تجزیه و تحلیل بصری برای تعیین ولتاژ خط انتقال

دسته بندی ها

برچسب ها

رمزگشایی قدرت: تحلیل بصری و کسر فنی برای تعیین ولتاژ خط انتقال

برج‌های مشبک فولادی عظیمی که با گام‌های بلند در سراسر منظره حرکت می‌کنند, حامل رگ حیاتی شبکه برق مدرن است, صرفاً اشکال ساختاری دلخواه نیستند; آنها راه حل های متبلور برای مسائل بسیار محدود هستند که توسط قوانین اساسی فیزیک الکتریکی دیکته شده اند., هماهنگی عایق, و مکانیک سازه. مشخصات هندسی یک سربار انتقال برج- ارتفاع آن, گسترش بازوهای متقاطع آن, طول رشته های عایق آن, و پیکربندی هادی های آن - یک پرونده فنی باز است که, وقتی به درستی تفسیر شود, ولتاژ عملیاتی دقیق خطی که پشتیبانی می کند را نشان می دهد. تعیین سطح ولتاژ صرفاً بر اساس ظاهر خارجی یک تمرین عمیق در مهندسی قیاسی کاربردی است., نیاز به مشاهده گر برای ترجمه مقیاس بصری و چگالی اجزا به پارامترهای الکتریکی زیربنایی سیستم. این فرآیند تحلیلی با این واقعیت هدایت می شود که دو عامل غالب - لازم است ترخیص الکتریکی و ضرورت برای هماهنگی عایق- مقیاس غیر خطی با ولتاژ سیستم, ایجاد تغییرات نسبتا چشمگیر و بسیار قابل مشاهده در معماری فیزیکی برج.

1. اصل ترخیص برق: عایق و فاصله نشتی

فوری ترین و از نظر کمی قابل اعتمادترین نشانگر بصری ولتاژ عملیاتی یک خط، طول مجموعه عایق. عملکرد اصلی عایق, چه از دیسک های چینی سرامیکی تشکیل شده باشد, زنگ های شیشه ای سفت شده, یا میله های پلیمری مرکب مدرن, جداسازی فیزیکی و دی الکتریکی هادی های پرانرژی از پتانسیل زمین سازه برج فولادی است.. طول مورد نیاز این جداسازی با حداکثر تنش ولتاژ پیش بینی شده در سطح محیط عایق متناسب است. (هوا و بدنه عایق) تحت عملکرد عادی, موج رعد و برق, و شرایط افزایش سوئیچینگ.

حساب بصری هماهنگی عایق

طول مورد نیاز رشته مقره با توجه به ضرورت مقاومت در برابر آن تعیین می شود سطح پایه عایق ضربه ای (بود) و تغییر سطح ضربه (SIL). BIL مربوط به مدت زمان کوتاه است, نوسانات ولتاژ با شدت بالا ناشی از برخورد صاعقه, در حالی که SIL مربوط به نوسانات طولانی مدت ناشی از عملیات سوئیچینگ در پست است.. برای هر کلاس ولتاژ معین, استانداردهای مهندسی (مانند مواردی که توسط IEC ایجاد شده است, ANSI, یا نهادهای نظارتی ملی) حداقل تعداد دیسک های عایق استاندارد یا حداقل طول معادل پلیمری را که برای جلوگیری از فلاش اور لازم است - قوس الکتریکی ناخواسته در سراسر سطح عایق یا از طریق هوای اطراف به ساختار برج زمین شده مشخص کنید..

برای مثال, یک ناظر می تواند یک طبقه بندی ولتاژ ناهموار را با شمارش دیسک های چینی یا شیشه ای قابل مشاهده روی رشته عایق استنباط کند.. در حالی که استانداردهای منطقه ای متفاوت است, یک قانون کلی بصری وجود دارد:

ولتاژ کم (LV) و ولتاژ متوسط (MV) خطوط توزیع (به عنوان مثال،, $10 \text{ kV}$ به $35 \text{ kV}$ ): اغلب تنها به دو تا پنج دیسک استاندارد نیاز دارند, یا یک میله پلیمری بسیار کوتاه, معمولاً روی تیرهای توزیع یا بازوهای متقابل ساده نصب می شود.
ولتاژ بالا (HV) خطوط انتقال (به عنوان مثال،, $110 \text{ kV}$ به $161 \text{ kV}$ ): معمولاً به یک رشته شش تا ده دیسک نیاز دارید. طول رشته به طور قابل توجهی قابل توجه می شود, به طور مشهودی زیر وزن هادی افتاده است.
ولتاژ فوق العاده بالا (EHV) خطوط (به عنوان مثال،, $345 \text{ kV}$ به $500 \text{ kV}$ ): طولانی نیاز دارد, رشته های بصری چشمگیر, اغلب دوازده تا بیست دیسک یا بیشتر. در این سطح, رشته ها ممکن است به طور موازی دو یا حتی سه برابر شوند (رشته های V یا رشته های کششی) برای مقابله با نیروهای شدید الکتریکی و مکانیکی, ایجاد یک پیچیده بصری, ساختار کشیده.
ولتاژ فوق العاده بالا (UHV) خطوط (به عنوان مثال،, $750 \text{ kV}$ و بالاتر): رشته ها عظیم می شوند, گاهی اوقات بیش از بیست و پنج دیسک, و مجموعه ها اغلب به شکل V آرایه شده اند (رشته های V) به بازوهای متقاطع عظیم متصل است, یک ضرورت هندسی برای جلوگیری از تابش عظیم هادی از نقض حداقل فاصله نزدیک به بدنه برج.

طول قابل مشاهده رشته عایق یک تجلی فیزیکی مستقیم از نیاز است فاصله خزش- حداقل فاصله مورد نیاز در امتداد سطح مقره برای جلوگیری از ردیابی و جریان های نشتی, که در آلوده بسیار مهم است, ساحلی, یا محیط های مرطوب. به عنوان افزایش ولتاژ, فاصله خزش مورد نیاز نیز افزایش می یابد, نیاز به رشته های طولانی تر یا طراحی های تخصصی عایق ضد مه با عمیق تر, دامن های پیچیده تر, از نظر بصری آنها را از طرح های استاندارد متمایز می کند. بنابراین تایید بصری طول عایق بسیار زیاد اولین و مطمئن ترین سرنخ مهندس برق در مورد طبقه بندی ولتاژ خط است., سرنخی که در فیزیک شکست دی الکتریک و هماهنگی تکانه پایه گذاری شده است.

2. مقیاس بندی هندسی: فاصله فاز, بازوهای متقاطع, و مشخصات برج

فراتر از خود عایق, دومین شاخص بصری مهم مقیاس و هندسه حجم رسانای برج است, با حداقل فاصله هوای مورد نیاز بین اجزای پر انرژی و بین فازها تعریف می شود. با افزایش ولتاژ عملیاتی, the قدرت دی الکتریک هوا عامل محدود کننده می شود, برای جلوگیری از ایجاد قوس الکتریکی و حفظ قابلیت اطمینان خط، نیاز به جداسازی فضایی به طور فزاینده ای دارد. این مقیاس بندی چیزی است که اساساً نمای کلی ساختاری برج را تعیین می کند.

حداقل فاصله رویکرد (دیوانه) و طول بازو متقاطع

مورد نیاز حداقل فاصله رویکرد (دیوانه)-کوتاه ترین فاصله بین هر هادی برق دار و هر قسمت زمین شده برج (بازو, بدن, بریس)- با ولتاژ به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. این نیاز مستقیماً به طول بازوهای متقاطع برج ترجمه می شود.

فشردگی ولتاژ پایین: A $138 \text{ kV}$ برج می‌تواند بازوهای متقاطع نسبتاً کوتاهی را بخرد زیرا MAD حداقل است, امکان ایجاد یک ساختار هندسی فشرده و بصری متراکم را فراهم می کند. فازها نسبتا نزدیک به هم هستند, اغلب به صورت عمودی روی هم چیده می شوند (پیکربندی عمودی) یا در یک الگوی دلتا تنگ.
گسترش EHV/UHV: A $500 \text{ kV}$ یا $750 \text{ kV}$ برج به بازوهای متقاطع به طور چشمگیری طولانی تر نیاز دارد. فاصله هوای مورد نیاز، هادی ها را مجبور می کند که هر دو به صورت افقی از هم جدا شوند (فاصله بین فازی) و به صورت عمودی (فاصله از زمین و فاصله فاز عمودی). این منجر به بصری عظیم می شود, معماری باز با طولانی, بازوهای متقاطع مخروطی که به نظر می رسد هادی ها را از بدنه فولادی زمین شده دور نگه می دارند. عرض a $750 \text{ kV}$ پایه برج و بازوهای متقاطع آن می تواند چندین برابر a باشد $220 \text{ kV}$ برج, یک پاسخ هندسی خالص به محدودیت تخلیه الکتریکی ناشی از ولتاژ.

علاوه بر این, تنش الکتریکی بین فازها (فاصله بین فازی) نیز افزایش می یابد, نیاز به جداسازی بیشتر برای جلوگیری از خطاهای فاز به فاز, به ویژه در طول رویدادهای نوسان هادی بالا. شواهد بصری این امر، دهانه افقی کاملی است که بازوهای متقاطع باید پوشش دهند, اغلب منجر به نمایه های برج متمایز می شود:

برج های دو مدار: در ولتاژهای پایین تر (تا $220 \text{ kV}$ ), برج های دو مدار رایج هستند, که در آن دو مجموعه از سه فاز بر روی یک ساختار نصب شده است. هندسه از نظر بصری پیچیده است اما از نظر عمودی نسبتا فشرده است. در سطوح UHV, پیکربندی‌های دو مدار نادر هستند یا به دلیل فاصله‌های بین مداری و بین فازی بسیار مورد نیاز، به برج‌های واقعاً عظیم نیاز دارند., اغلب ساخت دو برج تک مدار عملی تر است, اگرچه از نظر بصری گسترده تر است, راه حل.
پیکربندی رشته V: بازوهای متقاطع عظیم در خطوط EHV/UHV اغلب برای تطبیق مورد نیاز هستند عایق های رشته V. این مجموعه های V شکل برای محدود کردن چرخش جانبی رشته های عایق طولانی استفاده می شود., حصول اطمینان از اینکه هادی در پوشش MAD مورد نیاز حتی تحت بارگذاری باد زیاد باقی می ماند. حضور این گسترده است, رشته های V سفت و سخت یک امضای بصری قطعی از یک محیط ولتاژ بالا است (معمولا $345 \text{ kV}$ و بالاتر), خیانت به ضرورت مهندسی برای کنترل دقیق حرکت هادی.

فرآیند بصری یکی از کسر است: هر چه فاصله افقی و عمودی هادی ها نسبت به ارتفاع کلی برج گسترده تر باشد, هر چه ولتاژ عملیاتی باید بیشتر باشد, زیرا الزامات ترخیص تنها محرک های اساسی هستند که این افزایش عظیم در ردپای ساختاری را الزامی می کنند.

3. فیزیک مدیریت هادی: تاج, بسته بندی, و بار مکانیکی

افزایش ولتاژ نه تنها الزامات عایق را تغییر می دهد، بلکه فیزیک حاکم بر خود هادی ها را نیز تغییر می دهد., منجر به تغییرات قابل مشاهده در پیکربندی سیم می شود که شاخص های متمایز انتقال EHV/UHV هستند..

کورونا تخلیه و هادی بسته بندی

هنگامی که ولتاژ بالا به یک هادی اعمال می شود, قدرت میدان الکتریکی در سطح رسانا می تواند از قدرت دی الکتریک هوای مجاور تجاوز کند, منجر به ترشحات کرونا- یک درخشش بصری قابل تشخیص, صدای تق تق قابل شنیدن, و, مهمتر از همه, از دست دادن قابل توجه انرژی الکتریکی. برای کاهش این اثر, خطوط EHV و UHV از هادی های منفرد استفاده نمی کنند; در عوض, آنها استخدام می کنند هادی های همراه.

شناسایی بصری باندلینگ: وجود چندین هادی فرعی که با هم گروه بندی شده اند (به طور معمول دو, سه, چهار, یا حتی شش در هر فاز) یک پروکسی بصری غیر قابل مذاکره برای ولتاژ بالا است. ناظر می تواند مستقیماً هادی های فرعی را در هر فاز بشمارد, و عدد همبستگی تنگاتنگی با کلاس ولتاژ ایجاد می کند:
- $220 \text{ kV}$ به $345 \text{ kV}$ : اغلب از دوقلو استفاده کنید (دو) رساناهای فرعی در هر فاز.
- $500 \text{ kV}$ : اغلب از سه گانه استفاده کنید (سه) یا چهار (چهار) رساناهای فرعی در هر فاز.
- $750 \متن{ کیلو ولت}$ به $1,000 \متن{ کیلو ولت}$ (UHV): اغلب از بسته های چهار یا شش هادی استفاده می شود, در شکل هندسی دقیق توسط فاصله دهنده های قابل مشاهده در طول دهانه نگهداری می شود, ضخامت قابل لمس بسته کلی, توسط این اسپیسرهای فلزی به هم متصل می شوند, یک هدیه بصری آنی است که خط با پتانسیل الکتریکی بسیار بالا کار می کند, که در آن کنترل میدان الکتریکی سطحی برای کارایی و قابلیت اطمینان بسیار مهم است.

پوسته پوسته شدن سازه به دلیل بار مکانیکی و افتادگی

لازمه قد بلندتر, برج‌های عریض‌تر نیز تابعی از اصول مهندسی مکانیک هستند که به الزامات الکتریکی مرتبط هستند. خطوط ولتاژ بالاتر به گونه ای طراحی شده اند که به طور قابل توجهی توان بیشتری را حمل کنند, یعنی هادی ها بزرگتر هستند (برای مدیریت ampacity و محدودیت های حرارتی) و اغلب همراه. خط حاصل ذاتاً سنگین تر است, افزایش تنش و کل بار عمودی که باید توسط سازه برج تحمل شود.

ارتفاع برج برای ترخیص از زمین: کار در ولتاژهای بالاتر، پتانسیل جریان خطای بیشتری را به همراه دارد, نیاز به مقررات سختگیرانه تر در مورد حداقل ترخیص زمین در صورت افتادگی خط ناشی از خطا (انبساط حرارتی یا نوسان دینامیکی). علاوه بر این, جداسازی الکتریکی مورد نیاز به این معنی است که رساناها باید از نظر فیزیکی بالاتر از سطح زمین باشند. این امر برج بلندتری را دیکته می کند, اغلب در حال انتقال از $30 \text{ meter}$ محدوده برای ولتاژهای پایین تر تا بیش از حد $60 \text{ meters}$ برای خطوط UHV, با پایه های بسیار گسترده تر و سنگین تر برای مقاومت در برابر لحظه واژگونی.
پیچیدگی مهاربندی: پیچیدگی بصری مهاربندی فولادی مشبک در بدنه برج (اعضای وب) همچنین با ولتاژ افزایش می یابد. هادی‌های بزرگ‌تر و دهانه‌های طولانی‌تر منجر به کشش مکانیکی و نیروهای برشی بیشتر بر ساختار برج می‌شود.. برای رسیدگی به این نیروهای تقویت شده, برج به اعضای متقاطع قوی تری نیاز دارد, مقاطع فولادی گیج سنگین تر, و الگوهای پیچیده مهاربندی K یا X که توانایی سازه را برای مقاومت در برابر کمانش و شکست برشی به صورت بصری تقویت می کند., سیگنال استقرار آن در یک بار بالا, پر تنش (و در نتیجه ولتاژ بالا) محیط زیست. تغییر بصری از یک باریک, ساختار ساده به یک عظیم, خرپا پیچیده از لحاظ معماری، تایید ضمنی مهندس سازه از بارهای الکتریکی عظیمی است که حمل می شود..

4. نشانه های بصری یکپارچه, گونه شناسی ساختاری, و نتیجه گیری

ناظر ماهر تمام این نقاط داده بصری گسسته - طول عایق را یکپارچه می کند, فاصله فاز, و دسته بندی - به یک تحلیل منسجم از کلاس ولتاژ خط, اغلب این ویژگی ها را با گونه شناسی ساختاری کلی ارجاع می دهند.

امضای بصری کلاس های ولتاژ

فرآیند تعیین ولتاژ بصری کل نگر است:

انتقال فرعی ( $69 \text{ kV}$ به $161 \text{ kV}$ ): امضای بصری ساختاری نسبتا متراکم با بازوهای متقاطع کوتاهتر است, اغلب از عایق های تعلیق ساده استفاده می کنند (شش تا ده دیسک), و عمدتا هادی های تک در هر فاز.
EHV سطح بالا ( $345 \text{ kV}$ به $500 \text{ kV}$ ): امضای بصری یک گستره وسیع است, ساختار بلندتر با بازوهای متقاطع بلند و عایق های رشته V (دوازده تا بیست دیسک). هادی ها به طور مشهودی بسته بندی شده اند, به طور معمول دو یا چهار. هندسه با فاصله الکتریکی هدایت می شود, برج را بیشتر نمایان می کند “باز” و چگالی کمتری نسبت به نمونه های با ولتاژ پایین تر دارد.
UHV ( $750 \text{ kV}$ و بالاتر): امضای بصری ارتفاع و عرض بسیار بالایی دارد, اغلب دارای بازوهای متقابل عظیم برای قرار دادن بسته های چهار یا شش هادی. رشته های عایق بسیار زیاد است, و پیچیدگی ساختاری شبکه فولادی برای تحمل بارهای مکانیکی عظیم و فاصله‌ها به حداکثر می‌رسد.. مقیاس خالص با هیچ کلاس ولتاژ دیگری قابل مقایسه نیست.

سایر نشانه های بصری ظریف این تحلیل را تایید می کنند: حضور متخصص رطوبت (به عنوان مثال،, دمپرهای استوکبریج یا میله های زرهی) بر روی هادی ها در پرفشار بیشتر رایج است, خطوط ولتاژ بالا برای مقابله با لرزش و خستگی ناشی از باد; قطر هادی کلی به طور قابل توجهی بزرگتر از خطوط ولتاژ پایین تر است, حتی اگر رساناهای فرعی به صورت جداگانه قابل مقایسه باشند.

بنابراین تعیین بصری سطح ولتاژ خط انتقال یک تمرین سختگیرانه در فیزیک کاربردی و پزشکی قانونی مهندسی است.. به ناظر نیاز دارد که پارامترهای الکتریکی نامرئی - ولتاژ ضربه ای را استنتاج کند, شکست دی الکتریک, و میدان الکتریکی سطحی - از مرئی, معماری ملموس برج. اندازه عظیم سازه, فواصل جداسازی هندسی آن, و مجموعه پیچیده هادی های آن همگی مستقیم هستند, پیامدهای غیرقابل مذاکره تلاش برای مهار و انتقال توان الکتریکی گسترده به طور کارآمد و قابل اطمینان. برج ایستاده است, از این رو, به عنوان یک جسم, گواهی فلزی بر بزرگی نیروهای الکتریکی که برای تسلط بر آن مهندسی شده است.