Преносни кули: гръбнакът на електрическите мрежи

Виждали сте ги хиляди пъти по време на пътешествията си, маршируващи през хълмовете и стоящи на стража в пустите полета. Тези тихи стоманени гиганти, които често наричаме електрически стълбове, са сред най-видимите, но и най-пренебрегваните структури в заобикалящата ни среда. Но работата им е много по-голяма и по-интересна от това просто да поддържат куп кабели.

Представете си тези преносни кули като междущатски пътища за нашата електроенергия. Те имат една основна задача: да пренасят огромни количества енергия на наистина големи разстояния, от мястото, където се произвежда електричество в големите електроцентрали, до по-малки мрежи, които го доставят до вашата къща или офис. Без такъв гръбнак с голям капацитет съвременният ни свят не би работил.

Важно е, защото означава, че са проектирани нарочно и ви кара да се чудите за неща, които вероятно сте си мислили преди. Инженерите имат голям проблем: Как да накарате цялата тази енергия да се движи, без да губите по-голямата част от нея по пътя? И този отговор ще обясни защо кулите са толкова високи, защо жиците са толкова далеч една от друга и какво правят тези стъклени неща, висящи от стените на кулите. Като погледнете логиката зад тях, ще разберете невидимото пътуване, което електричеството предприема всеки ден. Ще открием тайните, скрити в познатите силуети, за това защо имат толкова специфични форми и защо птиците могат да кацат върху тях сигурно. Няма да видите просто кула, ще видите гръбнака на нашия електрически свят.

Виждали сте ги да маршируват през полета и магистрали, но знаете ли за какво служат предавателните кули? Те са доста прости: те просто държат големите, супер-мощни електрически кабели със своя собствена специална закачалка за дрехи. Кулата сама по себе си не е електрически компонент; всичко, което трябва да направи, е да бъде достатъчно здрав и висок, за да държи тежки проводници с високо-напрежение нагоре и извън обсега на хора, дървета и сгради на земята. Истинският, невидим герой на тази система е въздухът. Издигайки електропроводите толкова високо, кулата създава огромна защитна въздушна възглавница между жицата и земята. Въздухът е чудесен естествен изолатор, което означава, че предпазва електричеството от прескачане на места, където не му е мястото. Работата на кулата е просто да поддържа това безопасно пространство от въздух. Без това внимателно управлявано разстояние, огромната сила в тези линии нямаше да има никакви проблеми да намери опасен пряк път към земята.

Ако електричеството отива към вашия контакт, тогава защо не го изпратите там директно при това безопасно, ниско напрежение от електроцентралата? Мислете за това като за опит за преместване на вода на голямо разстояние. Нормален градински маркуч с малко налягане няма да работи добре, защото по пътя ще се загуби твърде много вода. За да преместите много вода ефективно, бихте искали да използвате нещо с голямо налягане, може би дори тръба. Електричеството също е подобно, има нужда от някакъв вид "натиск", за да стигне далеч, без да загуби силата си.

И това електрическо налягане се наричанапрежение. Повишаването на електричеството до много високо напрежение позволява на енергийните компании да изпращат огромни количества енергия на стотици мили, без да губят много енергия. И това е тайната на преноса на електричество. Ако се опитат да го изпратят, използвайки ниското напрежение, което използва къщата ви, тогава почти цялата енергия ще се изгуби като топлина по пътя, превръщайки електропроводите в най-дългия и безполезен тостер в света. Ето защо далекопреносните кули трябва да са толкова високи и внушителни. Тъй като електричеството по проводниците е с толкова високо напрежение, е твърде опасно да сте около хора или сгради. Височината на кулата осигурява необходимата предпазна възглавница, поддържайки тази огромна сила безопасно във въздуха. И, разбира се, това мощно електричество трябва да бъде "намалено" до използваемо ниво, което ни отвежда до следващата част от пъзела.

Не можете просто да включите или изключите "налягането" на електричеството като кран. Тази важна задача се изпълнява от нещо, наречено трансформатор. Мислете за трансформатора като за скоростната кутия на електрическата мрежа. Една кола сменя предавките си, за да контролира мощността и скоростта, а трансформаторът прави същото с електричеството, като го превключва от високо към ниско напрежение, така че да може да се използва както за дълги, така и за кратки пътувания.

Веднага след като електричеството е произведено, то отива в нещо, наречено „стъпков{0}}трансформатор в електроцентралата. Това нещо кара напрежението да се покачва много, подготвяйки го за голямото му пътуване из страната по електропроводите между кулите. Това е като да поставите колата на висока предавка, преди да тръгнете на дълго пътуване, така че да може да пътува далеч, без да използва твърде много газ. Без тези силови трансформатори нямаше да има такова нещо като високо-предаване на напрежение. И когато електропроводите се доближат до нашите градове, електричеството отива в кварталните подстанции. В този случай трансформаторите "стъпка-надолу" вършат обратната работа; те намаляват изключително високото напрежение до много по-ниско, безопасно напрежение за компании и къщи. Преносната подстанция е последната „смяна-надолу“, която прави захранването полезно за ежедневието ви. Сега напрежението е контролирано, нека преминем към структурите, носещи линиите.

Въпреки че те може да изглеждат като заплетена бъркотия от метал, предавателните кули всъщност са доста елегантни. Основното тяло е aрешетъчна кула, който използва кръстосана шарка от греди, за да му придаде невероятна здравина и устойчивост на вятър, използвайки възможно най-малкото количество материали. Това е скелет, всичко, което прави, е да е достатъчно висок и силен, за да издържи тежките части и да понесе времето. Това е инженерно постижение на ефективност, направено да бъде здраво, но все пак донякъде леко.

От скелета стърчат дългите ръце на кулите, нареченинапречни ръце. Тяхната работа е лесна, но жизненоважна: дръжте тези силни електрически линии далеч един от друг и от кулата. Напрежението е толкова високо, че електричеството може да "прескочи" на изненадващо голямо разстояние във въздуха. Напречните рамена работят като дистанционни елементи, като гарантират, че има безопасно пространство от въздух между проводниците, така че електричеството да не образува дъга (скача) от един проводник към друг, което може да създаде голямо, опасно късо съединение.

И накрая, самите жици. В индустрията те не се наричат ​​просто проводници, те сапроводници. Те обикновено са изработени от алуминий, който е добър в провеждането на електричество и също така е много лек, обвит около стоманена сърцевина, която осигурява здравината на линията. Тази комбинация работи добре за изминаване на дълги разстояния без прекалено много провисване. Но тогава стигаме до големия въпрос: ако всички тези проводници пренасят електричество и кулата е направена от метал, как така електричеството не се изстрелва направо в земята? И точно тогава идва най-важното, за което често забравяте.

Това са струните от стъклени или керамични дискове, които може би сте забелязали да висят от ръцете на кулата. Те са изолатори и изпълняват една от най-важните задачи за безопасност в цялата електрическа мрежа. Мислете за тях като за гуменото покритие на захранващия кабел на вашия дом, те са създадени да спират електричеството. Проводникът за високо напрежение е свързан към дъното на изолаторния низ, а горният край е свързан към кулата. И създава нещо като не-електрическа бариера, така че цялата тази мощност в линията никога да не може да стигне до металната кула и да слезе в земята.

Тази важна роля е възможна благодарение на факта, че материали като стъкло и порцелан не извършват електричество лошо. За електричеството, преминаващо през проводника, изолаторът е просто задънена улица. Пред това препятствие електричеството няма друг път, освен да продължи по планирания си път надолу по жицата. Без тези прости, но ефективни изолатори, всяка предавателна кула би се превърнала в масивна, електрифицирана опасност, причинявайки късо съединение на цялата система. Ето нещо готино, което можете да търсите при следващото си пътуване: колко дълга е изолационната нишка ви казва колко мощност има линията. По-високите напрежения имат по-голяма способност да „прескачат“ през празнина, така че се нуждаят от повече разделяне, за да бъдат безопасно задържани. Линия със 765 000 волта може да се нуждае от дълъг низ от тридесет или повече диска, докато линия от 138 000 волта може да се нуждае само от осем или десет. Следователно, колкото по-дълъг е низът от изолатори, толкова по-силно е електричеството, което задържа.

Когато забележите предавателните кули, ще откриете, че те имат различни форми. Някои са разтегнати мрежи от стомана, други са чисти и прости стълбове. Този вид разлика не е само във външния вид, а по-скоро практичен избор измежду два основни типа. Класическата, кръстосана е aрешетъчна кула. Неговият по-тънък роднина, често забелязван покрай магистралите, носи името aмонополен пилон. Защо изглеждат толкова различни? Обикновено това е, защото някой трябваше да направи избор дали да похарчи повече пари или да използва повече място на земята.

Решетъчните кули са работните коне на индустрията поради тяхната невероятна здравина и достъпност, направени от множество малки, наклонени парчета стомана. Те имат подобна на мрежа -структура, която е здрава и издръжлива, но има един основен недостатък – заема огромно количество земя. Четири широко протегнати крака, те се нуждаят от много място на земята, така че обикновено имат дълъг, празен път, наречен прав--път. Това ги прави подходящи за открити местности с много земя. За разлика от тях монополният пилон е отговорът за тесни места. Той е по-скъп за конструиране и настройка, но има малък отпечатък. Един стълб заема много по-малко място от решетъчна кула, поради което е подходящ за претъпкани крайградски зони или край магистрали, където няма достатъчно място за голяма решетъчна кула. Дали ще изберем решетъчна кула или монополен пилон зависи от околната среда, а видът на кулата, който използваме, е просто практичен отговор на наличното пространство.

Тези стоманени кули, маршируващи през пейзажа, са най-очевидните части от огромна, свързана-електрическа система. Мислете за тях като за междущатски пътища на национална магистрална мрежа за електричество. Но точно както не можете да вземете кола направо от фабриката до алеята си, без да използвате местни пътища, електричеството трябва да следва подобно много{3}}етапно пътуване, за да стигне до дома ви.

Започва от електроцентрала, която произвежда електричество. За да продължи дългото си пътуване, мощността се усилва (или „усилва“) от големи машини, наречени трансформатори, до много високо напрежение. Това е подобно на повишаване на налягането на водата, така че голям обем да може да тече през тръба с по-малко загуба на енергия. Преносните кули пренасят тези-проводи с високо напрежение на стотици мили, съставлявайки основната част от мрежата.

И в крайна сметка трябва да слезе от магистралата. И това е, което прави преносната подстанция – онези големи оградени-на места с всички трансформатори и оборудване, които може да сте забелязали близо до градовете. Тук електричеството с високо{3}}напрежение се „намалява“ в много по-ниско, по-безопасно напрежение. Това е решаващата връзка между-електрическата мрежа на дълги разстояния и електропреносната мрежа на местната общност. От подстанцията ниско{7}}електричеството преминава през по-малките, по-познати електропроводи, които обикновено са окачени на дървени стълбове по улиците на града. Тези линии пренасят захранване до последния трансформатор близо до къщата ви, който понижава напрежението още веднъж, преди да влезе в дома ви и да стигне до контакта ви, чакайки да бъде използван. Това огромно количество енергия, което се движи наоколо, не винаги е напълно безшумно, така че понякога може да чуете някои странни шумове.

Ако преди сте били близо до голяма предавателна кула, може да сте чули някакво бръмчене или пращене. Този звук не показва никаква опасност, това е просто известно и нормално явление, известно като коронен разряд. Това е звукът от цялото това мощно електричество по линията, взаимодействащо с всички тези въздушни молекули точно около нея. Може да изглежда като повреда, но всъщност е малко, очаквано изтичане на енергия, което възниква при много високо напрежение.

Представете си огромното електрическо "налягане" в тези линии. Той е толкова мощен, че може да накара частиците въздух точно до жицата да се заредят електрически или йонизират. Това е нещо като малка, постоянна искра и всички тези малки звуци заедно издават бръмчащия звук, който чувате. Донякъде прилича на пукането на статично електричество от дръжката на вратата, с изключение на това, че се появява непрекъснато в голям мащаб. Може също да забележите, че звукът е по-силен при влажно, мъгливо или дъждовно време. Тъй като във влажния въздух има повече водни капчици, а водата осигурява малко по-лесен път за електричеството да захранва въздуха близо до проводника. Това прави ефекта на короната по-силен, така че бръмченето и пращенето са по-забележими. И така, това силно електрическо поле влияе на въздуха, докато преминава през него, но какво се случва, ако нещо друго докосне жицата?

Това е класическа, объркваща сцена: малко птиче може да седи на огромен електропровод с високо-напрежение и дори да не е разрошено нито едно перо. И отговорът всъщност е доста прост и всичко се свежда до един основен принцип на електричеството. Електричеството трябва да отиде някъде, за да има прекъсване, а това означава да има цял маршрут, който да следва – електрическа верига. Трябва да се премести от място с много енергия на място с по-малко енергия.

Птица, кацнала върху един проводник, ще има тялото и проводника с еднакъв висок електрически потенциал. Тъй като птицата не осъществява контакт със земята или друг проводник, носещ различно напрежение, няма път за преминаване на електричеството през птицата. Current гледа на птицата като на задънена улица и върви по много по-лесния начин, силно проводимата метална жица. Птицата е в безопасност, защото не е част от верига. Човек на земята обаче създава опасна ситуация. Ако докоснете същата жица, вашето тяло ще бъде липсващото парче. Електричеството незабавно ще намери нов маршрут от високо-провода за напрежение през вас и в земята. Вашето тяло завършва веригата и позволява огромно, смъртоносно количество енергия да премине през него. Ето защо е толкова важно да се пазите от паднали електропроводи; не искате да станете част от пътя на електричеството.

Един от най-честите въпроси, които хората задават относно преносните кули, е дали представлява опасност за здравето, когато живеете близо до електропроводи. Електромагнитното поле (ЕМП) е това, което ги тревожи – невидима сила на енергия, създадена от всички електрически устройства, включително електропроводи.

За да разберете опасността, трябва да знаете, че не всяка радиация е еднаква. Помислете за хвърлена топка: мекото хвърляне на тенис топка е безвредно, но бейзболна топка, хвърлена със 100 мили в час, може да бъде опасна. По същия начин има два основни вида радиация. Висока-енергийна, йонизираща радиация като рентгеновите-лъчи има достатъчно енергия, за да причини увреждане на клетките. Но енергията от електропроводите е с много ниска честота и затова попада в категорията на нейонизираща-категория, където принадлежат и електромагнитните полета от вашите домашни кабели и уреди.

След много години извършване на много научна работа, големи здравни групи по целия свят не са открили, че близостта до ЕМП на електропроводи може да разболее хората от неща като рак. Някои по-ранни проучвания показаха малка връзка, но повечето от това, което знаем, не показва, че те нараняват някого. Освен това силата на електромагнитното поле става много по-малка, когато се отдалечавате от него. Полето е много по-слабо на 50 фута, отколкото точно под линията и дори по-слабо вътре в къща. Този принцип за спазване на безопасно разстояние е една от причините да виждате големи, открити площи земя около преносните кули.

Тези големи, чисти ивици земя, които вървят заедно с предавателните кули, не са просто празни пространства, те имат специално име и предназначение. Тази зона е известна като Right{1}}Of-Way (ROW). Мислете за това като за законно защитен път за безопасност и достъп, който комуналната компания поддържа. Важно е електрическата мрежа да работи добре и хората да са в безопасност, като се уверите, че къщите и другите сгради са достатъчно далеч от опасност.

Почистването на дървета в близост до електропроводите предотвратява най-вече опасни ситуации. Ако голямо дърво расте твърде близо, електричеството може да скочи до него, което може да причини прекъсване на захранването или да предизвика горски пожар. По време на буря падащ клон на дърво може да прекъсне линия, оставяйки хиляди без ток. Като пазят този коридор свободен от високи-растящи растения, комуналните услуги предотвратяват тези предвидими и опасни инциденти. Не става въпрос само за избягване на природата; това е жизненоважен начин за придвижване на работниците. Когато кула или линия изисква инспекция или ремонт, работниците трябва да имат свободен път, за да стигнат до местоположението с помощта на големи камиони и тежко оборудване. Право--на пътя гарантира, че можете да преминете. Всичко това повдига логичен въпрос: ако те се нуждаят от толкова много място на повърхността, тогава защо просто не поставим всички електропроводи под земята?

Най-простият отговор е цената. Заравянето на местни, квартални разпределителни линии е обичайно, но заравянето на масивните-високоволтови преносни линии не е никак малко постижение. Специализирани кабели, много изкопни канали, необходими са сложни системи за охлаждане, така че поставянето на тези линии под земята струва 5-10 пъти повече от правенето на големи кули във въздуха за проект, обхващащ стотици мили, което означава, че разликата се добавя към милиарди долари и тези допълнителни разходи в крайна сметка ще бъдат платени от хората, които използват електричество.

Освен тази първа цена, подземните линии имат труден избор между това да бъдат надеждни и лесни за ремонт. Ползите са очевидни, те са защитени от вятър, лед и падащи дървета и запазват хубавата гледка. Но когато нещо се обърка, намирането и поправянето му е огромна болка. Повреда на въздушна линия обикновено може да бъде видяна от хеликоптер в рамките на часове. Подобна повреда в заровен кабел би отнела дни, ако не и седмици, копаене и тестване, за да се намери и поправи, причинявайки много по-дълги прекъсвания. Но технологията променя това изчисление. Нов метод, известен като предаване на постоянен ток с високо напрежение (HVDC), прави по-възможни подземни и подводни проекти на дълги разстояния. За разлика от обикновения променлив ток (AC), използван от повечето части на мрежата, HVDC линиите работят по-добре за много дълги разстояния и могат да бъдат поставени под земята или под вода по-лесно. И ето как тези масивни офшорни вятърни паркове се свързват със сушата чрез кабели, които лежат на морското дъно, което може да означава, че повече от нашите електрически мрежи може един ден просто да изчезнат от погледа.

Мълчаливите стоманени гиганти, които сте виждали през целия си живот, вече не са мистерия. Заплетената бъркотия от метал и жици, която преди ви озадачаваше, стана ясна, тъй като сега можете да видите красивия дизайн в действие: здравата решетъчна рамка, удължаващите се рамена, които държат линиите разделени, и важните стъклени изолатори, предпазващи потока на електричество.

Следващият път, когато тръгнете на шофиране, можете да разпознаете различните форми на кулата и да видите дължината на изолаторните струни, което показва нивото на напрежение на линията. Всяка кула е видима връзка в невидима система, физическа част от огромното предизвикателство за транспортиране на енергия в цялата страна. Това са нещо повече от стомана, това са работните коне на нашия модерен свят. Всеки път, когато включите превключвател за светлина, ще изпитвате ново уважение към удивителното пътуване, през което електричеството преминава от далечна електроцентрала, през тези високи жици и право до ръката ви.