کلبه علم

 1- مقدمه

       بدون شک نخستین مرحله برای انتخاب هادی خطوط انتقال نیرو در نظر گرفتن خصوصیات الکتریکی آن می باشد .

      لیکن موارد زیادی نیز وجود داشته که محاسبات مکانیکی عامل تعیین کننده نوع هادی خط انتقال بوده و بدین علت همواره پس از انتخاب هادی مناسب از نظر الکتریکی آنرا از لحاظ مکانیکی هم مورد ارزیابی قرار داده و در صورتی که در این حالت جوابگوی نیروهای وارده در شرایط مختلف بارگذاری باشد آنرا بعنوان انتخاب نهایی در نظر گرفته و در غیر این صورت هادی مناسبتری را انتخاب می نمائیم محاسبات مکانیکی مربوط به خطوط هوایی انتقال نیرو شامل نیروهای وارد بر هادی کشش هادی و منحنی فلش آن می باشد بدیهی است که انتخاب هادی خط از نظر مکانیکی و میزان کشش و وزن آنها در محاسبات مربوط به برج و انتخاب نوع آن مؤثر بوده و همچنین درتعیین فاصله بین برجها و نوع فونداسیونهای مورد استفاده عامل مهمی بشمار می رود.

 بعلت قرار گرفتن هادی خط انتقال برروی دو تکیه گاه با فاصله ای نسبتاً زیاد آن را یک سیم آویخته فرض نموده و در مطالب آتی نیز عنوان سیم را بجای هادی بکار می بریم .

2 – منحنی سیم :

      در طراحی خطوط انتقال انرژی تعیین منحنی سیم از اهمیت زیادی برخوردار است زیرا تغییرات کوچکی در طول سیم باعث تغییرات بزرگی در کشش سیم خواهد شد .

       بدین معنی که انبساط و انقباض جزئی که در اثر تغییر درجه حرارت و یا بارهای خارجی بوجود می آید تغییرات کشش زیادی را باعث می شود بنابراین منحنی سیم باید بصورتی باشد که در اثر تحولات  فوق کشش و فلش سیم از مقادیر مجاز فراتر نرود .

کشش سیم تابع وزن سیم و یخ روی آن نیروی باد و درجه حرارت محیط می باشد برای بدست آوردن معادله و منحنی تعادل سیم باید به یکسری تقریب متوسل شد . فرض می کنیم که سیم مقاومتی در مقابل خمش نشان نداده و در مقابل کشش نیز تغییر طول ندهد همچنین بعلت بلند بودن طول سیم از ضخامت آن صرفنظر می نمائیم .

3- محاسبه کشش در نقاط مختلف سیم ( Tension ) :

  می توان کشش T را در هر نقطه از سیم به فاصله x از مبدأ مختصات به صورت زیر محاسبه نمود :

معمولاً شرایط کلی زیر را در محاسبات کشش و فلش مورد توجه قرار می دهند .

1 – کشش سیم در درجه حرارت عادی را بین % (25 – 18 ) حداکثر مقاومت کششی قرار می دهند .

2 – حداکثر کشش سیم در سخت ترین شرایط موجود در منطقه ای که خط عبور می کند نباید بیشتر از %60  حداکثر مقاومت کششی باشد بنابراین ضریب اطمینانی که برای سیم در نظر می گیرند حداقل برابر با 67/1 می باشد .

4 – فلش سیم ( Sag  ) :

      در طراحی یک خط انتقال انرژی فلش نقش مهمی دارد زیرا فلش بهترین وسیله برای شناختن کشش سیم و ارتفاع پایه ها می باشد فلش جهت کنترل فاصله سیم از زمین یک عامل تعیین کننده است .

الف ) محاسبه فلش سیم برای حالتی که دو نقطه نگهدارنده در یک سطح قرار دارند

و اگر این رابطه را بسط دهیم و از جملات درجه 4 به بالا صرفنظر کنیم خواهیم داشت :

ب ) محاسبه فلش سیم برای حالتی که دونقطه نگهدارنده در یک سطح نباشند .

     اگر  را فلش سیم در اسپنی که 2n  طول داشته باشد و   را فلش سیم در اسپنی که 2m,  طول داشته باشد  در نظر بگیریم بطوری که نقاط نگهدارنده سیم اختلاف ارتفاعی نداشته باشند .

       چون مقدار فلش برابر طول  EF است  پس داریم   و چون خط CD  موازی خط AB  است پس شیب خط CD هم برابر شیب خط AB بوده ومساوی h /S است بنابر این خواهیم داشت  حال با داشتن طول نقاط E وF  می توان آنها را در معادله خط AB  قرار داد و در این صورت داریم :

بنابراین تغییر ارتفاع نقاط نگهدارنده تأثیری در فلش سیم ندارد .

       البته در اینجا باید دقت کرد که نقطه مماس بر منحنی یعنی نقطه D  در وسط اسپن قرار دارد و همچنین فاصله EF  بیشترین فاصله عمودی بین منحنی سیم وخط AB  است مقادیر  را نیز به سادگی می توان بدست آورد .

5 – محاسبه طول سیم :

طول سیم را در حالت زیر محاسبه می کنیم :

الف ) نقاط نگهدارنده اختلاف ارتفاعی ندارند .

ب ) نقاط نگهدارنده با هم اختلاف ارتفاع دارند .

6 – نیروهای وارد بر هادی :

     در این قسمت به بررسی نیروهای وارد برهادی می پردازیم تا بتوانیم با توجه به نیروهای ناشی از بارها و نیروهای وارد بر هادی مقدار کشش هادی را کنترل کنیم زیرا اگر کشش زیاد شود ممکن است سبب پارگی هادی در شرایط سخت شود و یا اگر کشش خیلی کم شود باعث افزایش فلش شده و در نتیجه پایه ها بلند شده و هزینه طرح افزایش می یابد انواع نیروهای وارد برهادی عبارتند از :

الف ) نیروهای خودی :

     این نیروها ناشی از وزن هادی وزن زنجیره مقره و نیروهای ناشی از قرارگیری برج در زاویه می باشد .

ب ) نیروهای ناشی از بارگذاری خارجی :

     این نیروها شامل بارگذاری ناشی از تشکیل قشر یخ روی هادی و نیروی ناشی از باد می باشد .

1 – بار یخ :

     قشر یخی که در هوای سرد زمستان روی هادی خطوط انتقال تشکیل می شود بستگی به درجه حرارت محیط وسرعت باد داشته و گاه ممکن است با ضخامتهای خیلی زیاد مشاهده شود نیروی ناشی از وزن این قشر یخ به صورت هم جهت با نیروی وزن هادی بر سیم وارد می شود و باعث افزایش نیروی کشش هادی می گردد .

2 – جریانهای ناشی از تخلیه جوی ( رعد و برق ) و اصابت صاعقه :

       در اینجا ابتدا به پدیده تخلیه جوی مختصراً اشاره ای می کنیم . ابرها در اثر اصطکاک با مولکولهای هوا باردار می شوند این بارها می توانند مثبت و یا منفی باشند معمولاً قسمت فوقانی ابرها دارای بار مثبت و قسمت تحتانی دارای بار منفی هستند بهر حال گردایان ولتاژ در توده ابر متغیر و در حدود ( V/Cm  ) 100 – 50 می باشد . ( بعنوان مثال توده ابر در ارتفاع 3000 متری بطور متوسط پتانسیلی برابر با ( kV  ) 000،20 دارد . )

بارها الکتریکی تخلیه شده ابرها با سرعت نور و در دو جهت حرکت می کنند و جریان موجی را پدید می آورند ودر عوض چند میکرو ثانیه مستهلک می شودند .

یکی از موجهای سیموله شده تخلیه ابرها بصورت U sec 50  1.2  می باشد. 

که در آن :

Lm : ماکزیمم جریان موجی ( بر حسب کیلوآمپر )

Tl  : زمان پیشانی موج ( بر حسب میکروثانیه )

و T2 : زمان نصف موج ( بر حسب میکروثانیه ) می باشد .

در اثر تخلیه جوی مستقیم بر روی برجها ویا سیمهای هادی ومحافظ هوائی ، یک جریان موجی ظاهر می گردد .جریان تخلیه بطور لحظه ای در فاصله زمانی بسیار کوتاه ( چند میکروثانیه ) تا مقدار حداکثر خود ( معادل 100-10 کیلوآمپر ) افزایش یافته وسپس بتدریج کاهش می یابد وعبور جریان ناشی از آن موجب القاء ولتاژی درخط می شود که بصورت موج سیار تجلی می یابد سرعت افزایش این ولتاژ موجی تخلیه به حدود 1000 – 500 کیلوولت بر میکروثانیه بالغ می گردد به منظور انجام آزمایش و برآورد ایزولاسیون داخلی وخارجی در قبال ولتاژهای موجی قطع و وصل وتخلیه جوی ، ولتاژهای موجی بکار برده می شوند کلیه ولتاژهای موجی استاندارد اعم از تخلیه جوی واضافه ولتاژ ناشی از قطع ووصل کلیدها با زمان پیشانی وزمان نصف موج مشخص می گردند و به ترتیب با 1T و 2T   نشان داده می شوند زمانهای T1 و T2  در استاندارد lEC برای موجهای تخلیه جوی به ترتیب 2/1 و50 میکروثانیه وبرای ولتاژ موجی قطع و وصل 250 و2500 میکروثانیه می باشد واین زمانها بصورت زیر تعریف می شوند

(T1  ) زمان پیشانی موج : زمان لازم برای رسیدن از 10 درصد به پیک یا قله موج بر حسب میکروثانیه .

( T2 ) زمان نصف موج : زمان لازم برای رسیدن از 10 درصد به نصف مقدار پیک در قسمت انتهایی موج بر حسب میکروثانیه .

موج سیار ایجاد شده را می توان بصورت تفاضل دوتابع نمایی بصورت زیر نشان داد :

که در این رابطه Zc  امپدانس مشخصه یا امپدانس موجی خط و Im  ماکزیمم جریان موجی می باشد .

برای محاسبه دامنه جریان موجی از روشهای مختلف استفاده می گردد یکی از این روشها که پیچیده می باشد روش دو نقطه ای است . در این روش مقدار جریان صاعقه ومقطع سیم محافظ متناسب با آن با توجه به شرایط جوی بارگذاری منطقه امپدانس موجی برج وسیم هوائی وابعاد محاسبه می شود .روش دیگری که نسبتاً ساده تر می باشد روش احتمالی نام دارد و در آن با داشتن احتمال برخورد صاعقه به برج ویا سیم محافظ هوائی مقدار جریان صاعقه را از روی منحنی بدست می آوریم .

ابتدا به کمک رابطۀ زیر تعداد صاعقه های اصابت شده به خط را محاسبه می کنیم .

که در آن :

IKL  : تعداد روزهای سال که رعد وبرق در منطقه وجود دارد .

Hmax : ارتفاع ماکزیمم برج ( متر ) .

و M : تعداد صاعقه های اصابت شده به خط می باشد .

اگر عملکرد خط یا تعداد قطعی مجاز در یکصد کیلومتر در سال را با K  نشان دهیم .

و فرض کنیم که P  درصد از صاعقه های وارد شده به خط به برج اصابت کند در آن صورت احتمال جرقه ناشی از اصابت صاعقه به برج از رابطه زیر قابل محاسبه است .

با استفاده از منحنی  مقدار جریان صاعقه بر حسب احتمال P بدست می آید وبا داشتن مقدار جریان صاعقه و در نظر گرفتن زمان انتشار موج مقطع مناسب سیم محافظ هوائی از رابطۀ ( 1 ) محاسبه می شود .

ب – نقطه نظر مکانیکی :

برای انتخاب سیم محافظ مناسب علاوه بر بررسی مشخصات الکتریکی بایستی برسی هائی از نظر مکانیکی نیز بعمل آید . شرایط بارگذاری برای سیم محافظ معمولاً همان شرایط انتخاب شده برای هادی در مناطق مختلف بارگذاری می باشد با این تفاوت که علاوه بر رعایت اطمینان مجاز برای هر حالت خاص بارگذاری ، لازم است حداقل فاصله هوائی وزاویه حفاظت مورد نیاز بین سیم محافظ وهادی در وسط اسپن و در بدترین حالت بارگذاری کنترل شود .معمولاً فلش سیم محافظ را 80 تا 90 درصد فلش سیم فاز در شرایط عادی ( E.D.S  ) می گیرند که اینکار بدلیل رعایت فواصل ایمنی مجاز بین سیم هادی ومحافظ داشتن زاویه حفاظت مناسب جهت هادیها ومسئله گالوپینگ می باشد .

برای کنترل فاصله بین هادی وسیم محافظ در وسط اسپن با داشتن کشش سیم محافظ در شرایط عادی ( E. D. S  ) توسط معادله حالت مقدار کشش وفلش را در سایر حالات بارگذاری بدست می آوریم و در هر حالت فاصله سیم فاز از سیم محافظ را با کنترل فلش ها ثابت نگهمیداریم این فاصله در وسط اسپن باید حتماً رعایت شود .

با توجه به بررسی های انجام شده مشاهده گردیده که در طراحی وانتخاب سیم محافظ ، داشتن مقاومت الکتریکی کم مطلوبست تا محافظ فیزیکی خوبی برای سیم فاز باشد . اما از آنجایی که افزایش قطر هادی مزبور سبب گرانی آن می شود بهتر است که با کاهش مقاومت پایه سیم محافظ با قطر کمتری را انتخاب نمود از طرفی توجه به این مطلب ضروری است که تشکیل برف و یخ روی سیم زمین سریعتر بوده واین سیم مقدار ضخامت یخ بیشتری را دارا می باشد .در حالی که بعلت گرم شدن هادیهای اصلی در اثر جریان الکتریکی یخ روی آنها دیرتر تشکیل می شود وزودتر از بین می رود به همین دلیل سیم محافظ هوائی باید حتی الامکان در مقایسه با دیگر هادیهای خط دارای مقاومت مکانیکی بیشتری باشد وبرای این منظور از هادیهای فولادی با پوشش آلومینیومی و یا هادیهای آلومینیوم فولادی با استقامت زیاد استفاده می شود  . در مناطق آلوده ( کنار دریا ومناطق صنعتی ) نیز از سیم محافظ فولاد گالوانیزه با روکش آلومینیم که در قبال خوردگی مقاوم هستند استفاده می شود و در نزدیکی نیروگاهها وپستهای فشار قوی جهت داشتن مقاومت کم از سیم هایی که دارای رشته های آلومینیومی ( ACSR ) با استقامت زیاد هستند استفاده می شود .

در ایران اغلب از همان مغزی هادیهای خط جهت سیم محافظ هوائی در خطوط انتقال نیرو استفاده می شود .زیرا مقدار جریانی که لازمست از سیم محافظ عبور نماید کمتر از هادیست از طرفی چون بایستی سیم محافظ سخت تر کشیده شود وزن مغزی  فولادی از خود هادیها سبکتر بوده وامکان سخت تر کشیدن آن بیشتر است .

در کشورهای دیگر جهت سیم محافظ هوایی از سیمهای یافته شده ( مانند 7.No.8 ) و یا سیم گالوانیزه با روکش آلومینیم  استفاده شود ( در کشور ما نیز برای تعدادی از خطوط مورد استفاده قرار گرفته است )

مقدمه :

یکی از منابع اصلی تولید اضافه ولتاژها را می توان خطوط انتقال انرژی دانست این اضافه ولتاژها بر روی خطوط نشسته وبسرعت به سمت ابتدا و انتهای خط حرکت می کنند که در صورت عدم اتخاذ تدابیر لازم خطرات وزیانهای جدی بدنبال خواهند داشت .

از عوارض ناشی از اضافه ولتاژها می توان به شکست ایزولاسیون وارد آمدن صدمه به تجهیزات عمل کلیدها ، قطعی خط و غیره اشاره نمود که هر یک از عوامل فوق اغلب خسارات سنگینی بدنبال دارند لذا مطالعه وشناخت انواع اضافه ولتاژها ومشخصه های هر یک از آنها از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده و خصوصاً در شبکه های انتقال انرژی که ولتاژهای نامی اغلب در سطوح بسیار بالایی قرار دارند ( در کشور ما تا 400 کیلوولت ) شناخت اضافه ولتاژهای ناشی از این سطوح بسیار بالا از اهمیت مضاعف برخوردار می گردد .

بطور کلی می توان اضافه ولتاژها را به دو دسته تقسیم بندی نمود :

1 – اضافه ولتاژهای موجی ( Surge Over Voltages  )

2 – اضافه ولتاژهای موقت ( Temporary Over Voltages )

2 – اضافه ولتاژهای موجی :

از مشخصه های اضافه ولتاژهای موجی می توان به شیب زیاد وزمان کوتاه آنها اشاره نمود .اصولاً عامل پیدایش اضافه ولتاژهای موجی یکی از دو عامل زیر می باشد .

تخلیه جوی یا رعد وبرق ( Lightning  )

عملیات کلید زنی (Switching  )

2 -1-  اضافه ولتاژهای ناشی از تخلیه جوی یا رعد و برق :

       از تخلیه جوی روی خط بوجود می آیند هنگامی که اختلاف پتانسیل بین ابر و زمین ( بالاترین نقطه ممکن ) آنقدر بالا رود که دیگر هوای بین آندو قادر به تحمل این ولتاژ نباشد قوس الکتریکی ( Arc ) تولید خواهد شد .

در مدت تخلیه یک کانال یونیزه تولید می شود که کانال تخلیه جوی نام دارد و دارای امپدانسی معادل 500 تا 1000 اهم می باشد در صورت اصابت صاعقه به برجهای انتقال نیرو بارهای الکتریکی از طریق کانال فوق بر روی برج تخلیه شده وپس از چند لحظه تخلیه می شود .

این بارها بتدریج روی خط پخش شده ومانند موج پیش می رود ولی دامنه آن مرتباً کاهش می یابد این موج حاصل جریان تخلیه جوی یا جریان موجی نام دارد

بر اساس استاندارد زمان پیشانی موج ( T1  ) مدت زمانیست که موج از 10 درصد به پیک یا قله موج می رسد ومقدار آن در تخلیه جوی حدود ( 2 -1 ) میکروثانیه است .

زمان نصف موج (T2 ) نیز عبارتست از زمان لازم برای رسیدن جریان موجی از 10% به نصف مقدار پیک در قسمت انتهایی موج ومقدار آن در تخلیه جوی حدود ( 50-40 ) میکروثانیه است .

مشخصه هر منحنی موجی را اغلب می توان تنها با ارائه شیب موج مورد نظر تعیین میشود.