خطوط و ماستر برق هوایی: انواع، طراحی و ایمنی

به غیر از زیرстанیون‌های ولتاژ بسیار بالا، آنچه بیشتر می‌بینیم خطوط انتقال و توزیع برق هستند. برج‌های بلند رساناهای الکتریکی را حمل می‌کنند که از روی کوه‌ها و دریاها پرش می‌کنند و به شهرها و روستاها می‌رسند. این موضوع نیز جالب است—امروز به بررسی خطوط انتقال و برج‌های پشتیبان آن‌ها می‌پردازیم.

انتقال و توزیع برق

ابتدا بیایید بفهمیم چگونه برق تحویل داده می‌شود. صنعت برق عمدتاً شامل چهار مرحله است: تولید برق، انتقال، (زیرستانیون) توزیع و مصرف.

• تولید شامل انواع مختلف نیروگاه‌ها—از نیروگاه‌های سنتی مانند نیروگاه‌های حرارتی و آبی تا منابع مدرن مانند بادی و خورشیدی. همه این‌ها در دسته تولید قرار می‌گیرند.

• انتقال به کمک خطوط انتقال و برج‌ها انجام می‌شود.

• زیرستانیون (یا تبدیل) عمدتاً از ترانسفورماتورها استفاده می‌کند. ترانسفورماتورهای افزایش‌دهنده ولتاژ در نیروگاه‌ها ولتاژ را برای انتقال موثر در فواصل طولانی افزایش می‌دهند، در حالی که ترانسفورماتورهای کاهش‌دهنده در سمت توزیع ولتاژ را به سطوح مناسب برای شبکه‌های توزیع منطقه‌ای و مصرف‌کنندگان نهایی کاهش می‌دهند.

• توزیع در سمت مصرف‌کننده شامل ترانسفورماتورهای کاهش‌دهنده، تجهیزات ولتاژ متوسط و کم، شیرآلات و سیم‌کشی است.

• مصرف به دستگاه‌های الکتریکی در خانه‌ها و مصارف برق در زیرساخت‌های شهری، ساختمان‌ها، تسهیلات صنعتی و کاربردهای دیگر اشاره دارد.

از نظر ساختار، خطوط انتقال به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند: خطوط انتقال هوایی و خطوط کابلی. زیرا یک نمودار ساده از سیستم انتقال برق:

چه سطوح ولتاژی برای انتقال برق در فواصل طولانی مناسب است؟ برای کاهش تلفات انتقال و بهبود کارایی، معمولاً از ولتاژ‌های جریان متناوب ۵۰۰ کیلوولت و بالاتر برای انتقال برق استفاده می‌شود. ولتاژ‌های در بازه ۵۰۰ تا ۷۵۰ کیلوولت به عنوان انتقال ولتاژ بسیار بالا (EHV) طبقه‌بندی می‌شوند، در حالی که سیستم‌های ۱۰۰۰ کیلوولت جریان متناوب به عنوان انتقال ولتاژ فوق‌بالا (UHV) شناخته می‌شوند. در مقابل، خطوطی که در بازه ولتاژ متوسط تا ۱۱۰ کیلوولت–۳۳۰ کیلوولت عمل می‌کنند معمولاً به عنوان خطوط توزیع طبقه‌بندی می‌شوند. لازم به ذکر است که این طبقه‌بندی‌ها ممکن است با افزایش تقاضای برق، ظرفیت سیستم و الگوهای توزیع انرژی منطقه‌ای متفاوت باشد.

سطح ولتاژ به ولتاژ خط به خط اشاره دارد—یعنی ولتاژ بین هر دو فاز از سه فاز (A، B و C). ولتاژ ۲۲۰ ولت که در خانه‌ها استفاده می‌شود ولتاژ فاز است، که ولتاژ بین هر یک از فازها و زمین است. در واقع، تأمین برق مسکونی از یک سیستم ولتاژ خطی ۳۸۰ ولت شروع می‌شود. فقط در ورودی ساختمان، سه فاز (A، B و C) جدا می‌شوند—هر فاز ممکن است به واحد مختلفی از یک ساختمان مسکونی تغذیه کند. آنچه معمولاً در شهرها یا جوامع مسکونی می‌بینید یک ساختار مربعی و جعبه‌ای است—این یک زیرستانیون جعبه‌ای (یا جعبه‌ای) است (همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است).

زیرستانیون جعبه‌ای تجهیزات ولتاژ متوسط، ترانسفورماتورها و دستگاه‌های توزیع ولتاژ کم را یکپارچه می‌کند. این زیرستانیون شبکه توزیع شهری ولتاژ متوسط (معمولاً ۱۰ کیلوولت یا ۲۰ کیلوولت) را به برق ۳۸۰ ولت مناسب برای مصرف مسکونی یا شهری تبدیل می‌کند. ممکن است سیم‌کشی را نبینید، زیرا شبکه‌های توزیع شهری در چین امروز اغلب از کابل‌های زیرزمینی استفاده می‌کنند. با این حال، در برخی از مناطق مسکونی قدیمی یا مناطق روستایی، هنوز می‌توانید خطوط هوایی را مشاهده کنید که ترانسفورماتورها را به ساختمان‌ها یا مصرف‌کنندگان انفرادی متصل می‌کنند.

در مناطق باز، خطوط انتقال هوایی که معمولاً می‌بینیم شامل برج‌ها و رساناهای الکتریکی هستند. انواع مختلفی از برج‌ها وجود دارد و خطوط انتقال به دو دسته جریان مستقیم (DC) و جریان متناوب (AC) تقسیم می‌شوند.

تولید و مصرف برق در چین نامتوازن جغرافیایی است. منابع انرژی غنی مانند زغال سنگ، باد، خورشید و آب در مناطق غربی وسیع متمرکز هستند، در حالی که مراکز بار اصلی هزاران کیلومتر دورتر در مناطق مرکزی و شرقی قرار دارند. این عدم تطابق جغرافیایی انتقال برق در فواصل طولانی را ضروری می‌کند.

در سال‌های اخیر، با توسعه سریع پایگاه‌های بزرگ بادی و خورشیدی، تقاضا برای انتقال برق در فواصل طولانی ادامه داشته است. به عنوان ستون فقرات انتقال برق، ساخت شبکه‌های ولتاژ فوق‌بالا (UHV) شتاب گرفته است و انرژی قوی برای انتقال انرژی و توسعه پایدار چین فراهم کرده است. تمامی این سیستم‌های انتقال طولانی به کمک برج‌ها و خطوط هوایی به یکدیگر متصل می‌شوند.

خطوط انتقال هوایی

یک خط انتقال هوایی شامل رساناهای الکتریکی است که با استفاده از عایق‌ها و تجهیزات سخت‌افزاری از برج‌ها معلق می‌شوند، که اطمینان حاصل می‌کند که فاصله ایمنی بین رساناهای الکتریکی و زمین یا ساختمان‌ها حفظ شود. عملکرد اصلی یک خط انتقال تحویل انرژی الکتریکی، اتصال نیروگاه‌ها و زیرستانیون‌ها، امکان عملکرد موازی و یکپارچه سازی سیستم برق در یک شبکه یکپارچه است.

خطوط هوایی مزایایی مانند هزینه‌های سرمایه کمتر، سرعت ساخت بیشتر، نصب ساده و راحت، شناسایی آسان خطاها و خطرات بالقوه و تعمیر و نگهداری آسان دارند. برای انتقال در فواصل طولانی، خطوط هوایی به دلیل ظرفیت برق بالا بیشتر استفاده می‌شوند. هر چه فاصله انتقال طولانی‌تر باشد، سطح ولتاژ لازم بیشتر خواهد بود.

با این حال، چون خطوط هوایی به طور گسترده توزیع شده‌اند و به طور مداوم در محیط خارجی عمل می‌کنند، به طور مکرر تحت تأثیر شرایط محیطی و عوامل طبیعی قرار می‌گیرند. این امر منجر به خطاها و اختلالات عملکردی مختلف می‌شود، از جمله ضربه‌های برق، تخریب توسط باد، یخ‌زدگی، خاموشی ناشی از آلودگی، تداخل خارجی، نوسان رساناهای الکتریکی و حوادث مرتبط با پرنده‌ها.

به علاوه، هنگام کار با دستگاه‌های تغییر دهنده ولتاژ بالا، مهندسین معمولاً با سیستم‌های ولتاژ بالا (HV)، ولتاژ بسیار بالا (EHV) و ولتاژ فوق العاده بالا (UHV) که اکثر آنها از طریق خطوط هوایی به هم متصل هستند، سروکار دارند. بنابراین، الزامات فنی برای تجهیزات ولتاژ بالا به شرایط خط – مانند محیط عملکردی و شرایط خدماتی – مرتبط است. درک ویژگی‌ها و رفتارهای خرابی خطوط هوایی بنابراین برای درک مشخصات فنی تجهیزات ولتاژ بالا ضروری است.

اجزاء خطوط انتقال هوایی

اجزاء اصلی یک خط انتقال هوایی شامل پایه‌ها، برج‌ها، هادی‌ها، عایق‌ها، لوازم (فیتینگ‌ها)، دستگاه‌های محافظت از برق (مانند سیم‌های زمینی هوایی و سیم‌های محدودکننده ولتاژ) و سیستم‌های زمین‌رسانی می‌شود. خطوط مدرن ممکن است شامل اجزای کمکی مانند سیم‌های زمینی نوری (OPGW) و سیستم‌های ارتباطات حامل خط نیز باشند.

(1) هادی‌ها

هادی‌ها جریان الکتریکی را منتقل می‌کنند و انرژی الکتریکی را تحویل می‌دهند. در خطوط استاندارد، معمولاً یک هادی برای هر فاز وجود دارد. با این حال، برای خطوط انتقال EHV و خطوط با ظرفیت بالا، هادی‌های گروه‌بندی شده – با استفاده از دو، سه، چهار یا بیشتر زیرهادی (معمولاً در یک تنظیم دایره‌ای) – معمول است. این کار تخلیه کرونا را کاهش می‌دهد، تلفات انرژی را کمینه می‌کند و تداخل با سیگنال‌های رادیو، تلویزیون و سایر سیستم‌های ارتباطی را کاهش می‌دهد.

(2) سیم‌های محافظ (زمینی) و سیستم‌های زمین‌رسانی

سیم‌های محافظ در بالای برج‌های انتقال قرار دارند و از طریق سیم‌های رساننده به سیستم زمین‌رسانی در هر برج متصل می‌شوند. در زمان برخورد برق، سیم محافظ – که در بالای هادی‌های فازی قرار دارد – برق را می‌گیرد و به طور ایمن جریان را از طریق سیستم زمین‌رسانی به زمین هدایت می‌کند. این کار احتمال برخورد مستقیم به هادی‌ها را کاهش می‌دهد، عایق‌های خط را از آسیب دیدن ناشی از ولتاژ بالا محافظت می‌کند و عملکرد قابل اعتماد را تضمین می‌کند. سیم‌های محافظ معمولاً در طول کل خطوط با ولتاژ ۱۱۰ kV و بالاتر نصب می‌شوند و معمولاً از سیم‌های فولادی روغنی شده ساخته می‌شوند.

(3) برج‌ها (پیلون‌ها)

برج‌ها هادی‌ها و سیم‌های محافظ را همراه با لوازم مربوطه پشتیبانی می‌کنند و فاصله‌های برقی ایمن بین هادی‌ها، برج‌ها، زمین و هر ساختمان یا ساختار عبوری را حفظ می‌کنند.

(4) عایق‌ها و زنجیره‌های عایق

عایق‌ها اجزای اصلی عایق‌بندی یک خط انتقال هستند. آنها هادی‌ها را پشتیبانی یا معلق می‌کنند و آنها را از نظر الکتریکی از برج‌ها جدا می‌کنند و قدرت دی‌الکتریک قابل اعتماد را تضمین می‌کنند. عایق‌ها تحت تنش مکانیکی، ولتاژ الکتریکی و گازهای جوی خوردگی قرار دارند و باید دارای قدرت مکانیکی کافی، عملکرد عایق‌بندی و مقاومت در برابر تخریب باشند.

(5) لوازم (فیتینگ‌ها)

لوازم خطوط انتقال نقش مهمی در پشتیبانی، ایمن سازی، اتصال و محافظت از هادی‌ها و سیم‌های زمینی دارند و اتصالات قوی و قابل اعتماد را تضمین می‌کنند. لوازم بر اساس عملکرد به پنج نوع اصلی تقسیم‌بندی می‌شوند: کلمپ‌های خط، لوازم اتصال، لوازم اتصال، لوازم محافظ و لوازم سیم‌های کششی.

(6) پایه‌ها

پایه برج را به زمین متصل می‌کند و مانع از تیلت، فروپاشی یا فرو رفتن می‌شود.

ما در بحث‌های بعدی هر یک از این اجزا را به طور دقیق بررسی خواهیم کرد.

(7) برج‌ها (پیلون‌ها)

نوع‌های مختلفی از خطوط انتقال و برج‌ها وجود دارد که ولتاژ آنها تا ۱۰۰۰ kV می‌رسد. مواد برج‌ها شامل چوب، بتن، شبکه فولادی و سازه‌های لوله‌ای فولادی هستند و شکل‌ها و طراحی‌های آنها متنوع است. هدف یک خط انتقال انتقال انرژی الکتریکی از یک سر به سر دیگر با حداقل تلفات است. بنابراین، در یک کلاس ولتاژ مشابه، خطوط طراحی می‌شوند تا امپدانس را کمینه کرده و مساحت مقطع هادی را بیشینه کنند. برج‌ها برای پشتیبانی از خطوط و جلوگیری از تماس با اجسام رسانا دیگر که می‌تواند باعث خطا در زمین شود، ساخته شده‌اند. بنابراین، آنها بلند و ساختاری پایدار ساخته می‌شوند. تصویر زیر نشان‌دهنده نوع‌های رایج برج‌ها است.

بر اساس عملکرد واقعی آنها در کاربردهای مهندسی، برج‌ها به چند نوع تقسیم‌بندی می‌شوند: برج‌های خط مستقیم (برج‌های معلق)، برج‌های زاویه (برج‌های گوشه) (برای تغییر جهت)، برج‌های انتهایی (برای اتصال به و از زیرстанیشن‌ها)، برج‌های دورنمایی (برای چرخش فاز) و برج‌های امتداد بزرگ (طراحی شده برای عبور از رودخانه‌های بزرگ، دریاچه‌ها یا تنگه‌ها). در پایه هر برج، پایه قرار دارد. هادی‌ها از طریق زنجیره‌های عایق از اعضای متقاطع معلق می‌شوند.

اگر به یک برج شبکه فولادی نگاه دقیقی داشته باشید، می‌بینید که دو "شاخ" کوچک به بالا امتداد می‌یابند – یکی در هر طرف – که سیم‌های ریزی را حمل می‌کنند. این سیم‌ها برای انتقال برق نیستند؛ آنها سیم‌های زمینی هوایی (سیم‌های محافظ) هستند که برای محافظت از برق استفاده می‌شوند.

برج‌های انتقال شکل‌های مختلفی دارند. برای خطوط تک مدار، ترتیبات رایج شامل نوع "جام شراب" با هادی‌های مرتب شده به صورت افقی و نوع "سر گربه" با ترتیب مثلثی هادی‌ها است. در مناطقی که مسیر محدود یا در مناطق توسعه یافته اقتصادی که زمین کمیاب است، اغلب از برج‌های فشرده که دو یا حتی چهار مدار را در یک ساختار حمل می‌کنند استفاده می‌شود. برای خطوط انتقال DC ولتاژ فوق العاده بالا (UHV)، نیز برج‌های T-نوع وجود دارند که دو مدار را که در یک طرف قطب مثبت و در طرف دیگر قطب منفی را حمایت می‌کنند.

کوریدور خط انتقال به معنای منطقه نواری که از هادی‌های بیرونی یک خط برق هوایی ولتاژ بالا به طور جانبی امتداد می‌یابد. عرض آن توسط ولتاژ خط تعیین می‌شود و تحت مقررات حفاظت از تأسیسات برق تنظیم می‌شود. برای مثال، منطقه حفاظتی یک خط ۵۰۰ kV ۲۰ متر عرض دارد. در این منطقه فعالیت‌های کشاورزی محدود مجاز است، اما انباشتن مواد قابل اشتعال یا ساخت ساختمان‌ها ممنوع است.

شاید متوجه شده‌اید که روی برج‌های انتقال برق دستگاه‌های مانند پیک و دستگاه‌های کوچک "بادکنک" نصب شده است. این دستگاه‌ها چه کاربردی دارند؟ همه آنها برای راندن پرندگان طراحی شده‌اند! دستگاه‌های ضد پرنده جلوگیری می‌کنند تا پرندگان در آنجا عشاک خود را بسازند، در حالی که دستگاه‌های چرخان کوچک "بادکنک" پرندگان را می‌ترسانند—هر دو به طور معمول روی برج‌ها نصب می‌شوند.

ساختار برج‌های انتقال برق محل مناسبی برای ساخت عشاک توسط پرندگان فراهم می‌کند. با این حال، مدفوع پرندگان هدایت‌پذیر است. وقتی روی سیم‌های عایق‌بندی ریخته می‌شود، می‌تواند مسیر هدایت‌پذیری بین رسانا و زمین ایجاد کند و احتمالاً باعث قوس‌زدن، خطاهای زمینی یا حتی کوتاه‌شدن بین فازها شود. بنابراین، خطوط برق بسیار آسیب‌پذیر به چیزی هستند که می‌توان آن را "پرندگان خشمگین" نامید. علاوه بر این، درختان بلند نزدیک به خطوط انتقال (یا مسیرهای آن) نیز می‌توانند عملکرد ایمن را تهدید کنند—به عنوان مثال باعث نقض فاصله از زمین یا کوتاه‌شدن شوند—و بنابراین باید به طور منظم بریده شوند.