أبراج نقل الكهرباء

مقدمة

تحمل أبراج النقل (الأعمدة الكهربائية) كميات كبيرة من التيار عالي الجهد لمسافات طويلة. وعادة ما يبلغ ارتفاع هذه الهياكل (16 مترًا إلى 45 مترًا)، ويبلغ ارتفاع أطول الأبراج (380 مترًا). تربط أبراج النقل محطات الطاقة بسلسلة من محطات الطاقة الفرعية، مما يسمح لمنطقة طاقة واحدة من الشبكة بالاتصال بمنطقة أخرى.

أبراج نقل الطاقة

تتطلب الفولتية العالية على خطوط الطاقة وجود مساحة بين كل خط والأشياء الأخرى، مما يسمح للأشخاص والمركبات والمعدات الأخرى بالتحرك بحرية تحتها. يتم دعم الموصلات الحية للبرج بواسطة عوازل، يزداد طولها مع زيادة جهد الدائرة. لهذا السبب، يبلغ ارتفاع أبراج النقل عادةً من 50 قدمًا إلى 150 قدمًا (16 مترًا إلى 45 مترًا)، أو أعلى إذا كانت تمتد عبر مجاري مائية أو هوة طبيعية أخرى.

تصنع معظم هياكل الأبراج من الفولاذ، ولكن بعضها مصنوع من الخرسانة أو الخشب أو حتى الحديد المطاوع. يبلغ ارتفاع أعمدة التوزيع الخشبية، الموجودة في الأحياء المحلية (ما لم تستخدم خطوط الطاقة تحت الأرض)، حوالي 40 قدمًا (12 مترًا) بشكل عام. تتراوح فولطية النقل عادةً بين 23000 فولت إلى 765000 فولت.

من منظور ميكانيكي، تتصرف موصلات البرج مثل الأسلاك التي يعتمد ترهلها بين نقاط دعمها على درجة الحرارة والشد المسبق للموصل. إن قوى الشد في الموصل لها تأثير كبير على تصميم البرج.

ترهل وخلوص كابلات برج النقل

نواقل أبراج الطاقة

عادةً ما يتم تصنيع موصلات برج الإرسال من كابلات الألمنيوم المقواة بالفولاذ (ACSR-Aluminium Connector Steel-Reinforced) ويتم ترتيبها دائمًا تقريبًا في مجموعات من ثلاثة لنقل التيار المتناوب ثلاثي الطور (3~)؛ يمكن استخدام كابل محايد رابع للنقل عبر مسافات قصيرة، ولكن هذا ليس شائعًا.

يتم تجميع الموصلات حسب الطور. يمكن أن يكون هناك خط موصل واحد لكل مجموعة (ثلاثة إجماليًا)، أو خطان موصلان لكل مجموعة (ستة إجماليًا)، أو أكثر. يتم تثبيت المجموعات في مضاعفات الثلاثة أي 3، 6، 9، وقد يتم ترتيبها على شكل مثلث أو موازية لبعضها البعض.

تكوينات نواقل البرج

تزيد التجميعات الثلاثية من كفاءة الإرسال. ومع ذلك، إذا نظرت إلى الجزء العلوي من برج الإرسال، فقد ترى سلكًا واحدًا أو سلكين أصغر حجمًا ومنفردين. تحمل هذه الأسلاك عدة أسماء، مثل سلك أرضي علوي، أو سلك ثابت، أو سلك تجريبي، ولكنها جميعًا تصف نفس السلك. يمتص السلك الأرضي العلوي (السلك الثابت / السلك التجريبي) ضربات البرق أو يحرفها، وينقل الكهرباء بأمان إلى الأرض. في الظروف العادية، لا يحمل السلك العلوي الكهرباء (جهده المحتمل 0).

يتم تجميع بعض الأسلاك الأرضية العلوية مع كابلات الألياف الضوئية التي تنقل بيانات الاتصالات. لا تستطيع كابلات الألياف الضوئية المصنوعة أساسًا من الزجاج توصيل الكهرباء ولا تتأثر بضربات البرق.

بدلاً من ذلك، قد تلاحظ وجود ألياف ضوئية تمتد على بعد بضعة أقدام (<1 متر) أسفل موصلات الإرسال. يؤدي إضافة خطوط الاتصالات إلى زيادة العائد على الاستثمار المرتبط ببناء شبكات النقل. يمكن تشغيل خطوط الألياف الضوئية بواسطة المرافق أو تأجيرها لشركات الكابلات أو الهاتف.

بنية (هيكلة) أبراج النقل

الهياكل المستخدمة عادة في خطوط النقل هي إما هياكل شبكية أو هياكل أعمدة. تتكون الهياكل الشبكية عادة من أقسام زاوية فولاذية. يمكن أن تكون الأعمدة من الخشب أو الفولاذ أو الخرسانة. كل نوع من الهياكل قد يكون ذاتي الدعم أو مدعم بكابلات.

هيكلة برج المنقل

تُستخدم الهياكل ذات الأعمدة بشكل عام لجهد يبلغ 345 كيلو فولت أو أقل، في حين تُفضَّل الهياكل المصنوعة من الفولاذ الشبكي لمستويات الجهد الأعلى. يمكن استخدام الهياكل ذات الأعمدة الخشبية اقتصاديًا لمسافات نقل قصيرة نسبيًا وجهد أقل.

يعتمد تكوين برج خط النقل على العديد من العوامل، بعضها مدرج أدناه:

• عدد ونوع الموصلات.
• طول مجموعة العازل.
• الحد الأدنى من الخلوص الذي يجب الحفاظ عليه بين الموصلات والبرج.
• موقع الأسلاك الأرضية بالنسبة للموصل الخارجي.
• الخلوص المطلوب في منتصف المسافة مع مراعاة السلوك الديناميكي للموصلات وحماية الخط من الصواعق.
• الحد الأدنى من الخلوص للموصل الأدنى فوق مستوى الأرض.

العوامل التي تحكم ارتفاع البرج هي:

• الحد الأدنى المسموح به من الخلوص الأرضي (h1).
• الحد الأقصى للترهل (h2).
• التباعد الرأسي بين الموصلات العلوية والسفلية (h3).
• الخلوص الرأسي بين السلك الأرضي والموصل العلوي (h4).

يتم تحديد الارتفاع الإجمالي للبرج من خلال مجموع العوامل الأربعة (h1+h2+h3+h4).

تكوين البرج

اعتمادًا على متطلبات نظام النقل، يجب مراعاة تكوينات الخطوط المختلفة التي تتراوح من دارة واحدة أفقية إلى هياكل رأسية متعددة الدوائر، مع سلاسل مفردة أو على شكل حرف V في جميع المراحل، بالإضافة إلى أي مجموعة من هذه. أيضًا، بالنسبة للجهد العالي جدًا (500 كيلو فولت وما فوق)، يتم تجميع الموصلات لتقليل انبعاث الهالة وتقليل محاثة الخط.

يعتمد تكوين برج خط النقل على العديد من العوامل، فيما يلي بعض أهمها:

• الجهد.
• عدد الدوائر.
• نوع الموصلات.
• نوع العوازل.
• الإضافة المستقبلية المحتملة لدوائر جديدة.
• تتبع خط النقل.
• اختيار مواقع البرج.
• اختيار النقاط الصلبة.
• اختيار تكوين الموصل.
• اختيار الارتفاع لكل برج.

يتم تصنيف الأبراج وفقًا لاستخدامها، بغض النظر عن عدد الموصلات التي تدعمها. يجب أن يتحمل البرج الأحمال الميكانيكية من مجموعة من الاتجاهات على سبيل المثال مستقيم، بزاوية وما إلى ذلك. لتبسيط تصميم البرج وضمان الاقتصاد الشامل في التكلفة والصيانة، تقتصر تصميمات الأبراج عمومًا على عدد قليل من الأنواع القياسية.

أنواع أبراج النقل

هناك عدة أنواع من أبراج النقل والعديد من الاختلافات، ولكن يمكن تصنيفها تقريبًا على النحو التالي:

• أبراج التعليق - يتم تعليق الموصلات بين برجين باستخدام عوازل التعليق.
• أبراج الطرفية - يتم توصيل الموصلات من خط النقل بمحطة فرعية أو كابل تحت الأرض عبر عوازل إجهاد البرج.
• أبراج الشد - يمكن للبرج أن يتحمل وزن الكابلات والحمل المحوري (الإجهاد في اتجاه أفقي).
• أبراج النقل - يغير البرج موضع الموصلات على خط النقل بالنسبة لبعضها البعض، على سبيل المثال، موضع الدخول x وموضع الخروج y.

هناك العديد من الاختلافات في الأبراج بحيث لا يمكن مناقشتها هنا، ولكن سيتم مناقشة بعض أكثرها شيوعًا الآن.

تُستخدم الأبراج المعلقة (الأبراج المماسّة) بشكل أساسي على الخطوط المماسّة، ولكنها غالبًا ما تكون مصممة لتحمل زوايا في الخط تصل إلى 2 درجة فقط، بالإضافة إلى أحمال الرياح والجليد والموصلات المكسورة. إذا كان خط النقل يمر عبر تضاريس مسطحة نسبيًا بلا معالم، فقد يتكون تسعون بالمائة من الخط من هذا النوع من الأبراج. وبالتالي، يوفر تصميم البرج المماس أكبر فرصة للمهندس الإنشائي لتقليل الوزن الإجمالي للصلب المطلوب لنظام النقل.

أحمال برج النقل

الأحمال المؤثرة على برج النقل الكهربائي عديدة وديناميكية، وبعضها مدرج أدناه:

• الحمل الميت للبرج.
• الحمل الميت من الموصلات والمعدات الأخرى.
• الحمل من الثلج على الموصلات والمعدات.
• حمل الجليد على البرج نفسه
• أحمال التركيب والصيانة.
• حمل الرياح على البرج.
• حمل الرياح على الموصلات والمعدات.
• الأحمال من قوى الشد للموصل.
• أحمال النشاط الزلزالي (الزلازل وما إلى ذلك).

الحمل الرئيسي المؤثر على برج النقل ينشأ من الموصلات، وأن الموصلات تتصرف مثل السلاسل القادرة على مقاومة قوى الشد فقط. وبالتالي، يتم حساب الحمل الميت من الموصلات باستخدام ما يسمى بنطاق الوزن، والذي قد يختلف بشكل كبير عن نطاق الرياح المستخدم فيما يتعلق بحساب حمل الرياح.

عادة ما يتم اختيار متوسط ​​طول الامتداد ليكون بين 300 و 450 متر. إن حدوث الجليد والثلوج وما إلى ذلك يزيد من وزن الأجزاء المغطاة، ويزيد من تعرضها لتأثيرات الرياح. وقد أدى الاستخفاف بهذه الظروف في كثير من الأحيان إلى تلف وانهيار أبراج النقل.

يعتمد حجم وتوزيع أحمال الجليد والثلوج على المناخ والظروف المحلية. وعادة ما يُفترض أن قوة الرياح تعمل على مستوى أفقي. ومع ذلك، اعتمادًا على الظروف المحلية، قد يتعين النظر في اتجاه منحدر. أيضًا، يجب مراعاة اتجاهات الرياح المختلفة (في المستوى الأفقي) للموصلات وكذلك للبرج نفسه. لا تحدث أقصى سرعة للرياح في وقت واحد على طول الامتداد بالكامل، لذلك يتم إدخال المعاملات في حسابات الحمل لمراعاة ذلك.

تعمل قوى الشد في الموصلات على وجهي البرج في اتجاه الخط. إذا كانت القوى متوازنة، فلن تعمل أي قوى طولية على برج معلق في خط مستقيم. بالنسبة للأبراج الزاوية، تؤدي القوى الطولية إلى قوة محصلة تؤثر في المستوى المنصف للزاوية. بالنسبة للأبراج الطرفية، يمكن للقوى أن تسبب قوى محصلة طولية ثقيلة. نظرًا لأن قوى الشد تختلف مع الأحمال الخارجية، فإن حتى الأبراج المعلقة على خط مستقيم تتأثر بالقوى الطولية.

المصادر 

https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_tower

http://www.hydroquebec.com/learning/transport/types-pylones.html

https://www.electrical4u.com/electrical-transmission-tower-types-and-design/