چرا خطوط برق هوایی روی م Mast و برج ها آزاد می باشند

چرا خطوط برق هوایی روی ستون‌های توزیع و برج‌های انتقال رها هستند؟

در عصر پیشرفت سریع فناوری، حمل و نقل افراد، کالاها و خدمات به مراتب آسان‌تر شده است. دیگر فاصله جغرافیایی مانع قابل توجهی نیست. همان‌طور که این موجودات ملموس می‌توانند به صورت موثر برای فواصل طولانی منتقل شوند، برق نیز نیاز به انتقال به دور و نزدیک دارد. با این حال، در مقایسه با کالاهای فیزیکی، برق نیاز به میانجی برای سفر خود دارد.

شاید متوجه شده باشید که خطوط انتقال برق که از ستون‌های توزیع و برج‌های انتقال مشکل شده‌اند به نظر می‌رسد که رها هستند و نه محکم بسته شده‌اند. این دیدگاه اغلب این سوال را مطرح می‌کند: چرا این خطوط به صورت محکم‌تری ثابت نشده‌اند؟

در این بررسی، ما دلایل رها بودن خطوط برق روی ستون‌ها و ضرورت وجود کمان 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 می‌دهد.

انتقال برق: اصول، تلفات و مؤلفه‌ها

اصول انتقال برق

قدرت نشان‌دهنده نرخ انجام کار است. در زمینه برق، کار زمانی انجام می‌شود که انرژی الکتریکی یک مسافت را طی می‌کند. بنابراین، قدرت را می‌توان به عنوان مقدار انرژی منتقل شده در واحد زمان تعریف کرد. برای انتقال برق به فواصل طولانی، خطوط برق به عنوان میانجی اساسی برای این انتقال عمل می‌کنند.

قدرت فعال، بخشی از قدرت الکتریکی که کار مفید انجام می‌دهد، معمولاً به وات اندازه‌گیری می‌شود. در مورد انتقال قدرت، انتقال با ولتاژ بالا روش مطلوب برای صرفه‌جویی در انرژی است. این امر به این دلیل است که جریان الکتریکی که از یک رسانا می‌گذرد، گرما تولید می‌کند که می‌تواند بسیار مضر باشد. گرما باعث تخریب خطوط الکتریکی در طول زمان می‌شود و منجر به سایش زودرس و احتمال خرابی می‌شود. برای کاهش تلفات انرژی و حفظ قدرت منتقل شده، کارآمدتر است که مقدار جریان الکتریکی در خطوط را کاهش داده و ولتاژ را افزایش دهیم. این رویکرد که به عنوان انتقال قدرت با ولتاژ بالا شناخته می‌شود، توان تبدیل شده به گرما در خطوط انتقال را به طور موثر کاهش می‌دهد.

رسانایی و تلفات قدرت

در طول فرآیند انتقال قدرت، بعضی از قدرت الکتریکی به محیط اطراف ضایع می‌شود. این امر عموماً به این دلیل رخ می‌دهد که خطوط انتقال کاملاً عایق‌بندی نشده‌اند و اجازه می‌دهند گرما و لکه‌های الکتریکی از بین برود. بر اساس قانون اهم، مقاومت (R) یک رسانا مستقیماً با طول (L) آن متناسب است. بنابراین، هر چه طول خط انتقال افزایش یابد، مقاومت آن نیز افزایش می‌یابد. علاوه بر این، هوا که خطوط انتقال را احاطه کرده است، یک رسانا ضعیف است و قادر به تبدیل گرمای تولید شده توسط جریان الکتریکی در خطوط به صورت موثر نیست.

برای کاهش این مشکلات، خطوط الکتریکی با قطر بزرگ‌تر طراحی می‌شوند. این انتخاب طراحی بر اساس این واقعیت است که مقاومت (R) یک رسانا با مساحت مقطعی آن نسبت معکوس دارد. با افزایش قطر رسانا، مساحت مقطعی آن افزایش می‌یابد و منجر به کاهش مقاومت می‌شود. این کاهش مقاومت به نوبه خود تلفات قدرت ناشی از تولید گرما در خطوط انتقال را کاهش می‌دهد.

سیم‌ها و کابل‌های الکتریکی

سیم‌ها و کابل‌های الکتریکی رساناهایی هستند که برق از طریق آنها حرکت می‌کند و به دلیل رسانایی الکتریکی عالی برنج معمولاً از برنج ساخته می‌شوند. با این حال، این رساناهای از برنج خالص تشکیل نشده‌اند. برای بهبود ویژگی‌های مکانیکی آنها مانند قدرت و طول عمر، برنج با عناصر دیگر آلیاژ می‌شود. افزودن این عناصر رسانایی الکتریکی برنج را کاهش نمی‌دهد. بلکه ویژگی‌های مکانیکی رسانا را بهبود می‌بخشد و اطمینان می‌دهد که می‌تواند تحمل سختی‌های نصب و عملیات را داشته باشد و همزمان توانایی انتقال موثر برق را حفظ کند.

قانون جول در گرمای الکتریکی

در واقعیت، هیچ فلزی واقعاً خالص نیست؛ خلوص هر فلز همیشه کمتر از ۱۰۰٪ است. بنابراین، تمام فلزات مقاومت داخلی دارند. وقتی یک جریان الکتریکی از یک رسانا می‌گذرد، انرژی به صورت گرما تبدیل می‌شود. مقدار گرما تولید شده می‌تواند با استفاده از قانون جول در گرمای الکتریکی محاسبه شود که درک اساسی از رابطه بین جریان الکتریکی، مقاومت و تولید گرما در مدارهای الکتریکی ارائه می‌دهد.

صورت‌های دیگر قانون جول

قانون جول و تأثیر عوامل محیطی بر خطوط الکتریکی

همان‌طور که قانون جول در گرمای الکتریکی نشان می‌دهد، گرما (P) تولید شده توسط جریان الکترون‌ها در یک رسانا مستقیماً با مقاومت (R)، زمان (t) و مجذور جریان I^2 متناسب است. وقتی یک جریان الکتریکی از یک رسانا می‌گذرد، باید مقاومت درون ماده را غلبه کند. این مقاومت به عنوان مانعی برای حرکت الکترون‌ها عمل می‌کند و باعث می‌شود جریان انرژی را به صورت گرما به محیط اطراف تبدیل کند.

تأثیر آب و هوایی و دما بر خطوط الکتریکی

مقاومت یک رسانا به طور قابل توجهی تحت تأثیر دما قرار می‌گیرد. هر چه دمای رسانا افزایش یابد، مقاومت آن نیز افزایش می‌یابد. این پدیده به این دلیل رخ می‌دهد که افزایش دما باعث می‌شود الکترون‌های درون رسانا انرژی کینتیکی اضافی کسب کنند و حرکت آنها بیشتر نامنظم و تصادفی شود. این الکترون‌های انرژیک به طور مکرر با اتم‌های ماده رسانا برخورد می‌کنند و گرما تولید می‌کنند.

گرما بیش از حد تولید شده توسط یک رسانا می‌تواند تهدید جدی باشد و ممکن است باعث ذوب آن و خرابی سیستم شود. در شرایط آب و هوای گرم، رساناها به دلیل انبساط حرارتی منبسط می‌شوند و باعث می‌شوند سیم‌های هوایی رها‌تر شوند. به طور معکوس، در شرایط آب و هوای سرد، رساناها منقبض می‌شوند که می‌تواند تأثیری بر تمامیت مکانیکی و عملکرد الکتریکی آنها داشته باشد.

تنش در خطوط الکتریکی

تنش نیرویی است که در یک سیم یا کابل زمانی که به دو نیروی مخالف تعریف می‌شود. در مورد خطوط برق هوایی که بین ستون‌های توزیع یا برج‌های انتقال مشکل شده‌اند، تنش همیشه وجود دارد. اگر سیم‌ها به صورت بیش از حد محکم شده باشند، تنش به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. این تنش بالا سیم‌ها را به آسیب‌پذیری بیشتری می‌رساند، زیرا حتی انقباض یا انبساط کوچکی به دلیل تغییرات دما یا تنش مکانیکی می‌تواند باعث شکستن آنها شود.

ضرورت وجود کمان در خطوط توزیع و انتقال

کمان در خطوط انتقال نمایانگر منحنی یا پهن شدن پایین‌تر کابل‌ها بین سازه‌های پشتیبانی مانند ستون‌ها یا برج‌ها است. این خمیدگی نتیجه طبیعی ترکیب وزن سیم و تنش وارد شده بر آن است.

اهمیت خطوط برق هوایی رها و کمان در انتقال الکتریکی

در طول انتقال و توزیع برق به فواصل طولانی، تبدیل انرژی به گرما یک نتیجه اجتناب‌ناپذیر است. انتقال با ولتاژ بالا به عنوان یک اقدام استراتژیک برای کاهش گرما تولید شده در رساناها استفاده می‌شود. این امر به این دلیل است که، بر اساس اصول مهندسی برق، کاهش جریان (با افزایش ولتاژ) به طور قابل توجهی توان تبدیل شده به گرما (بر اساس قانون جول P = I^2R) را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، شرایط آب و هوایی و تغییرات دما درون سیم‌ها نیازمند این است که خطوط برق هوایی با یک درجه از رها بودن نصب شوند.

اگر خطوط برق به صورت محکم تنیده شوند، یک گذار سرد می‌تواند باعث انقباض در خطوط انتقال شود. این انقباض منجر به افزایش قابل توجه تنش در خطوط می‌شود. تنش بالا می‌تواند باعث آسیب‌های شدید به سیم‌ها و کابل‌ها شود و منجر به قطع برق، خطرات ایمنی و تعمیرات گران‌قیمت شود. برای جلوگیری از چنین نتایج مضری، خطوط برق به صورت مقصودی با یک درجه از رها بودن نصب می‌شوند. این طراحی امکان می‌دهد که خطوط با تغییرات دما منقبض یا منبسط شوند بدون اینکه تنش بیش از حد تجربه کنند و در نتیجه تمامیت ساختار الکتریکی را حفظ کنند.

کمان، خمیدگی پایین‌تر رساناهای خطوط انتقال بین سازه‌های پشتیبانی، نه تنها یک ویژگی ظاهری است بلکه یک مؤلفه الزامی و حیاتی در سیستم‌های انتقال الکتریکی است. این کمان با ارائه فضای کافی برای منبسط شدن سیم‌ها در شرایط دمای بالا، از گرم شدن بیش از حد جلوگیری می‌کند و احتمال افزایش مقاومت و تولید گرما را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، کمان به طور موثر تنش در خطوط را کاهش می‌دهد و آنها را از تنش مکانیکی ناشی از عواملی مانند تغییرات دما، بار باد و تجمع یخ محافظت می‌کند.

در اصل، کمان نقش کلیدی در تضمین ایمنی، قابلیت اطمینان و طول عمر طولانی سیستم‌های انتقال الکتریکی دارد. با حفظ سطح بهینه کمان، مهندسان می‌توانند عملکرد صاف و کارآمد شبکه را تضمین کنند و خطر حوادث، قطع برق و خسارات گران‌قیمت زیرساخت‌ها را کاهش دهند. این تعادل دقیق بین تنش، دما و تنش مکانیکی برای موفقیت مداوم شبکه‌های توزیع الکتریکی مدرن ضروری است.