راهنمای کابل انتقال برق و سربار

آشنایی با کابل انتقال الکتریکی در سیستم های قدرت مدرن

کابل انتقال برق ستون فقرات فیزیکی هر شبکه برق ملی و منطقه ای را تشکیل می دهد. نقش آن انتقال انرژی الکتریکی انبوه در ولتاژ بالا از ایستگاه‌های تولید - اعم از زغال‌سنگ، هسته‌ای، برق آبی یا تجدیدپذیر - در فواصل طولانی به پست‌هایی است که ولتاژ را برای توزیع محلی کاهش می‌دهند. تصمیمات مهندسی تعبیه شده در انتخاب کابل انتقال پیامدهای مستقیمی برای قابلیت اطمینان شبکه، بهره وری انرژی، هزینه سرمایه و هزینه های عملیاتی بلندمدت متحمل شده توسط شرکت های برق و نرخ پرداخت کننده دارد. درک اینکه چه چیزی یک نوع هادی را از نوع دیگر متمایز می کند و چه عواملی بر انتخاب یک پروژه خاص حاکم است، دانش اساسی برای مهندسان قدرت، متخصصان تدارکات و برنامه ریزان زیرساخت است.

انتقال برق مدرن در سطوح ولتاژی از 66 کیلو ولت در فیدرهای انتقال فرعی تا 1100 کیلو ولت در اتصال دهنده های جریان مستقیم با ولتاژ فوق العاده بالا (UHVDC) که هزاران کیلومتر را در بر می گیرد، کار می کند. در هر سطح ولتاژ، کابل انتقال الکتریکی باید به طور همزمان تلفات مقاومتی را به حداقل برساند، یکپارچگی مکانیکی را تحت باد، یخ و بارگذاری حرارتی حفظ کند و برای عمر طراحی که معمولاً بیش از 40 سال است قابل استفاده بماند. این خواسته ها هر جنبه ای از طراحی هادی را شکل می دهد، از انتخاب فلز رسانا و هندسه مقطع تا انتخاب مواد تقویت کننده هسته و پرداخت سطح.

کابل انتقال سربار در مقابل کابل زیرزمینی: معاوضه اصلی

اساسی ترین انتخاب طراحی در هر پروژه انتقال این است که نیرو را به صورت سربار یا زیر زمین هدایت کنیم. کابل انتقال سربار به دلایل اقتصادی و فنی کاملاً تثبیت شده بر زیرساخت‌های انتقال فشار قوی جهانی تسلط دارد، اما کابل زیرزمینی به طور قابل توجهی در راهروهای شهری و حساس به محیط‌زیست که مسیریابی هوایی غیرعملی یا غیرقابل قبول است، گسترش یافته است.

کابل انتقال سربار بین برج‌های شبکه فولادی یا قطب‌های بتنی با استفاده از رشته‌های عایق که فاصله الکتریکی لازم را بین هادی برق‌دار و سازه تکیه‌گاه متصل به زمین فراهم می‌کند، معلق است. از آنجایی که هوای اطراف به عنوان واسطه عایق عمل می کند، هادی های بالای سر به هیچ لایه عایق اکسترود شده پرهزینه ای نیاز ندارند - هادی برهنه است و مستقیماً در معرض جو است. این هزینه قابل توجه مواد را حذف می کند، اتلاف حرارتی را ساده می کند و امکان بازرسی و نگهداری بصری را بدون حفاری فراهم می کند. هزینه سرمایه ای انتقال سربار معمولاً سه تا ده برابر در هر کیلومتر کمتر از یک مدار کابل زیرزمینی معادل در ولتاژ انتقال است، به همین دلیل است که مسیریابی هوایی همچنان انتخاب پیش فرض برای خطوط روستایی و بین کشوری در سراسر جهان است.

در مقابل، کابل انتقال الکتریکی زیرزمینی، از عایق پلی اتیلن پیوندی متقاطع (XLPE) اکسترود شده استفاده می کند که توسط صفحه های فلزی و غلاف های محافظ احاطه شده است تا هادی پرانرژی را از خاک اطراف جدا کند. این ساخت و ساز قطعی های مربوط به آب و هوا ناشی از باد، یخ و رعد و برق - علل اصلی خطاهای خطوط هوایی - را حذف می کند، اما چالش های عملیاتی متفاوتی از جمله جریان شارژ خازنی بالاتر در فواصل طولانی، محل خطای پیچیده تر، و زمان و هزینه تعمیر به طور قابل توجهی در هنگام بروز آسیب را معرفی می کند. برای پروژه‌های انتقال در محیط‌های شهری متراکم، گذرگاه‌های زیردریایی، یا مناطقی با الزامات حفاظت از منظره، کابل زیرزمینی علی‌رغم هزینه بالاتر، انتخاب ضروری است.

انواع هادی اصلی مورد استفاده در کابل انتقال سقفی

هادی قلب هر کابل انتقال بالای سر است. طیف وسیعی از سازه‌های رسانا در قرن گذشته برای بهینه‌سازی تعادل بین هدایت الکتریکی، مقاومت مکانیکی، وزن و هزینه برای طول دهانه‌های مختلف، انواع زمین و شرایط بارگذاری توسعه یافته‌اند. جدول زیر پرکاربردترین خانواده هادی ها در کاربردهای انتقال ولتاژ بالا را خلاصه می کند:

ACSR (آلومینیوم هادی فولاد تقویت شده) به دلیل زنجیره تامین بالغ، رفتار مکانیکی به خوبی درک شده و هزینه رقابتی، به عنوان پرکاربردترین نوع هادی کابل انتقال سربار در سراسر جهان باقی مانده است. با این حال، فشار فزاینده برای به حداکثر رساندن ظرفیت در راهروهای انتقال موجود بدون ساخت خطوط برج جدید، پذیرش سریع هادی‌های HTLS (High-Temperature Low-Sag) و طرح‌های هسته مرکب مانند ACCC را هدایت کرده است که می‌توانند به طور مداوم در دمای 150 تا 210 درجه سانتی‌گراد در مقایسه با ACSR کار کنند در حالی که سطح استاندارد 75–9 ACSR را حفظ می‌کند. الزامات ترخیص

پارامترهای عملکرد الکتریکی که بر انتخاب هادی حاکم هستند

انتخاب کابل انتقال الکتریکی مناسب برای یک پروژه خاص نیاز به ارزیابی کمی چندین پارامتر عملکرد الکتریکی وابسته به هم دارد. هر پارامتر با پارامترهای دیگر در تعامل است و بهینه سازی برای یکی - مثلاً به حداقل رساندن تلفات مقاومتی - ممکن است نیاز به معاوضه با وزن هادی، بارگذاری برج یا هزینه سرمایه داشته باشد.

درجه حرارت و قدرت

آمپاسیتی - حداکثر جریان پیوسته ای که یک هادی می تواند بدون تجاوز از دمای طراحی خود حمل کند - پارامتر ظرفیت اولیه برای هر خط انتقال است. با تعادل بین گرمایش ژول (تلفات I²R) و اتلاف گرما به محیط از طریق همرفت، تشعشع و هدایت تعیین می شود. هادی های استاندارد ACSR در یک دکل دو مداره معمولی 400 کیلو ولت ممکن است 1000 تا 1500 A در هر فاز تحت شرایط درجه بندی معمولی حمل کنند. سیستم‌های رتبه‌بندی خط پویا (DLR) که از داده‌های آب‌وهوای بی‌درنگ برای محاسبه توان واقعی استفاده می‌کنند، می‌توانند 10 تا 30 درصد ظرفیت اضافی را از زیرساخت کابل انتقال سربار موجود بدون هیچ گونه تغییر فیزیکی در هادی باز کنند.

مقاومت و تلفات خط

مقاومت DC یک هادی با سطح مقطع آن نسبت معکوس و با مقاومت فلز رسانا نسبت مستقیم دارد. برای آلومینیوم در دمای 20 درجه سانتیگراد، مقاومت تقریباً 2.82 × 10-8 Ω·m است. یک هادی ACSR 400 میلی‌متر مربعی روی یک خط 400 کیلوولتی که 1000 A را حمل می‌کند، تقریباً 28 کیلووات در هر کیلومتر را به عنوان گرما دفع می‌کند - تلفاتی که سالانه به ده‌ها گیگاوات ساعت در یک کانکتور اصلی انباشته می‌شود. به همین دلیل است که انتخاب سطح مقطع هادی بزرگتر از حداقل مورد نیاز برای انطباق حرارتی اغلب توجیه اقتصادی دارد زمانی که ارزش فعلی تلفات انرژی اجتناب شده در طول عمر 40 ساله خط از هزینه افزایشی هادی سنگین تر و برج های قوی تر بیشتر شود.

کرونا و تداخل رادیویی

در ولتاژهای انتقال بالاتر از 110 کیلو ولت، شدت میدان الکتریکی در سطح رسانا می‌تواند از آستانه یونیزاسیون هوا فراتر رفته و باعث ایجاد تخلیه تاج شود - یک پدیده شکست جزئی که نویز شنیدنی، تداخل فرکانس رادیویی و اتلاف توان واقعی ایجاد می‌کند. عملکرد Corona در درجه اول توسط گرادیان سطح رسانا کنترل می شود که با افزایش قطر هادی (از طریق بسته بندی یا استفاده از هادی های هسته منبسط شده) و با حفظ سطح صاف و تمیز کاهش می یابد. طرح های کابل انتقال سربار مدرن برای 220 کیلو ولت و بالاتر تقریباً به طور کلی از هادی های همراه - دو، سه یا چهار رسانا فرعی در هر فاز - استفاده می کنند که به طور همزمان گرادیان سطح را کاهش می دهند، اندوکتانس را کاهش می دهند و آمپاپسیتی را افزایش می دهند.

ملاحظات طراحی مکانیکی برای خطوط انتقال هوایی

طراحی مکانیکی یک سیستم کابل انتقال سربار به اندازه طراحی الکتریکی آن سخت است. رساناها باید بار ترکیبی وزن خود، فشار باد در ناحیه پیش بینی شده و تجمع یخ روی سطح هادی را تحمل کنند - همه به طور همزمان در بدترین رویدادهای آب و هوایی. کشش طراحی در هادی، فرورفتگی در حداکثر دمای عملیاتی، و فاصله نسبت به زمین، سایر فازها و ساختار برج باید در محدوده‌های مشخص شده در محدوده کامل دما و شرایط بارگذاری پیش‌بینی‌شده در طول عمر خط باقی بماند.

• تنش روزانه (EDT): محدود کردن کشش رسانا در شرایط روزمره (معمولاً 15 درجه سانتیگراد، بدون باد، بدون یخ) به 20 تا 25 درصد استحکام کششی نامی (RTS) خستگی در گیره های تعلیق ناشی از ارتعاش بادی را کنترل می کند - نوسان سینوسی ناشی از باد آرام آرام که از کنار هادی عبور می کند.
• حداکثر تنش: تحت شرایط بار حاکم (معمولا حداکثر باد یا حداکثر یخ، بسته به موقعیت جغرافیایی)، کشش هادی نباید از 50 تا 75 درصد RTS تجاوز کند تا ضریب ایمنی کافی در برابر شکست کششی حفظ شود.
• محاسبه افت تنش: منحنی زنجیره ای که توسط یک هادی تحت گرانش تشکیل می شود، افتادگی آن را در وسط دهانه مشخص می کند. همانطور که دمای هادی تحت بار افزایش می یابد، ازدیاد طول حرارتی باعث افزایش افتادگی می شود - که فاصله زمین را کاهش می دهد. این محدودیت اساسی است که دمای عملیات ACSR معمولی را محدود می‌کند و باعث می‌شود که هادی‌های HTLS کم‌افتادگی در راهروهای محدود حرارتی اتخاذ شود.
• میرایی ارتعاش: میراگرهای استاک بریج - دستگاه های فنر جرم تنظیم شده که به هادی نزدیک نقاط تعلیق بسته شده اند - انرژی ارتعاش بادی را جذب کرده و از ترک خوردگی رشته های آلومینیومی بیرونی جلوگیری می کند، که رایج ترین حالت خرابی مکانیکی طولانی مدت در تاسیسات کابل انتقال بالای سر است.

استانداردهای بین المللی حاکم بر مشخصات کابل انتقال

تهیه کابل انتقال برق برای پروژه های تاسیساتی و زیرساختی مستلزم انطباق با استانداردهای بین المللی یا منطقه ای شناخته شده است که ساخت هادی، خواص مواد، تحمل ابعادی و روش های آزمایش را مشخص می کند. خانواده استانداردهای اصلی عبارتند از IEC (کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی)، ASTM (انجمن آمریکایی برای آزمایش و مواد)، و BS EN (استانداردهای بریتانیا/اروپایی)، با سازگاری ملی در بازارهای اصلی از جمله چین (GB/T)، هند (IS)، و استرالیا (AS).

IEC 61089 و جانشین آن IEC 62219 هادی‌های رشته‌ای الکتریکی روی سر هم‌مرکز را پوشش می‌دهند و خواص مکانیکی و الکتریکی ACSR، AAAC و انواع هادی‌های مرتبط را مشخص می‌کنند. IEC 62004 به سیم آلیاژ آلومینیوم با دمای بالا برای هادی های HTLS می پردازد. برای کابل انتقال زیرزمینی، IEC 60840 (ولتاژهای بالای 30 کیلو ولت تا 150 کیلو ولت) و IEC 62067 (بالای 150 کیلو ولت) تست نوع و الزامات آزمایش معمولی را برای کابل های برق عایق اکسترود شده تعریف می کند. مطابقت با این استانداردها - که از طریق آزمایش نوع شخص ثالث معتبر و ممیزی‌های کیفیت کارخانه نشان داده شده است - یک الزام تدارکاتی اجباری برای اکثر پروژه‌های انتقال خدمات عمومی در سطح جهانی است و اطمینان حاصل می‌کند که کابل انتقال الکتریکی نصب شده در زیرساخت‌های حیاتی با معیارهای عملکرد و ایمنی تأیید شده توسط نهادهای فنی مستقل مطابقت دارد.