خطوط برق هوایی و دکل‌ها: انواع، طراحی و ایمنی

به جز زیرستیشن‌های AC فراولتر، آنچه بیشتر می‌بینیم خطوط انتقال و توزیع برق هستند. برج‌های بلند رسانه‌ها را حمل می‌کنند که از روی کوه‌ها و دریاها پرش می‌کنند و به شهرها و دهات می‌رسند. این نیز موضوع جالبی است—امروز با هم خطوط انتقال و برج‌های پشتیبان آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

انتقال و توزیع برق

ابتدا بیایید بفهمیم چگونه برق منتقل می‌شود. صنعت برق عموماً شامل چهار مرحله است: تولید، انتقال، (زیرستیشن) توزیع و مصرف.

• تولید شامل انواع مختلف ژنراتورهای برق است—از ژنراتورهای سنتی مانند نیروگاه‌های زغال سنگی 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.

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

• توزیع در طرف مصرف شامل ترانسفورماتورهای پایین ولتاژ و تجهیزات ولتاژ متوسط و پایین، شیرآلات و سیم‌کشی است.

• مصرف به دستگاه‌های برقی در خانه‌ها اشاره دارد، همچنین استفاده از برق در زیرساخت‌های شهری، ساختمان‌ها، تسهیلات صنعتی و سایر کاربردها.

از نظر ساختار، خطوط انتقال به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند: خطوط انتقال هوایی و خطوط کابلی. در زیر نموداری از سیستم انتقال برق آمده است:

چه سطوح ولتاژی برای انتقال برق در فواصل طولانی مناسب است؟ برای کاهش ضایعات انتقال و بهبود کارایی، معمولاً از ولتاژهای AC 500 kV و بالاتر برای انتقال برق استفاده می‌شود. ولتاژهای در محدوده 500 kV تا 750 kV به عنوان انتقال ولتاژ بسیار بالا (EHV) طبقه‌بندی می‌شوند، در حالی که سیستم‌های 1000 kV AC به عنوان انتقال ولتاژ فوق بالا (UHV) شناخته می‌شوند. در مقابل، خطوط عملکردی از ولتاژ متوسط تا 110 kV–330 kV معمولاً به عنوان خطوط توزیع طبقه‌بندی می‌شوند. توجه داشته باشید که این طبقه‌بندی‌ها با افزایش تقاضای برق، ظرفیت سیستم و الگوهای توزیع انرژی منطقه‌ای می‌تواند متفاوت باشد.

سطح ولتاژ به ولتاژ بین دو فاز (A، B و C) اشاره دارد. ولتاژ 220 ولت که در خانه‌ها استفاده می‌شود ولتاژ فاز است، یعنی ولتاژ بین یک فاز و زمین. در واقع، تأمین برق مسکونی از یک سیستم ولتاژ خطی 380 ولت آغاز می‌شود. فقط در ورودی ساختمان، سه فاز (A، B و C) جدا می‌شوند—هر فاز ممکن است یک واحد مجزا از یک ساختمان مسکونی را تغذیه کند. آنچه معمولاً در شهرها یا مجتمع‌های مسکونی می‌بینید یک ساختار مربعی و جعبه‌ای است—این یک زیرستیشن جعبه‌ای (یا جعبه‌ای) است (مانند شکل زیر).

زیرستیشن جعبه‌ای تجهیزات ولتاژ متوسط، ترانسفورماتورها و دستگاه‌های توزیع ولتاژ پایین را یکپارچه می‌کند. این تجهیزات شبکه توزیع ولتاژ متوسط شهری (معمولاً 10 kV یا 20 kV) را به برق 380 V مناسب برای مصرف مسکونی یا شهری تبدیل می‌کنند. شاید سیم‌کشی را نبینید، زیرا شبکه‌های توزیع شهری در چین امروزه بیشتر از کابل‌های زیرزمینی استفاده می‌کنند. اما در برخی 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 رسانه‌ها 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 لازم می‌سازد.

در سال‌های اخیر، با توسعه سریع پایه‌های بادی و خورشیدی در مقیاس بزرگ، تقاضا برای انتقال برق در فواصل طولانی ادامه دارد. به عنوان پشتیبان اصلی تحویل برق، ساخت شبکه‌های ولتاژ فوق بالا (UHV) شتاب گرفته است و قدرت قوی برای انتقال انرژی در چین و توسعه پایدار فراهم کرده است. تمامی این سیستم‌های انتقال در فواصل طولانی از برج‌های انتقال و خطوط هوایی برای اتصال شبکه استفاده می‌کنند.

خطوط انتقال هوایی

یک خط انتقال هوایی شامل رسانه‌هایی است که با استفاده از عایق‌ها و تجهیزات سخت‌افزاری از برج‌ها معلق می‌شوند و فاصله ایمن بین رسانه‌ها و زمین یا ساختمان‌ها را تضمین می‌کنند. وظیفه اصلی یک خط انتقال انتقال انرژی برق، اتصال نیروگاه‌ها و زیرستیشن‌ها، امکان عملکرد موازی و یکپارچه‌سازی سیستم برق در یک شبکه واحد است.

خطوط هوایی مزایایی مانند هزینه سرمایه کمتر، سرعت ساخت بیشتر، نصب ساده و آسان، تشخیص آسان خطاها و خطرات، و نگهداری و تعمیر آسان دارند. برای انتقال در فواصل طولانی، خطوط هوایی به دلیل ظرفیت توان بالا بیشتر استفاده می‌شوند. هر چه فاصله انتقال طولانی‌تر باشد، سطح ولتاژ مورد نیاز بیشتر خواهد بود.

با این حال، چون خطوط هوایی به طور گسترده توزیع شده‌اند و به طور مداوم در محیط خارجی عمل می‌کنند، متأثر از شرایط محیطی و عوامل طبیعی می‌شوند. این امر منجر به انواع خرابی‌های عملیاتی می‌شود، از جمله ضربه برق، آسیب بادی، انجماد، فلاشر آلودگی، تداخل خارجی، لرزش رسانه‌ها و حوادث مرتبط با پرنده‌ها.

به علاوه، هنگام کار با تجهیزات برق با ولتاژ بالا، مهندسان اغلب با سیستم‌های ولتاژ بالا (HV)، ولتاژ فوق بالا (EHV) و ولتاژ خیلی بالا (UHV) که بیشتر از طریق خطوط هوایی به هم متصل هستند، سروکار دارند. بنابراین، نیازمندی‌های فنی برای تجهیزات ولتاژ بالا به شرایط خط -مانند محیط عملکرد و شرایط خدمات- مرتبط است. درک ویژگی‌ها و رفتارهای خرابی خطوط هوایی 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 (قطعات)، دستگاه‌های محافظت از برق (مانند سیم‌های زمینی هوایی و محدودکننده‌های برق) و سیستم‌های زمین‌سازی می‌شود. خطوط مدرن ممکن است شامل اجزای کمکی مانند سیم زمینی نوری (OPGW) و سیستم‌های ارتباطی حمل شونده توسط خطوط الکتریکی نیز باشند.

(۱) هادی‌ها

هادی‌ها جریان الکتریکی را منتقل می‌کنند و انرژی الکتریکی را تحویل می‌دهند. برای خطوط استاندارد، یک هادی برای هر فاز معمول است. اما برای خطوط EHV و انتقال با ظرفیت بالا، از هادی‌های گروهی -با استفاده از دو، سه، چهار یا بیشتر زیرهادی (اغلب در یک تنظیمات دایره‌ای)- معمولاً استفاده می‌شود. این کار باعث کاهش تخلیه کرونایی، کم کردن اتلاف قدرت و کاهش تداخل با سیگنال‌های رادیو، تلویزیون و سیگنال‌های ارتباطی دیگر می‌شود.

(۲) سیم‌های محافظ (زمینی) و سیستم‌های زمین‌سازی

سیم‌های محافظ در بالای برج‌های انتقال قرار دارند و از طریق سیم‌های رساننده به سیستم زمین‌سازی در هر برج متصل می‌شوند. در صورت برخورد آذرخش، سیم محافظ -که در بالای هادی‌های فاز قرار دارد- آذرخش را می‌گیرد و به طور ایمن جریان را از طریق سیستم زمین‌سازی به زمین هدایت می‌کند. این امر احتمال برخورد مستقیم به هادی‌ها را کاهش می‌دهد، عایق‌های خط را از خسارت بیش از حد محافظت می‌کند و عملکرد قابل اعتماد را تضمین می‌کند. سیم‌های محافظ معمولاً در طول کل خطوط با ولتاژ ۱۱۰ کیلوولت و بالاتر نصب می‌شوند و معمولاً از رشته‌های فولادی روی شده با روی ساخته شده‌اند.

(۳) برج‌ها (پایلون‌ها)

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

(۴) عایق‌ها و رشته‌های عایق

عایق‌ها اجزای اصلی عایق‌بندی یک خط انتقال هستند. آنها هادی‌ها را پشتیبانی یا معلق می‌کنند در حالی که آنها را از برج‌ها الکتریکی جدا می‌کنند و ضمانت می‌کنند که دارای مقاومت دی الکتریک قابل اعتماد باشند. تحت تنش مکانیکی، ولتاژ الکتریکی و گازهای جوی خوردگی، عایق‌ها باید دارای مقاومت مکانیکی کافی، عملکرد عایق‌بندی و مقاومت در برابر تخریب باشند.

(۵) لوازم (قطعات)

قطعات خط انتقال نقش مهمی در پشتیبانی، ثابت کردن، 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: گیره‌های خط، قطعات اتصال، قطعات اتصال، قطعات محافظ و قطعات سیم کشیده.

(۶) پایه‌ها

پایه برج را به زمین متصل می‌کند و از گریز، سقوط یا فرو رفتن جلوگیری می‌کند.

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

(۷) برج‌ها (پایلون‌ها)

انواع مختلفی از خطوط انتقال و برج‌ها وجود دارد که ولتاژ آنها تا ۱۰۰۰ کیلوولت می‌رسد. مواد برج‌ها شامل چوب، بتن، شبکه فولادی و ساختارهای لوله‌ای فولادی هستند و شکل‌ها و طراحی‌های آنها متنوع هستند. هدف یک خط انتقال انتقال قدرت الکتریکی از یک سمت به سمت دیگر با اتلاف کمتر است. بنابراین، در یک کلاس ولتاژ مشابه، خطوط طراحی می‌شوند تا امپدانس را کاهش داده و مساحت مقطع هادی را بیشینه کنند. برج‌ها برای پشتیبانی از خطوط و جلوگیری از تماس با اجسام رسانا دیگر که می‌توانند باعث خطا در زمین شوند، ساخته می‌شوند. بنابراین، آنها بلند و ساختاری پایدار ساخته می‌شوند. تصویر زیر نشان‌دهنده انواع رایج برج‌ها است.

بر اساس عملکردهای واقعی آنها در کاربردهای مهندسی، برج‌ها به چند نوع تقسیم‌بندی می‌شوند: برج‌های خط مستقیم (برج‌های معلق)، برج‌های زاویه (برج‌های گوشه برای تغییر جهت)، برج‌های پایانی (برای اتصال به و از زیرстанیون‌ها)، برج‌های جابجایی (برای چرخاندن فاز) و برج‌های پهن (طراحی شده برای عبور از رودخانه‌ها، دریاچه‌ها یا تنگه‌های بزرگ). در پایه هر برج، پایه قرار دارد. هادی‌ها از طریق رشته‌های عایق از بخش‌های متقاطع معلق می‌شوند.

اگر به یک برج شبکه‌ای فولادی نگاه دقیقی داشته باشید، می‌بینید که دو "شاخ" کوچک به بالا امتداد می‌یابد - یکی در هر طرف - که سیم‌های ریز را حمل می‌کنند. این سیم‌ها برای انتقال قدرت نیستند؛ آنها سیم‌های زمینی هوایی (سیم‌های محافظ) هستند که به عنوان سیم‌های زمینی نیز شناخته می‌شوند و برای محافظت از آذرخش استفاده می‌شوند.

برج‌های انتقال از شکل‌های مختلفی برخوردار هستند. برای خطوط یک مداری، کنفیگوراسیون‌های 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 حرکت محدود است یا در مناطق توسعه یافته اقتصادی که زمین کمیاب است، از برج‌های فشرده که دو یا حتی چهار مدار را در یک ساختار حمل می‌کنند، معمولاً استفاده می‌شود. برای خطوط انتقال DC با ولتاژ خیلی بالا (UHV)، نیز برج‌های T موجود هستند که دو مدار را که در زیر آنها معلق هستند - یکی قطب مثبت و دیگری قطب منفی - پشتیبانی می‌کنند.

کوریدور یک خط انتقال به معنای منطقه‌ای است که به صورت نواری از هادی‌های بیرونی یک خط برق هوایی با ولتاژ بالا به طرف جانبی امتداد می‌یابد. عرض آن توسط سطح ولتاژ تعیین می‌شود و تحت مقررات قوانین حفاظت از تسهیلات برق تنظیم می‌شود. به عنوان مثال، منطقه محافظت شده برای یک خط ۵۰۰ کیلوولت ۲۰ متر عرض دارد. در این منطقه فعالیت‌های کشاورزی محدود مجاز است، اما انباشتن مواد قابل اشتعال یا ساخت ساختمان‌ها ممنوع است.

شاید متوجه شده باشید که تعداد زیادی دستگاه‌های مانند دانه‌های بزرگ و دستگاه‌های کوچک "بادکنک" روی برج‌های انتقال نصب شده است. این دستگاه‌ها برای چه هستند؟ همه آنها سازه‌های مانع پرندگان هستند! دانه‌های ضد پرنده جلوگیری می‌کنند از ساخت لانه توسط پرندگان، در حالی که دستگاه‌های کوچک چرخان "بادکنک" پرندگان را می‌ترسانند—هر دو به طور معمول روی برج‌ها نصب می‌شوند.

ساختار برج‌های انتقال مکانی ایده‌آل برای ساخت لانه توسط پرندگان فراهم می‌کند. با این حال، مدفوع پرندگان رسانا است. وقتی که روی سیم‌های عایق‌بندی شده تخلیه شود، می‌تواند مسیری رسانا بین هادی و زمین ایجاد کند، که ممکن است منجر به خروج قوس الکتریکی، خطاهای زمینی یا حتی کوتاه شدن فاز به فاز شود. بنابراین، خطوط انتقال بسیار آسیب‌پذیر به آنچه می‌توان به آن "پرندگان خشمگین" گفت، هستند. علاوه بر این، درختان بلند نزدیک خطوط انتقال (یا مسیرها) نیز می‌توانند عملکرد ایمن را تهدید کنند—به عنوان مثال، با ایجاد نقض حداقل فاصله از زمین یا کوتاه شدن—و بنابراین باید به طور منظم بریده شوند.