Prijenosni tornjevi: okosnica energetskih mreža

Vidjeli ste ih tisuću puta tijekom svojih putovanja kako marširaju preko brda i stražare na praznim poljima. Ti tihi čelični divovi koje često nazivamo električnim stupovima među najvidljivijima su, ali i najzanemarenijim građevinama u našoj okolici. Ali njihov je posao puno veći i zanimljiviji od pukog održavanja hrpe žica.

Zamislite te prijenosne tornjeve kao međudržavne ceste za našu električnu energiju. Imaju jedan glavni posao: prenijeti ogromne količine energije na stvarno velike udaljenosti, od mjesta gdje se električna energija proizvodi u velikim elektranama pa sve do manjih mreža koje je dovode do vaše kuće ili ureda. Bez takve okosnice s velikim kapacitetom, naš moderni svijet ne bi funkcionirao.

Važno je jer znači da su dizajnirani namjerno i tjera vas da se zapitate o stvarima o kojima ste vjerojatno već razmišljali. Inženjeri imaju veliki problem: Kako pokrenuti svu tu energiju, a da pritom ne izgubite veći dio? A ovaj odgovor će objasniti zašto su tornjevi tako visoki, zašto su žice tako udaljene i što rade one staklene stvari koje vise sa strana tornjeva. Gledajući logiku iza njih, shvatit ćete nevidljivo putovanje koje električna energija prolazi svaki dan. Otkrit ćemo tajne skrivene unutar poznatih silueta o tome zašto imaju tako posebne oblike i zašto ptice mogu sigurno sjediti na njima. Nećete vidjeti samo toranj, vidjet ćete kičmu našeg električnog svijeta.

Vidjeli ste ih kako marširaju preko polja i autocesta, ali znate li čemu služe prijenosni tornjevi? Prilično su jednostavni: samo drže velike, super-snažne električne vodove svojom posebnom vrstom vješalice za odjeću. Toranj sam po sebi nije električna komponenta; sve što treba učiniti je biti dovoljno snažan i visok da drži teške-žice visokog napona i izvan dohvata ljudi, drveća i zgrada na tlu. Pravi, nevidljivi heroj ovog sustava je zrak. Podižući dalekovode tako visoko, toranj čini ogroman, zaštitni zračni jastuk između žice i zemlje. Zrak je izvrstan prirodni izolator što znači da sprječava da elektricitet preskoči mjesta gdje mu nije mjesto. Posao tornja je samo čuvanje tog sigurnog prostora zraka. Bez te pažljivo kontrolirane udaljenosti, ogromna snaga u tim linijama ne bi imala problema pronaći opasan prečac do Zemlje.

Ako struja ide u vašu zidnu utičnicu, zašto je onda ne biste tamo poslali izravno na taj siguran, niski napon iz elektrane? Zamislite to kao pokušaj premještanja vode na veliku udaljenost. Normalno vrtno crijevo s malim pritiskom ne bi dobro funkcioniralo jer bi se usput izgubilo previše vode. Da biste učinkovito premjestili mnogo vode, trebali biste koristiti nešto s velikim pritiskom, možda čak i cijev. Električna energija je također slična, potrebna joj je neka vrsta "pritiska" da stigne daleko a da ne izgubi snagu.

A taj električni tlak se zovenapon. Podizanje električne energije na vrlo visok napon omogućuje elektroprivrednim tvrtkama slanje ogromnih količina energije stotinama milja bez puno gubitka energije. I to je tajna prijenosa električne energije. Kad bi ga pokušali poslati pomoću niskog napona koji koristi vaša kuća, tada bi se gotovo sva energija usput izgubila kao toplina, čineći električne vodove najdužim i najbeskorisnijim tosterom na svijetu. Zato dalekovodni stupovi moraju biti tako visoki i impozantni. Budući da je struja na žicama tako visokog napona, preopasno je biti u blizini ljudi ili zgrada. Visina tornja daje potreban sigurnosni jastuk, držeći tu ogromnu snagu sigurno visoko u zraku. I, naravno, taj moćni elektricitet treba "spustiti" na upotrebljivu razinu, što nas dovodi do sljedećeg dijela slagalice.

Ne možete samo uključiti ili isključiti "pritisak" struje poput slavine. Tu važnu zadaću obavlja nešto što se zove transformator. Zamislite transformator kao prijenosnik električne mreže. Automobil mijenja brzine kako bi kontrolirao snagu i brzinu, a transformator radi istu stvar s strujom prebacujući je s visokog na niski napon tako da se može koristiti i za duga i za kratka putovanja.

Odmah nakon što se proizvede električna energija, ona ide u nešto što se zove "-upravni" transformator u elektrani. Ova stvar povećava napon, pripremajući ga za njegovo veliko putovanje po zemlji na dalekovodima između tornjeva. To je kao da auto ubacite u visoku brzinu prije odlaska na dugo putovanje kako bi mogao putovati daleko bez previše potrošnje goriva. Bez ovih energetskih transformatora ne bi bilo prijenosa visokog{4}}napona. A kada se dalekovodi približe našim gradovima, struja odlazi u susjedne trafostanice. U ovom slučaju, transformatori "-niže" rade suprotan posao; oni smanjuju ekstremno visok napon na mnogo niži, siguran napon za tvrtke i kuće. Prijenosna podstanica posljednja je 'niža-smjena' koja snagu čini korisnom za vaš svakodnevni život. Napon je sada kontroliran, prijeđimo na strukture koje nose vodove.

Iako se ovo može činiti kao zamršena metalna zbrka, prijenosni tornjevi zapravo su vrlo elegantni. Glavno tijelo je arešetkasti toranj, koji koristi isprepleteni uzorak greda kako bi mu dao nevjerojatnu snagu i otpornost na vjetar koristeći najmanju moguću količinu materijala. To je kostur, samo je visok i dovoljno jak da izdrži teške dijelove i izdrži vremenske uvjete. To je inženjerski pothvat učinkovitosti, napravljen da bude čvrst, ali ipak donekle lagan.

Iz skeleta vire kule duge ruke tzvkrižnice. Njihov je posao lak, ali vitalan: držite te jake električne vodove podalje jedne od drugih i od tornja. Napon je toliko visok da struja može "preskočiti" iznenađujuće veliku udaljenost kroz zrak. Poprečne poluge rade kao odstojnici, pazeći da postoji siguran zračni prostor između žica tako da struja ne luči (skače) s jedne žice na drugu, što bi moglo stvoriti veliki, opasni kratki spoj.

Na kraju, same žice. U industriji ih se ne naziva jednostavno žicama, već i jesudirigenti. Obično su izrađene od aluminija, koji dobro provodi elektricitet, a također je vrlo lagan, omotan oko čelične jezgre koja konaku daje snagu. Ova kombinacija dobro funkcionira za prelazak na velike udaljenosti bez previše progiba. Ali onda dolazimo do velikog pitanja: ako svi ti vodiči nose struju, a toranj je napravljen od metala, kako to da struja ne pada ravno u zemlju? I tada dolazi ono najvažnije na što često zaboravljate.

To su niti staklenih ili keramičkih diskova koje ste možda primijetili kako vise s krakova tornja. Oni su izolatori i obavljaju jedan od najvažnijih sigurnosnih zadataka u cijeloj električnoj mreži. Zamislite ih kao gumenu prevlaku na kabelu za napajanje u vašem domu, napravljeni su da zaustave električnu energiju. Visokonaponski vodič je spojen na dno izolatorskog niza, a gornji kraj je spojen na toranj. I čini neku vrstu ne-električne barijere tako da sva ta snaga u liniji nikada ne može doći do metalnog tornja i sići u zemlju.

Ova važna uloga omogućena je činjenicom da materijali poput stakla i porculana slabo provode struju. Za struju koja teče kroz vodič, izolator je jednostavno slijepa ulica. Pred tom preprekom struja nema drugog puta nego nastaviti svojim planiranim putem niz žicu. Bez ovih jednostavnih, ali učinkovitih izolatora, svaki prijenosni stup bi se pretvorio u ogromnu, naelektriziranu opasnost, uzrokujući kratki spoj u cijelom sustavu. Evo nešto cool što možete potražiti na svom sljedećem putovanju: koliko je dugačak izolatorski konopac govori vam o tome koliku snagu ima vod. Viši naponi imaju veću sposobnost "skakanja" preko praznine, pa im je potrebno više odvajanja da bi bili sigurno ograničeni. Vod sa 765 000 volti može trebati dugačak niz od trideset ili više diskova, dok bi vod od 138 000 volti trebao samo osam ili deset. Stoga, što je duži niz izolatora, to je jači elektricitet koji zadržava.

Kada primijetite prijenosne tornjeve, vidjet ćete da imaju različite oblike. Neki su raširene čelične mreže, neki su uredni i jednostavni stupovi. Ova vrsta razlike nije samo u izgledu, već u praktičnom odabiru između dva primarna tipa. Klasični, križni je arešetkasti toranj. Njegov vitkiji rođak, koji se često vidi uz autoceste, nosi ime amonopolni pilon. Zašto izgledaju tako drugačije? Obično je to zato što je netko morao odlučiti hoće li potrošiti više novca ili iskoristiti više prostora na terenu.

Rešetkasti tornjevi su radni konji industrije zbog svoje nevjerojatne snage i pristupačnosti, izrađeni od brojnih malih, nagnutih komada čelika. Imaju strukturu-poput mreže koja je čvrsta i izdržljiva, ali ima jedan veliki nedostatak – zauzima veliku količinu zemlje. Četiri noge široko ispružene, potrebno im je puno prostora na tlu, tako da obično imaju dugačak, prazan put koji se zove prava--puta. To ih čini prikladnima za otvoreno područje s puno zemlje. Nasuprot tome, monopolni stup odgovor je za uska mjesta. Skuplji je za konstrukciju i postavljanje, ali ima mali otisak. Jedan stup zauzima puno manje prostora nego rešetkasti stup, zbog čega je pogodan za prenapučena prigradska područja ili uz autoceste gdje nema dovoljno mjesta za veliki rešetkasti stup. Hoćemo li odabrati rešetkasti toranj ili monopolni pilon ovisi o okolišu, a kakav ćemo toranj koristiti samo je praktičan odgovor na raspoloživi prostor.

Ti čelični tornjevi koji marširaju krajolikom najočitiji su dijelovi ogromnog, povezanog-električnog sustava. Zamislite ih kao međudržavne ceste na nacionalnoj mreži autocesta za električnu energiju. Ali baš kao što ne možete odvesti automobil ravno iz tvornice do vašeg prilaza bez korištenja lokalnih cesta, električna energija mora slijediti sličan-put od više koraka do vašeg doma.

Počinje u elektrani koja proizvodi električnu energiju. Da bi otišao na svoje dugo putovanje, snaga se pojačava (ili "pojačava") pomoću velikih strojeva zvanih transformatori na vrlo visoki napon. To je slično podizanju tlaka vode tako da veliki volumen može teći kroz cijev s manje izgubljene energije. Prijenosni tornjevi prenose te-vodove visokog napona stotinama milja, čineći glavni dio mreže.

I na kraju, mora sići s autoceste. A to je ono što prijenosna podstanica radi – one velike ograđene-na mjestima sa svim transformatorima i opremom koje ste možda primijetili u blizini gradova. Ovdje se električna energija visokog{3}}napona "spušta" u mnogo niži, sigurniji napon. To je ključna veza između daleko-električne mreže i električne mreže lokalne zajednice. Iz trafostanice, struja niskog{7}}napona ide kroz manje, poznatije dalekovode koji su obično obješeni na drvene stupove duž gradskih ulica. Ovi vodovi prenose struju do posljednjeg transformatora u blizini vaše kuće, koji još jednom snižava napon prije nego što uđe u vaš dom i stigne do vaše zidne utičnice, čekajući da bude korišten. Ova ogromna količina energije koja se kreće okolo nije uvijek potpuno tiha, pa zato ponekad možete čuti čudne zvukove.

Ako ste već bili blizu velikog prijenosnog tornja, možda ste čuli nekakvo zujanje ili pucketanje. Ovaj zvuk ne označava nikakvu opasnost, to je jednostavno poznata i normalna pojava poznata kao korona pražnjenje. To je zvuk sve te moćne struje na liniji u interakciji sa svim onim molekulama zraka oko nje. Možda se čini kao greška, ali zapravo je malo, očekivano curenje energije koje se događa s vrlo visokim naponima.

Zamislite ogroman električni "pritisak" u tim vodovima. Toliko je snažan da može učiniti da čestice zraka tik uz žicu postanu električki nabijene ili ionizirane. Ovo je nešto poput male, stalne iskre, a svi ti sitni udarci zajedno stvaraju zujanje koje čujete. Donekle je sličan pucketanju statičkog elektriciteta iz kvake, osim što se događa kontinuirano u velikim razmjerima. Također možete primijetiti da je zvuk glasniji tijekom vlažnog, maglovitog ili kišnog vremena. Budući da vlažan zrak ima više kapljica vode, a voda pruža malo lakši put za struju da napaja zrak u blizini vodiča. Time je efekt korone jači, pa su zujanje i pucketanje uočljiviji. Dakle, ovo jako električno polje utječe na zrak dok prolazi kroz njega, ali što se događa ako nešto drugo dodirne žicu?

To je klasična, zbunjujuća scena: ptičica može sjediti na golemom dalekovodu visokog-napona, a da joj se ne nakostriješi nijedno pero. A odgovor je zapravo vrlo jednostavan, a sve se svodi na jedno osnovno načelo elektriciteta. Električna energija mora negdje ići da bi došlo do prekida, a to znači da treba imati cijeli put koji treba slijediti - električni krug. Mora se pomaknuti s mjesta s puno energije na mjesto s manje energije.

Ptica koja sleti na jednu žicu imat će svoje tijelo i žicu na istom visokom električnom potencijalu. Budući da ptica ne dolazi u kontakt s uzemljenjem ili drugom žicom koja nosi drugačiji napon, ne postoji put kojim bi struja mogla teći kroz pticu. Struja na pticu gleda kao na slijepu ulicu i ide puno lakšim putem, visoko vodljivom metalnom žicom. Ptica je sigurna jer nije dio strujnog kruga. Osoba na zemlji ipak stvara opasnu situaciju. Kad biste dodirnuli tu istu žicu, vaše bi tijelo bilo dio koji nedostaje. Električna energija bi odmah pronašla novi put od vodova visokog-napona, kroz vas i u zemlju. Vaše tijelo dovršava krug i dopušta ogromnoj, smrtonosnoj količini energije da prođe kroz njega. Zato je držanje podalje od palih dalekovoda toliko važno; ne želite postati dio puta električne energije.

Jedno od najčešćih pitanja koje ljudi postavljaju u vezi s dalekovodnim stupovima je predstavlja li opasnost po zdravlje ako živite u blizini dalekovoda. Brine ih elektromagnetsko polje (EMF) – nevidljiva sila energije koju stvaraju svi električni uređaji, uključujući dalekovode.

Da bismo upoznali opasnost, trebamo znati da nisu sva zračenja jednaka. Razmislite o bacanju loptice: lagano bacanje teniske loptice je bezopasno, ali bejzbolska loptica bačena brzinom od 100 milja na sat može biti opasna. Isto tako, postoje dvije osnovne vrste zračenja. Visoko-energetsko, ionizirajuće zračenje poput x-zraka ima dovoljno energije da uzrokuje štetu stanicama. Ali energija iz električnih vodova vrlo je niske frekvencije i stoga spada u kategoriju ne-ionizirajućeg djelovanja, u koju također spadaju elektromagnetna polja iz vaših kućnih žica i uređaja.

Nakon mnogo godina bavljenja brojnim znanstvenim radom, velike zdravstvene grupe diljem svijeta nisu otkrile da blizina elektromagnetskih polja dalekovoda može uzrokovati da se ljudi razbole od stvari poput raka. Neka ranija istraživanja pokazala su malu povezanost, ali većina onoga što znamo ne pokazuje da one ikome štete. Također, snaga elektromagnetskog polja postaje mnogo manja što se više udaljavate od njega. Polje je puno slabije 50 stopa dalje nego točno ispod crte, a još je slabije unutar kuće. Ovo načelo držanja sigurnog razmaka jedan je od razloga zašto vidite velike, otvorene površine zemlje oko dalekovodnih tornjeva.

Ove velike, čiste trake zemlje koje idu uz prijenosne tornjeve nisu samo prazni prostori, oni imaju posebno ime i namjenu. Ovo je područje poznato kao prava-od-puta (ROW). Zamislite to kao zakonski zaštićenu sigurnosnu i pristupnu stazu koju komunalno poduzeće održava. Važno je za dobro funkcioniranje električne mreže i sigurnost ljudi, osiguravanje da su kuće i druge zgrade dovoljno udaljene od opasnosti.

Krčenje stabala u blizini dalekovoda uglavnom sprječava opasne situacije. Ako veliko stablo raste preblizu, struja bi mogla preskočiti do njega, što bi moglo uzrokovati nestanak struje ili izazvati šumski požar. Tijekom oluje, grana drveća koja pada može presjeći vod, ostavljajući tisuće bez struje. Održavajući ovaj koridor slobodnim od visokih-rastućih biljaka, komunalna poduzeća sprječavaju dolazak tih predvidljivih i opasnih incidenata. Ne radi se samo o izbjegavanju prirode; to je vitalni način kretanja radnika. Kada toranj ili vod zahtijevaju inspekciju ili popravak, radnici moraju imati slobodan put da dođu do lokacije koristeći velike kamione i tešku opremu. Pravo--puta osigurava da možete proći. Sve to dovodi do logičnog pitanja: ako im treba toliko prostora na površini, zašto onda jednostavno ne stavimo sve dalekovode pod zemlju?

Najjednostavniji odgovor je cijena. Ukopavanje lokalnih distribucijskih vodova u susjedstvu je uobičajeno, ali ukopavanje masivnih-naponskih dalekovoda nije mali podvig. Specijalizirani kabeli, puno kopanja rovova, potrebni su komplicirani sustavi hlađenja, tako da postavljanje tih vodova pod zemlju košta 5-10 puta više nego izrada velikih tornjeva u zraku za projekt koji pokriva stotine milja, što znači da se razlika povećava na milijarde dolara i da će taj dodatni trošak na kraju platiti ljudi koji koriste električnu energiju.

Osim tog prvog troška, ​​podzemne linije imaju težak izbor između toga da budu pouzdane i lako ih je popraviti. Prednosti su očite, sigurni su od vjetra, leda i pada drveća, a čuvaju i lijep pogled. Ali kada nešto krene po zlu, pronaći i popraviti to je velika muka. Kvar na nadzemnom vodu obično se može vidjeti helikopterom u roku od nekoliko sati. Za sličan kvar u ukopanom kabelu bili bi potrebni dani, ako ne i tjedni, kopanja i testiranja da se pronađe i popravi, što bi uzrokovalo mnogo dulje prekide. Ali tehnologija mijenja tu računicu. Nova metoda poznata kao prijenos istosmjernom strujom visokog napona (HVDC) čini projekte pod zemljom i pod morem na velikim udaljenostima mogućima. Za razliku od redovne izmjenične struje (AC) koja se koristi u većini dijelova mreže, HVDC vodovi rade bolje na vrlo velikim udaljenostima i mogu se lakše staviti pod zemlju ili pod vodu. I ovo je način na koji se te ogromne pučinske vjetroelektrane povezuju s kopnom preko kabela koji leže na morskom dnu, što bi moglo značiti da bi više naših energetskih mreža jednog dana jednostavno nestalo iz vidokruga.

Tihi, čelični divovi koje ste viđali cijeli život više nisu misterij. Zapetljana zbrka metala i žica koja vas je prije zbunjivala postala je jasna jer sada možete vidjeti prekrasan dizajn na djelu: čvrsti rešetkasti okvir, produžene poprečne poluge koje drže vodove odvojene i važne staklene izolatore koji štite protok električne energije.

Kad sljedeći put krenete u vožnju, možete prepoznati različite oblike tornjeva i vidjeti duljinu izolacijskih žica, što pokazuje naponsku razinu voda. Svaki je toranj vidljiva poveznica u nevidljivom sustavu, fizički dio golemog izazova prijenosa energije diljem zemlje. Ovo su više od običnog čelika, ovo su radni konji našeg modernog svijeta. Svaki put kada uključite prekidač za svjetlo, imat ćete novo poštovanje prema nevjerojatnom putu koji električna energija prolazi iz daleke elektrane, preko onih visokih žica, i ravno do vaše ruke.