مزاياي هاديهاي آلومينيوم آلياژي نسبت به هاديهاي acsr در خطوط انتقال نيرو

مزاياي هاديهاي آلومينيوم آلياژي نسبت به هاديهاي ACSR در خطوط انتقال نيرو
ارسال شده در شنبه 11 فروردين ماه 1386 توسط whiteappleهاديهاي آلومينيوم آلياژي هاديهايي هستند كه تمامي رشته سيم*هاي آنها از آلياژهاي آلومينيوم ساخته شده است. در ابتدا از آلومينيوم 5005 جهت ساخت اين سيمها استفاده مي*شد كه استحكام آن تنها در اثر كارسختي بوجود مي*آيد، اما آلومينيوم آلياژي 6201 كه قابليت عمليات حرارتي نيز دارد در ساخت اين هاديها، بدليل استحكام بالاي آن در حرارتهاي بالاي كاري خطوط انتقال، گسترش چشمگيري داشته است. استفاده از هاديهاي آلومينيوم آلياژي براي اولين بار در سال 1921 ميلادي در آمريكا آغاز شد و پس از آن در دهه 50 و 60 ميلادي از اين هاديها براي خطوط انتقال و توزيع در كشورهاي اروپايي (آلمان، فرانسه و ...) و نيز ژاپن به مقدار زيادي استفاده شد. در انگلستان نيز حدود 30 سال گذشته هاديهاي AAAC به عنوان عمومي*ترين و مناسب*ترين هاديها مورد استفاده براي نصب خطوط جديد و جايگزيني خطوط قديمي مطرح شده*اند.
امروزه استفاده از اين هاديها به مقدار بسيار زيادي (در برخي كشورها تا حدود 70-60 درصد خطوط انتقال و توزيع) گسترش يافته است. در كشور ما متاسفانه اين هاديها تاكنون شناخته نشده و در نتيجه چندان مورد استفاده قرار نگرفته*اند اما با توجه به امكانات موجود بنظر مي*رسد بتوان دراين زمينه فعاليتهاي مناسبي صورت داد.


پارامترهاي موثر در انتخاب هاديهاي آلومينيوم آلياژي
پديده كرونا
چنانچه گراديان ولتاژ بر روي سطح مقطع يك هادي بيش از قدرت شكست الكتريكي هوا شود باعث تخليه الكتريكي در هواي اطراف هادي مي*شود. اين تخليه در هواي اطراف هادي سبب ايجاد هاله اي نوراني بنفش رنگ، نويز صوتي، نويز راديويي و لرزش هادي شده همچنين در فضاي اطراف هادي توليد گاز ازن مي*كند. از آنجايي كه گراديان ولتاژ محيط اطراف هادي در روي سطح هادي بيشترين مقدار خود را دارا است. تخليه الكتريكي از سطح هادي شروع شده و ضخامت هواي يونيزه اطراف هادي بستگي به ازدياد ولتاژ دارد. در حالتي كه فواصل بين هاديها كم باشد كرونا ممكن است باعث جرقه زدن و اتصال كوتاه شود. بديهي است كرونا سبب اتلاف انرژي الكتريكي و باعث كاهش راندمان الكتريكي خطوط انتقال مي*شود.
گراديان بحراني ولتاژ كرونا بستگي به قطر هادي و موقعيت سطح و درجه حرارت و فشار اتمسفر محيط دارد. اين پارامترها بصورت يك فرمول تجربي درآمده*اند و اثر همه اين پارامترها را بر روي گراديان بحراني ولتاژ كرونا نشان مي*دهد بطور كلي داريم:
گراديان ولتاژ بحراني = Ec
ثابت*هايي هستند كه به طبيعت ولتاژ بدست آمده از خطوط بستگي دارند =Eo و K
مقادير آنها به عنوان مثال براي جريان ac مطابق با F.W.Peek برابر است با
كه اين مقادير براي دو هادي موازي يكديگر و در بالاي زمين است.
در معادله بالا δ نيز فاكتور دانسيته هوا است و زا معادل زير پيروي مي*كند.
P,t دما و فشار هوا و to و po مقادير مرجع هستند كه 0C25= to، po=760torr در نظر گرفته شده*اند. Rc شعاع هادي و m فاكتور صافي سطح است.
صافي سطح و شرايط جوي عامل بسيار مهمي در تلفات كرونا هستند. ضريب صافي m سطح در شرايط ايده*ال برابر يك است. حتي كوچكترين ناهمواريهاي ميكروسكوپي نيز باعث كاهش ضريب صافي سطح مي*شود بصورت تجربي مي**توان گفت كه مقدار m مي*تواند بين 75 درصد تا 85 درصد براي هاديهاي تابيده شده باشد كه اين نيز بستگي به نسبت تابيده شدن هاديها به قطر آنها دارد در برخي مواقع حتي اين ضريب m در اثر آسيب ديدگي به سطح هادي مي تواند تا 2/0 و كمتر نيز برسد كه اين ناهمواريهاي سطحي (حتي بصورت جزيي) باعث كاهش ولتاژ و در نتيجه افزايش كرونا خواهد شد.
تداخل راديويي
تخليه الكتريكي در كرونا سبب انتشار امواجي با فركانس بالا مي شود كه خود سبب ايجاد پارازيت و نويز گيرنده*هاي نزديك خطوط انتقال مي*شود. بخصوص در ولتاژهاي بالا اين اثرات بسيار مهم است و با اهميت*تر از بررسي ميزان تلفات كرونا مي*شود. تداخل درامواج راديويي در هواي باراني و مرطوب بيشتر بوده و مي*تواند مزاحم جدي براي ساكنان مجاور خط انتقال شود.
نيروي خودي
اين نيرو ناشي از وزن هادي است. در جداول مشخصات هاديها مربوط به سازندگان مختلف، وزن واحد طول هاديها موجود است كه بادر دست داشتن طول اپسن قائم مي*توان نيروي وارد بر برج در اثر وزن هادي را بصورت زير محاسبه كرد:
نيروي قائم وارد برج در اثر وزن هادي W=w×Sv
كه در اين رابطه w وزن واحد طول هادي و Sv اپسن قائم است.
فلش هادي (Sag)
فلش هاديها بطور تخميني توسط معادله پارابولا محاسبه مي*شود.
كه در اينجا Sag برحسب متر است.
W= وزن هادي برحسب kg/m
T= كشش*هاي برحسب kgf (كشش افقي)
L= طول اسپن برحسب m
مولفه T (كشش افقي) در طول سيم ثابت بوده و بستگي به نقطه روي هادي ندارد و با مقدار كل كشش در نقطه مينيمم هادي برابر است. (برابر با وزن يك هادي بطول مشخص)
خودرگي
با بررسي و مقياس فلزات مختلف در جداول نيروي الكتروشيميايي مي*توان فهميد كه آلومينيموم يك فلز بسيار فعال و واكنش*گر است. كه تنها دو عصر بريليوم و منيزيم فعالتر از آن است. با اين وجود آلومينيوم همواره به عنوان يك فلز مقاوم به خوردي مطرح است اين عنصر مقاومت به خوردگي بسيار مناسب خود را مديون تشكيل يك لايه اكسيدي بسيار مقاوم و چسبنده روي سطح خود است و در صورتي كه اين لايه اكسيدي تخريب نشود. در بسياري از اتمسفرهاي معمولي يا خورنده اين لايه مجدداً تشكيل خواهد شد. در صورت خراشيدن سطح آلومينيوم و قراردادن آن در معرض هواي محيط يك لايه اكسيدي بسيار نازك (در حد nm1) روي سطح آن پوشيده مي شود همين لايه نازك جهت حفاظت كل آلياژ از خوردگي بسيار موثر است.
دسته اول، هاديهايي هستند كه بطور كامل از آلومينيوم يا آلياژهاي آن ساخته شده*اند (شامل هاديهاي ACAR,AAAC,AAC و ...) در اين دسته از هاديها باتوجه به يكسان بودن پتانسيل الكتروشيميايي تمامي اجزاء سازنده هيچگونه خوردگي گالوانيكي بوجود نمي*آيد و در نتيجه اين نوع سيم*ها تنها در معرض خوردگي*هاي اتمسفري (اتمسفرهاي صنعتي، ساحلي و ...) قرار مي*گيرند. با توجه به آنكه مقاومت به خوردگي هيچ يك از آلياژهاي آلومينيوم مورد استفاده در ساخت هاديهاي خطوط انتقال نيرو بهتر از هاديهاي آلومينيومي خالص نيست، لذا براي بهبود رفتار خوردگي هاديهاي آلومينيومي نمي*توان از هاديهاي آلياژي استفاده كرد. آلودگي*هاي صنعتي خورنده عموماً از طريق بارش باران برق يا همراه رطوبت بر روي هسته فولادي تقويت*كننده هاديهاي *ACSR رسوب مي*كنند. بدين صورت پوشش گالوانيزه اعمالي روي اين سيم*هاي فولادي كه نقش آند فدا شونده را ايفا مي*كند، بتدريج مصرف مي*شود. در اين شرايط تقريباً هيچگونه تخريب خوردگي روي سيمهاي آلومينيومي اتفاق نمي*افتد. در اين نوع نحوه تخريب هاديهاي ACSR كاهش خواص مكانيكي سيمهاي تقويت*كننده فولادي فاكتور اصلي تعيين*كننده عمر مفيد كل هادي خواهد بود. در اين حالت هيچ علامت مشخصه خارجي تا لحظه تخريب كامل هادي مشاهده نمي*شود و اين نحوه خوردگي را مي*توان خوردگي عمومي آتمسفري هاديهاي ACSR به حساب آورد.
در نواحي ساحل دريا، مكانيزم خوردگي كاملاً متفاوت است. نمك*هاي موجود در اين محيط*ها با رطوبت موجود روي هاديها تركيب شده و يك الكتروليت حاوي يونهاي كلريدي بين هسته فولادي و سيمهاي آلومينيومي هادي ايجاد مي*كند. در اين شرايط با توجه به نوع الكتروليت موجود و پتانسيل شيميايي نسبي آلومينيوم و روي نسبت به يكديگر، ابتدا پوشش گالوانيزه روي سيم فولادي شروع به خوردگي مي*كند. معمولاً قبل از آنكه كل اين پوشش گالوانيزه مصرف شود، حفره*هاي كوچكي در آن ايجاد مي شود كه به سرعت تا مغز فولادي اين سيم تقويت*كننده پيشروي مي*كنند. در اثر اين پديده يك سل الكتروليتي بين فولاد و آلومينيوم ايجاد مي*شود و با توجه به پتانسيل الكتروشيميايي اين دو عنصر نسبت به يكديگر، اين بار آلومينيوم نقش آند فدا شونده را ايفا مي*كند. اين امر باعث خوردگي شديد آلومينيوم شده و در نتيجه آن مقاومت الكتريكي در اين ناحيه از هادي به مرور افزايش مي*يابد. در صورت ايجاد اين نوع خوردگي در خطوط ACSR، عمر مفيد آنها بسيار كمتر از حالتي خواهد شد كه آنها را تنها در محيط*هاي آلوده صنعتي قرار داد چرا كه درنواحي صنعتي خوردگي هسته فولادي بسيار آهسته*تر پيشروي مي*كند نكته مهم ديگر در مورد خوردگي گالوانيكي سيمهاي ACSR در آتمسفرهاي ساحلي قابل تشخيص بودن چشمي اين نوع خوردگي است بطوري كه به مرور زمان قسمتهاي خورده شده از هادي بصورت پودرهاي سفيد رنگي كه اغلب با افزايش حجم همراهند، روي سطح ديده مي*شوند. عمر مفيد هاديهاي ACSR كه در معرض اين نوع خوردگي قرار گيرند، بوسيله سرعت خوردگي الكتروليتي آلومينيوم مشخص مي*شود.
تلفات خطوط انتقال
يكي از پارامترهاي موثر در انتخاب هاديها تلفات خطوط انتقال است كه اين تلفات به مقاومت* هادي بستگي دارد. قيمت سالانه تلفات خط C1 شامل معادله زير است:
فاكتور تلفات بار Ls به فاكتور بار Lƒ ارتباط دارد كه به وسيله معادله زير نشان داده شده است.
كه K1 و K2 ثابت*هاي اين معادله هستند (توسط Deb و Hall در سال 1988 بدست آمده است) فاكتور بار بصورت زير مشخص است.
با توجه به معادلات بالا مي*توان نقش موثر هاديها در تلفات خطوط انتقال را بطور مستقيم مشاهده كرد همانگونه كه در معادله تلفات مشخص است Rac تاثير مستقيم و بسزايي را بر روي تلفات خط دارد كه با مقايسه هاديهاي AAAC و ACSR مي*توان به پايين آوردن تلفات در خط با استفاده از هاديهاي AAAC معادل با ACSR كمك كرد.
مقايسه خواص مكانيكي و الكتريكي هاديهاي AAAC و ACSR
جهت مقايسه اين نوع هاديها آزمايشات مختلفي صورت گرفته است و اين هاديها درمكانهاي مختلفي نصب شده وپس از گذشت مدت زمان مشخص، بر روي اين نوع هاديهاي بكار گرفته شده بررسي و مطالعات لازم صورت پذيرفته است. محيط*هايي كه اين هاديها نصب شده*اند بصورت زير است:
- در محيط شيميايي و صنعتي آلوده
- در اتمسفر نمك*دار
مقايسات انجام شده شامل موارد زير است:
- بررسي ظاهري و بازديد چشمي
- آناليز محصولات خوردگي
- از لحاظ متالوگرافي
- خواص الكتريكي
- خواص مكانيكي
بازديد چشمي
در بازديد چشمي درنمونه*هاي هاديهاي ACSR خوردگي*هاي مختلفي در قسمت خارج از اين نوع هاديهاي بعد از 3 سال در معرض محيط مشاهده شد.
شكست*هايي در محلهاي تابانده شده همراه با محصولات خوردگي زيادي كه به سطح چسبنده شده ديده مي شود. لايه گالوانيزه هسته مركزي فولادي بطور كامل خورده شده و هادي كاملاً ترد شده در حال شكست است.
درنمونه*هاي AAAC تعداد محسوسي از وصله*هاي سفيدرنگ خوردگي بعد از 3 سال در همان شرايط ACSR ديده مي*شود. اگر چه هيچ گونه آثار باقيمانده از خوردگي AAAC مشاهده نشده است.
آناليز رسوبهاي خوردگي:
رسوب خوردگي در هادي ACSR براحتي با بازكردن لايه*هاي سيمهاي هادي كنده مي*شوند. رسوبات خوردگي به كمك آزمايش XRD آناليزه شده است نتايج آن مطابق زير است:
الف) كلرايد آلومينيوم
ب) هيدروكسيد آلومينيوم
ج) اكسيد آلومينيوم
د) هيدروكسيد كلريد آلومينيوم
متالوگرافي:
نمونه*هاي آزمايش شده كاملاً پوليش وبراي بررسي متالوگرافي آماده شده*اند. خوردگي گسترده*اي بعد از گذشت 5/1 سال در معرض محيط در هاديهاي ACSR اتفاق افتاده است. پروفيل لبه*هاي لايه*هاي آن به شدت آسيب ديده كه اين ناشي از خوردگي و پيتينگ است.
خواص الكتريكي:
در جداول (1-1) و (1-2) مشاهده مي*شود كه هيچ افزايش مقاومتي بعد از گذشت 2 سال در هاديهاي AAAC اتفاق نيفتاده است. اگرچه براي هاديهاي ACSR افت رسانايي خيلي بالا است (حدود 15%) در حالي كه در هاديهاي AAAC فقط 4/3 افت مشاهده شده است.
خواص مكانيكي:
جدول (1-3) و (1-4) استحكام كششي و درصد تغيير طول اندازه*گيري شده است. در هاديهاي AAAC را نشان مي*دهد تغييرات استحكام بسيار كم و يا بدون تغيير بوده است ولي جداول نشان مي*دهد كه در نمونه*هاي ACSR كاهش استحكام كششي تا 24% اتفاق افتاده است.
نتيجه*گيري
خوردگي يكي از پارامترهاي بسيار مهم در انتخاب هاديهاي آلومينيوم آلياژي AAAC است. به دليل استحكام بالاي اين هاديها نسبت به هاديهاي AAC (تمام* آلومينيومي) و نيز مقاومت به خوردگي بالاتر نسبت به هاديهاي ACSR اين نوع هاديها جايگزين مناسبي براي هاديهاي ACSR هستند. با توجه به اينكه مناطق ساحلي و صنعتي بخش مهمي از كشور را شامل مي*شود كاربرد اين هادي باعث كاهش تلفات و افزايش راندمان خطوط و عمر هاديهاي هوايي مي*شود. اين كاهش تلفات شامل موارد زير است:
با توجه به اينكه سختي سطحي اين هاديها ازديگر هاديها بالاتر است لذا در حين نصب و راه*اندازي كمتر دچار آسيب* خواهد شد و پديده*هايي نظير اثر كرونا و تداخل امواج راديويي كه به صافي سطح مرتبط هستند بشدت كاهش خواهد يافت.
نسبت استحكام به وزن بالاي اين هادي در مقايسه با ساير هاديها جايگزيني آنها در خطوط موجود مي*تواند باعث كاهش كشش دكلهاي انتقال شود و عمر دكلها افزايش يافته و هزينه*هاي استحكام بخشي دكلها كاهش يابد.
با توجه به اين نسبت بالا، فلش (sag) نيز دراين هاديها به مراتب كمتر از هاديهاي ACSR خواهد بود لذا در موارد حساس بويژه نصب خطوط انتقال بر روي رودخانه*ها و جنگلها مي*توان از خسارات ناشي از فلش* هادي جلوگيري كردو حريم خطوط انتقال را نيز كاهش داد.
مقاومت ac پايين هادي باعث مي*شود كه تلفات خط به ميزان قابل توجه*اي كاهش يافته و حمل جريان در اين هاديها حدود 8% افزايش يابد كه اين خود باعث بالا رفتن راندمان خطوط انتقال و ذخيره بيشتر انرژي خواهد شد.
به دليل عدم وجود هسته فولادي اثرات الكترومغناطيسي و تلفات مغناطيسي ناشي از آن بشدت كاهش خواهد يافت.
جهت راه*اندازي خطوط جديدبا توجه به پارامترهاي موثر بر انتخاب هادي كه به طور كامل تشريح شد و متناسب باقيمتهاي هاديهاي مختلف ارايه شده مي*توان افزايش طول اسپن*ها و كاهش كشش به دكل*هاي برق و كوتاهتركردن آنها را در حين طراحي انتظار داشت و طول عمر خطوط بويژه در مناطق ساحلي و صنعتي افزايش چشمگيري مي*يابد.
از طرفي با توجه به موقعيت جغرافيايي كشورهاي همسايه كه مي*توانند بخش عمده*اي از مصرف*كنندگان اين هاديها باشند كشور ما مي*تواند با توليد و راه*اندازي خط توليد هاديهاي AAAC و رقابت با سازندگان خارجي نقش موثري در صادرات غيرنفتي داشته باشد.