الكابلات الكهربائية العلوية: الأنواع والاختيار والتركيب

اختيار الصحيح الكابلات الكهربائية العلوية يتطلب خط النقل أو التوزيع موازنة ثلاثة متغيرات مترابطة: القدرة على حمل التيار المستمر، وقوة الشد الميكانيكية، وسلوك الترهل طويل الأمد تحت درجة حرارة التشغيل القصوى . بالنسبة لمعظم التطبيقات ذات الجهد المتوسط ​​والعالي، يظل موصل الألومنيوم المقوى بالفولاذ (ACSR) هو الخيار الافتراضي لأن قلب الفولاذ المجلفن يحمل ما يقرب من 55% إلى 65% من إجمالي التوتر بينما تحمل خيوط الألومنيوم التيار، وهو فصل للوظائف لا يمكن لأي موصل متجانس أن يضاهيه بتكلفة معادلة.

أنواع الموصلات وتركيب المواد

يتم تصنيف الكابلات الكهربائية العلوية حسب المواد وتكوين الموصل. تهيمن عائلات الموصلات العارية الثلاثة الأساسية على السوق، وكل منها يناسب أطوال الامتداد والظروف البيئية المميزة.

يتكون ACSR، أو موصل الألمنيوم المقوى بالفولاذ، من قلب فولاذي متحد المركز محاط بطبقة واحدة أو أكثر من خيوط الألمنيوم 1350-H19 المسحوبة بقوة. يوفر القلب الفولاذي، المتوفر بدرجات قوة مختلفة، العمود الفقري للشد، بينما تحمل طبقات الألومنيوم التيار بموصلية تبلغ 61.2% إاكس (المعيار الدولي للنحاس الملدن). موصل ACSR "Drake" النموذجي، مع حبلا 26/7 وقطر إجمالي يبلغ 28.14 ملم، يحقق قوة شد مقدرة تبلغ 140 كيلو نيوتن وقدرة مستمرة تبلغ حوالي 907 أمبير عند 75 درجة مئوية في ظل ظروف الرياح المعتدلة.

Aالجميح للسيارات، موصل مصنوع بالكامل من سبائك الألومنيوم، يستخدم جدلاً متجانسًا من أسلاك سبائك الألومنيوم 6201-T81. تشتمل هذه السبيكة على المغنيسيوم والسيليكون لتحقيق قوة شد تعادل تقريبًا ضعف قوة الألومنيوم الموصل للكهرباء 1350-H19، مما يلغي الحاجة إلى قلب فولاذي. يتم تحديد موصلات AAAC عندما يكون تآكل قلب الفولاذ أمرًا مثيرًا للقلق، خاصة في البيئات الساحلية أو الصناعية التي تحتوي على الكلوريدات المحمولة بالهواء أو مركبات الكبريت. يؤدي غياب النواة الفولاذية المغناطيسية أيضًا إلى التخلص من التباطؤ وفقدان التيار الدوامي، مما يقلل من مقاومة التيار المتردد بمقدار تقريبي 3% إلى 5% مقارنة بـ ACSR ذات القطر المكافئ تحت نفس الحمل الحالي.

يوفر AAC، وهو موصل مصنوع بالكامل من الألومنيوم مصنوع بالكامل من خيوط 1350-H19، أعلى موصلية لكل وحدة وزن ولكن أقل قوة شد. ويقتصر استخدامه على مسافات قصيرة في شبكات التوزيع الحضرية وقطارات قضبان الحافلات داخل المحطات الفرعية، حيث نادرًا ما يتجاوز طول الامتداد 50 مترًا ولا يلزم الموصل بتحمل أحمال الجليد أو الرياح العالية.

الأداء المقارن لأنواع الموصلات القياسية

أساسيات السعة والتصنيف الحراري

إن سعة الكابل الكهربائي العلوي ليست رقمًا ثابتًا ولكنها دالة لتوازن الحرارة بين فقدان المقاومة (تسخين I²R)، والإشعاع الشمسي الذي يمتصه سطح الموصل، والتبريد الحراري من الرياح، وفقدان الحرارة الإشعاعية إلى السماء. يحدد معيار IEEE 738 المعادلة الحرارية للحالة المستقرة التي تحكم هذا التوازن. في ظل أسوأ الافتراضات المتمثلة في شمس كاملة، وسرعة رياح منخفضة تبلغ 0.6 م/ث، ودرجة حرارة محيطة تبلغ 40 درجة مئوية، قد تكون سعة موصل معين انخفاض بنسبة 25% إلى 35% من القيمة المنشورة لظروف الربيع المعتدلة.

درجة حرارة تشغيل الموصل هي المتغير المستقل الذي يتحكم في الترهل. يتم تصنيف موصلات ACSR القياسية للتشغيل المستمر عند 75 درجة مئوية، 90 درجة مئوية، أو 100 درجة مئوية ، مع السماح بدرجات حرارة أعلى لظروف الحمل القصوى الطارئة أو قصيرة المدى. فوق 93 درجة مئوية، تبدأ خيوط الألومنيوم في التلدين، مما يقلل بشكل دائم من قوة الشد. تستخدم الموصلات منخفضة الترهل (HTLS) ذات درجة الحرارة العالية مثل ACSS وG(Z)TACSR وACCR الألومنيوم الملدن بالكامل أو النوى المركبة للعمل بشكل مستمر عند 150 درجة مئوية إلى 210 درجة مئوية ، مما يؤدي إلى مضاعفة سعة خط ACSR التقليدي تقريبًا داخل نفس حق الطريق دون الحاجة إلى أبراج أطول.

حساب التوتر الترهل وممارسة التوتير

تخضع العلاقة بين توتر الموصل وترهله لمعادلة السلسال، والتي يتم تبسيطها للمسافات التي تقل عن 300 متر إلى تقريب مكافئ مع خطأ مقبول. تبدأ عملية التصميم بمفهوم الامتداد الحاكم، وهو متوسط ​​طول الامتداد المرجح الذي يمثل السلوك الميكانيكي المكافئ لقسم التوتر بأكمله بين الهياكل المسدودة. عادةً ما يكون التوتر المفرغ الأولي عند أدنى درجة حرارة للتوتير -20 درجة مئوية أو 0 درجة فهرنهايت ، يجب ضبطه بحيث لا يتجاوز الموصل 60% من قوة الانكسار المقدرة له تحت مجموعة أحمال الجليد والرياح الأكثر شدة المحددة بواسطة قانون السلامة الكهربائية الوطني (NESC) لمنطقة التحميل الجغرافية.

لا يقتصر التوتير على مجرد سحب الموصل إلى شد الهدف وتثبيته. يجب أن يتم شد الموصل إلى قيمة تبلد تقاس بالرؤية عبر المدى باستخدام مقياس عبور أو مقياس رقمي، مع وجود الموصل عند درجة حرارة موحدة معروفة. بالنسبة لمسافة 300 متر من ACSR Drake عند درجة حرارة 15 درجة مئوية مع عدم وجود رياح أو جليد، يكون انخفاض الهدف تقريبًا 6.5 متر ، الموافق لتوتر أفقي يبلغ حوالي 17 كيلو نيوتن. بعد القطع، يسترخي الموصل من خلال تسوية الخيوط والزحف المعدني، ويفقد تقريبًا 10% إلى 15% من التوتر الأولي خلال أول 1000 ساعة من الخدمة . يجب أن يتوقع ترهل التوتير هذا الزحف من خلال استهداف التوتر الزائد بنسبة 10٪ إلى 12٪، والذي يرتاح بعد ذلك إلى الترهل النهائي للتصميم.

الاهتزازات الإيولية وتخميد الموصلات

عندما تمر رياح صفائحية ثابتة عبر كابل علوي بسرعات تتراوح بين 1 و7 م/ث، فإنها تطرح دوامات كارمان المتناوبة التي تولد قوة رفع دورية متعامدة مع اتجاه الريح. هذا الاهتزاز الرياحي، بترددات عادةً في نطاق 3 إلى 150 هرتز ، يجبر الموصل على التأرجح عند أو بالقرب من تردد الرنين الطبيعي لأحد أوضاع الاهتزاز الأعلى. إن إجهاد الانحناء الناتج عند مشبك تعليق الموصل، حيث تكون الحركة مقيدة بالكامل، يتجاوز حد تحمل الكلال للألمنيوم الذي يبلغ تقريبًا 57 ميجا باسكال (8.3 كيلو باسكال) خلال عشرات الملايين من الدورات، والتي تتراكم في غضون أيام أثناء ظروف الرياح الثابتة.

يستخدم التخفيف مخمدات ستوكبريدج، ومخمدات الاهتزاز الحلزونية (تسمى رسميًا مخمدات عظم الكلب أو عناصر المخمدات الحلزونية الشكل)، أو المخمدات المباعدة على الموصلات المجمعة. يحتوي مخمد ستوكبريدج الذي تم ضبطه بشكل صحيح على ترددين رنينين يحددان تردد الموصل المهيمن، ويمتصان الطاقة الاهتزازية من خلال الاحتكاك الداخلي لخيوط كبل المراسلة الخاصة به. مسافة وضع المخمد من المشبك ليست تعسفية؛ يجب أن يتم وضعه عند نقطة يكون فيها سعة العقد العكسية لاهتزاز الموصل كافية لإثارة المثبط. بالنسبة لخط 132 كيلو فولت نموذجي مع موصل ACSR Lynx، يتم وضع المثبط الأول 0.8 إلى 1.2 متر من فم مشبك التعليق ومخمد ثان بقطر 1.8 متر على مسافات تزيد عن 400 متر.

تفريغ كورونا وإدارة المجال الكهرومغناطيسي

عند جهد نقل يبلغ 230 كيلو فولت وما فوق، يقترب تدرج المجال الكهربائي عند سطح الموصل من قوة انهيار العزل الكهربائي للهواء، تقريبًا 30 كيلو فولت/سم عند مستوى سطح البحر . عندما يتجاوز تدرج السطح حوالي 17 كيلو فولت/سم في ظل الظروف الجافة، يبدأ تفريغ الإكليل، مما ينتج عنه ضوضاء مسموعة، وتداخل راديوي (RI) في النطاق من 0.5 إلى 1.6 ميجاهرتز، وفقدان الطاقة. يتناسب التدرج السطحي عكسيا مع نصف قطر الموصل؛ يجب أن يكون قطر موصل واحد لكل مرحلة على الأقل 24 ملم لجهد 230 كيلو فولت و 32 ملم لجهد 345 كيلو فولت للحفاظ على التدرج تحت عتبة الاكليل.

تعالج الموصلات المجمعة هذا الأمر عن طريق تقسيم تيار الطور بين اثنين أو ثلاثة أو أربعة موصلات فرعية مفصولة بفواصل صلبة على فترات تتراوح من 30 إلى 45 سم. حزمة مزدوجة من الموصلات بقطر 28 مم عند 400 كيلو فولت تحقق قطرًا مكافئًا تقريبًا 180 ملم من حيث توزيع المجال الكهربائي، مما يقلل من تدرج السطح بمقدار ثلاثة أضعاف تقريبًا مقارنة بموصل واحد له مساحة مقطعية إجمالية مكافئة. يتم اختيار المباعدة لتحسين التوازن بين انتظام المجال الكهربائي والاستقرار الميكانيكي ضد التذبذب تحت الامتداد، وهي ظاهرة حيث يحمي الموصل المتجه للريح الموصل المواجه للريح، مما يخلق عدم استقرار ديناميكي هوائي يدفع حركات الجلد البيضاوية.

اختيار العازل وتنسيق مسافة الزحف

يتم دعم الموصل العلوي ميكانيكيًا ومعزولًا كهربائيًا عن طريق التعليق أو سلاسل عازلة التوتر. يجب أن تكون مسافة زحف العازل، وهي طول المسار على طول سطح العازل من الطرف المنشط المناسب إلى الطرف المؤرض، كافية لمنع حدوث وميض كهربائي تحت الظروف الرطبة الملوثة. يتم تحديد مسافة الزحف المحددة بالملليمتر من الزحف لكل كيلو فولت من جهد النظام من مرحلة إلى مرحلة. بالنسبة لمناطق التلوث الضوئي، هناك زحف محدد لـ 16 ملم/كيلو فولت كافية؛ للرش الملحي الصناعي أو الساحلي الثقيل، 31 مم/كيلو فولت أو أكثر تم تحديده، ويتم تحقيقه باستخدام خيوط أطول أو عوازل من النوع الضبابي مع تنانير أعمق.

لقد حلت العوازل البوليمرية المركبة مع سقائف مطاط السيليكون إلى حد كبير محل سلاسل الأغطية والدبابيس المصنوعة من البورسلين والزجاج للبناء الجديد عند 138 كيلو فولت أو أقل، وتكتسب قبولًا عند مستويات الجهد الكهربائي العالي. يتسبب السطح الكاره للماء لمطاط السيليكون في تكوّن الماء بدلاً من تشكيل طبقة موصلة مستمرة، مما يمنع تسرب التيار عن طريق عامل من 10 إلى 100 مقارنة بسطح الخزف المحب للماء تحت ظروف تلوث مماثلة. إن وضع الفشل الأساسي للعوازل المركبة هو الكسر الهش لقضيب الألياف الزجاجية الأساسي بسبب الهجوم الحمضي أو دخول الماء عند ختم نهائي معيب، وهي آلية تتطلب مراقبة مستمرة للحمل الميكانيكي والفحص البصري لسلامة السكن.

التوصيل والطريق المسدود وتوافق الأجهزة

لا يمكن الاعتماد على الخط العلوي بأكمله إلا بقدر موثوقية مفاصله ونهاياته. يجب أن تحقق الوصلات متوسطة المدى، المطلوبة لأطوال الموصلات التي تتجاوز قدرات البكرة القياسية، قوة شد لا تقل عن 95% من قوة الكسر المقدرة للموصل ومقاومة كهربائية لا تزيد عن 75% من الطول المكافئ للموصل المنفصل. تعتبر وصلات التوتر الكامل من النوع المضغوط، والتي يتم تطبيقها باستخدام قالب سداسي ومكبس هيدروليكي قادر على 700 بار (10000 رطل لكل بوصة مربعة)، هي المعيار الصناعي. الجسم المفصل عبارة عن غلاف من الألومنيوم ينزلق فوق خيوط الألومنيوم وغطاء فولاذي منفصل يمسك القلب الفولاذي. يتم تأرجح الأكمام بشكل مستقل. الغلاف الفولاذي أولًا، ينقل التوتر الكامل عبر القلب، يليه غلاف الألومنيوم، الذي يحمل التيار حول المفصل الفولاذي.

يحدث التآكل الجلفاني ثنائي المعدن عندما تتلامس خيوط موصل الألومنيوم مع أجهزة سبائك النحاس في وجود المنحل بالكهرباء. الألومنيوم، كونه أنوديًا للنحاس، يتآكل بشكل مضحٍ. يجب أن تكون جميع موصلات الضغط وأجسام المشبك الخاصة بموصل الألومنيوم مصنوعة من سبائك الألومنيوم أو مطلية بالقصدير بالكامل لمنع الاتصال المباشر بين النحاس والألومنيوم. في الهياكل ذات النهاية المسدودة للمحطة الفرعية حيث ينتقل الخط العلوي من الألومنيوم إلى أعمال النحاس، تقوم العروة الانتقالية الملحومة بالاحتكاك ثنائية المعدن بعزل المعدنين مع توفير مسار تيار منخفض المقاومة مُصنف لتيار الدائرة القصيرة الكامل للخط.