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

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

هاديهاي آلومينيوم آلياژي هاديهايي هستند كه تمامي رشته سيم‌هاي آنها از آلياژهاي آلومينيوم ساخته شده است. در ابتدا از آلومينيوم 5005 جهت ساخت اين سيمها استفاده مي‌شد كه استحكام آن تنها در اثر كارسختي بوجود مي‌آيد، 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 عمومي‌ترين و مناسب‌ترين هاديها مورد استفاده براي نصب خطوط جديد و جايگزيني خطوط قديمي مطرح شده‌اند.
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 نگرفته‌اند اما با توجه به امكانات موجود بنظر مي‌رسد 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 مي‌شود. 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 مي‌كند. 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 مي‌شود.
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 درآمده‌اند و اثر همه اين پارامترها را بر روي گراديان بحراني ولتاژ كرونا نشان مي‌دهد بطور كلي داريم:
گراديان ولتاژ بحراني = Ec
ثابت‌هايي 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 مي‌كند.
P,t دما و فشار هوا و to و po مقادير مرجع هستند كه 0C25= to، po=760torr در نظر گرفته شده‌اند. 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 ايده‌ال برابر يك است. حتي كوچكترين ناهمواريهاي ميكروسكوپي نيز باعث كاهش ضريب صافي سطح مي‌شود بصورت تجربي مي‌‌توان گفت كه مقدار m مي‌تواند 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 گيرنده‌هاي نزديك خطوط انتقال مي‌شود. بخصوص در ولتاژهاي بالا اين اثرات بسيار مهم است و با اهميت‌تر از بررسي ميزان تلفات كرونا مي‌شود. تداخل درامواج راديويي در هواي باراني و مرطوب بيشتر بوده و مي‌تواند 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 مي‌توان 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 مي‌شود.
كه در اينجا Sag برحسب متر است.
W= وزن هادي برحسب kg/m
T= كشش‌هاي 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 مي‌توان فهميد كه آلومينيموم يك فلز بسيار فعال و واكنش‌گر 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 شده‌اند (شامل هاديهاي ACAR,AAAC,AAC و …) در اين دسته از هاديها باتوجه به يكسان بودن پتانسيل الكتروشيميايي تمامي اجزاء سازنده هيچگونه خوردگي گالوانيكي بوجود نمي‌آيد و در نتيجه اين نوع سيم‌ها تنها در معرض خوردگي‌هاي اتمسفري (اتمسفرهاي صنعتي، ساحلي و …) قرار مي‌گيرند. 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 نمي‌توان از هاديهاي آلياژي استفاده كرد. آلودگي‌هاي صنعتي خورنده عموماً از طريق بارش باران برق يا همراه رطوبت بر روي هسته فولادي تقويت‌كننده هاديهاي ‌ACSR رسوب مي‌كنند. بدين صورت پوشش گالوانيزه اعمالي روي اين سيم‌هاي فولادي كه نقش آند فدا شونده را ايفا مي‌كند، بتدريج مصرف مي‌شود. در اين شرايط تقريباً هيچگونه تخريب خوردگي روي سيمهاي آلومينيومي اتفاق نمي‌افتد. در اين نوع نحوه تخريب هاديهاي ACSR كاهش خواص مكانيكي سيمهاي تقويت‌كننده فولادي فاكتور اصلي تعيين‌كننده عمر مفيد كل هادي خواهد بود. در اين حالت هيچ علامت مشخصه خارجي تا لحظه تخريب كامل هادي مشاهده نمي‌شود و اين نحوه خوردگي را مي‌توان خوردگي عمومي آتمسفري هاديهاي ACSR به حساب آورد.
در نواحي ساحل دريا، مكانيزم خوردگي كاملاً متفاوت است. نمك‌هاي موجود در اين محيط‌ها با رطوبت موجود روي هاديها تركيب شده و يك الكتروليت حاوي يونهاي كلريدي بين هسته فولادي و سيمهاي آلومينيومي هادي ايجاد مي‌كند. 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 مي‌كند. معمولاً قبل از آنكه كل اين پوشش گالوانيزه مصرف شود، حفره‌هاي كوچكي در آن ايجاد مي شود كه به سرعت تا مغز فولادي اين سيم تقويت‌كننده پيشروي مي‌كنند. در اثر اين پديده يك سل الكتروليتي بين فولاد و آلومينيوم ايجاد مي‌شود و با توجه به پتانسيل الكتروشيميايي اين دو عنصر نسبت به يكديگر، اين بار آلومينيوم نقش آند فدا شونده را ايفا مي‌كند. اين امر باعث خوردگي شديد آلومينيوم شده و در نتيجه آن مقاومت الكتريكي در اين ناحيه از هادي به مرور افزايش مي‌يابد. در صورت ايجاد اين نوع خوردگي در خطوط ACSR، عمر مفيد آنها بسيار كمتر از حالتي خواهد شد كه آنها را تنها در محيط‌هاي آلوده صنعتي قرار داد چرا كه درنواحي صنعتي خوردگي هسته فولادي بسيار آهسته‌تر پيشروي مي‌كند 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 مي‌شوند. عمر مفيد هاديهاي ACSR كه در معرض اين نوع خوردگي قرار گيرند، بوسيله سرعت خوردگي الكتروليتي آلومينيوم مشخص مي‌شود.

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 ثابت‌هاي اين معادله هستند (توسط Deb و Hall در سال 1988 بدست آمده است) فاكتور بار بصورت زير مشخص است.
با توجه به معادلات بالا مي‌توان 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 مي‌توان 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. محيط‌هايي كه اين هاديها نصب شده‌اند بصورت زير است:
– در محيط شيميايي و صنعتي آلوده
– در اتمسفر نمك‌دار
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 درنمونه‌هاي هاديهاي ACSR خوردگي‌هاي مختلفي در قسمت خارج از اين نوع هاديهاي بعد از 3 سال در معرض محيط مشاهده شد.
شكست‌هايي 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.
درنمونه‌هاي AAAC تعداد محسوسي از وصله‌هاي سفيدرنگ خوردگي بعد از 3 سال در همان شرايط ACSR ديده مي‌شود. اگر چه هيچ گونه آثار باقيمانده از خوردگي AAAC مشاهده نشده است.

آناليز رسوبهاي خوردگي:
رسوب خوردگي در هادي ACSR براحتي با بازكردن لايه‌هاي سيمهاي هادي كنده مي‌شوند. 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:
نمونه‌هاي آزمايش شده كاملاً پوليش وبراي بررسي متالوگرافي آماده شده‌اند. خوردگي گسترده‌اي بعد از گذشت 5/1 سال در معرض محيط در هاديهاي ACSR اتفاق افتاده است. پروفيل لبه‌هاي لايه‌هاي آن به شدت آسيب ديده كه اين ناشي از خوردگي و پيتينگ است.

خواص الكتريكي:
در جداول (1-1) و (1-2) مشاهده مي‌شود 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 اندازه‌گيري شده است. در هاديهاي AAAC را نشان مي‌دهد تغييرات استحكام بسيار كم و يا بدون تغيير بوده است ولي جداول نشان مي‌دهد كه در نمونه‌هاي ACSR كاهش استحكام كششي تا 24% اتفاق افتاده است.

نتيجه‌گيري
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 مي‌شود كاربرد اين هادي باعث كاهش تلفات و افزايش راندمان خطوط و عمر هاديهاي هوايي مي‌شود. اين كاهش تلفات شامل موارد زير است:
با توجه به اينكه سختي سطحي اين هاديها ازديگر هاديها بالاتر است لذا در حين نصب و راه‌اندازي كمتر دچار آسيب‌ خواهد شد و پديده‌هايي 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 مي‌تواند باعث كاهش كشش دكلهاي انتقال شود و عمر دكلها افزايش يافته و هزينه‌هاي 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 رودخانه‌ها و جنگلها مي‌توان از خسارات ناشي از فلش‌ هادي جلوگيري كردو حريم خطوط انتقال را نيز كاهش داد.
مقاومت ac پايين هادي باعث مي‌شود كه تلفات خط به ميزان قابل توجه‌اي 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 راه‌اندازي خطوط جديدبا توجه به پارامترهاي موثر بر انتخاب هادي كه به طور كامل تشريح شد و متناسب باقيمتهاي هاديهاي مختلف ارايه شده مي‌توان افزايش طول اسپن‌ها و كاهش كشش به دكل‌هاي برق و كوتاهتركردن آنها را در حين طراحي انتظار داشت و طول عمر خطوط بويژه در مناطق ساحلي و صنعتي افزايش چشمگيري مي‌يابد.
از طرفي با توجه به موقعيت جغرافيايي كشورهاي همسايه كه مي‌توانند بخش عمده‌اي از مصرف‌كنندگان اين هاديها باشند كشور ما مي‌تواند با توليد و راه‌اندازي خط توليد هاديهاي AAAC و رقابت با سازندگان خارجي نقش موثري در صادرات غيرنفتي داشته باشد.

مهندس محمدرضا شيرپي

ماهنامه صنعت برق