چې څه د سیمه او برجونو په وړاندې د برق ورته لینونه وړتیا دي؟

چرا لاین های برق هوایی روی ستون های برق و برج های انتقال آزادانه می‌باشند؟

در عصر پیشرفت سریع فناوری، حمل و نقل افراد، کالاها و خدمات به طور قابل توجهی آسان شده است. دیگر فاصله جغرافیایی مانع قابل توجهی نیست. همانطور که این موجودات ملموس می‌توانند به راحتی در فواصل دور منتقل شوند، برق نیز نیاز به ارسال به نقاط دور دارد. با این حال، برخلاف کالاهای فیزیکی، برق به یک مedium برای سفر خود نیاز دارد.

شما ممکن است بارها مشاهده کرده باشید که لاین های انتقال برق که از ستون های برق و برج های انتقال آویزان می‌شوند، به نظر آزادانه می‌آیند و نه محکم بسته شده اند. این دیدگاه اغلب این سوال را مطرح می‌کند: چرا این خطوط به صورت محکم تری نیستند؟

در این بررسی، ما دلایل آزاد بودن خطوط برق روی ستون ها و ضرورت سیخک (sag) در خطوط توزیع و انتقال را کشف خواهیم کرد. قبل از ورود به توضیحات دقیق، بیایید ابتدا برخی از نکات اساسی را مرور کنیم که درک ما از این پدیده مهندسی برق را افزایش می‌دهد.

انتقال برق: اصول، تلفات و اجزا

اصول انتقال برق

قدرت نشان دهنده نرخی است که کار انجام می‌شود. در زمینه برق، وقتی انرژی الکتریکی یک مسافت را طی می‌کند، کار انجام می‌شود. بنابراین، قدرت می‌تواند به عنوان مقدار انرژی که در واحد زمان ارسال می‌شود تعریف شود. برای انتقال برق در فواصل دور، خطوط برق به عنوان medium اساسی برای این انتقال عمل می‌کنند.

قدرت فعال، مؤلفه قدرت الکتریکی که کار مفید انجام می‌دهد، معمولاً به وات اندازه‌گیری می‌شود. در زمینه انتقال برق، انتقال با ولتاژ بالا روش مورد نظر برای صرفه‌جویی در انرژی است. این به این دلیل است که جریان الکتریکی که از یک رسانا می‌گذرد گرمایی تولید می‌کند که می‌تواند بسیار مضر باشد. گرما باعث تخریب خطوط الکتریکی در طول زمان می‌شود و منجر به سایش زودرس و شکست ممکن می‌شود. برای کاهش تلفات انرژی و حفظ قدرت انتقالی، کارآمدتر است که مقدار جریان الکتریکی که از خطوط می‌گذرد را کاهش داده و ولتاژ را افزایش دهیم. این روش که به عنوان انتقال قدرت با ولتاژ بالا شناخته می‌شود، به طور موثری قدرت تبدیل شده به گرما در خطوط انتقال را کاهش می‌دهد.

رسانایی و تلفات قدرت

در طول فرآیند انتقال قدرت، برخی از قدرت الکتریکی به محیط اطراف از دست می‌رود. این اتفاق بیشتر به این دلیل رخ می‌دهد که خطوط انتقال به طور کامل عایق نمی‌شوند و اجازه می‌دهند گرما و نشت الکتریکی اتفاق بیفتد. بر اساس قانون اهم، مقاومت (R) یک رسانا مستقیماً با طول (L) آن متناسب است. بنابراین، هرچه 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 تخلیه موثر گرما تولید شده توسط جریان الکتریکی در خطوط نیست.

برای کاهش این مشکلات، خطوط الکتریکی با قطرهای بزرگتر طراحی می‌شوند. این انتخاب طراحی بر اساس این حقیقت است که مقاومت (R) یک رسانا به طور معکوس با مساحت مقطعی آن متناسب است. با افزایش قطر رسانا، مساحت مقطعی آن افزایش می‌یابد و منجر به کاهش مقاومت می‌شود. این کاهش مقاومت به نوبه خود منجر به کاهش تلفات قدرت به دلیل تولید گرما در خطوط انتقال می‌شود.

سیم‌ها و کابل‌های الکتریکی

سیم‌ها و کابل‌های الکتریکی رساناهایی هستند که برق از طریق آنها حرکت می‌کند و عموماً از برنج به دلیل رسانایی الکتریکی عالی آن ساخته می‌شوند. با این حال، این رساناهای از برنج خالص تشکیل نشده‌اند. برای بهبود خصوصیات مکانیکی آنها، مانند استحکام و دوام، برنج با عناصر دیگر آلیاژ می‌شود. افزودن این عناصر رسانایی الکتریکی برنج را کاهش نمی‌دهد. بلکه، آنها ویژگی‌های مکانیکی رسانا را بهبود می‌بخشند و اطمینان می‌دهند که رسانا می‌تواند تحمل مشق نصب و عملیات را در حال حفظ توانایی کارآمد انتقال برق داشته باشد.

قانون جول برای گرمایش الکتریکی

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

صورت‌های دیگر قانون جول

قانون جول و تأثیر عوامل محیطی بر خطوط الکتریکی

به عنوانی که توسط قانون جول برای گرمایش الکتریکی نشان داده شده است، گرما (P) تولید شده توسط جریان الکترون‌ها از طریق یک رسانا مستقیماً با مقاومت (R)، زمان (t) و مجذور جریان I^2 متناسب است. وقتی 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 دمایی بر خطوط الکتریکی

مقاومت یک رسانا به طور قابل توجهی توسط دما تحت تأثیر قرار می‌گیرد. هرچه 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 جنبشی بیشتری به دست آورند و حرکت آنها بیشتر نامنظم و تصادفی می‌شود. 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 شود و منجر به خرابی سیستم شود. در شرایط آب و هوای گرم، رساناها به دلیل تمدید حرارتی آزادانه می‌شوند و سیم‌های هوایی آزادانه می‌شوند. برعکس، در شرایط سرد، رساناها منقبض می‌شوند که می‌تواند بر روی تمامیت مکانیکی و عملکرد الکتریکی آنها تأثیر بگذارد.

تنش در خطوط الکتریکی

تنش یک نیرویی است که در یک سیم یا کابل زمانی ایجاد می‌شود که دو نیروی مخالف بر آن وارد می‌شود. در مورد خطوط برق هوایی که بین ستون‌های برق یا برج‌های انتقال آویزان می‌شوند، تنش همیشه وجود دارد. اگر سیم‌ها به شدت محکم شوند، تنش به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. این تنش افزایش یافته سیم‌ها را در معرض خطر آسیب بیشتر قرار می‌دهد، زیرا حتی انقباضات یا انبساطات کوچک به دلیل تغییرات دما یا تنش مکانیکی می‌تواند باعث شکست آنها شود.

ضرورت سیخک (sag) در خطوط توزیع و انتقال

سیخک در خطوط انتقال به نمایان بودن منحنی یا خمیدگی پایین‌روی کابل‌ها بین سازه‌های حمایتی مانند ستون‌ها یا برج‌ها اشاره دارد. این خمیدگی نتیجه طبیعی ترکیب وزن سیم و تنش وارد بر آن است.

اهمیت خطوط برق هوایی آزادانه و سیخک در انتقال الکتریکی

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

اگر خطوط برق به صورت محکم تنیده شوند، یک سرمازدگی می‌تواند باعث انقباض در خطوط انتقال شود. این انقباض منجر به افزایش قابل توجه تنش در خطوط می‌شود. این تنش افزایش یافته می‌تواند باعث آسیب جدی به سیم‌ها و کابل‌ها شود و ممکن است منجر به قطع برق، خطرات ایمنی و تعمیرات گران‌قیمت شود. برای جلوگیری از چنین نتایج مضری، خطوط برق به طور معمول با آزادی نصب می‌شوند. این طراحی اجازه می‌دهد که خطوط با تغییرات دما منقبض یا انبساط یابند بدون اینکه تنش بیش از حد تجربه کنند، و بدین ترتیب تمامیت زیرساخت‌های الکتریکی حفظ می‌شود.

سیخک، منحنی پایین‌روی رساناهای خطوط انتقال بین سازه‌های حمایتی، نه تنها یک ویژگی ظاهری است بلکه یک مولفه الزامی و حیاتی در سیستم‌های انتقال الکتریکی است. این مولفه به عنوان یک محافظ در برابر گرم شدن بیش از حد عمل می‌کند و فضای کافی برای انبساط سیم‌ها در شرایط دمای بالا فراهم می‌کند و احتمال افزایش مقاومت و تولید گرما را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، سیخک به طور موثر تنش در خطوط را کاهش می‌دهد و آنها را در برابر تنش‌های مکانیکی ناشی از عواملی مانند تغییرات دما، بارهای باد و انباشت یخ محافظت می‌کند.

به طور کلی، سیخک نقشی اساسی در تضمین ایمنی، قابلیت اطمینان و طول عمر طولانی سیستم‌های انتقال الکتریکی دارد. با حفظ سطح بهینه سیخک، مهندسان می‌توانند عملکرد صاف و کارآمد شبکه را تضمین کنند و خطر حوادث، قطع برق و خسارات زیرساختی گران‌قیمت را کاهش دهند. این تعادل دقیق بین تنش، دما و تنش‌های مکانیکی برای موفقیت مداوم شبکه‌های توزیع الکتریکی مدرن ضروری است.