کابل برق سربار: انواع، انتخاب و نصب

انتخاب صحیح کابل برق سقفی برای یک خط انتقال یا توزیع نیاز به تعادل سه متغیر وابسته به هم دارد: ظرفیت حمل جریان پیوسته، استحکام کششی مکانیکی و رفتار افت طولانی مدت تحت حداکثر دمای عملیاتی . برای اکثر کاربردهای متوسط ​​و ولتاژ بالا، هادی آلومینیومی تقویت‌شده با فولاد (ACSR) انتخاب پیش‌فرض باقی می‌ماند، زیرا هسته فولادی گالوانیزه تقریباً 55 تا 65 درصد کشش کل را حمل می‌کند در حالی که رشته‌های آلومینیومی جریان را حمل می‌کنند، جدایی از عملکردها که هیچ هادی همگنی نمی‌تواند با هزینه‌ای معادل با آن مطابقت کند.

انواع هادی و ترکیب مواد

کابل های برق بالای سر بر اساس مواد و پیکربندی رشته هادی طبقه بندی می شوند. سه خانواده اصلی هادی لخت بر بازار تسلط دارند که هر کدام برای طول دهانه و شرایط محیطی متفاوت مناسب هستند.

ACSR یا آلومینیوم هادی فولادی تقویت شده، از یک هسته فولادی رشته ای متحدالمرکز تشکیل شده است که توسط یک یا چند لایه از رشته های آلومینیومی 1350-H19 با سخت کشیده شده احاطه شده است. هسته فولادی، موجود در درجه های مختلف مقاومت، ستون فقرات کششی را فراهم می کند، در حالی که لایه های آلومینیومی جریان را با رسانایی حمل می کنند. 61.2٪ IACS (استاندارد بین المللی مس آنیل شده). یک هادی معمولی ACSR "Drake"، با رشته 26/7 و قطر کلی 28.14 میلی متر، به استحکام کششی نامی دست می یابد. 140 کیلو نیوتن و شدت جریان پیوسته تقریباً 907 آمپر در دمای 75 درجه سانتی گراد تحت شرایط باد متوسط

AAAC، هادی تمام آلیاژ آلومینیوم، از رشته همگن سیم های آلیاژ آلومینیوم 6201-T81 استفاده می کند. این آلیاژ از منیزیم و سیلیکون برای دستیابی به استحکام کششی تقریباً دو برابر آلومینیوم رسانای الکتریکی 1350-H19 استفاده می کند و نیاز به هسته فولادی را از بین می برد. هادی های AAAC در جایی مشخص می شوند که خوردگی هسته فولادی یک نگرانی باشد، به ویژه در محیط های ساحلی یا صنعتی با کلریدهای معلق در هوا یا ترکیبات گوگردی. عدم وجود یک هسته فولادی مغناطیسی همچنین باعث از بین رفتن هیسترزیس و تلفات جریان گردابی می شود و مقاومت AC را تقریباً کاهش می دهد. 3 تا 5 درصد در مقایسه با ACSR با قطر معادل تحت جریان بار یکسان

AAC، هادی تمام آلومینیومی ساخته شده به طور کامل از رشته های 1350-H19، بالاترین رسانایی را در واحد وزن اما کمترین استحکام کششی را ارائه می دهد. استفاده از آن به دهانه های کوتاه در شبکه های توزیع شهری و قطره چکان های باس بار در پست ها محدود می شود، جایی که طول دهانه به ندرت از 50 متر بیشتر می شود و هادی نیازی به تحمل بارهای یخ یا باد زیاد ندارد.

عملکرد مقایسه ای انواع هادی استاندارد

مبانی درجه بندی قدرت و حرارت

ظرفیت کابل برق بالای سر یک عدد ثابت نیست، بلکه تابعی از تعادل حرارتی بین تلفات مقاومتی (گرمایش I²R)، تابش خورشیدی جذب شده توسط سطح هادی، سرمایش همرفتی از باد، و اتلاف حرارت تابشی به آسمان است. استاندارد IEEE 738 معادله حرارتی حالت پایدار را تعریف می کند که بر این تعادل حاکم است. در بدترین مفروضات خورشید کامل، سرعت باد کم 0.6 متر بر ثانیه و دمای محیط 40 درجه سانتیگراد، وسعت یک هادی معین ممکن است 25 تا 35 درصد کمتر از مقدار منتشر شده برای شرایط متوسط بهار.

دمای کار رسانا متغیر مستقلی است که افت را کنترل می کند. هادی های استاندارد ACSR برای عملکرد مداوم درجه بندی می شوند 75 درجه سانتی گراد، 90 درجه سانتی گراد یا 100 درجه سانتی گراد ، با دمای بالاتر برای شرایط اضطراری یا اوج بار کوتاه مدت مجاز است. در دمای بالای 93 درجه سانتیگراد، رشته های آلومینیومی شروع به بازپخت شدن می کنند و به طور دائم مقاومت کششی آنها را کاهش می دهند. هادی های کم افت دمای بالا (HTLS) مانند ACSS، G(Z)TACSR و ACCR از هسته های آلومینیومی یا کامپوزیت کاملا آنیل شده برای کار مداوم در 150 تا 210 درجه سانتی گراد ، تقریباً دوبرابر ظرفیت یک خط ACSR معمولی در همان سمت راست بدون نیاز به برج های بلندتر.

محاسبه کشش و تمرین رشته

رابطه بین کشش هادی و افتادگی توسط معادله کاتناری کنترل می شود که برای دهانه های کوتاهتر از 300 متر به یک تقریب سهموی با خطای قابل قبول ساده می شود. فرآیند طراحی با مفهوم دهانه حاکم آغاز می شود، طول دهانه متوسط ​​وزنی که نشان دهنده رفتار مکانیکی معادل کل بخش کششی بین سازه های بن بست است. کشش تخلیه اولیه در کمترین دمای رشته، به طور معمول -20 درجه سانتیگراد یا 0 درجه فارنهایت ، باید به گونه ای تنظیم شود که هادی از 60 درصد قدرت شکست نامی خود تحت شدیدترین ترکیب بار یخ و باد مشخص شده توسط کد ملی ایمنی الکتریکی (NESC) برای منطقه بارگیری جغرافیایی تجاوز نکند.

سیم کشی صرفاً کشیدن هادی به سمت کشش هدف و بستن آن نیست. رسانا باید تا یک مقدار افتادگی کشش داده شود که با مشاهده در سراسر دهانه با یک ساگومتر ترانزیت یا دیجیتال اندازه گیری می شود، در حالی که هادی در دمای یکنواخت شناخته شده است. برای یک دهانه 300 متری ACSR Drake در دمای 15 درجه سانتیگراد بدون باد یا یخ، افت هدف تقریباً است. 6.5 متر ، مربوط به کشش افقی حدود 17 کیلونیوتن است. پس از اتصال، هادی از طریق ته نشین شدن رشته و خزش متالورژیکی شل می شود و تقریباً از دست می دهد. 10 تا 15 درصد تنش اولیه در 1000 ساعت اول خدمات . ساگ رشته باید این خزش را با هدف قرار دادن بیش از حد کشش بین 10 تا 12 درصد پیش‌بینی کند که سپس به پایین آمدن نهایی طراحی می‌رسد.

ارتعاش بادی و میرایی هادی

هنگامی که یک باد آرام آرام با سرعتی بین 1 تا 7 متر بر ثانیه از کابل بالای سر عبور می کند، گرداب های متناوب کارمان را از بین می برد که نیروی بالابر چرخه ای عمود بر جهت باد را القا می کند. این ارتعاش بادی، با فرکانس های معمولا در محدوده 3 تا 150 هرتز ، هادی را مجبور می کند تا در فرکانس تشدید طبیعی یکی از حالت های ارتعاش بالاتر یا نزدیک به آن نوسان کند. کرنش خمشی حاصل در گیره تعلیق هادی، جایی که حرکت کاملاً مهار می شود، از حد تحمل خستگی آلومینیوم که تقریباً می باشد، فراتر می رود. 57 مگا پاسکال (8.3 ksi) در ده‌ها میلیون چرخه، که در عرض چند روز در شرایط باد ثابت جمع می‌شوند.

کاهش از میراگرهای Stockbridge، دمپرهای ارتعاشی مارپیچی (که به طور رسمی دمپرهای استخوانی سگ یا عناصر دمپر مارپیچی نامیده می‌شوند) یا دمپرهای اسپیسر روی هادی‌های همراه استفاده می‌کند. یک دمپر Stockbridge که به درستی تنظیم شده است دارای دو فرکانس تشدید است که فرکانس هادی غالب را مهار می کند و انرژی ارتعاشی را از طریق اصطکاک داخلی رشته های کابل پیام رسان خود جذب می کند. فاصله قرار دادن دمپر از گیره دلخواه نیست. باید در نقطه ای قرار گیرد که دامنه آنتی گره ارتعاش هادی برای تحریک دمپر کافی باشد. برای یک خط معمولی 132 کیلوولت با هادی ACSR Lynx، اولین دمپر قرار می گیرد 0.8 تا 1.2 متر از دهانه گیره تعلیق ، با دمپر دوم در 1.8 متر در دهانه های بیش از 400 متر.

تخلیه کرونا و مدیریت میدان الکترومغناطیسی

در ولتاژهای انتقال 230 کیلو ولت و بالاتر، گرادیان میدان الکتریکی در سطح رسانا به قدرت شکست دی الکتریک هوا نزدیک می شود، تقریباً 30 کیلو ولت بر سانتی متر در سطح دریا . هنگامی که شیب سطح در شرایط خشک از حدود 17 کیلوولت بر سانتی متر تجاوز می کند، تخلیه تاج شروع می شود و نویز قابل شنیدن، تداخل رادیویی (RI) در باند 0.5 تا 1.6 مگاهرتز و افت توان ایجاد می کند. شیب سطح با شعاع رسانا نسبت معکوس دارد. یک هادی در هر فاز باید حداقل قطر داشته باشد 24 میلی متر برای 230 کیلو ولت و 32 میلی متر برای 345 کیلو ولت برای نگه داشتن گرادیان زیر آستانه کرونا.

هادی های دسته ای با تقسیم جریان فاز بین دو، سه یا چهار رسانا فرعی که توسط فاصله دهنده های صلب در فواصل 30 تا 45 سانتی متری از هم جدا شده اند، این مشکل را برطرف می کنند. یک هادی دوقلو با قطر 28 میلی‌متر در 400 کیلو ولت قطری معادل تقریباً به دست می‌آورد. 180 میلی متر از نظر توزیع میدان الکتریکی، شیب سطح را تقریباً سه ضریب در مقایسه با یک هادی منفرد با سطح مقطع کل معادل کاهش می‌دهد. فاصله فاصله‌دهنده برای بهینه‌سازی تعادل بین یکنواختی میدان الکتریکی و پایداری مکانیکی در برابر نوسان زیر دهانه انتخاب شده است، پدیده‌ای که در آن رسانای رو به باد از بادگیر محافظت می‌کند و یک ناپایداری آیرودینامیکی ایجاد می‌کند که حرکات شلاقی بیضوی را به حرکت در می‌آورد.

انتخاب مقره و هماهنگی فاصله خزش

هادی بالای سر به صورت مکانیکی پشتیبانی شده و توسط رشته های عایق کششی یا تعلیق ایزوله شده است. فاصله خزش مقره، طول مسیر در امتداد سطح عایق از اتصالات انتهایی پرانرژی تا انتهای زمین، باید برای جلوگیری از فلاش در شرایط مرطوب آلوده کافی باشد. فاصله خزشی خاص بر حسب میلی متر خزش به ازای هر کیلوولت ولتاژ فاز به فاز سیستم تعریف می شود. برای مناطق دارای آلودگی نوری، خزش خاصی از 16 mm/kV کافی است. برای نمک پاشی سنگین صنعتی یا ساحلی، 31 میلی متر بر کیلوولت یا بیشتر مشخص شده است که با استفاده از رشته های بلندتر یا عایق های مه شکن با دامن های عمیق تر به دست می آید.

عایق‌های پلیمری کامپوزیتی با سوله‌های لاستیکی سیلیکونی، تا حد زیادی سیم‌های سرپوش و پین چینی و شیشه‌ای را برای ساخت‌وساز جدید در ولتاژ 138 کیلوولت و پایین‌تر جابجا کرده‌اند و در سطوح EHV مورد پذیرش قرار گرفته‌اند. سطح آبگریز لاستیک سیلیکونی باعث می شود که آب به جای تشکیل یک فیلم رسانای پیوسته، مهره ای را به آب تبدیل کند و جریان نشتی را سرکوب کند. ضریب 10 تا 100 در مقایسه با سطح چینی آبدوست تحت شرایط آلودگی یکسان حالت شکست اولیه عایق های کامپوزیتی، شکست شکننده میله هسته فایبرگلاس در اثر حمله اسید یا ورود آب در یک مهر و موم انتهایی معیوب است، مکانیزمی که نیاز به نظارت مداوم بر بار مکانیکی و بازرسی بصری یکپارچگی مسکن دارد.

اتصال، بن بست و سازگاری سخت افزاری

کل خط هوایی فقط به اندازه اتصالات و انتهای آن قابل اعتماد است. اتصالات دهانه میانی، مورد نیاز برای طول هادی بیش از ظرفیت استاندارد قرقره، باید به استحکام کششی حداقل دست یابند. 95 درصد از قدرت شکست نامی هادی و مقاومت الکتریکی از 75 درصد طول معادل رسانای بدون اتصال بیشتر نباشد. اتصالات تمام تنش نوع فشاری که با قالب شش ضلعی و پرس هیدرولیک با توان 700 بار (10000 psi) اعمال می شود، استاندارد صنعتی هستند. بدنه مفصل یک آستین آلومینیومی است که روی رشته های آلومینیومی می لغزد و یک آستین فولادی جداگانه است که هسته فولادی را می گیرد. دو آستین به طور مستقل بسته می شوند. ابتدا آستین فولادی، کشش نامی کامل را در سراسر هسته منتقل می کند، و به دنبال آن آستین آلومینیومی، که جریان را در اطراف اتصال فولادی حمل می کند.

خوردگی گالوانیکی دو فلزی در هر جایی که رشته های هادی آلومینیومی در حضور الکترولیت با سخت افزار آلیاژ مس تماس می گیرند، رخ می دهد. آلومینیوم، آندی بودن نسبت به مس، به طور فزاینده ای خورده می شود. تمام کانکتورهای فشاری و بدنه گیره هادی آلومینیومی باید از آلیاژ آلومینیوم ساخته شوند یا کاملاً قلع اندود شوند تا از تماس مستقیم مس با آلومینیوم جلوگیری شود. در سازه‌های بن‌بست پست که در آن خط هوایی آلومینیومی به باس مسی تبدیل می‌شود، یک لوله انتقال دو فلزی با جوش اصطکاکی دو فلز را جدا می‌کند در حالی که یک مسیر جریان با مقاومت پایین برای جریان اتصال کوتاه کامل خط ارائه می‌کند.