Передающие башни: основа энергетических сетей

Вы видели их тысячу раз во время своих путешествий, марширующих по склонам холмов и стоящих на страже пустых полей. Эти бесшумные стальные гиганты, которых мы часто называем электрическими опорами, являются одними из самых заметных, но в то же время и наиболее незаметными структурами в нашем окружении. Но их работа гораздо больше и интереснее, чем просто держать кучу проводов в рабочем состоянии.

Представьте себе эти башни электропередачи как межштатные магистрали для нашего электричества. У них одна основная задача: перемещать огромное количество энергии на очень большие расстояния, от мест, где электричество производится на крупных электростанциях, до более мелких сетей, которые доставляют его в ваш дом или офис. Без такой магистрали с высокой пропускной способностью наш современный мир не смог бы работать.

Это важно, потому что означает, что они были созданы специально, и заставляет задуматься о вещах, о которых вы, вероятно, думали раньше. У инженеров есть большая проблема: как заставить всю эту энергию двигаться, не теряя при этом большую ее часть? И этот ответ объяснит, почему башни такие высокие, почему провода расположены так далеко друг от друга и что делают эти стеклянные штуки, свисающие с сторон башен. Посмотрев на логику, лежащую в их основе, вы поймете невидимое путешествие, которое электричество совершает каждый день. Мы откроем секреты, скрытые в знакомых силуэтах, объясним, почему они имеют такие особые формы и почему птицы могут безопасно на них садиться. Вы увидите не просто башню, вы увидите хребет нашего электрического мира.

Вы видели, как они маршируют по полям и шоссе, но знаете ли вы, для чего нужны передающие башни? Они довольно простые: они просто держат большие, сверхмощные электрические линии с помощью специальной вешалки для одежды. Башня сама по себе не является электрическим компонентом; все, что ему нужно, это быть достаточно прочным и высоким, чтобы удерживать тяжелые провода высокого-напряжения вверх и вне досягаемости людей, деревьев и зданий на земле. Настоящий, невидимый герой этой системы — воздух. Поднимая линии электропередачи так высоко, башня создает огромную защитную воздушную подушку между проводом и землей. Воздух — отличный природный изолятор, а это значит, что он не дает электричеству проникать в нежелательные места. Задача башни — просто сохранять это безопасное воздушное пространство. Без этого тщательно контролируемого расстояния огромная сила в этих линиях без труда нашла бы опасный короткий путь к Земле.

Если электричество поступает в вашу розетку, то почему бы не направить его туда непосредственно при безопасном низком напряжении электростанции? Думайте об этом как о попытке переместить воду на большое расстояние. Обычный садовый шланг с небольшим давлением не подойдет, потому что при этом будет потеряно слишком много воды. Чтобы эффективно перемещать большое количество воды, вам нужно использовать что-то с большим давлением, возможно, даже трубу. Электричество тоже похоже, ему нужно какое-то «давление», чтобы идти далеко, не теряя своей силы.

И это электрическое давление называетсяНапряжение. Повышение напряжения до очень высокого напряжения позволяет энергетическим компаниям передавать огромные объемы энергии на сотни миль без больших потерь энергии. И в этом секрет передачи электричества. Если бы они попытались отправить его с использованием низкого напряжения, которое используется в вашем доме, то почти вся энергия потерялась бы в виде тепла по пути, превратив линии электропередачи в самый длинный и бесполезный тостер в мире. Вот почему башни электропередачи должны быть такими высокими и внушительными. Поскольку электричество в проводах находится под таким высоким напряжением, находиться рядом с людьми или зданиями слишком опасно. Высота башни обеспечивает необходимую подушку безопасности, безопасно удерживая эту огромную мощность в воздухе. И, конечно же, это мощное электричество необходимо «понизить» до приемлемого уровня, что подводит нас к следующей части головоломки.

Вы не можете просто включить или выключить «давление» электричества, как кран. Эту важную задачу выполняет так называемый трансформатор. Думайте о трансформаторе как о редукторе электрической сети. Автомобиль переключает передачи, чтобы контролировать мощность и скорость, а трансформатор делает то же самое с электричеством, переводя его с высокого на низкое напряжение, чтобы его можно было использовать как для дальних, так и для коротких поездок.

Сразу после выработки электроэнергии она поступает в так называемый повышающий-трансформатор на электростанции. Эта штука поднимает напряжение, готовя его к большому путешествию по стране на линиях электропередачи между опорами. Это все равно, что включить высокую передачу автомобиля перед дальней поездкой, чтобы он мог проехать далеко, не расходуя слишком много бензина. Без этих силовых трансформаторов не было бы такой вещи, как передача высокого-напряжения. А когда линии электропередачи приближаются к нашим городам, электричество поступает на соседние подстанции. В этом случае «понижающие» трансформаторы выполняют противоположную работу; они снижают чрезвычайно высокое напряжение до гораздо более низкого, безопасного для предприятий и домов. Передающая подстанция — это последнее «понижающее-переключение», которое делает электроэнергию полезной в вашей повседневной жизни. Теперь напряжение удалось контролировать, перейдем к конструкциям, несущим линии.

Хотя они могут показаться запутанной металлической кучей, на самом деле башни передачи весьма элегантны. Основной корпус представляет собойрешетчатая башня, в котором используется перекрещивающаяся структура балок, что придает ему удивительную прочность и ветроустойчивость с использованием наименьшего количества материалов. Это скелет, все, что он делает, это быть достаточно высоким и сильным, чтобы удерживать тяжелые части и выдерживать непогоду. Это инженерный подвиг эффективности: он прочный, но при этом легкий.

Из скелета торчат длинные руки башни, называемыеперекладины. Их работа проста, но жизненно важна: держать мощные линии электропередачи подальше друг от друга, а также от башни. Напряжение настолько велико, что электричество может «прыгнуть» по воздуху на удивительно большое расстояние. Траверсы работают как прокладки, обеспечивая безопасное воздушное пространство между проводами, чтобы электричество не перескакивало с одного провода на другой, что могло бы создать большое и опасное короткое замыкание.

Наконец, сами провода. В промышленности их называют не просто проводами, апроводники. Обычно они изготавливаются из алюминия, который хорошо проводит электричество, а также очень легок и обернут вокруг стального сердечника, что придает леске прочность. Эта комбинация хорошо подходит для преодоления больших расстояний без слишком большого провисания. Но тогда мы подходим к большому вопросу: если все эти проводники несут электричество, а башня сделана из металла, почему электричество не падает прямо в землю? И вот тут-то и приходит самое важное, о чем часто забываешь.

Это веревки из стеклянных или керамических дисков, которые вы, возможно, заметили, свисающие с кронштейнов башни. Они являются изоляторами и выполняют одну из самых важных задач по обеспечению безопасности во всей электрической сети. Думайте о них как о резиновом покрытии на шнуре питания вашего дома: они созданы для того, чтобы остановить электричество. Провод высокого напряжения подсоединяется к нижней части гирлянды изоляторов, а верхний конец соединяется с опорой. И это создает своего рода не-электрический барьер, так что вся энергия в линии никогда не сможет добраться до металлической башни и упасть в землю.

Эта важная роль стала возможной благодаря тому факту, что такие материалы, как стекло и фарфор, плохо проводят электричество. Для электричества, протекающего по проводнику, изолятор – это просто тупик. Перед этим препятствием у электричества нет другого пути, кроме как продолжать свой запланированный маршрут по проводу. Без этих простых, но эффективных изоляторов каждая передающая башня превратилась бы в огромную электрифицированную опасность, вызывающую короткое замыкание во всей системе. Вот кое-что интересное, на что вы можете обратить внимание в следующей поездке: длина изоляционной нити говорит вам о том, какую мощность имеет линия. Более высокие напряжения имеют большую способность «перепрыгивать» через зазор, поэтому для их безопасного сдерживания требуется большее разделение. Для линии с напряжением 765 000 вольт может потребоваться длинная цепочка из тридцати или более дисков, тогда как для линии с напряжением 138 000 вольт может потребоваться только восемь или десять дисков. Следовательно, чем длиннее цепочка изоляторов, тем сильнее электричество она удерживает.

Когда вы заметите передающие башни, вы обнаружите, что они имеют разные формы. Некоторые представляют собой раскинувшуюся стальную паутину, некоторые — аккуратные и простые шесты. Такое различие касается не только внешнего вида, но и практического выбора из двух основных типов. Классический, перекрещивающийся – эторешетчатая башня. Его более тонкий родственник, которого часто можно увидеть вдоль шоссе, носит названиемонопольный пилон. Почему они выглядят такими разными? Обычно это происходит потому, что кто-то должен был сделать выбор: тратить ли больше денег или использовать больше места на земле.

Решетчатые башни являются «рабочими лошадками» отрасли благодаря своей невероятной прочности и доступности, они изготавливаются из множества небольших, расположенных под углом кусков стали. У них-подобная паутине структура, прочная и долговечная, но у нее есть один существенный недостаток: она занимает огромное количество земли. Четыре ноги широко вытянуты, им нужно много места на земле, поэтому у них обычно есть длинный пустой путь, называемый-правой-дорогой. Это делает их подходящими для открытой местности с большим количеством земли. Напротив, монопольный пилон является решением для труднодоступных мест. Его строительство и установка обходятся дороже, но он занимает небольшую площадь. Один столб занимает гораздо меньше места, чем решетчатая башня, поэтому подходит для многолюдных дачных участков или вблизи автомагистралей, где для большой решетчатой ​​башни недостаточно места. Независимо от того, выбираем ли мы решетчатую башню или монопольный пилон, все зависит от окружающей среды, а тип башни, который мы используем, — это просто практический ответ на доступное пространство.

Эти стальные башни, марширующие по ландшафту, — наиболее очевидные части огромной, связанной-электрической системы. Думайте о них как о межштатных автомагистралях общенациональной сети электроснабжения. Но так же, как вы не можете доставить автомобиль прямо с завода к подъезду, не пользуясь местными дорогами, электричество должно пройти аналогичный много-этапный путь, чтобы добраться до вашего дома.

Все начинается с электростанции, производящей электричество. Чтобы отправиться в долгое путешествие, мощность усиливается (или «повышается») с помощью больших машин, называемых трансформаторами, до очень высокого напряжения. Это похоже на повышение давления воды, чтобы большой объем мог течь через трубу с меньшими потерями энергии. Вышки электропередачи несут эти-линии высокого напряжения на сотни миль, составляя основную часть энергосистемы.

И в конце концов ему приходится съехать с шоссе. Именно это и делают передающие подстанции – эти большие огороженные-места со всеми трансформаторами и оборудованием, которые вы, возможно, заметили недалеко от городов. Здесь высокое-электричество «понижается» до гораздо более низкого и безопасного напряжения. Это важнейшее соединение между электросетью дальнего-расстояния и электросетью местного сообщества. От подстанции электричество низкого-напряжения проходит по меньшим, более привычным линиям электропередачи, которые обычно подвешиваются на деревянных столбах вдоль городских улиц. По этим линиям подается питание к последнему трансформатору рядом с вашим домом, который еще раз снижает напряжение, прежде чем оно попадет в ваш дом и достигнет настенной розетки, ожидая использования. Это огромное количество энергии, движущейся вокруг, не всегда совершенно бесшумно, поэтому иногда вы можете слышать странные шумы.

Если вы раньше были рядом с большой передающей вышкой, возможно, вы слышали какое-то жужжание или потрескивание. Этот звук не указывает на какую-либо опасность, это просто известное и нормальное явление, известное как коронный разряд. Это звук мощного электричества на линии, взаимодействующего со всеми молекулами воздуха вокруг него. Это может показаться неисправностью, но на самом деле это небольшая ожидаемая утечка энергии, возникающая при очень высоких напряжениях.

Представьте себе огромное электрическое «давление» в этих линиях. Он настолько мощный, что может заставить частицы воздуха рядом с проводом стать электрически заряженными или ионизированными. Это что-то вроде маленькой постоянной искры, и все эти крошечные вспышки вместе создают жужжащий звук, который вы слышите. Это чем-то похоже на потрескивание статического электричества от дверной ручки, за исключением того, что оно происходит постоянно и в больших масштабах. Вы также можете заметить, что звук становится громче во влажную, туманную или дождливую погоду. Потому что во влажном воздухе больше капель воды, а вода обеспечивает немного более легкий путь электричеству для подачи энергии в воздух рядом с проводником. Это усиливает эффект короны, поэтому жужжание и потрескивание становятся более заметными. Итак, это сильное электрическое поле воздействует на воздух, проходящий через него, но что произойдет, если что-то еще коснется провода?

Это классическая и запутанная сцена: маленькая птичка может сидеть на огромной-линии электропередачи высокого напряжения, и у нее даже не взъерошится ни одно перо. И ответ на самом деле довольно прост, и все сводится к одному основному принципу электричества. Электричество должно куда-то идти, чтобы произошел разрыв, а это значит, что у него должен быть целый маршрут – электрическая цепь. Он должен переместиться из места с большим количеством энергии в место с меньшим количеством энергии.

У птицы, приземлившейся на один провод, ее тело и провод будут иметь одинаковый высокий электрический потенциал. Поскольку птица не соприкасается с землей или другим проводом с другим напряжением, через птицу не может пройти электричество. Ток смотрит на птицу как на тупик и идет гораздо более простым путем - по металлическому проводу с высокой проводимостью. Птица в безопасности, потому что она не является частью цепи. Однако человек на земле создает опасную ситуацию. Если бы вы прикоснулись к тому же проводу, ваше тело оказалось бы недостающей частью. Электричество немедленно найдет новый путь от линии высокого-напряжения, через вас и в землю. Ваше тело замыкает цепь и пропускает через себя огромное, смертельное количество энергии. Вот почему так важно держаться подальше от упавших линий электропередач; вы не хотите стать частью пути электричества.

Один из наиболее частых вопросов, которые люди задают относительно опор электропередачи, заключается в том, представляют ли они какую-либо опасность для здоровья при проживании рядом с линиями электропередачи. Их беспокоит электромагнитное поле (ЭМП) – невидимая сила энергии, создаваемая всеми электрическими устройствами, включая линии электропередач.

Чтобы осознать опасность, нужно знать, что не все излучения одинаковы. Представьте себе брошенный мяч: мягкий бросок теннисного мяча безвреден, но бейсбольный мяч, брошенный со скоростью 100 миль в час, может быть опасен. Аналогично, существует два основных вида радиации. Высокие-ионизирующие излучения, такие как рентгеновские-лучи, обладают достаточной энергией, чтобы нанести вред клеткам. Но энергия линий электропередач имеет очень низкую частоту и поэтому подпадает под категорию не-неионизирующих, к которой также относятся ЭМП от вашей домашней проводки и бытовой техники.

После многих лет огромной научной работы крупные группы здравоохранения во всем мире не обнаружили, что находясь рядом с ЭМП от линий электропередачи, люди могут заболеть такими болезнями, как рак. Некоторые более ранние исследования показали небольшую связь, но большая часть того, что мы знаем, не показывает, что они кому-то причиняют вред. Кроме того, мощность электромагнитного поля становится намного меньше по мере удаления от него. Поле намного слабее на расстоянии 50 футов, чем прямо под линией, и еще слабее внутри дома. Этот принцип соблюдения безопасного расстояния является одной из причин, почему вы видите большие открытые участки земли вокруг опор ЛЭП.

Эти большие, чистые полосы земли, идущие рядом с опорами электропередачи, не просто пустые места, у них есть особое название и назначение. Эта зона называется полосой-правого-пути (ROW). Думайте об этом как о защищенном законом пути безопасности и доступа, который поддерживает коммунальная компания. Это важно для обеспечения хорошей работы электросети и безопасности людей, а также для обеспечения того, чтобы дома и другие здания находились достаточно далеко от опасности.

Вырубка деревьев возле линий электропередачи в основном предотвращает опасные ситуации. Если большое дерево вырастет слишком близко, к нему может подскочить электричество, что может привести к отключению электроэнергии или возникновению лесного пожара. Во время шторма упавшая ветка дерева может перерезать линию, оставив без электричества тысячи людей. Освободив этот коридор от высоких-растущих растений, коммунальные предприятия предотвращают возникновение этих предсказуемых и опасных инцидентов. Речь идет не только об избежании природы; это жизненно важный способ передвижения для рабочих. Когда вышка или линия требуют осмотра или ремонта, у рабочих должен быть свободный путь, чтобы добраться до места с помощью больших грузовиков и тяжелого оборудования. Правый-участок- гарантирует, что вы сможете пройти. Все это вызывает логичный вопрос: если им нужно так много места на поверхности, то почему бы нам просто не провести все линии электропередачи под землей?

Самый простой ответ – стоимость. Захоронение местных распределительных линий является обычным явлением, но захоронение массивных линий электропередачи высокого-напряжения — непростая задача. Необходимы специализированные кабели, множество траншей, сложные системы охлаждения, поэтому прокладка этих линий под землей обходится в 5-10 раз дороже, чем возведение больших башен в воздухе для проекта, охватывающего сотни миль, а это означает, что разница составляет миллиарды долларов, и эти дополнительные затраты в конечном итоге будут оплачиваться людьми, использующими электричество.

Помимо этой первой стоимости, линиям метро предстоит трудный выбор между надежностью и простотой ремонта. Преимущества очевидны: они защищены от ветра, льда и падающих деревьев, а также сохраняют прекрасный вид. Но когда что-то идет не так, найти и исправить это — огромная боль. Неисправность на воздушной линии обычно можно обнаружить с помощью вертолета в течение нескольких часов. Подобная неисправность в подземном кабеле потребует дней, если не недель, раскопок и испытаний, чтобы найти и устранить, что приведет к гораздо более длительным простоям. Но технологии меняют этот расчет. Новый метод, известный как передача постоянного тока высокого напряжения (HVDC), делает более возможными подземные и подводные проекты на большие расстояния. В отличие от обычного переменного тока (AC), используемого в большинстве частей сети, линии HVDC лучше работают на очень больших расстояниях, и их легче прокладывать под землей или под водой. И именно так эти огромные морские ветряные электростанции соединяются с материком с помощью кабелей, проложенных по морскому дну, а это может означать, что в один прекрасный день большая часть наших электросетей может просто исчезнуть из поля зрения.

Безмолвные стальные гиганты, которых вы видели всю свою жизнь, больше не являются загадкой. Перепутанный беспорядок из металла и проводов, который раньше вас озадачивал, стал понятен, поскольку теперь вы можете увидеть красивый дизайн в действии: прочная решетчатая рама, выдвижные перекладины, которые разделяют линии, и важные стеклянные изоляторы, защищающие поток электричества.

В следующий раз, когда вы отправитесь кататься, вы сможете узнать различные формы башен и увидеть длину ниток изолятора, которая показывает уровень напряжения в линии. Каждая башня является видимым звеном невидимой системы, физической частью огромной задачи по транспортировке энергии по всей стране. Это больше, чем просто сталь, это рабочие лошадки нашего современного мира. Каждый раз, когда вы включаете выключатель света, вы испытываете новое уважение к удивительному путешествию, которое электричество проходит от далекой электростанции по проводам, расположенным высоко, прямо к вашей руке.