Почему воздушные линии электропередачи провисают на опорах и переходных башнях?

Вы, возможно, заметили, что линии электропередачи, подвешенные на электрических опорах, провисают. Возможно, вас удивило, почему провода не закреплены на опорах жестко?

Давайте выясним, почему линии электропередачи провисают на электрических опорах и зачем необходим провис (саг) в распределительных и линиях электропередачи. Но прежде чем мы углубимся в этот вопрос, рассмотрим несколько важных моментов, которые помогут нам лучше понять тему.

Передача мощности

Мощность — это скорость выполнения работы. Работа выполняется, когда электрическая энергия проходит определённое расстояние. Из этого можно сделать вывод, что мощность — это количество энергии, передаваемое за единицу времени. Электричество может передаваться на большие расстояния по линиям электропередачи, которые служат средой для такой передачи.

Активная мощность обычно измеряется в ваттах. При передаче электроэнергии предпочтительным является высоковольтный способ передачи для экономии энергии. Электрический ток выделяет тепло, что может быть вредным, поскольку приводит к износу и выходу из строя электролиний. Чтобы сохранить передаваемую мощность, следует минимизировать величину электрического тока — источника тепловыделения и причины износа линий, — одновременно увеличивая напряжение. Такой подход называется передачей электроэнергии при высоком напряжении.

Проводимость и связь

При передаче электроэнергии часть её теряется в окружающую среду, поскольку линии электропередачи не являются идеально изолированными. Согласно закону Ома, сопротивление (R) прямо пропорционально длине проводника (L): следовательно, с увеличением длины проводника его сопротивление также возрастает. Воздух плохо проводит электрический ток и поэтому не способен эффективно рассеивать тепло, выделяемое электролиниями.

Именно поэтому электрические линии проектируются с увеличенным диаметром, что, в свою очередь, снижает их сопротивление протеканию электрического тока. Сопротивление (R) обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника: чем больше диаметр проводника, тем ниже его сопротивление, и наоборот.

Электрические провода и кабели

Электрические кабели и провода являются проводниками, в основном выполненными из медных жил, по которым передаётся электрический ток. Однако эти провода состоят не исключительно из меди. Для придания необходимых механических свойств проводники легируются другим элементом. Проводимость проводника при добавлении этого элемента не изменяется. Вместо этого указанный элемент улучшает механические свойства меди, не оказывая влияния на её электропроводность.

Закон Джоуля–Ленца об электрическом нагреве

Чистого металла не существует. Степень чистоты любого металла никогда не достигает 100 %, и поэтому у всех металлов имеется внутреннее сопротивление. Энергия, затрачиваемая или выделяемая в виде тепла при протекании тока через проводник, рассчитывается по закону Джоуля — Ленца о тепловом действии электрического тока следующим образом:

• P = VI·t
• P = I ²R·t.

Другие формы закона Джоуля

• P = I²·R·t
• P = VI·t … (R = V/I)
• P = W·t … (P = W = VI)
• P = V²·t/R …. (I = V/R) с использованием закона Ома

Как видно из приведённого выше уравнения, количество выделяемого тепла (P) пропорционально сопротивлению R, времени t и квадрату силы тока I². При протекании электрического тока через проводник часть электрической энергии рассеивается в окружающую среду в виде тепла при преодолении сопротивления, которое выступает в качестве барьера для дрейфующих электронов.

Влияние погоды и температуры на электрические линии

Сопротивление проводника возрастает с повышением температуры. Это происходит потому, что при росте температуры проводника электроны в нём получают больше энергии и начинают двигаться хаотично, сталкиваясь с другими атомами, что в конечном итоге приводит к выделению тепла.

Избыточное тепло, выделяемое проводником, может привести к его плавлению. В жаркую погоду провода становятся более провисающими из-за расширения проводника, тогда как в холодную погоду провода сжимаются.

Натяжение в линиях

Натяжение — это сила, возникающая в тросе или проводе при действии на него двух противоположно направленных сил. Таким образом, провод, подвешенный на опоре, находится под действием натяжения; если же провод натянуть сильнее, натяжение возрастёт, что может привести к его обрыву даже при незначительном сжатии или расширении.

Почему в линиях электропередачи и распределения необходим провис?

Прогиб линий электропередачи — это направленное вниз провисание или кривизна кабелей между опорными конструкциями (столбами или башнями), вызванное действием силы тяжести. Он возникает естественным образом вследствие веса провода и приложенного к нему натяжения.

При передаче и распределении электроэнергии по длинным проводам происходит рассеивание тепла. Выделение тепла проводником минимизируется за счёт передачи энергии при высоком напряжении. Погодные условия и внутренняя температура провода требуют оставлять линии проводов несколько ослабленными.

Если бы линии электропередачи были натянуты чрезмерно, а затем наступило бы похолодание, это привело бы к сокращению длины проводов и, как следствие, к увеличению натяжения в них, что могло бы вызвать повреждение. Поэтому провода намеренно оставляют ослабленными, чтобы даже при их сокращении не возникало чрезмерного натяжения, способного привести к повреждению проводов и кабелей.

Прогиб является обязательным для проводов линий электропередачи, чтобы предотвратить перегрев и снизить механическое напряжение. Он обеспечивает безопасность, надёжность и долговечность системы электропередачи. Прогиб играет ключевую роль в поддержании правильной работы системы, а также в предотвращении аварий и повреждений.