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有关远档距高压输电铁塔的改造设计及建议

文章来源:本站原创 发布时间:2012年07月09日 点击数: 字体:

作者:颜哲锟 王佳超

                          指导老师:金可泽 马佳凯

26届省科技创新大赛科技创新项目二等奖

19世纪70 年代,电的发明和应用掀开了第二次工业文明。从此,科技改变着人们的生活。20世纪出现的大规模电力系统是人类工程科学史上最重要的成就,它是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电力生产与消费系统。它把自然界的一次或多次能源转化成电力,经输电、变电和配电将电力供应给用户。

今天,随着社会的发展与现代科学技术的普及,人们的生活水平随之提高,我们的生活越来越离不开电,每个城市的用电量都大幅度提升。

在中国这个自然能源产地、发电地与用电地不协调、不均衡的国家,远程(跨航道、道路)大规模(高压、特高压)输电也成为了必然。

——高速公路,高速铁路,下一个高速路就是特高压输电网

 

一、问题的提出

输电铁塔是再平常不过的工程了,只要有输电线路,就会建造许许多多的输电铁塔。在舟山这个美丽的群岛城市,也少不了这电力输送中的重要工程。201071220千伏舟山与大陆联网工程正式投运。工程建设了宁波凉帽山和舟山大猫山高370颇为壮观的全球最高输电双子塔。

20108月,我们外出旅游,为实地考察这一电塔工程,就再次乘上了在舟山跨海大桥试通车后日渐被人们淡忘的曾经繁忙的“舟山蓝色公路”上航行的轮渡。当轮渡航行至宁波—舟山港的主航道——螺头水道时,轮渡东南方向便出现了两基输电铁塔,这正是220千伏舟山与大陆联网工程中的舟山大猫山和宁波凉帽山高370的世界最高输电铁塔。这两基跨越塔高370、重5999吨,为世界第一;大跨越耐张段长6215,为世界之最;最大档距2756,为亚洲第一。

两基输电铁塔下的螺头水道是国际航道。恰巧,我们遇到了一艘船名为“CAROLINA STAR”的外籍集装箱轮。而此时,正是涨潮至水位最高的时刻,而且正值酷暑,输电线路由于热胀冷缩的缘故也下垂到了最低点。幸运的是,细心的船长看到前方垂在空的弧线,果断地向右方行驶改变了航行方向,避免了轮船进入220千伏高压危险区域可能发生的意外。


其实,这艘集装箱轮的船高并不高,而且吃水也恰好,若这位船长当时没有向右方行驶,也不会触碰到距水面将近70的输电线。但是,这并非一般的输电线,这是220千伏高压输电线。在电的安全中明确地指明过:“不触碰低压电,不接近高压电。”所以,这位船长的做法完全正确,保障了轮船在220千伏高压危险区域外安全行驶

根据设计,通航高度为70.5,最高通航潮位3.2,导线最低点高程81.7。而根据相关资料,目前世界上最大的集装箱船是马士基公司的“伊夫林·马士基”轮,船长397.7,宽56.4,船高76.5 2007年5月9, “伊夫林·马士基”轮将其处女航落户宁波港,标志着世界最大的班轮公司A.P.穆勒---马士基集团与世界集装箱运输发展最为迅速的港口之一的宁波港的合作迈向了一个新的高度。但同时也存在另外一问题,即假设当这艘经常通行于螺头水道的庞大的“伊夫林·马士基”轮在某个高潮位的夏天(高温天气)通过这一国际航道时,轮船的最高点与220千伏高压电线之间的距离根据公式:

轮船与导线最低点间距离=导线最低点高程-最高通航潮位-船高,

=81.5-3.2-76.5

=1.7

参考220千伏安全距离:水平距离5,垂直距离6

显然,在此特殊情况之时轮船与导线最低点间距离已经远小于220千伏安全距离,或许会发生一些不安全事故。

而如今,越来越多的输电铁塔立起来,电压越来越高,其安全距离会越来越大;轮船中的巨无霸——集装箱轮越来越先进,船高也越来越高。但是,原先的输电铁塔上的高压输电线下垂的最低点却不会随着船高、水平面高度等其他因素的改变而改变。如果遇到特殊情况,轮船钩到了高压输电线或者高压输电线影响到轮船,这将影响成千上万人及多个城市的用电和轮船上船员的生命安全。

所以,这个严峻的问题必将会随着时间的推移显露出来,且具有一定的普遍性。因此,我们认为有研究的必要和意义。

 

三、我的设计思路

我们觉得应该想个办法,加个装置把通过输电铁塔上导线的有效长度减短,并能够在输电线路发生热胀冷缩效应,在输电线路的有效长度增加或缩短时及时进行自动或半自动化的调整,并且不影响用户的用电。

于是,我们通过查阅电力方面的相关书籍、网络、电力部门及实地考察,得到了《220千伏舟山与大陆联网工程——舟山大猫山宁波凉帽山370输电铁塔和宁波201米海上高塔及输电线路至海平面平均高度示意图》(下图)以及许多实地照片(另附图)。

 

 

 

 


最后,我们根据这一构想,经过多方的努力与合作,运用我们现有的知识,到电力部门与有关人员进行讨论并通过查阅电力方面的相关书籍、网络,参考第一代的研究成果,我们大量运用电磁铁、半导体等高科技产品,略微参考磁悬浮列车的有关实验与成果,设计了“高压铁塔输电线路长短控制仪”。我们经过商量与讨论,最终决定将控制仪制成与电塔相适应、相协调的类似于长方体的六面体。

我们设立本项目的研究目的是设计一个能调节两基高塔间输电线路有效长度的控制仪器,并能够在输电线路发生热胀冷缩效应输电线路有效长度增加或缩短时及时进行自动或半自动式的调节,可以在一定范围内控制输电线路有效长度至无法拉跨输电铁塔之内,并且不影响用户的用电。基本思路是在原有的高压输电铁塔骨架的基础上加装某种装置,使它具有控制输电线路有效长度电的作用。 

 

 

 

四、设计图

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

三、仪器简介

高压铁塔输电线路长短控制仪,基于现行高压输电铁塔骨架,对骨架进行稍许变化,并置放于其中。

冬天,输电线路由于热胀冷缩的缘故变短,输电线路下垂达到最高点。此时,中间的2块非固定导电时磁力可变的磁铁,可以在一定范围内控制两基输电铁塔间输电线路有效长度至无法拉跨输电铁塔之内。

夏天,输电线路由于热胀冷缩的缘故变长,输电线路下垂达到最低点,与水平面很近。因此,这个时候高压铁塔输电线路长短控制仪才真正发挥其根本意义上的作用。此时,中间的2块非固定导电时磁力可变的磁铁,可以在一定范围内控制两基输电铁塔间输电线路有效长度至无法拉跨输电铁塔之内。

参考PTC热敏电阻的电阻-温度特性实验公式:

  RT=RT0 expBpT-T0

  热敏电阻式中RTRT0表示温度为TT0时电阻值,Bp为该种材料的材料常数。

温度升高,具有正温度系数(PTC)的热敏电阻阻值呈指数关系增大,输出电压始终保持不变,电流通过元件后,电阻中的杂质产生的电子散射随温度上升而增加,从而电阻增加,引起温度升高,即发热体的温度上升,当超过居里点温度后,电阻增加,从而限制电流增加,控制该电路中通过电流逐渐变小,电路中的磁铁排斥间距随之减小,从根本上缓慢地将输电线路随磁铁组总高度的下降而下拉,使两基输电铁塔间输电线路的有效长度在本质上缩短,增大输电线路下垂与水平面的有效距离,保障下方航船等可导电物体与输电线路保持在安全距离之内,从根本上保障人身安全和财产安全。(具体数据随各输电铁塔的型号、高度、地理位置、日温差等水文条件变化而变化)

最外层磁铁用来保障中部几块磁铁顺利提升或下降高度,电路不接入中部电路,另设独立电路、独立太阳能板、独立固定电阻,防止外部磁铁如中部磁铁一样在PTC热敏电阻的控制下外部磁铁组间距随温度变化而变化,利用独立固定电阻固定间距。

由于太阳能板吸收太阳能,由转换器将太阳能转换为电能并存储到蓄电池。蓄电池接入电路,输出电流,电路形成。但是,磁铁是导电的,而输电铁塔骨架也是导电的。

因此我们为了安全起见,在最外层磁铁与输电铁塔骨架相接处安装上若干个有效绝缘点,保障电流不会贯穿输电铁塔骨架。

以上便是高压铁塔输电线路长短控制仪的主要控制方式及作用。

 

四、效果与效益

这一发明应用“加一加”的方法,在原有输电铁塔的骨架上加装一个控制仪,创造性地提出运用机电设备适当地收缩线路以提升线路高度,提高输电线下的通行性。仪器通过电磁铁组来控制输电线路有效长度,特别是夏天可以有效提升线路下垂最低点,增大线路与海平面之间距离,改善海面大型船舶的通过性。设计方案具有较强的科学性。

经查,目前暂无相关同类研究项目在公开资料或网络发表(未查下载需收费类论文),提出的方案不一定能用于实际,但这一解决问题的思路无疑具有相当的先进性。如能将该设备研制改进并用于实际,定能实现相应的效果,达成提高通过性的目的,是一项投入少,效益高的项目。

这一装置的应用,能使高压铁塔输电线路的有效长度减短,并降低了输电铁塔的高度和输电线路的长度。从而,从跟本上降低了用铁量。同时减少了生产钢铁、输电线时的用电量、用水量以及碳和二氧化硫的排放量,符合国家、全球节能减排的大局要求;可节约建造输电铁塔的资金,大大缩短高压输电铁塔的周期,能在更短的时间内向缺电地区输送电力,具有巨大的经济效益。

舟山群岛新区已经设立,意味着舟山进入一个崭新的挑战阶段。在舟山群岛新区如火如荼的建设中,无意将加大用电量,这将会有数量更多的高压输电铁塔立起来,其输电线路的电压也将越来越大,安全距离也将越来越远。当高压输电铁塔的建设速度不及社会建设之时,我们的这一装置将会得到普遍的关注以及更多科研机构的参与,将使得高压铁塔输电线路长短控制仪运用于实际生活变为可能。

本高压铁塔输电线路长短控制仪基于二代改进,实验多次,解决问题诸多,或许仍有问题,但我们依旧在努力,依旧在改进。我们坚信高压铁塔输电线路长短控制仪(二代)能用在实际生活中,更加相信高压铁塔输电线路长短控制仪(三代)会做得更好,更优秀。

 

 


五、附图

 


 

 

注:本研究项目被评为第26届省青少年科技创新大赛科技创新项目省二等奖

 

 

 

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