هادیهای آلومینیوم آلیاژی هادیهایی هستند که تمامی رشته سیمهای آنها از آلیاژهای آلومینیوم ساخته شده است. در ابتدا از آلومینیوم ۵۰۰۵ جهت ساخت این سیمها استفاده می‌شد که استحکام آن تنها در اثر کارسختی بوجود می‌آید، اما آلومینیوم آلیاژی ۶۲۰۱ که قابلیت عملیات حرارتی نیز دارد در ساخت این هادیها، بدلیل استحکام بالای آن در حرارتهای بالای کاری خطوط انتقال، گسترش چشمگیری داشته است. استفاده از هادیهای آلومینیوم آلیاژی برای اولین بار در سال ۱۹۲۱ میلادی در آمریکا آغاز شد و پس از آن در دهه ۵۰ و ۶۰ میلادی از این هادیها برای خطوط انتقال و توزیع در کشورهای اروپایی (آلمان، فرانسه و …) و نیز ژاپن به مقدار زیادی استفاده شد. در انگلستان نیز حدود ۳۰ سال گذشته هادیهای AAAC به عنوان عمومی‌ترین و مناسب‌ترین هادیها مورد استفاده برای نصب خطوط جدید و جایگزینی خطوط قدیمی مطرح شده‌اند.
امروزه استفاده از این هادیها به مقدار بسیار زیادی (در برخی کشورها تا حدود ۷۰-۶۰ درصد خطوط انتقال و توزیع) گسترش یافته است. در کشور ما متاسفانه این هادیها تاکنون شناخته نشده و در نتیجه چندان مورد استفاده قرار نگرفته‌اند اما با توجه به امکانات موجود بنظر می‌رسد بتوان دراین زمینه فعالیتهای مناسبی صورت داد.
پارامترهای موثر در انتخاب هادیهای آلومینیوم آلیاژی
پدیده کرونا
چنانچه گرادیان ولتاژ بر روی سطح مقطع یک هادی بیش از قدرت شکست الکتریکی هوا شود باعث تخلیه الکتریکی در هوای اطراف هادی می‌شود. این تخلیه در هوای اطراف هادی سبب ایجاد هاله ای نورانی بنفش رنگ، نویز صوتی، نویز رادیویی و لرزش هادی شده همچنین در فضای اطراف هادی تولید گاز ازن می‌کند. از آنجایی که گرادیان ولتاژ محیط اطراف هادی در روی سطح هادی بیشترین مقدار خود را دارا است. تخلیه الکتریکی از سطح هادی شروع شده و ضخامت هوای یونیزه اطراف هادی بستگی به ازدیاد ولتاژ دارد. در حالتی که فواصل بین هادیها کم باشد کرونا ممکن است باعث جرقه زدن و اتصال کوتاه شود. بدیهی است کرونا سبب اتلاف انرژی الکتریکی و باعث کاهش راندمان الکتریکی خطوط انتقال می‌شود.
گرادیان بحرانی ولتاژ کرونا بستگی به قطر هادی و موقعیت سطح و درجه حرارت و فشار اتمسفر محیط دارد. این پارامترها بصورت یک فرمول تجربی درآمده‌اند و اثر همه این پارامترها را بر روی گرادیان بحرانی ولتاژ کرونا نشان می‌دهد بطور کلی داریم:
گرادیان ولتاژ بحرانی = Ec
ثابت‌هایی هستند که به طبیعت ولتاژ بدست آمده از خطوط بستگی دارند =Eo و K
مقادیر آنها به عنوان مثال برای جریان ac مطابق با F.W.Peek برابر است با
که این مقادیر برای دو هادی موازی یکدیگر و در بالای زمین است.
در معادله بالا δ نیز فاکتور دانسیته هوا است و زا معادل زیر پیروی می‌کند.
P,t دما و فشار هوا و to و po مقادیر مرجع هستند که ۰C25= to، po=760torr در نظر گرفته شده‌اند. Rc شعاع هادی و m فاکتور صافی سطح است.
صافی سطح و شرایط جوی عامل بسیار مهمی در تلفات کرونا هستند. ضریب صافی m سطح در شرایط ایده‌ال برابر یک است. حتی کوچکترین ناهمواریهای میکروسکوپی نیز باعث کاهش ضریب صافی سطح می‌شود بصورت تجربی میتوان گفت که مقدار m می‌تواند بین ۷۵ درصد تا ۸۵ درصد برای هادیهای تابیده شده باشد که این نیز بستگی به نسبت تابیده شدن هادیها به قطر آنها دارد در برخی مواقع حتی این ضریب m در اثر آسیب دیدگی به سطح هادی می تواند تا ۲/۰ و کمتر نیز برسد که این ناهمواریهای سطحی (حتی بصورت جزیی) باعث کاهش ولتاژ و در نتیجه افزایش کرونا خواهد شد.
تداخل رادیویی
تخلیه الکتریکی در کرونا سبب انتشار امواجی با فرکانس بالا می شود که خود سبب ایجاد پارازیت و نویز گیرنده‌های نزدیک خطوط انتقال می‌شود. بخصوص در ولتاژهای بالا این اثرات بسیار مهم است و با اهمیت‌تر از بررسی میزان تلفات کرونا می‌شود. تداخل درامواج رادیویی در هوای بارانی و مرطوب بیشتر بوده و می‌تواند مزاحم جدی برای ساکنان مجاور خط انتقال شود.
نیروی خودی
این نیرو ناشی از وزن هادی است. در جداول مشخصات هادیها مربوط به سازندگان مختلف، وزن واحد طول هادیها موجود است که بادر دست داشتن طول اپسن قائم میتوان نیروی وارد بر برج در اثر وزن هادی را بصورت زیر محاسبه کرد:
نیروی قائم وارد برج در اثر وزن هادی W=w×Sv
که در این رابطه w وزن واحد طول هادی و Sv اپسن قائم است.
فلش هادی (Sag)
فلش هادیها بطور تخمینی توسط معادله پارابولا محاسبه می‌شود.
که در اینجا Sag برحسب متر است.
W= وزن هادی برحسب kg/m
T= کشش‌های برحسب kgf (کشش افقی)
L= طول اسپن برحسب m
مولفه T (کشش افقی) در طول سیم ثابت بوده و بستگی به نقطه روی هادی ندارد و با مقدار کل کشش در نقطه مینیمم هادی برابر است. (برابر با وزن یک هادی بطول مشخص)
خودرگی
با بررسی و مقیاس فلزات مختلف در جداول نیروی الکتروشیمیایی میتوان فهمید که آلومینیموم یک فلز بسیار فعال و واکنش‌گر است. که تنها دو عصر بریلیوم و منیزیم فعالتر از آن است. با این وجود آلومینیوم همواره به عنوان یک فلز مقاوم به خوردی مطرح است این عنصر مقاومت به خوردگی بسیار مناسب خود را مدیون تشکیل یک لایه اکسیدی بسیار مقاوم و چسبنده روی سطح خود است و در صورتی که این لایه اکسیدی تخریب نشود. در بسیاری از اتمسفرهای معمولی یا خورنده این لایه مجدداً تشکیل خواهد شد. در صورت خراشیدن سطح آلومینیوم و قراردادن آن در معرض هوای محیط یک لایه اکسیدی بسیار نازک (در حد nm1) روی سطح آن پوشیده می شود همین لایه نازک جهت حفاظت کل آلیاژ از خوردگی بسیار موثر است.
دسته اول، هادیهایی هستند که بطور کامل از آلومینیوم یا آلیاژهای آن ساخته شده‌اند (شامل هادیهای ACAR,AAAC,AAC و …) در این دسته از هادیها باتوجه به یکسان بودن پتانسیل الکتروشیمیایی تمامی اجزاء سازنده هیچگونه خوردگی گالوانیکی بوجود نمی‌آید و در نتیجه این نوع سیمها تنها در معرض خوردگی‌های اتمسفری (اتمسفرهای صنعتی، ساحلی و …) قرار می‌گیرند. با توجه به آنکه مقاومت به خوردگی هیچ یک از آلیاژهای آلومینیوم مورد استفاده در ساخت هادیهای خطوط انتقال نیرو بهتر از هادیهای آلومینیومی خالص نیست، لذا برای بهبود رفتار خوردگی هادیهای آلومینیومی نمی‌توان از هادیهای آلیاژی استفاده کرد. آلودگی‌های صنعتی خورنده عموماً از طریق بارش باران برق یا همراه رطوبت بر روی هسته فولادی تقویت‌کننده هادیهای ACSR رسوب می‌کنند. بدین صورت پوشش گالوانیزه اعمالی روی این سیمهای فولادی که نقش آند فدا شونده را ایفا می‌کند، بتدریج مصرف می‌شود. در این شرایط تقریباً هیچگونه تخریب خوردگی روی سیمهای آلومینیومی اتفاق نمی‌افتد. در این نوع نحوه تخریب هادیهای ACSR کاهش خواص مکانیکی سیمهای تقویت‌کننده فولادی فاکتور اصلی تعیین‌کننده عمر مفید کل هادی خواهد بود. در این حالت هیچ علامت مشخصه خارجی تا لحظه تخریب کامل هادی مشاهده نمی‌شود و این نحوه خوردگی را میتوان خوردگی عمومی آتمسفری هادیهای ACSR به حساب آورد.
در نواحی ساحل دریا، مکانیزم خوردگی کاملاً متفاوت است. نمک‌های موجود در این محیط‌ها با رطوبت موجود روی هادیها ترکیب شده و یک الکترولیت حاوی یونهای کلریدی بین هسته فولادی و سیمهای آلومینیومی هادی ایجاد می‌کند. در این شرایط با توجه به نوع الکترولیت موجود و پتانسیل شیمیایی نسبی آلومینیوم و روی نسبت به یکدیگر، ابتدا پوشش گالوانیزه روی سیم فولادی شروع به خوردگی می‌کند. معمولاً قبل از آنکه کل این پوشش گالوانیزه مصرف شود، حفره‌های کوچکی در آن ایجاد می شود که به سرعت تا مغز فولادی این سیم تقویت‌کننده پیشروی می‌کنند. در اثر این پدیده یک سل الکترولیتی بین فولاد و آلومینیوم ایجاد می‌شود و با توجه به پتانسیل الکتروشیمیایی این دو عنصر نسبت به یکدیگر، این بار آلومینیوم نقش آند فدا شونده را ایفا می‌کند. این امر باعث خوردگی شدید آلومینیوم شده و در نتیجه آن مقاومت الکتریکی در این ناحیه از هادی به مرور افزایش می‌یابد. در صورت ایجاد این نوع خوردگی در خطوط ACSR، عمر مفید آنها بسیار کمتر از حالتی خواهد شد که آنها را تنها در محیط‌های آلوده صنعتی قرار داد چرا که درنواحی صنعتی خوردگی هسته فولادی بسیار آهسته‌تر پیشروی می‌کند نکته مهم دیگر در مورد خوردگی گالوانیکی سیمهای ACSR در آتمسفرهای ساحلی قابل تشخیص بودن چشمی این نوع خوردگی است بطوری که به مرور زمان قسمتهای خورده شده از هادی بصورت پودرهای سفید رنگی که اغلب با افزایش حجم همراهند، روی سطح دیده می‌شوند. عمر مفید هادیهای ACSR که در معرض این نوع خوردگی قرار گیرند، بوسیله سرعت خوردگی الکترولیتی آلومینیوم مشخص می‌شود.
تلفات خطوط انتقال
یکی از پارامترهای موثر در انتخاب هادیها تلفات خطوط انتقال است که این تلفات به مقاومت هادی بستگی دارد. قیمت سالانه تلفات خط C1 شامل معادله زیر است:
فاکتور تلفات بار Ls به فاکتور بار Lƒ ارتباط دارد که به وسیله معادله زیر نشان داده شده است.
که K1 و K2 ثابت‌های این معادله هستند (توسط Deb و Hall در سال ۱۹۸۸ بدست آمده است) فاکتور بار بصورت زیر مشخص است.
با توجه به معادلات بالا میتوان نقش موثر هادیها در تلفات خطوط انتقال را بطور مستقیم مشاهده کرد همانگونه که در معادله تلفات مشخص است Rac تاثیر مستقیم و بسزایی را بر روی تلفات خط دارد که با مقایسه هادیهای AAAC و ACSR میتوان به پایین آوردن تلفات در خط با استفاده از هادیهای AAAC معادل با ACSR کمک کرد.
مقایسه خواص مکانیکی و الکتریکی هادیهای AAAC و ACSR
جهت مقایسه این نوع هادیها آزمایشات مختلفی صورت گرفته است و این هادیها درمکانهای مختلفی نصب شده وپس از گذشت مدت زمان مشخص، بر روی این نوع هادیهای بکار گرفته شده بررسی و مطالعات لازم صورت پذیرفته است. محیط‌هایی که این هادیها نصب شده‌اند بصورت زیر است:
– در محیط شیمیایی و صنعتی آلوده
– در اتمسفر نمک‌دار
مقایسات انجام شده شامل موارد زیر است:
– بررسی ظاهری و بازدید چشمی
– آنالیز محصولات خوردگی
– از لحاظ متالوگرافی
– خواص الکتریکی
– خواص مکانیکی
بازدید چشمی
در بازدید چشمی درنمونه‌های هادیهای ACSR خوردگی‌های مختلفی در قسمت خارج از این نوع هادیهای بعد از ۳ سال در معرض محیط مشاهده شد.
شکست‌هایی در محلهای تابانده شده همراه با محصولات خوردگی زیادی که به سطح چسبنده شده دیده می شود. لایه گالوانیزه هسته مرکزی فولادی بطور کامل خورده شده و هادی کاملاً ترد شده در حال شکست است.
درنمونه‌های AAAC تعداد محسوسی از وصله‌های سفیدرنگ خوردگی بعد از ۳ سال در همان شرایط ACSR دیده می‌شود. اگر چه هیچ گونه آثار باقیمانده از خوردگی AAAC مشاهده نشده است.
آنالیز رسوبهای خوردگی:
رسوب خوردگی در هادی ACSR براحتی با بازکردن لایه‌های سیمهای هادی کنده می‌شوند. رسوبات خوردگی به کمک آزمایش XRD آنالیزه شده است نتایج آن مطابق زیر است:
الف) کلراید آلومینیوم
ب) هیدروکسید آلومینیوم
ج) اکسید آلومینیوم
د) هیدروکسید کلرید آلومینیوم
متالوگرافی:
نمونه‌های آزمایش شده کاملاً پولیش وبرای بررسی متالوگرافی آماده شده‌اند. خوردگی گسترده‌ای بعد از گذشت ۵/۱ سال در معرض محیط در هادیهای ACSR اتفاق افتاده است. پروفیل لبه‌های لایه‌های آن به شدت آسیب دیده که این ناشی از خوردگی و پیتینگ است.
خواص الکتریکی:
در جداول (۱-۱) و (۱-۲) مشاهده می‌شود که هیچ افزایش مقاومتی بعد از گذشت ۲ سال در هادیهای AAAC اتفاق نیفتاده است. اگرچه برای هادیهای ACSR افت رسانایی خیلی بالا است (حدود ۱۵%) در حالی که در هادیهای AAAC فقط ۴/۳ افت مشاهده شده است.
خواص مکانیکی:
جدول (۱-۳) و (۱-۴) استحکام کششی و درصد تغییر طول اندازه‌گیری شده است. در هادیهای AAAC را نشان می‌دهد تغییرات استحکام بسیار کم و یا بدون تغییر بوده است ولی جداول نشان می‌دهد که در نمونه‌های ACSR کاهش استحکام کششی تا ۲۴% اتفاق افتاده است.
نتیجه‌گیری
خوردگی یکی از پارامترهای بسیار مهم در انتخاب هادیهای آلومینیوم آلیاژی AAAC است. به دلیل استحکام بالای این هادیها نسبت به هادیهای AAC (تمام آلومینیومی) و نیز مقاومت به خوردگی بالاتر نسبت به هادیهای ACSR این نوع هادیها جایگزین مناسبی برای هادیهای ACSR هستند. با توجه به اینکه مناطق ساحلی و صنعتی بخش مهمی از کشور را شامل می‌شود کاربرد این هادی باعث کاهش تلفات و افزایش راندمان خطوط و عمر هادیهای هوایی می‌شود. این کاهش تلفات شامل موارد زیر است:
با توجه به اینکه سختی سطحی این هادیها ازدیگر هادیها بالاتر است لذا در حین نصب و راه‌اندازی کمتر دچار آسیب خواهد شد و پدیده‌هایی نظیر اثر کرونا و تداخل امواج رادیویی که به صافی سطح مرتبط هستند بشدت کاهش خواهد یافت.
نسبت استحکام به وزن بالای این هادی در مقایسه با سایر هادیها جایگزینی آنها در خطوط موجود می‌تواند باعث کاهش کشش دکلهای انتقال شود و عمر دکلها افزایش یافته و هزینه‌های استحکام بخشی دکلها کاهش یابد.
با توجه به این نسبت بالا، فلش (sag) نیز دراین هادیها به مراتب کمتر از هادیهای ACSR خواهد بود لذا در موارد حساس بویژه نصب خطوط انتقال بر روی رودخانه‌ها و جنگلها میتوان از خسارات ناشی از فلش هادی جلوگیری کردو حریم خطوط انتقال را نیز کاهش داد.
مقاومت ac پایین هادی باعث می‌شود که تلفات خط به میزان قابل توجه‌ای کاهش یافته و حمل جریان در این هادیها حدود ۸% افزایش یابد که این خود باعث بالا رفتن راندمان خطوط انتقال و ذخیره بیشتر انرژی خواهد شد.
به دلیل عدم وجود هسته فولادی اثرات الکترومغناطیسی و تلفات مغناطیسی ناشی از آن بشدت کاهش خواهد یافت.
جهت راه‌اندازی خطوط جدیدبا توجه به پارامترهای موثر بر انتخاب هادی که به طور کامل تشریح شد و متناسب باقیمتهای هادیهای مختلف ارایه شده میتوان افزایش طول اسپن‌ها و کاهش کشش به دکلهای برق و کوتاهترکردن آنها را در حین طراحی انتظار داشت و طول عمر خطوط بویژه در مناطق ساحلی و صنعتی افزایش چشمگیری می‌یابد.
از طرفی با توجه به موقعیت جغرافیایی کشورهای همسایه که می‌توانند بخش عمده‌ای از مصرف‌کنندگان این هادیها باشند کشور ما می‌تواند با تولید و راه‌اندازی خط تولید هادیهای AAAC و رقابت با سازندگان خارجی نقش موثری در صادرات غیرنفتی داشته باشد.
مهندس محمدرضا شیرپی
ماهنامه صنعت برق
