طراحی خطوط انتقال
وقتی هدف، بهینه‌سازی ابعاد و وزن دکلهای خطوط انتقال نیرو باشد، طبیعی است‌عوامل مختلفی از جمله مشخصه هادیها، آرایش فازها و فاصله آنها تا دکلها در این امردخالت دارد.
در این نوشتار ضمن بررسی عوامل مختلف در محاسبه فواصل فازی، تأثیر آنها درطراحی دکلهای موجود نیز مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
گرچه نقش هر یک از عوامل جوی و محیطی، بسیار مهم است، اما فاصله‌هادیها تا بدنه یا بازوی برجها، نقش مؤثرتری را در طراحی ابعاد و وزن دکلها یا برجهای‌خطوط انتقال نیرو دارد.
همچنین ابعاد دکلهای‌طراحی شده در کشور ایران با چند نمونه از دکلهای مربوط به خطوط انتقال نصب شده درچند کشور خارجی مقایسه شده است. نتایج این بررسیها نشان می‌دهد در طراحی دکلهای خطوط انتقال نیرو، فواصل فازها از بدنه دکلها و از یکدیگر، بیشتر از حد مورد نیازاست که این امر نشانگر در نظر گرفتن ضریب اطمینان بالا بوده که موجب افزایش وزن‌آنها و در نتیجه قیمت خطوط انتقال نیرو می‌شود.
گرچه ابعاد و وزن دکلها به عوامل بسیارمتعددی از جمله
فاصله اسپن، سرعت و زاویه‌وزش باد، ضخامت یخ، وزن و قطر هادی وعوامل دیگر وابسته است اما در یک شرایطمعین، فواصل فازها یکی از عوامل مهم ومؤثر در طراحی دکلهای خطوط انتقال نیرواست. با افزایش فاصله هادیها از بدنه یا بازوی دکلها، نیروی تحمیلی بر آنها تغییر می‌کند که این امر سبب افزایش ابعاد، وزن وقیمت آنها می‌شود.
توجه به این بخش از طراحی، می‌تواند عامل مؤثری در کاهش‌هزینه‌های مربوط به ساخت دکلها و در نتیجه‌سرمایه‌گذاری خطوط انتقال نیرو باشد .بررسی فواصل فازی در مراجع مختلف‌نشان می‌دهد با وجود مدلها و روابط متعددی که برای محاسبه فواصل فازی ارایه شده است، در عمل فواصل فازها حتی در شرایط محیطی یکسان، برابر نیست که وجود دکلهای متنوع با ابعاد و وزن مختلف درشبکه‌های برق‌رسانی ایران مؤید این مطلب است. لذا با توجه به اهمیت فواصل فازها وجای‌گذاری هادیها در طراحی دکلها، پهنای باند عبور و در نتیجه سرمایه‌گذاری خطوط انتقال نیرو، در این نوشتار مورد بحث و بررسی‌قرار می‌گیرد.
معیار انتخاب فواصل فازی
در خطوط انتقال نیرو فاصله فازها تا بدنه‌برجها یا فاصله فاز تا فاز به عوامل متعددی ازجمله اضافه ولتاژها، شرایط جوی و محیطی وسایر مشخصات فنی خطوط، وابسته است امابه هر حال دامنه تغییرات آن قابل محاسبه‌است. از طرفی با توجه به این که ممکن است اضافه ولتاژها یا پدیده‌های جوی رخ دهد، لذافاصله فازها می‌تواند با پذیرش احتمال کم یازیاد برای وقوع جرقه در فواصل هوایی،افزایش یا کاهش یابد. برای روشن شدن‌مطلب، به تأثیرگذاری عوامل مؤثر و مختلف‌در این زمینه به طور اختصار اشاره می‌شود.
الف) عوامل موثر در فواصل فازی
در محاسبه حداقل فاصله فازها تا بدنه‌دکلها عوامل متعددی دخالت دارد که از جمله‌می‌توان به این موارد اشاره کرد:
– ولتاژ خط انتقال
– وزن و قطر هادیها
– قطر یخ روی هادیها
– درجه حرارت هادیها
– سرعت و زاویه وزش باد
– شرایط جوی و محیطی مسیر
– فلش هادیها
– فاصله پایه‌ها
– قابلیت اطمینان یا درصد ریسک‌پذیری.
این عوامل عمدتا در نزدیک‌سازی‌فاصله فازها به بدنه دکلها در شرایط وزش باددخالت دارند. اما در هر شرایطی، حداقل‌فاصله فازها تا بدنه دکلها در هر جهت نباید ازرقمی که از طریق اضافه ولتاژهای ناشی از کلیدزنی یا صاعقه به وجود می‌آیند کمترباشد. شایان ذکر است که در برخی از مراجع،سرعت باد ماکزیمم در زمان وقوع حداکثراضافه ولتاژ، منظور نمی‌شود.
ب) حداقل فاصله افقی هادی تا دکل
در جای‌گذاری هادیها در روی دکلها بایددقت شود که فاصله هادیها با بدنه یا بازوی‌دکلها در هیچ قسمت، از مقدار مشخصی،کمتر نباشد این فاصله تابعی از مقدار اضافه ولتاژهای ناشی از صاعقه و کلیدزنی و درصد ریسک‌پذیری است. برای محاسبه حداقل‌فاصله هوایی یا فاصله هادی تا بدنه،می‌توان از این روابط استفاده کرد:
رابطه (2) نیز حداقل فاصله هوایی از دیدگاه اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه را نشان می‌دهد:
در این رابطه داریم: LS – حداقل فاصله هوایی بر مبنای اضافه‌ولتاژ کلیدزنی به متر
VS – اضافه ولتاژ ناشی از کلیدزنی به‌کیلوولت
LL – حداقل فاصله هوایی بر مبنای اضافه‌ولتاژ صاعقه به متر
VL – اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه به کیلوولت
برای محاسبه حداقل فاصله هوایی درهر سطح از ولتاژ لازم است، با توجه به مقادیراضافه ولتاژهای ناشی از کلیدزنی و صاعقه،حداقل فاصله هوایی محاسبه شود.
ضمنا برای سهولت مقایسه و محاسبه،حداقل فاصله هوایی مجاز فازها تا بدنه‌دکلها با توجه به روابط (1 و 2) و برحسب‌مقادیر مختلفی از اضافه ولتاژهای صاعقه وکلیدزنی نیز محاسبه شده است. حداقل فاصله هوایی، تنها به مقدار ولتاژ بستگی ندارد، بلکه‌تابعی از نوع اضافه ولتاژ نیز است. به عبارت‌دیگر این مطلب نشان می‌دهد که ولتاژشکست هوا ضمن این که به قدر مطلق ولتاژبستگی دارد، به شکل موج آن نیزوابسته است‌به عبارت دیگر برای مقادیر یکسانی از اضافه ولتاژهای صاعقه و کلیدزنی، حداقل فاصله‌هوایی مجاز یا فواصل فازها از یکدیگر (یا بابدنه دکلها) برای اضافه ولتاژ کلیدزنی بیشتراز اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه است.
فاصله فاز تا بدنه دکل
در صورتی که زنجیره مقره‌ها در اثر وزش‌باد دچار نوسان نشود، حداقل فاصله فاز تا بدنه دکلها را می‌توان معادل L در نظر گرفت‌که مقدار آن برابر LL یاLS (هر کدام بزرگترباشد) است. اما در عمل وزش باد سبب انحراف زنجیره مقره‌ها به سمت دکلهامی‌شود که این اقدام موجب نزدیک شدن‌فازها به بدنه یا بازوی دکلها می‌شود. لذا اگر هدف، تعیین محل مناسب برای نصب‌زنجیره مقره‌ها باشد باید این مطلب مدنظرقرار گیرد.
شمای کلی بخشی از دکل راهمراه با زنجیره مقره‌ها نشان می‌دهد. در این‌شکل fزاویه انحراف زنجیره مقره‌ها، dhمیزان پیشروی افقی هادیها به سمت دکل و dvفاصله هادی تا بازوی دکل در حالت‌انحراف زنجیره مقره‌ها و Lin طول زنجیره‌مقره‌هاست. با توجه به شکل فوق میزان پیشروی زنجیره مقره‌ها به سمت بدنه دکل رامی‌توان از رابطه 3به دست آورد.
با توجه مقدار dh حداقل فاصله فاز تا بدنه(D) به دست می‌آید.
وزش باد علاوه بر این که فاصله افقی هادیهاتا دکل را کاهش می‌دهد، سبب کاهش‌فاصله عمودی هادیها تا بازوی دکل (dv) نیزمی‌شود. لذا در انتخاب طول زنجیره مقره‌هاباید دقت شود که هیچ وقت مقدار dv از Lکمتر انتخاب نشود. اما اگر مقدار dv از حدمجاز کاهش یابد طول زنجیره مقره‌ها باید باتوجه به رابطه (6) اصلاح شود:
با جای‌گذاری مقدار معادل Lin در رابطه (5)مقدار D به صورت روابط (7) و (8) محاسبه می‌شود.
زاویه انحراف زنجیره مقره‌ها را می‌توان ازرابطه (9) به دست آورد. در این رابطه Vسرعت وزش باد برحسب متر بر ثانیه، dقطرهادی بر حسب متر، w وزن یک متر از طول‌هادی برحسب کیلوگرم و Sh وSvاسپنهای بادو وزن است.
همان طور که ملاحظه می‌شود فاصله هادیهاتا بدنه دکلها به سرعت باد، شرایط آب وهوایی منطقه، نوع هادی و فاصله دکلهاوابسته است. به عبارت دیگر هر چه زاویه‌انحراف زنجیره مقره‌ها بیشتر باشد فاصله فازها باید زیادتر انتخاب شود. در شرایطمتعارف، مقدار tanf در محدوده 4/0 تا 6/0 تغییر می‌کند، لذا در این حالتها مقدار Kدرمحدوده 4/1 تا 6/1تغییر می‌کند (اگر زنجیره‌مقره‌ها به صورت Vشکل نصب شود K حدود1/1 تا 2/1 خواهد بود) لذا با توجه به مقادیراضافه ولتاژهای مندرج در جدول (1) و در نظرگرفتن K مساوی 1/1 و 1/4 برای آرایش Vو I مقره‌ها، حداقل فاصله هادیها تا بدنه‌دکلها (D) محاسبه و نتیجه در جدول (3) درج‌شده است. در این محاسبات برای ولتاژ 400کیلوولت از مقدار ماکزیمم Ls و برای سایرسطوح ولتاژ از ارقام ماکزیمم LL استفاده شده‌است.
لازم به توضیح است که تنظیم فاصله‌هادیها در سر دکلها به معنی مناسب بودن‌فواصل فازی در خط انتقال نیست، بلکه بایدفاصله فازها در وسط پایه‌ها نیز کنترل شود.چون ممکن است در اثر وزش باد، فواصل هادیها از حد مجاز کمتر شود. در چنین‌شرایطی، باید فاصله هادیها در سر دکلهابیشتر از ارقام محاسبه شده منظور شود تا در وسط پایه‌ها مشکلی ایجاد نشود.
فواصل فازی
برای بررسی فواصل فازی متداول درخطوط انتقال نیروی کشور، مقادیر فواصل‌هوایی و فازی که از روش محاسباتی فوق به‌دست آمده است با مقادیر مشابه آنها که درمراجع مختلف درج شده مورد مقایسه قرار می‌گیرد. در ادامه نوشتار مقادیر مربوط به این‌عوامل ارزیابی می‌شود.
الف) فواصل فازها در دکلهای شبکه‌برق‌رسانی کشور
بررسی دکلهای نصب شده در سطح‌شبکه‌های برق‌رسانی کشور، نشان می‌دهدکه ابعاد آنها دارای تفاوتهای محسوسی است.گرچه بخشی از این اختلافات مربوط به‌شرایط آب و هوایی منطقه است، اما قسمت‌دیگر به ناهماهنگ‌بودن معیارهای طراحی ازجمله انتخاب ضرایب اطمینان طراحی‌مرتبط می‌شود. جدول (4) دامنه تغییرات‌فواصل فازها در چند نمونه از دکلهای خطوطانتقال نیروی کشور را نشان می‌دهد.
ب) مقادیر واقعی در چند خط انتقال‌خارج از کشور
برای نتیجه‌گیری بهتر، وضعیت فاصله‌فازی در چند نمونه از خطوط انتقال نیرو نصب‌شده در کشورهای اروپایی و آمریکایی که ازمراجع مختلف استخراج شده مورد مطالعه قرارگرفت. با توجه به بررسیهای انجام شده، فاصله هادیها تا بدنه دکلها محاسبه و نتیجه‌در جدول (5) درج شد. همان طور که از این‌جدول پیداست اختلاف محسوسی بین ارقام این جدول با دیگر مراجع، وجود دارد. گرچه‌بخشی از این اختلافات مربوط به شرایط آب وهوایی مسیر است اما عامل دیگر، تفاوت در بکارگیری معیارهای طراحی است.
ج) حداقل مجاز در NESC
از آن جا که هدف، مقایسه فواصل هوایی‌محاسبه شده در مراجع مختلف است، لذامقادیر توصیه شده توسط NESCنیز موردبررسی و مقایسه قرار می‌گیرد. البته چون دراین مرجع ولتاژهای معادل سطوح ولتاژ استاندارد کشور وجود ندارد، لذا فواصل هوایی‌ولتاژهای نزدیک (سطوح ولتاژ 69 ، 138 و 230)، انتخاب و فواصل، با توجه به‌سطوح ولتاژ کشور، اصلاح شده است. جدول(6) حداقل فاصله هوایی مجاز و فاصله هادی‌تا دکل را در چهار سطح ولتاژ استاندارد کشورایران نشان می‌دهد.
مقایسه فواصل فازی بررسیهای انجام شده در این نوشتارنشان می‌دهد روشهای بکار گرفته شده درمراجع مختلف برای محاسبه فواصل فازی،متفاوت بوده که این امر باعث بروز اختلافات‌محسوسی در مقادیر فاصله فازها تا بدنه دکلها شده است.
– حالت اول: نتایج محاسبات
– حالت دوم: استاندارد NESC
– حالت سوم: خطوط نصب شده در چند کشورخارجی
– حالت چهارم: خطوط نصب شده در شبکه‌برق‌رسانی ایران .
گرچه بخشی از اختلاف ارقام موجود دراین جدول مربوط به شرایط محیطی است، امابه هر حال فواصل هادیها تا دکلهای خطوطنصب شده در کشور ایران از حد متعارف بیشتراست که باید مورد بازنگری و ارزیابی قرارگیرند.
با توجه به این که بهینه‌سازی ابعاد و وزن‌دکلها یا برجهای خطوط انتقال نیرو بدون‌بکارگیری معیارهای مناسب در محاسبه‌فواصل فازی میسر نیست لذا باید این اقدام‌مهم در طراحی خطوط انتقال نیرو بخصوص طراحی دکلها به طور جدی مورد توجه قرارگیرد. بدیهی است استانداردهای دکلهای‌خطوط انتقال نیرو بدون توجه به این مهم، نمی‌تواند از مطلوبیت کافی برخوردار باشد.
نتیجه:
بررسیهای مقدماتی انجام شده در این‌نوشتار نشان می‌دهد که معیارهای موجودبرای محاسبه فواصل فازی در کشور دارای‌ضریب اطمینان بالایی است که این امر سبب‌افزایش بی‌مورد ابعاد و وزن دکلهای خطوطانتقال نیرو می‌شود.
بررسی و مقایسه فواصل فازی ابعاددکلهای خطوط انتقال نیروی موجود در کشورایران با تعدادی از مراجع نشان می‌دهد که دربسیاری موارد امکان کاهش ابعاد آن، میسراست. از آن جا که مشخصات فنی دکلها مستقیما به فواصل فازها تا بدنه دکل ودرنتیجه به نیروهای تحمیلی بر آنها وابسته‌است، به طور طبیعی بهینه‌سازی ابعاد و وزن‌دکلها بدون انتخاب معیار مناسب برای تعیین‌فواصل فازی میسر نیست.
