بخشی از مقاله
چکیده _هادیهای پرظرفیت که با نام اختصاری HTLS1 شناخته میشوند، قابلیت کار در دماهای بالا و با شکم پایین را دارند. این هادیها طی 30 سال گذشته در بسیاری از نقاط دنیا مورد استفاده و بهرهبرداری قرار گرفتهاند . هادی های پرظرفیت، ظرفیت حمل جریان را تا دو برابر افزایش میدهند و بهترین گزینه جهت جایگزین شدن با هادیهای قدیمی بدون نیاز به احداث خطوط جدید میباشند. از طرفی فناوری نانو امکان ساخت و تولید قطعات مختلف با خواص بهتر و هزینه کمتر را ایجاد میکند که خواص مورد نظر میتواند خواص فیزیکی، مکانیکی، متالورژیکی، شیمیایی و غیره باشد.
در حوزهی هادیهای پرظرفیت نیز فناوری نانو میتواند در جهت بهبود خواص و کاهش قیمت اثر گذار باشد. استفاده از فناوری نانو در حوزهی هادیهای پرظرفیت میتواند در سه قسمت اصلی یک هادی اثر خود را نشان دهد. -1 هسته -2 آلیاژ عایق و -3 روکش. مواد نانوساختار چه به صورت ذرات نانوسایز در ساختار اجزاء و چه به صورت یک پوشش نانوساختار و چه به صورت فاز تقویت کننده میتوانند در بهبود خواص هادیهای پرظرفیت اثرگذار باشند. در این مقاله سعی شده است ضمن معرفی انواع هادیهای پرظرفیت مورد استفاده در صنعت برق و انرژی، به کاربرد فناوری نانو در مورد آنها پرداخته شده و با رصد آخرین تحولات فنی و پژوهشی و تحلیل نتایج حاصله، روند و سمت و سوی حرکت جهانی در این راستا مشخص شده و با توجه به مزایای ذکر شده چشم انداز استفاده از آنها برای کشور تعریف گردد.
.1 مقدمه
به موازات ایجاد سیستمهای انتقال فشارقوی و توسعه شبکههای قدرت در اوایل دهه قرن بیستم و افزایش تقاضا در مصرف انرژی، تمایل زیادی به استفاده از ولتاژهای بالاتر جهت انتقال توانهای بیشتر بهخصوص برای مسافتهای طولانی ایجاد شده است. در این شرایط دو راه حل برای بهرهبرداران وجود دارد که یکی ساخت خطوط انتقال جدید و دیگری افزایش ظرفیت خطوط موجود است. با توجه به هزینههای هنگفت ساخت خطوط انتقال جدید، راه حل دوم که افزایش ظرفیت خطوط انتقال موجود میباشد، مقرون به صرفهتر و مطلوبتر است. در این راستا یکی از روشهای افزایش ظرفیت انتقال توان استفاده از سیستمهای انتقال برق با ظرفیت بالا و بالتبع تجهیزات مربوطه از جمله هادیهای پرظرفیت بدون نیاز به تغییر برجها و دکلها، با هدف افزایش ظرفیت انتقال میباشد.
به طور کلی این هادیها متشکل از سیمهای آلومینیومی تقویت شدهای هستند که توسط سیمهای آلیاژی آلومینیوم - زیرکونیوم، احاطه شده اند. قطر هر یک از سیمهای آلومینیومی تقویت شده مرکزی در محدوده 2-3 میلیمتر است. این سیم ها با وزن بسیار کمتر و رسانایی به مراتب بیشتر، استحکام مکانیکی در حد سیمهای فولادی دارند. با افزایش ظرفیت خطوط انتقال مجهز به این نوع هادیها پراکندگی خطوط انتقال کاهش یافته که این خود منجر به تعدیل نیروهای وارد بر بخش های مختلف دکل نیز می شود.
این موضوع همچنین باعث افزایش طول عمر خط انتقال و پیامد آن کاهش هزینه ها را نیز در بر دارد. با توجه به اینکه بخش قابل توجهی از انرژی الکتریکی به دلیل تلفات در خطوط انتقال نیرو از دست میرود، لذا با کاهش تلفات در این خطوط میتوان به صرفه جویی قابل توجهی دست یافت. در این راستا ضمن سبکتر کردن هادی ها، مراحل نصب و راه اندازی خطوط جدید نیز تسریع یافته که این خود منجر به کاهش هزینههای مربوطه خواهد شد.
استفاده از هادیهای پرظرفیت در سطوح مختلف ولتاژ و جایگزینی هادیهای معمولی با این هادیها در بسیاری از کشورها به انجام رسیده است. این در حالی است که استفاده از فناوری نانو در حوزهی هادیهای پرظرفیت میتواند در بهبود خواص هادیهای پرظرفیت در سه حوزه هسته، آلیاژ عایق و روکش مواد به صورت ذرات نانوسایز در ساختار اجزاء و همچنین فاز تقویت کننده میتواند بسیار تأثیرگذار باشد.
.2 انواع هادی پرظرفیت
به طور کلی هادیهای پرظرفیت را میتوان در 5 دسته کلی طبقه بندی نمود:
-2-1 هادیهای پرظرفیت ACSS
ACSS مخفف Aluminum Conductor Steel Supported میباشد. این هادی یکی از انواع هادیهای پرظرفیت موجود در بازار بوده و دارای ویژگی های الکتریکی و مکانیکی خاصی نسبت به هادیهای ACSR میباشد. در این نوع از محصول که از لحاظ شکل و ساختار فیزیکی کاملا شبیه هادی های ACSR میباشد به جای استفاده از سیمهای آلومینیومی خالص 1350 از سیمهای آلومینیوم خالص کاملا آنیل یا نرم شده استفاده شده و در مغزی فولادی نیز میتوان از انواع فولادهای موجود در بازار ترجیحا استحکام بالا استفاده نمود.
این هادی در مقایسه با هادیهای معادل ACSR خود از لحاظ شکل، وزن و سطح مقطع کل، دارای دمای کاری بالاتر از200 درجه سانتیگراد بوده در حالی که این دما برای هادیهای ACSR ماکزیمم 90 درجه میباشد. به همین دلیل در این نوع از هادیها می توان ظرفیت حمل جریان را تا 2 برابر نسبت به هادیهای معمول افزایش داد به همین دلیل به این محصول هادی پرظرفیت میگویند. همچنین این محصول را میتوان در گروه هادیهای پرظرفیت با شکم کم یعنیHTLS نیز قرار داد چرا که یکی دیگر از ویژگیهای خاص این محصول ایجاد شکم کمتر از هادیهای ACSR در دماهای بالاتر از 90 درجه میباشد به طوری که این هادی را میتوان در دماهای بالا LOW SAG در نظر گرفت و این صفت را به آن اطلاق کرد.
-2-2 هادیهای پرظرفیت ACSS/TW
این هادیها شامل لایههای رشتهای هم محور است که شامل رشتههای فولادی در مرکز و یک یا چند لایه آلومینیوم آنیل شده به صورت ذوزنقهای در اطرافش است. سیمهای ذوزنقهای باعث بهوجود آمدن هادیهای متراکم با قطر کلی کمتر و فضای کمتر بین رشتهها میشوند. این کاهش قطر باعث کم شدن بارگذاری توسط برف و یخ میشود. همچنین این شکل از هادی باعث کاهش ضریب کششی، افزایش مقاومت ارتعاشی و بهبود مقاومت در برابر فرسودگی میشود.
-3-2 هادیهای پرظرفیت GZTACSR
شکل هندسی این هادی تقریبا شبیه هادی ACSR است. هسته فولادی با استحکام زیاد در مرکز قرار میگیرد و آلیاژهای با مقاومت حرارتی زیاد اطراف آن هستند. تفاوت هادیGTACSR با ACSR در فاصله هوایی موجود بین فولاد و آلومینیوم با آلومینیوم در این هادیها است. سیمهای آلومینیوم در لایه داخلی، سطح مقطع ذوزنقهای شکل دارند. بنابراین بین هسته فولادی و لایه داخلی آلومینیوم فاصله هوایی بوجود میآید. این فاصله هوایی با گریس که دارای مقاومت بالایی است پر میشود.
-4-2 هادیهای پرظرفیت ACCC
هادیهای کامپوزیت ACCC شامل هسته پیشرفته سبکی هستند که از فیبرهای یکپارچهی فایبرگلاس و کربن و نیز مادهی پلیمری رزین درون آن تشکیل شدهاند و دور آنها سیمهای آلومینیومی دایرهای یا ذوزنقهای شکل تابیده شدهاند.
-5-2 هادیهای پرظرفیت ACCR
هادیهای پرظرفیت ACCR متشکل از سیمهای آلومینیومی تقویت شدهای هستند که توسط سیمهای آلیاژی زیرکونیوم- آلومینیوم احاطه شدهاند. قطر هر یک از سیمهای آلومینیومی تقویت شده مرکزی، بسته به اندازه هادی، بین 1,9 تا 2,9 میلیمتر است. این سیمها با وزن بسیار کمتر و رسانایی به مراتب بیشتر، استحکام مکانیکی در حد سیمهای فولادی دارند. این نکته باعث میشود تا این هادیها در وزن برابر نسبت به هادیهایACSR از سطح مقطع بزرگ تری برخوردار باشند.
این استحکام به واسطه هزاران فیبر باریک اکسید آلومینیومی است که در ساختار سیمهای آلومینیومی تقویت شده مرکزی، بکار رفته است. چنین ترکیبی باعث میشود تا استحکام مکانیکی سیمهای تقویت شده هشت برابر سیمهای آلومینیومی معمولی باشد. همچنین، وزن این ترکیب کمتر از نصف وزن فولاد معادل است، رسانایی آن بیشتر است و ضریب انبساط طولی آن کمتر از نصف ضریب انبساط طولی فولاد میباشد.
رسانایی سیمهای بیرونی این نوع هادی که از آلیاژ زیرکونیم- آلومینیوم تشکیل شدهاند تنها % 1/5 از آلومینیوم خالص کمتر است، اما در عوض مقاومت حرارتی بالایی دارند. یکی از ویژگیهای آلیاژ زیرکونیم-آلومینیوم عملکرد آنها در دمای بالا است بطوریکه این ترکیب میتواند بطور دائم در دمای 210 درجه سانتیگراد عمل کند. این در حالی است که دمای مجاز هادیهای آلومینیومی در حدود 100 درجه سانتیگراد است.
.3 رصد آخرین محصولات و تحولات فناوری در حوزه انواع هادیهای پرظرفیت نانوساختار
فناوری نانو امکان ساخت و تولید قطعات مختلف با خواص بهتر و هزینه کمتر را ایجاد میکند که خواص مورد نظر میتواند خواص فیزیکی، مکانیکی، متالورژیکی، شیمیایی و غیره باشد. در حوزه هادیهای پرظرفیت نیز فناوری نانو میتواند در جهت بهبود خواص و کاهش قیمت اثر گذار باشد. استفاده از فناوری نانو در این حوزه میتواند در سه قسمت اصلی یک هادی اثر خود را نشان دهد. -1 هسته -2 آلیاژ عایق و -3 روکش. مواد نانوساختار چه به صورت ذرات نانوسایز در ساختار اجزاء و چه به صورت یک پوشش نانوساختار و چه به صورت فاز تقویت کننده میتوانند در بهبود خواص هادیهای پرظرفیت اثرگذار باشند.
با توجه به اینکه پایش پژوهشهای علمی و فناوری حوزههای مختلف می تواند یکی از ابزارهای تعیین جایگاه و روند گسترش کمی و کیفی آن فناوری باشد و فناوری نانو نیز به عنوان سردمدار فناوریهای نوین از این قاعده مستثنی نیست، لذا به لحاظ اتخاذ جهتگیری مناسب برای توسعه استفاده از هادیهای پرظرفیت نانوساختار مورد استفاده در صنعت برق و انرژی، رصد آخرین محصولات و تحولات فناوری در این حوزه از اهمیت بسزایی برخوردار است. بدین منظور با بررسی بانک هایاطلاعاتی با استفاده از کلید واژه های مناسب، موارد مرتبط مشخص شده و دسته بندی های مختلف صورت گرفته و مورد تحلیل قرار گرفتند. در راستای استخراج اطلاعات و بررسی مقالات و پتنت ها، دسته بندی و اولویت دهی موضوعی، کشورها و مراکز بین المللی پیشرو مشخص شدند که نتایج آن در ادامه آورده شده است.
