi, posebno ako su uvjeti tla loši, kao na primjer u močvarama. Svaka konstrukcija može se značajno stabilizirati upotrebom žica za zatezanje da se suprotstave nekim silama koje primjenjuju provodnici.

Izolatori

Srednjonaponski dalekovodi sa keramičkim izolatorima u Kaliforniji

Za visokonaponske vodove koriste se modularni viseći izolatori.

Izolatori moraju podržati provodnike i izdržati normalan radni napon i udare napona uslijed uključivanja i udara groma. Izolatori su široko klasifikovani ili na pin-tip, koji podupire provodnik iznad strukture, ili na tip suspenzije, gdje provodnik visi ispod strukture. Pronalazak izolatora naprezanja bio je ključni faktor u omogućavanju korištenja viših napona.

Krajem 19. stoljeća, ograničena električna snaga telegrafskih iglica izolatora ograničavala je napon na ne više od 69.000 volti. Do oko 33 kV (69 kV u Sjevernoj Americi) oba tipa se obično koriste. Pri višim naponima samo su izolatori ovjesnog tipa uobičajeni za nadzemne provodnike.

Izolatori se obično izrađuju od porculana mokrim postupkom ili od kaljenog stakla, uz sve veću upotrebu polimernih izolatora ojačanih staklom. Međutim, sa porastom nivoa napona, polimerni izolatori (na bazi silikonske gume) se sve više koriste. Kina je već razvila polimerne izolatore koji imaju najveći sistemski napon od 1100 kV, a Indija trenutno razvija 1200 kV (najviši sistemski napon) liniju koja će u početku biti napunjena sa 400 kV da bi se nadogradila na 1200 kV liniju.

Ovjesni izolatori su napravljeni od više jedinica, pri čemu se broj izolacijskih diskova jedinica povećava pri višim naponima. Broj diskova se bira na osnovu mrežnog napona, zahtjeva otpornosti na munje, nadmorske visine i faktora okoline kao što su magla, zagađenje ili slani sprej. U slučajevima kada su ovi uslovi neoptimalni, moraju se koristiti duži izolatori. U ovim slučajevima su potrebni duži izolatori sa dužim puznim stazom za struju curenja. Izolatori naprezanja moraju biti mehanički dovoljno jaki da izdrže punu težinu raspona provodnika, kao i opterećenja uslijed nakupljanja leda i vjetra.

Porculanski izolatori mogu imati poluprovodljivu glazuru, tako da mala struja (nekoliko miliampera) prolazi kroz izolator. Ovo blago zagrijava površinu i smanjuje efekat nakupljanja magle i prljavštine. Poluprovodnička glazura također osigurava ravnomjerniju raspodjelu napona duž dužine lanca izolatorskih jedinica.

Polimerni izolatori po prirodi imaju hidrofobne karakteristike koje omogućavaju poboljšane performanse na mokrom. Također, studije su pokazale da je specifična puzna staza potrebna za polimerne izolatore mnogo niža od one koja je potrebna za porculan ili staklo. Dodatno, masa polimernih izolatora (posebno na višim naponima) je otprilike 50% do 30% manja od mase uporednog porculanskog ili staklenog niza. Veće zagađenje i mokri učinak dovode do povećane upotrebe takvih izolatora.

Izolatori za vrlo visoke napone, koji prelaze 200 kV, mogu imati postavljene klasne prstenove na svojim terminalima. Ovo poboljšava distribuciju električnog polja oko izolatora i čini ga otpornijim na preskakanje tokom napona.

Provodnici

Uzorak poprečnog presjeka ACSR dalekovoda

Najčešći provodnik koji se danas koristi za prijenos je aluminijski provodnik čelično ojačan (ACSR). Također se mnogo koristi i provodnik od potpuno aluminijumske legure (AAAC). Aluminij se koristi jer ima otprilike polovinu težine uporedivog otpornog bakrenog kabla (iako je veći prečnik zbog niže specifične provodljivosti), te je i jeftiniji. Bakar je bio popularniji u prošlosti i još uvijek se koristi, posebno pri nižim naponima i za uzemljenje.

Dok veći provodnici gube manje energije zbog nižeg električnog otpora, oni su skuplji od manjih vodiča. Pravilo optimizacije nazvano Kelvinov zakon kaže da se optimalna veličina provodnika za liniju nalazi kada je trošak potrošene energije u vodiču jednak godišnjoj kamati plaćenoj na taj dio troškova izgradnje linije dospjelih prema veličini provodnika. Problem optimizacije je složeniji dodatnim faktorima kao što su različito godišnje opterećenje, različiti troškovi instalacije i diskretne veličine kabla koje se obično prave.

Budući da je provodnik fleksibilan objekt s ujednačenom težinom po jedinici dužine, oblik provodnika nanizanog između dva stuba približan je obliku kontaktne mreže. Progib provodnika (vertikalna udaljenost između najviše i najniže tačke krivulje) varira u zavisnosti od temperature i dodatnog opterećenja kao što je ledeni pokrivač. Zbog sigurnosti se mora održavati minimalni razmak iznad glave. Budući da se temperatura, a samim tim i dužina vodiča povećavaju sa povećanjem struje kroz njega, ponekad je moguće povećati kapacitet upravljanja snagom promjenom vodiča za tip s nižim koeficijentom toplinskog širenja ili višom dozvoljenom radnom temperaturom.

Conventional ACSR (left) and modern carbon core (right) conductors

Dva takva vodiča koji nude smanjeni termički progib poznata su kao provodnici sa kompozitnim jezgrom (ACCR i ACCC provodnik). Umjesto čeličnih žica koje se često koriste za povećanje ukupne čvrstoće provodnika, ACCC provodnik koristi jezgro od ugljika i staklenih vlakana koje nudi koeficijent toplinske ekspanzije oko 1/10 od čelika. Iako je kompozitno jezgro neprovodljivo, ono je znatno lakše i jače od čelika, što omogućava ugradnju 28% više aluminija (koristeći kompaktne žice trapezoidnog oblika) bez ikakvog smanjenja promjera ili težine. Dodatni sadržaj aluminija pomaže u smanjenju gubitaka u liniji za 25 do 40% u poređenju sa drugim provodnicima istog prečnika i težine, u zavisnosti od električne struje. Smanjeni termički progib provodnika karbonske jezgre omogućava mu da nosi do dvostruko veću struju („ampacitet“) u odnosu na potpuno aluminijski provodnik (AAC) ili ACSR.

Električne vodove i njihovu okolinu moraju održavati linijski radnici, ponekad uz pomoć helikoptera sa peračima pod pritiskom ili kružnim testerama koje mogu raditi tri puta brže. Međutim, ovaj posao se često izvodi u opasnim područjima dijagrama helikopterske visine-brzina, i pilot mora biti kvalifikovan za ovu metodu "vanjskog ljudskog tereta".

Niski napon

Zračni snopovski kabel u Old Coulsdonu, Surrey

Niskonaponski nadzemni vodovi mogu koristiti gole provodnike koji se nalaze na staklenim ili keramičkim izolatorima ili sistem kablova sa zračnim snopovima. Broj provodnika može biti između dva (najvjerovatnije fazni i neutralni) do čak šest (trofazni provodnici, odvojena nula i uzemljenje plus ulično osvjetljenje napaja se zajedničkim prekidačem); uobičajeno je četiri (trofazni i neutralni, pri čemu neutralni može poslužiti i kao zaštitni uzemljivač).

Napajanje vozila

Nadzemni vodovi ili nadzemne žice se koriste za prijenos električne energije do tramvaja, trolejbusa ili vozova. Nadzemni vod je projektovan na principu jedne ili više nadzemnih žica koje se nalaze iznad šina. Napojne stanice u pravilnim intervalima duž nadzemnog voda napajaju se iz visokonaponske mreže.

Dodatna primjena

Nadzemni vodovi se povremeno koriste i za napajanje predajnih antena, posebno za efikasan prenos dugih, srednjih i kratkih talasa. U tu svrhu često se koristi raspoređena linija niza. Duž raspoređenog niza provodnički kablovi za napajanje mreže uzemljenja odašiljačke antene su pričvršćeni sa spoljašnje strane prstena, dok je provodnik unutar prstena pričvršćen za izolatore koji vode do visokonaponskog stojećeg fidera antene.

Korišćenje prostora ispod nadzemnih vodova

Upotreba područja ispod nadzemnog voda je ograničena jer predmeti ne smiju doći previše blizu provodnika pod naponom. Nadzemni vodovi i konstrukcije mogu odbaciti led, stvarajući opasnost. Radio prijem može biti poremećen ispod dalekovoda, kako zbog zaklanjanja prijemne antene nadzemnim provodnicima, tako i zbog djelimičnog pražnjenja na izolatorima i oštrim tačkama provodnika što stvara radio šum.

U području oko nadzemnih vodova opasno je rizikovati smetnje; npr. puštanje zmajeva ili balona, ​​korištenjem merdevina ili mašina za upravljanje.

Nadzemni dalekovodi u blizini aerodroma često su označeni na kartama, a sami vodovi označeni upadljivim plastičnim reflektorima, kako bi se piloti upozorili na prisustvo provodnika.

Izgradnja nadzemnih dalekovoda, posebno u divljim područjima, može imati značajne ekološke efekte. Studije životne sredine za ovakve projekte mogu uzeti u obzir efekat krčenja žbunja, promenjene migracione rute za životinje selice, mogući pristup grabežljivaca i ljudi duž koridora prenosa, poremećaje staništa riba na prelazima potoka i druge efekte.

Avionske nesreće

Oznaka prepreke u avijaciji na visokonaponskom nadzemnom dalekovodu podsjeća pilote na prisustvo nadzemnog voda. Neki markeri su osvijetljeni noću ili imaju stroboskope.

Opšta avijacija, paraglajding, padobranstvo, letenje balonom i puštanje zmajeva moraju izbjegavati slučajni kontakt sa dalekovodima. Gotovo svaki proizvod za zmajeve upozorava korisnike da se drže dalje od električnih vodova. Smrtni slučajevi nastaju kada se avion zaleti u dalekovod. Neki dalekovodi su označeni oznakama za prepreke, posebno u blizini zračnih traka ili iznad plovnih puteva koji mogu podržavati operacije plovnih aviona. Postavljanje dalekovoda ponekad koristi lokacije koje bi inače koristili paraglajderi.

Dodatna literatura

• William D. Stevenson, Jr. Elements of Power System Analysis Third Edition, McGraw-Hill, New York (1975) ISBN 0-07-061285-4