مزایای هادیهای آلومینیوم آلیاژی نسبت به هادیهای ACSR در خطوط انتقال نیرو

هادیهای آلومینیوم آلیاژی هادیهایی هستند كه تمامی رشته سیم‌های آنها از آلیاژهای آلومینیوم ساخته شده است. در ابتدا از آلومینیوم ۵۰۰۵ جهت ساخت این سیمها استفاده می‌شد كه استحكام آن تنها در اثر كارسختی بوجود می‌آید، اما آلومینیوم آلیاژی ۶۲۰۱ كه قابلیت عملیات حرارتی نیز دارد در ساخت این هادیها، بدلیل استحكام بالای آن در حرارتهای بالای كاری خطوط انتقال، گسترش چشمگیری داشته است. استفاده از هادیهای آلومینیوم آلیاژی برای اولین بار در سال ۱۹۲۱ میلادی در آمریكا آغاز شد و پس از آن در دهه ۵۰ و ۶۰ میلادی از این هادیها برای خطوط انتقال و توزیع در كشورهای 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 كشورها تا حدود ۷۰-۶۰ درصد خطوط انتقال و توزیع) گسترش یافته است. در كشور ما متاسفانه این هادیها تاكنون شناخته نشده و در نتیجه چندان مورد استفاده قرار نگرفته‌اند اما با توجه به امكانات موجود بنظر می‌رسد بتوان دراین زمینه فعالیتهای مناسبی صورت داد.
● پارامترهای موثر در انتخاب هادیهای آلومینیوم آلیاژی
▪ پدیده كرونا
چنانچه گرادیان ولتاژ بر روی سطح مقطع یك هادی بیش از قدرت شكست الكتریكی هوا شود باعث تخلیه الكتریكی 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 می‌كند. از آنجایی كه گرادیان ولتاژ محیط اطراف هادی در روی سطح هادی بیشترین مقدار خود را دارا است. تخلیه الكتریكی از سطح هادی شروع شده و ضخامت هوای یونیزه اطراف هادی بستگی به ازدیاد ولتاژ دارد. در حالتی كه فواصل بین هادیها كم باشد كرونا ممكن است باعث جرقه زدن و اتصال كوتاه شود. بدیهی است كرونا سبب اتلاف انرژی الكتریكی و باعث كاهش راندمان الكتریكی خطوط انتقال می‌شود.
گرادیان بحرانی ولتاژ كرونا بستگی به قطر هادی و موقعیت سطح و درجه حرارت و فشار اتمسفر محیط دارد. این پارامترها بصورت یك فرمول تجربی درآمده‌اند و اثر همه این پارامترها را بر روی گرادیان بحرانی ولتاژ كرونا نشان می‌دهد بطور كلی داریم:
گرادیان ولتاژ بحرانی = Ec
ثابت‌هایی هستند كه 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
كه این مقادیر برای دو هادی موازی یكدیگر و در بالای زمین است.
در معادله بالا &#۹۴۸; نیز فاكتور دانسیته هوا است و زا معادل زیر پیروی می‌كند.
P,t دما و فشار هوا و to و po مقادیر مرجع هستند كه ۰C۲۵= to، po=۷۶۰torr در نظر گرفته شده‌اند. Rc شعاع هادی و m فاكتور صافی سطح است.
صافی سطح و شرایط جوی عامل بسیار مهمی در تلفات كرونا هستند. ضریب صافی m سطح در شرایط ایده‌ال برابر یك است. حتی كوچكترین ناهمواریهای میكروسكوپی نیز باعث كاهش ضریب صافی سطح می‌شود بصورت تجربی می‌‌توان گفت كه مقدار m می‌تواند بین ۷۵ درصد تا ۸۵ درصد برای هادیهای تابیده شده باشد كه 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 كمتر نیز برسد كه این ناهمواریهای سطحی (حتی بصورت جزیی) باعث كاهش ولتاژ و در نتیجه افزایش كرونا خواهد شد.
▪ تداخل رادیویی
تخلیه الكتریكی در كرونا سبب انتشار امواجی با فركانس بالا می شود كه خود سبب ایجاد پارازیت و نویز گیرنده‌های نزدیك خطوط انتقال می‌شود. بخصوص در ولتاژهای بالا این اثرات بسیار مهم است و با اهمیت‌تر از بررسی میزان تلفات كرونا می‌شود. تداخل درامواج رادیویی در هوای بارانی و مرطوب بیشتر بوده و می‌تواند مزاحم جدی برای ساكنان 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 كه بادر دست داشتن طول اپسن قائم می‌توان نیروی وارد بر برج در اثر وزن هادی را بصورت زیر محاسبه كرد:
نیروی قائم وارد برج در اثر وزن هادی W=w×Sv
كه 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.
كه در اینجا Sag برحسب متر است.
W= وزن هادی برحسب kg/m
T= كشش‌های برحسب kgf (كشش افقی)
L= طول اسپن برحسب m
مولفه T (كشش افقی) در طول سیم ثابت بوده و بستگی به نقطه روی هادی ندارد و با مقدار كل كشش در نقطه مینیمم هادی برابر است. (برابر با وزن یك هادی بطول مشخص)
▪ خودرگی
با بررسی و مقیاس فلزات مختلف در جداول نیروی الكتروشیمیایی می‌توان فهمید كه آلومینیموم یك فلز بسیار فعال و واكنش‌گر است. كه تنها دو عصر بریلیوم و منیزیم فعالتر از آن است. با این وجود آلومینیوم همواره به عنوان یك فلز مقاوم به خوردی مطرح است این عنصر مقاومت به خوردگی بسیار مناسب خود را مدیون تشكیل یك لایه اكسیدی بسیار مقاوم و چسبنده روی سطح خود است و در صورتی كه این لایه اكسیدی تخریب نشود. در بسیاری از اتمسفرهای معمولی یا خورنده این لایه مجدداً تشكیل خواهد شد. در صورت خراشیدن سطح آلومینیوم و قراردادن آن در معرض هوای محیط یك لایه اكسیدی بسیار نازك (در حد nm۱) روی سطح آن پوشیده می شود همین لایه نازك جهت حفاظت كل آلیاژ از خوردگی بسیار موثر است.
دسته اول، هادیهایی هستند كه بطور كامل از آلومینیوم یا آلیاژهای آن ساخته شده‌اند (شامل هادیهای ACAR,AAAC,AAC و ...) در این دسته از هادیها باتوجه به یكسان بودن پتانسیل الكتروشیمیایی تمامی اجزاء سازنده هیچگونه خوردگی گالوانیكی بوجود نمی‌آید و در نتیجه این نوع سیم‌ها تنها در معرض خوردگی‌های اتمسفری (اتمسفرهای صنعتی، ساحلی و ...) قرار می‌گیرند. با توجه به آنكه مقاومت به خوردگی هیچ یك 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 كرد. آلودگی‌های صنعتی خورنده عموماً از طریق بارش باران برق یا همراه رطوبت بر روی هسته فولادی تقویت‌كننده هادیهای ‌ACSR رسوب می‌كنند. بدین صورت پوشش گالوانیزه اعمالی روی این سیم‌های فولادی كه نقش آند فدا شونده را ایفا می‌كند، بتدریج مصرف می‌شود.در این شرایط تقریباً هیچگونه تخریب خوردگی روی سیمهای آلومینیومی اتفاق نمی‌افتد. در این نوع نحوه تخریب هادیهای ACSR كاهش خواص مكانیكی سیمهای تقویت‌كننده فولادی فاكتور اصلی تعیین‌كننده عمر مفید كل هادی خواهد بود. در این حالت هیچ علامت مشخصه خارجی تا لحظه تخریب كامل هادی مشاهده نمی‌شود و این نحوه خوردگی را می‌توان خوردگی عمومی آتمسفری هادیهای ACSR به حساب آورد.
در نواحی ساحل دریا، مكانیزم خوردگی كاملاً متفاوت است. نمك‌های موجود در این محیط‌ها با رطوبت موجود روی هادیها تركیب شده و یك الكترولیت حاوی یونهای كلریدی بین هسته فولادی و سیمهای آلومینیومی هادی ایجاد می‌كند. در این شرایط با توجه به نوع الكترولیت موجود و پتانسیل شیمیایی نسبی آلومینیوم و روی نسبت به یكدیگر، ابتدا پوشش گالوانیزه روی سیم فولادی شروع به خوردگی می‌كند. معمولاً قبل از آنكه كل این پوشش گالوانیزه مصرف شود، حفره‌های كوچكی در آن ایجاد می شود كه به سرعت تا مغز فولادی این سیم تقویت‌كننده پیشروی می‌كنند. در اثر این پدیده یك سل الكترولیتی بین فولاد و آلومینیوم ایجاد می‌شود و با توجه به پتانسیل الكتروشیمیایی این دو عنصر نسبت به یكدیگر، این بار آلومینیوم نقش آند فدا شونده را ایفا می‌كند. این امر باعث خوردگی شدید آلومینیوم شده و در نتیجه آن مقاومت الكتریكی در این ناحیه از هادی به مرور افزایش می‌یابد.
در صورت ایجاد این نوع خوردگی در خطوط ACSR، عمر مفید آنها بسیار كمتر از حالتی خواهد شد كه آنها را تنها در محیط‌های آلوده صنعتی قرار داد چرا كه درنواحی صنعتی خوردگی هسته فولادی بسیار آهسته‌تر پیشروی می‌كند نكته مهم دیگر در مورد خوردگی گالوانیكی سیمهای ACSR در آتمسفرهای ساحلی قابل تشخیص بودن چشمی این نوع خوردگی است بطوری كه به مرور زمان قسمتهای خورده شده از هادی بصورت پودرهای سفید رنگی كه اغلب با افزایش حجم همراهند، روی سطح دیده می‌شوند. عمر مفید هادیهای ACSR كه در معرض این نوع خوردگی قرار گیرند، بوسیله سرعت خوردگی الكترولیتی آلومینیوم مشخص می‌شود.
▪ تلفات خطوط انتقال
یكی از پارامترهای موثر در انتخاب هادیها تلفات خطوط انتقال است كه این تلفات به مقاومت‌ هادی بستگی دارد. قیمت سالانه تلفات خط C۱ شامل معادله زیر است:
فاكتور تلفات بار Ls به فاكتور بار Lƒ ارتباط دارد كه به وسیله معادله زیر نشان داده شده است.
كه K۱ و K۲ ثابت‌های این معادله هستند (توسط Deb و Hall در سال ۱۹۸۸ بدست آمده است) فاكتور بار بصورت زیر مشخص است.
با توجه به معادلات بالا می‌توان نقش موثر هادیها در تلفات خطوط انتقال را بطور مستقیم مشاهده كرد همانگونه كه در معادله تلفات مشخص است Rac تاثیر مستقیم و بسزایی را بر روی تلفات خط دارد كه با مقایسه هادیهای AAAC و ACSR می‌توان به پایین آوردن تلفات در خط با استفاده از هادیهای AAAC معادل با ACSR كمك كرد.
▪ مقایسه خواص مكانیكی و الكتریكی هادیهای AAAC و ACSR
جهت مقایسه این نوع هادیها آزمایشات مختلفی صورت گرفته است و این هادیها درمكانهای مختلفی نصب شده وپس از گذشت مدت زمان مشخص، بر روی این نوع هادیهای بكار گرفته شده بررسی و مطالعات لازم صورت پذیرفته است. محیط‌هایی كه این هادیها نصب شده‌اند بصورت زیر است:
▪ در محیط شیمیایی و صنعتی آلوده
▪ در اتمسفر نمك‌دار
مقایسات انجام شده شامل موارد زیر است:
▪ بررسی ظاهری و بازدید چشمی
▪ آنالیز محصولات خوردگی
▪ از لحاظ متالوگرافی
▪ خواص الكتریكی
▪ خواص مكانیكی
● 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.
شكست‌هایی در محلهای تابانده شده همراه با محصولات خوردگی زیادی كه به سطح چسبنده شده دیده می شود. لایه گالوانیزه هسته مركزی فولادی بطور كامل خورده شده و هادی كاملاً ترد شده در حال شكست 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 بازكردن لایه‌های سیمهای هادی كنده می‌شوند. رسوبات خوردگی به كمك آزمایش XRD آنالیزه شده است نتایج آن مطابق زیر است:
الف) كلراید آلومینیوم
ب) هیدروكسید آلومینیوم
ج) اكسید آلومینیوم
د) هیدروكسید كلرید آلومینیوم
● متالوگرافی:
نمونه‌های آزمایش شده كاملاً 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 كه این ناشی از خوردگی و پیتینگ است.
● خواص الكتریكی:
در جداول (۱-۱) و (۱-۲) مشاهده می‌شود كه 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 كه در هادیهای AAAC فقط ۴/۳ افت مشاهده شده است.
● خواص مكانیكی:
جدول (۱-۳) و (۱-۴) استحكام كششی و درصد تغییر طول اندازه‌گیری شده است. در هادیهای AAAC را نشان می‌دهد تغییرات استحكام بسیار كم و یا بدون تغییر بوده است ولی جداول نشان می‌دهد كه در نمونه‌های ACSR كاهش استحكام كششی تا ۲۴% اتفاق افتاده است.
● نتیجه‌گیری
خوردگی یكی از پارامترهای بسیار مهم در انتخاب هادیهای آلومینیوم آلیاژی AAAC است. به دلیل استحكام 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 اینكه مناطق ساحلی و صنعتی بخش مهمی از كشور را شامل می‌شود كاربرد این هادی باعث كاهش تلفات و افزایش راندمان خطوط و عمر هادیهای هوایی می‌شود. این كاهش تلفات شامل موارد زیر است:
با توجه به اینكه سختی سطحی این هادیها ازدیگر هادیها بالاتر است لذا در حین نصب و راه‌اندازی كمتر دچار آسیب‌ خواهد شد و پدیده‌هایی نظیر اثر كرونا و تداخل امواج رادیویی كه به صافی سطح مرتبط هستند بشدت كاهش خواهد یافت.
نسبت استحكام به وزن بالای این هادی در مقایسه با سایر هادیها جایگزینی آنها در خطوط موجود می‌تواند باعث كاهش كشش دكلهای انتقال شود و عمر دكلها افزایش یافته و هزینه‌های استحكام بخشی دكلها كاهش یابد.
با توجه به این نسبت بالا، فلش (sag) نیز دراین هادیها به مراتب كمتر 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 كردو حریم خطوط انتقال را نیز كاهش داد.
مقاومت ac پایین هادی باعث می‌شود كه تلفات خط به میزان قابل توجه‌ای كاهش یافته و حمل جریان در این هادیها حدود ۸% افزایش یابد كه این خود باعث بالا رفتن راندمان خطوط انتقال و ذخیره بیشتر انرژی خواهد شد.
به دلیل عدم وجود هسته فولادی اثرات الكترومغناطیسی و تلفات مغناطیسی ناشی از آن بشدت كاهش خواهد یافت.
جهت راه‌اندازی خطوط جدیدبا توجه به پارامترهای موثر بر انتخاب هادی كه به طور كامل تشریح شد و متناسب باقیمتهای هادیهای مختلف ارایه شده می‌توان افزایش طول اسپن‌ها و كاهش كشش به دكل‌های برق و كوتاهتركردن 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 كشورهای همسایه كه می‌توانند بخش عمده‌ای از مصرف‌كنندگان این هادیها باشند كشور 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