چرا خطوط برق هوایی روی دکل‌ها و برج‌های برق آزاد هستند

چرا خطوط برق هوایی روی ستون های توزیع و برج های انتقال آزادانه تعلیق می شوند؟

در دوران پیشرفت سریع فناوری، حمل و نقل افراد، کالاها و خدمات به طور قابل توجهی آسان تر شده است. فاصله جغرافیایی دیگر مانع قابل توجهی نیست. همانطور که این موجودات ملموس می توانند به طور موثری در مسافت های طولانی منتقل شوند، برق نیز نیاز به انتقال به مسافت های دور دارد. با این حال، برخلاف کالاهای فیزیکی، برق نیاز به مedium برای سفر خود دارد.

شما ممکن است به طور مکرر مشاهده کرده باشید که خطوط انتقال برق که از روی ستون های توزیع و برج های انتقال آویزان هستند به نظر آزادانه تعلیق شده اند، نه به صورت محکم. این دیدگاه معمولاً این سوال را مطرح می کند: چرا این خطوط به صورت محکم تری ثابت نشده اند؟

در این بررسی، ما دلایل آزادی خطوط برق روی ستون ها و ضرورت سپری در خطوط توزیع و انتقال را کشف خواهیم کرد. قبل از ورود به توضیحات دقیق، بیایید ابتدا برخی از نقاط اساسی را مرور کنیم که درک ما از این پدیده مهندسی برق را افزایش می دهد.

انتقال برق: اصول، تلفات و مولفه ها

اصول انتقال برق

قدرت نمایانگر نرخ انجام کار است. در زمینه برق، کار زمانی انجام می شود که انرژی الکتریکی یک مسافت را طی می کند. بنابراین، قدرت را می توان به عنوان مقدار انرژی منتقل شده در واحد زمان تعریف کرد. برای انتقال برق به مسافت های طولانی، خطوط برق به عنوان medium اساسی برای این انتقال عمل می کنند.

قدرت فعال، جزء قدرت الکتریکی که کار مفید انجام می دهد، معمولاً به وات اندازه گیری می شود. در زمینه انتقال برق، انتقال با ولتاژ بالا روش ترجیحی برای صرفه جویی در انرژی است. این به این دلیل است که جریان الکتریکی که از طریق یک رسانا می گذرد گرمی تولید می کند که می تواند بسیار مضر باشد. گرمی باعث تخریب خطوط الکتریکی در طول زمان می شود، منجر به ساییدگی زودرس و شکست ممکن. برای کاهش تلفات انرژی و حفظ قدرت انتقالی، کارآمدتر است که مقدار جریان الکتریکی که از طریق خطوط می گذرد را کاهش داده و ولتاژ را افزایش داد. این رویکرد، که به عنوان انتقال برق با ولتاژ بالا شناخته می شود، به طور مؤثر تلفات قدرت به عنوان گرمی در خطوط انتقال را کاهش می دهد.

رسانایی و تلفات قدرت

در طول فرآیند انتقال قدرت، بعضی از قدرت الکتریکی به محیط اطراف از دست می رود. این اتفاق عمدتاً به این دلیل اتفاق می افتد که خطوط انتقال به طور کامل عایق نمی شوند، که اجازه می دهد گرمی تشعشعی و نشت الکتریکی رخ دهد. بر اساس قانون اهم، مقاومت (R) یک رسانا به طور مستقیم با طول (L) آن متناسب است. بنابراین، هر چه طول خط انتقال افزایش می یابد، مقاومت آن نیز افزایش می یابد. علاوه بر این، هوا که خطوط انتقال را احاطه می کند، رسانای ضعیفی است و قادر به تشعشع موثر گرمی تولید شده توسط جریان الکتریکی که از طریق خطوط می گذرد نیست.

برای کاهش این مشکلات، خطوط الکتریکی با قطر بزرگتر طراحی می شوند. این انتخاب طراحی بر اساس این حقیقت است که مقاومت (R) یک رسانا به طور معکوس با مقطع مساحت آن متناسب است. با افزایش قطر رسانا، مقطع مساحت آن افزایش می یابد، که منجر به کاهش مقاومت می شود. این کاهش مقاومت به نوبه خود تلفات قدرت به دلیل تولید گرمی در خطوط انتقال را کاهش می دهد.

سیم ها و کابل های الکتریکی

کابل ها و سیم های الکتریکی رساناهایی هستند که برق از طریق آنها حرکت می کند، و آنها عمدتاً از برنج به دلیل رسانایی الکتریکی عالی آن ساخته می شوند. با این حال، این رساناهای از برنج خالص تشکیل نشده اند. برای بهبود ویژگی های مکانیکی آنها، مانند قدرت و دوام، برنج با عناصر دیگر آلیاژ می شود. افزودن این عناصر رسانایی الکتریکی برنج را کاهش نمی دهد. بلکه، آنها ویژگی های مکانیکی رسانا را بهبود می بخشند، که اطمینان حاصل می کند که آن می تواند تحمل نصب و عملیات را بدون تضعیف توانایی خود برای انتقال موثر برق حفظ کند.

قانون ژول در گرم شدن الکتریکی

در واقعیت، هیچ فلزی واقعاً خالص نیست؛ خلوص هر فلز همیشه کمتر از ۱۰۰٪ است. به عنوان نتیجه، تمام فلزات مقاومت داخلی دارند. هنگامی که جریان الکتریکی از طریق یک رسانا می گذرد، انرژی به صورت گرمی تشعشع می کند. مقدار گرمی تولید شده می تواند با استفاده از قانون ژول در گرم شدن الکتریکی محاسبه شود، که درک اساسی از رابطه بین جریان الکتریکی، مقاومت و تولید گرمی در مدارهای الکتریکی را فراهم می کند.

فرم های دیگر قانون ژول

قانون ژول و تأثیر عوامل محیطی بر خطوط الکتریکی

همانطور که توسط قانون ژول در گرم شدن الکتریکی نشان داده شده است، گرمی (P) تولید شده توسط جریان الکترون ها از طریق یک رسانا به طور مستقیم با مقاومت (R)، زمان (t) و مجذور جریان I^2 متناسب است. هنگامی که جریان الکتریکی از طریق یک رسانا می گذرد، باید مقاومت موجود در ماده را غلبه کند. این مقاومت به عنوان مانعی برای حرکت الکترون ها عمل می کند، که باعث می شود جریان انرژی را به صورت گرمی به محیط اطراف تشعشع کند.

تأثیر آب و هوایی و دما بر خطوط الکتریکی

مقاومت یک رسانا به طور قابل توجهی تحت تأثیر دما قرار می گیرد. هر چه دمای رسانا افزایش می یابد، مقاومت آن نیز افزایش می یابد. این پدیده به این دلیل رخ می دهد که افزایش دما باعث می شود الکترون های موجود در رسانا انرژی جنبشی اضافی کسب کنند، که منجر به حرکت نامنظم و تصادفی می شود. این الکترون های پر انرژی به طور مکرر با اتم های ماده رسانا برخورد می کنند، که در این فرآیند گرمی تولید می کنند.

گرمی زیاد تولید شده توسط یک رسانا می تواند تهدید جدی ایجاد کند، که ممکن است باعث ذوب شدن آن و منجر به خرابی سیستم شود. در شرایط آب و هوای گرم، رساناهای به دلیل انبساط حرارتی گسترده می شوند، که باعث می شود سیم های هوایی آزادانه تر شوند. به طور معکوس، در آب و هوای سرد، رساناهای انقباض می یابند، که می تواند بر تمامیت مکانیکی و عملکرد الکتریکی آنها تأثیر بگذارد.

تنش در خطوط الکتریکی

تنش نیرویی است که در یک سیم یا کابل زمانی ایجاد می شود که به دو نیروی مخالف مواجه می شود. در مورد خطوط برق هوایی که بین ستون های توزیع یا برج های انتقال آویزان هستند، تنش همیشه وجود دارد. اگر سیم ها به صورت بیش از حد محکم شده باشند، تنش به طور قابل توجهی افزایش می یابد. این تنش افزایش یافته سیم ها را به آسیب پذیری بیشتری می بخشد، زیرا حتی انقباض یا انبساط کوچکی به دلیل تغییرات دما یا تنش مکانیکی می تواند باعث شکست آنها شود.

ضرورت سپری در خطوط توزیع و انتقال

سپری در خطوط انتقال نمایانگر منحنی یا خمیدگی پایین روی کابل ها بین سازه های پشتیبانی مانند ستون ها یا برج ها است. این خمیدگی نتیجه طبیعی ترکیب وزن سیم و تنش وارد بر آن است.

اهمیت خطوط برق هوایی آزادانه و سپری در انتقال الکتریکی

در طول انتقال و توزیع برق به مسافت های طولانی، تشعشع گرمی یک نتیجه اجتناب ناپذیر است. انتقال با ولتاژ بالا به عنوان یک اقدام استراتژیک برای کاهش گرمی تولید شده در رساناهای استفاده می شود. این به این دلیل است که، بر اساس اصول مهندسی برق، کاهش جریان (با افزایش ولتاژ) به طور قابل توجهی تلفات قدرت به صورت گرمی (بر اساس قانون ژول P = I^2R) را کاهش می دهد. علاوه بر این، شرایط آب و هوایی و نوسانات دمای داخلی سیم ها نیازمند این است که خطوط برق هوایی با یک درجه از آزادی نصب شوند.

اگر خطوط برق به صورت محکم تثبیت شوند، یک سرمازدگی می تواند باعث انقباض در خطوط انتقال شود. این انقباض منجر به افزایش قابل توجهی در تنش خطوط می شود. این تنش افزایش یافته می تواند باعث آسیب شدید به سیم ها و کابل ها شود، که ممکن است منجر به قطع برق، خطرات ایمنی و تعمیرات گران قیمت شود. برای جلوگیری از چنین نتایج مضری، خطوط برق به طور مقصودی با آزادی نصب می شوند. این طراحی اجازه می دهد که خطوط بتوانند با تغییرات دما بدون تنش بیش از حد منقبض یا گسترده شوند، که اطمینان حاصل می کند که تمامیت زیرساخت های الکتریکی حفظ شود.

سپری، خمیدگی پایین رساناهای خطوط انتقال بین سازه های پشتیبانی، نه تنها یک ویژگی ظاهری است بلکه یک مولفه الزامی و حیاتی در سیستم های انتقال الکتریکی است. این ویژگی به عنوان یک محافظ در برابر گرم شدن بیش از حد عمل می کند با ارائه فضای کافی برای گسترش سیم ها در شرایط دمای بالا، که احتمال مقاومت بیش از حد و تولید گرمی را کاهش می دهد. علاوه بر این، سپری به طور موثر تنش در خطوط را کاهش می دهد و آنها را از تنش مکانیکی ناشی از عواملی مانند تغییرات دما، بار باد و تجمع یخ محافظت می کند.

در واقع، سپری نقش محوری در تضمین ایمنی، قابلیت اطمینان و طول عمر طولانی سیستم های انتقال الکتریکی دارد. با حفظ سطح بهینه سپری، مهندسان می توانند عملکرد هموار و کارآمد شبکه را تضمین کنند، که خطر حوادث، قطع برق و آسیب های گران قیمت زیرساخت را کاهش می دهد. این تعادل دقیق بین تنش، دما و تنش مکانیکی برای موفقیت مداوم شبکه های توزیع الکتریکی مدرن ضروری است.