آشنایی با شبکه های توزیع (قسمت آخر)

در قسمت پایانی به هادی ها، پایه ها، مقره ها، یراق آلات خطوط هوایی شبکه های توزیع، کنسول ، کراس آرم و آرایش پایه ها، محاسبات الکتریکی خطوط هوایی، حریم خطوط هوایی شبکه های توزیع، محاسبات مکانیکی خطوط هوایی توزیع، مسیریابی و نقشه برداری خطوط هوایی توزیع می پردازیم.

هادی ها

بدون تردید، هادی ها مهم ترین اجزای یک شبکه انتقال انرژی محسوب شده و مسیر جریان از طریق آن ها برقرار می گردد، بنابراین تمام مقدمات در طراحی یک خط انتقال هوایی، فقط به منظور برق رسانی مناسب و مطمئن ازطریق این هادی ها صورت می گیرد. به عنوان مثال نقش پایه های خط انتقال نگهداری فاصله هادی ها از زمین، نقش کنسول ها رعایت فاصله مناسی هادی ها از یکدیگر و نقش مقره به عنوان ایزوله کننده و نگهدارنده هادی ها تحت ولتاژ از بدنه می باشد، که در این بین، هادی ها نقش اساسی را به عهده دارند.

به دلیل افزایش روز افزون مصرف انرژی الکتریکی، خطوط انتقال نیرو همواره در حال گسترش و توسعه هستند و به طور دائم خرید، حمل و نصب سیم هادی ها در خط انتقال نیرو سهم قابل توجهی از هزینه های اجرایی خط را به خود اختصاص داده است. علاوه بر سرمایه گذاری اولیه انجام شده هزینه سالیانه افت انرژی در مراحل بهره برداری و نیز میزان تلفات توان، جنبه های اقتصادی انتخاب بهترین و مطلوب ترین هادی در یک خط هوایی دو چندان نموده است.

لازم به توضیح است که بیشترین کاربرد سیم ازنوع آلومینیوم فولاد در«شبکه هوایی فشارمتوسط» و همچنین سیم های لخت مسی مورد استفاده در «شبکه های فشار ضعیف هوایی» ایران می باشند. در این زمینه، پارامترهای مهمی از جمله سطح مقطع، حد گسیختگی، مقاومت الکتریکی و نیز ویژگی های مکانیکی و هم ویژگی های الکتریکی را باید شناخت و درانتخاب سیم، مد نظر قرار داد.

پایه ها

خطوط توزیع هوایی، به طور کلی در همه جا روی پایه ها نصب می شوند. این پایه ها بیشتر از نوع بتنی، چوبی و یا فلزی بوده و مورد استفاده قرار می گیرند. البته به موازات پیشرفت در شبکه های توریع هوایی، مواد مناسب و کارآمدتر و همچنین روش های جدیدی در ساخت تجهیزات، از جمله پایه ای خطوط انتقال پدید آمده که کار محافظت بهتر پایه ها و ساخت پایه های توخالی و سبک، پیش تنیده، فایبرگلاس، فولادی و حتی آلیاژهای آلومینیومی را هموار کرده است.

نیروهایی که بر پیکره یک پایه اعمال می شوند، عبارتند از : نیروهای عمودی ناشی از وزن سیم یا لایه یخ دور سیم، یراق آلات، مقره، کنسول و خود پایه و نیروی افقی که نزدیک به سر پایه به آن اعمال می شود و بیشتر ناشی ازکشش سیم، فشار باد ونیروهای ناشی از وزن هادی ها در نتیجه غیر یکنواخت بودن فاصله پایه ها از یکدیگر و زاویه انحراف خط است. پایه مناسب باید کلیه این بارگذاری ها را به راحتی و با اطمینان کامل تحمل نماید. از سوی دیگر، از نظر معماری شهری و زیبایی محیط، باید کاربرد انواع مختلف پایه ها در مناطق روستایی و شهری و در کنار جاده ها براساس اصولی محکم و با در نظر گرفتن کلیه جنبه های آن انجام شود. به عنوان مثال، برخورد خودروها با سرعت زیاد به پایه های خطوط انتقال، علاوه بر ایجاد خسارت وقطعی برق، باعث بروز حوادث جانی و مالی جبران ناپذیری خواهد شد، پس کاربرد بهتر پایه ها همواره ذهن مهندسین برق را در طراحی شبکه های توزیع هوایی به خود جلب کرده است.

مقره ها

در شبکه های توزیع برق مانند خطوط انتقال، به تجهیزاتی نیاز است که بتوانند نقش عایقی و جداسازی قسمت های تحت ولتاژ را از دیگر قسمت ها داشته باشد. طبق تعریف، «مقره» به وسیله ای گفته می شود که دارای مقاومت الکتریکی بالایی بوده، بین هادی های برق دار و سازه های نگهدارنده قرار می گیرد. مقره، علاوه بر عایق نمودن هادی نسبت به پایه (و همچنین نسبت به زمین) ارتباط مکانیکی هادی و پایه را نیز تشکیل می دهد. مقره ها چهار ویژگی و وظیفه عمده دارند:

• وظیفه اصلی مقره ها، ایزوله کردن هادی از بدنه کنسول و پایه می باشد. این مقره ها، باید بتوانند بدون داشتن جریان نشتی، مشخصات الکتریکی لازم برای تحمل بیشترین ولتاژ عادی و سایر ولتاژهای اضافی تحت شرایط مختلف را داشته باشند. این ویژگی ها به عنوان«خواص الکتریکی مقره ها» عبارتند از:
  1. مقاومت الکترکی حجمی و سطحی بالا
  2. مقاومت در برابر سوراخ شدن توسط شوک حرارتی در اثر عبور جریان الکتریکی فشارقوی
  3. مقاومت زیاد در مسیر
  4. عدم تشکیل خود القایی

• وظیفه دیگر مقره ها، تحمل نیروهای مکانیکی حاصل از وزن هادی ها و نیروهای اعمالی ناشی از باد و یخ می باشد که در هر شرایطی، فاصله هادی از بدنه و بازوی پایه، نباید از مقادیر مجاز کمتر باشد. این ویژگی ها به عنوان «خواص مکانیکی مقره» نامیده شده و به شرح زیر هستند:

1. خاصیت الاستیسیته به نسبت خوب که باعث می شود مقره، تنش های خمشی و کششی را تا حدودی تحمل کرده و در برابر تغییر شکل مقاومت نماید.
2. در برابر نیروی فشاری مقاومت بالایی از خود نشان می دهد.
3. چون مقره های چینی در برابر ضربه مقاومت کمی دارند باید سعی شود تا لبه و گوشه های تیز نداشته باشند.
4. مقاومت لازم را در برابر شوک های حرارتی حاصل از تغییرات اختلاف پتانسیل الکتریکی، صاعقه و... به طور ناگهانی داشته باشند.

• مقره ها باید در برابر تغییرات جوی و درجه حرارت مقاوم بوده، خواص خود را در اثر گذشت زمان و کهنه شدن، تا حد قابل قبول حفظ نماید. این ویژگی ها، که به عنوان «خواص فیزیکی» نامیده شده عبارتند از:

1. مقاومت در برابر عوامل جوی و تابش آفتاب
2. زنگ نزدن و اکسید نشدن
3. دارا بودن ضریب انبساط کم
4. حفظ خواص در برابر سرما و گرما
5. عدم میل ترکیبی با بیشتر مواد موجود در محیط اطراف

• هر مقره باید «خواص ساختمانی» را رعایت نموده و قابل اعمال روی آن باشد. به عنوان نمونه، می توان موارد زیر را در مورد مقره های چینی با ساختمان پرسلان نام برد:

1. مقره چینی باید دارای ساختمان به هم فشرده بوده، به طوری که هیچ خلل و فرجی در داخل آن وجود نداشته باشد
2. الکترون ها و یون ها به یکدیگر مرتبط و متصل باشد تا اختلاف پتانسیل الکتریکی بسیار زیاد به آن وارد نشود

امروزه درشبکه های توزیع، برای اتکای اجسام هادی وجداسازی آن ها از یکدیگر بیشتر از مقره های چینی استفاده می نمایند. این مقره ها، علاوه بر اینکه در خطوط انتقال فشار متوسط به عنوان نقاط اتکایی سیم در محل پایه ها استفاده می شوند، به عنوان عایق در سیستم های توزیع، از جمله بوشینگ های ترانسفورماتورها، کلیدها و سایر ادوات برقی از جمله بدنه برقگیرها، مهارها، کات اوت ها و بدنه سرکابل فشار قوی و اتکایی برای عایق سازی در محل ورود برق به کار می روند. مواد اولیه به کار رفته برای ساخت مقره ها «سرامیک الکتریکی» مانند چینی و شیشه می باشد. در آینده برای ساخت مقره ها از مواد جدیدتری همچون فایبرگلاس، اپکسی، پلاستیک و مواد پلیمری بیشتر استفاده خواهد شد.

برای رعایت نکته های مختلف مکانیکی و الکتریکی، سازندگان مختلف مقره سعی می کنند تا مناسبترین، مرغوبترین و در عین حال اقتصادی ترین نوع مقره را برای استفاده در شبکه و کاربردهای هوایی فشار متوسط (20 کیلوولت) و فشار ضعیف (230 تا 400 ولت) مورد بررسی قرار گرفته و بیشتر مشخصات فنی آن ها ارائه شده است. جنس مواد مورد مصرف در ساختمان مقره هابه شرایط استفاده و کاربرد آن ها بستگی دارد که به دو دسته مواد سرامیکی و غیر سرامیکی تقسیم می شوند. ماده اصلی درساختمان عایق های سرامیکی که کاربرد انبوه آن ها به صورت مقره های هوایی به کار رفته «چینی» یا «شیشه ای» می باشد. امروزه مقره های غیر سرامیکی نیز ساخته شده که مراحل تحقیقات و توسعه را طی می نمایند.

یراق آلات خطوط هوایی شبکه های توزیع

یراق آلات مورد نیاز برای مونتاژ مقره ها و نیز برپایی سازه های خطوط هوایی شبکه های توزیع، دارای تنوع و گونه های فراوانی است. بیشتر این اتصالات، از فولاد گالوانیزه یا آلیاژ آلومینیوم و بعضی نیز از چدن نرم (آهن مالیبل) ساخته شده اند که کلیه قطعات آهنی برای جلوگیری از زنگ زدگی باید به صورت گرم گالوانیزه شوند. همچنین به دلیل اهمیت کیفیت این قطعات، علاوه برکنترل ضخامت گالوانیزه آن ها باید از نظر کمترین مقاومت (کشش) مکانیکی مورد آزمایش قرار گیرند. بدیهی است در یک زنجیره مقره کششی که متشکل از چندین قطعه اتصالات فلزی و نیز مقره های بشقابی می باشد، ضعیف ترین حلقه، نقطه پارگی آن سازه ها خواهد بود. بنابراین درطراحی مکانیکی و نکات استقامت مقره زنجیره، باید انتخاب قدرت یکنواخت این یراق آلات را مدنظر قرار داد. با توجه به این که مقره بشقابی مورد کاربرد در شبکه های توزیع ایران، اکثراً از نوع نر و مادگی (Boll & Socket) یا نوع کلاهکی 15 هزار پوندی می باشد، بدیهی است سیستم قفل کننده مقره دارای محل مادگی و اشپیل در همگی باید با این مقره ها هم خانواده بوده، سیستم قفل کنندگی آن ها به تناسب مقره انتخاب شوند. برای راحتی شناخت اتصالات، درجدول 6، نام هریک از آن ها آورده شده است. استاندارد سیستم های قفل کننده (کوپلینگ) مقره های بشقابی ایران، از نوع بال و سوکت در ردیف 16 میلی متری نوع A براساس استاندارد IEC آورده شده است، که معادل نوع B استاندارد ANSI  و BS می باشد. لازم به توضیح است که در تدوین ابعاد و مشخصات فنی، از کاتالوگ کارخانهNGK، استاندارد شبکه های توزیع و استاندارد مقره های به کار رفته در شبکه توزیع استفاده شده است.

کنسول، کراس آرم و آرایش پایه ها

برای نگهداری هادی ها و مقره ها روی تیر، از کنسول استفاده می شود. کراس آرم نوعی کنسول به شکل بازوی متقاطع با پایه (به شکل صلیب) است که درشبکه های توزیع برق به طور انبوه استفاده شده است. ساخت انواع کنسول و کراس آرم با شکل های گوناگون، امکان پذیر است اما معیارهای الکتریکی و مکانیکی طراحی کنسول خطوط توزیع و کراس آرم های مناسب برای شرایط آب و هوایی و همچنین هادی های مختلف با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی در ساخت و بهره برداری، می تواند موجب تجدید نظر در طرح آنان شود. با توجه به حجم بالای خطوط هوایی در شبکه های توزیع وانواع شرایط بارگذاری کشور، مواردی چند در انتخاب کنسول قابل ملاحظه خواهند بود که به شرح زیر است. با رعایت این نکات ضمن تنوع زدایی، می توان استاندارد مدون شده ای برای انواع کراس آرم های شبکه توزیع محاسبه و تدوین نمود:

1. استفاده از کمترین مواد
2. سادگی در ساخت
3. استفاده کمتر از پیچ و اتصالات
4. کم بودن هزینه های نگهداری، تعمیر و کنترل
5. راحتی کار توسط سیمبانان عملیاتی
6. ایجاد تقارن در ممان وارده به تیر نصب شده
7. رعایت فاصله مجاز بین هادی ها
8. رعایت فاصله افقی سیم از پایه
9. بهینه کردن باند حریم خطوط انتقال (درجه 1)
10. جاگیری کم و سادگی در نگهداری، انبار و حمل ونقل

بنابراین تعداد محدودی از کنسول ها به صورت آرایش نگه دارنده هادی ها با شرایط گفته شده در شبکه های توزیع برق ایران طراحی و به کار برده شده اند، که هر کدام نیز باتوجه به میزان فلش و اسپن مجاز، شرایط آب و هوایی، عوارض طبیعی موجود درمسیر خط، تعداد مدار، وزن هادی هاو نوع آرایش سیم ها نسبت به یکدیگر کاربد خواهند داشت. برای بررسی و تجزیه و تحلیل و همچنین کنترل کراس آرم جدید طراحی شده و یا انتخاب آرایش مناسب برای خط انتقال 20 کیلوولت باید معیارهای الکتریکی و مکانیکی آن محاسبه و کنترل شود. در معیارهای الکتریکی رعایت دو فاصله به این شرح لازم می باشد:

• فاصله هادی ها از پایه (فاز به زمین)
• فاصله فازها از یکدیگر (فاز به فاز)

همچنین معیارهای مکانیکی شامل محدودیت نیروهایی است که باید توسط کراس آرم تحمل شود، این نیروها، به طور کلی به دو دسته زیر تقسیم می شوند:

• نیروهای افقی (فشار باد و زاویه درخط)
• نیروهای قائم (وزن سیم، یخ و برف)

محاسبات الکتریکی خطوط هوایی

برای برقراری ارتباط الکتریکی بین دو نقطه از طریق احداث خطوط هوایی، ابتدا مسیر مناسب (براساس اصول مسیر یابی) توسط نقشه بردار (در شبکه های توزیع پیکتاژچی) انتخاب می گردد، سپس نسبت به تهیه پلان و پیکتاژ و در موارد تکمیلی تر تهیه پلان و پروفیل مسیر (با رعایت موازین مشخص) اقدام می شود. فعالیت اصلی طراحی خطوط در شبکه توزیع از مبحث محاسبات الکتریکی آغاز می گردد که این مرحله، خود شامل تعیین پارامترهای الکتریکی خط مورد نظر، انتخاب مقاطع مناسب برای هادی ازجمله تعداد مدارها ،آرایش آن ها وکنترل افت ولتاژ و تلفات توان، جریان اتصال کوتاه و... خواهد بود. در نهایت، هر خط پایدار دارای محاسبات مکانیکی و چگونگی رعایت فاصله های مجاز و حریم ها خواهد بود.

هنگامی که خطی مورد طراحی قرار می گیرد باید افت ولتاژ و تلفات قدرت را به طور دقیق مورد بررسی قرار داد. این مطالعه، پس از تعیین و پیش بینی میزان بار کشیده شده از خط و رشد آن در سال های آینده سرویس دهی خط و انجام محاسبات مربوط به پخش بار ممکن می گردد. به طور کلی، با توجه به این محاسبات، مقطع هادی باید چنان باشد که تلفات قدرت در هر حالت، از میزان حداکثر 5 درصد توان انتقالی آن خط تجاوز نکند. همچنین بررسی اختلالات شدید و ناگهانی در زمان ایجاد انواع اتصال کوتاه ها و یا پاره شدن خطوط که با عنوان خطا در سیستم های قدرت می باشد، باید مورد مطالعه قرار گیرند. در صورتی که برای شدید ترین نوع خطا (اتصال کوتاه سه فاز متقارن) طراحی صورت گیرد، خط برای حالت های دیگر اتصالی نیز، قابلیت تحمل و پاسخگویی را خواهد داشت.

حریم خطوط هوایی شبکه های توزیع

در احداث یا اصلاح خط هوایی و یا تأسیسات الکتریکی با هادی های لخت و بدون روپوش عایق، فواصل هوایی مجاز بین این خطوط برق دار و زنده با عناصر و طبیعت اطراف آن طبق قوانین ارایه شده در کلیه کشورهای جهان وتحت عنوان «حریم خطوط انتقال و توزیع نیروی برق » رعایت می شوند . از جمله این استانداردها ،می توان به موارد منتشر شده درNESC-1990  اشاره نمود. در ایران نیز قانون و تصویب نامه هایی در این رابطه صادر و حاکم می باشند. این محدودیت ها و ضوابط، باید توسط کلیه طراحان، مهندسین و ناظرین مورد توجه قرار گرفته و به نحو مقتضی رعایت شوند و حتی در صورت احتیاج به خرید یا تصرف اراضی، ابنیه و مستحدثات، موارد را در پروژه ها مشخص نمایند. حریم خطوط انتقال و توزیع نیروی برق هوایی، باید با توجه به ولتاژ برق و براساس استانداردهای وزارت نیرو و تصویب نامه مربوطه رعایت شود.

محاسبات مکانیکی خطوط هوایی توزیع

به طورکلی، طراحی مکانیکی خطوط هوایی توزیع، برای هرخط انتقال انرژی هوایی، از اساسی ترین مباحث در فرآیند تهیه طرح و نقشه های اجرایی می باشد. قوانین و دستورالعمل هایی حاکم بر منحنی سیم و پارامترهای طراحی (ازجمله کشش وفلش هادی وحل معادلات تغییر وضعیت سیم) است. این روابط براساس وزن سیم، شرایط مختلف آب و هوایی، بازه های مجاز فلش و کشش سیم و فاصله بین پایه ها در خطوط توزیع، قابل تغییر خواهند بود، که با استفاده از نمایش نتایج در جدول های کاربردی و منحنی های سیم کشی، مقایسه و انتخاب می شوند.

برای انجام مراحل طراحی مکانیکی، از نتایج محاسبات کامپیوتری و نمایش نتایج در جدول ها، یک الگوریتم و روش مدون شده به شرح زیر استفاده می شود:

• محاسبات مکانیکی نیروهای وارد بر سیم، در انواع رژیم های آب و هوایی ← جدول کشش و فلش
• محاسبات مکانیکی نیرو های وارد بر تیر و انتخاب قدرت پایه های میانی و کششی ← جدول بارگذاری و انتخاب پایه ها
• محاسبات و کنترل مجدد طرح پایه گذاری شده و ارایه منحنی فلش برای سیم کشی ← جدول سیم کشی ومنحنی های فلش « تمپلت»

مسیریابی و نقشه برداری خطوط هوایی توزیع

از مدت قبل، « پیکتاژ » یا تعیین مرکز پایه ها توسط میخ کوبی (به نام پیکه) برای حفر چاله و نصب پایه ها، همزمان با شروع اجرای خط هوایی (با استفاده از دوربین نقشه برداری توسط شخصی به نام پیکتاژچی) متداول بود. امروزه، پیاده کردن مسیر عبور خطوط هوایی توزیع و همچنین تعیین محل و نوع پایه ها برای تیرهای بتونی، چوبی و یا فلزی از روی نقشه طرح به عنوان یک فعالیت مهم قبل از اجرای خطوط توسط شرکت های توزیع مد نظر قرار می گیرد. با مهندسی شدن روش های اجرایی در شرکت های توزیع، ضرورت تهیه طرح، انجام مسیریابی و نقشه برداری برای پروژه های توسعه و احداث خطوط هوایی توزیع براساس استانداردهای مورد قبول وزارت نیرو، مورد توجه قرار گرفته است، به شکلی که انتخاب مسیر بهینه و ارایه نقشه «پلان و پیکتاژ» از مسیر خط هوایی و یا در صورت اهمیت تهیه «پلان و پروفیل» ازطرح خط پیشنهادی، مورد توجه کلیه دفاتر طراحی قرار گرفته است. دراین راستا، مسیریابی، از جمله اقدامات اولیه عملیات طراحی یک خط هوایی توزیع به شمار می رود و به علت نقش مهمی که در چگونگی قرارگیری خط هوایی در ارتباط با سایر تأسیسات و محیط و عوارض مجاور خود از یک طرف و تأثیر قابل توجهی که در هزینه اجرای آزادسازی و تحصیل مسیر و بهره برداری خط از طرف دیگر دارد، مورد بررسی دقیق قرار خواهد گرفت.

برداشت مسیر تعیین شده توسط عملیات نقشه برداری و سپس تعیین محل ،آرایش پایه ها واسپاتینگ خط براساس نتیجه های طراحی مکانیکی، جزء فعالیت های تکمیلی هرپروژه طرح خطوط هوایی20کیلوولت بوده و یکی دیگر از ملزومات طراحی و اجرای صحیح پروژه هاست : نقشه بردار، مجموعه اطلاعات لازم برای طراحی و ارایه نقشه اجرایی خطوط هوایی توزیع را در اختیار مسئول و طراح پروژه قرار می دهد.
در این جا لازم به توضیح است که مسیریابی و نقشه برداری خطوط هوایی توزیع، در خطوط انتقال فشار قوی و فوق توزیع دارای تفاوت ویژه ای خواهد بود، زیرا خطوط هوایی توزیع، علاوه بر در دسترس بودن جهت تعمیر، بهره برداری و بازدید محلی از خطوط، باید به راحتی شرایط برقراری و فروش انشعاب جدید برق را نیز فراهم نماید و ضمن در نظر گرفتن کلیه مسائل حریم تا حد امکان به نزدیک ترین محل تحویل و توزیع انرژی برق به مصرف کنندگان قرار گیرد.

پایان

لینک سایر قسمت ها

• آشنایی با شبکه های توزیع (قسمت اول)
• آشنایی با شبکه های توزیع (قسمت دوم)
• آشنایی با شبکه های توزیع (قسمت سوم)
• آشنایی با شبکه های توزیع (قسمت چهارم)
• آشنایی با شبکه های توزیع (قسمت آخر)