دانشنامه سیستم های مخابراتی و برقی

یا عرض سلام و خوش آمد گویی به دوستان عزیز (برای استفاده آسان و سریع از این وبلاگ با توجه به موضوع انتخابی خود در سمت چپ وبلاگ در موضوعات وبلاگ ( پایین تر در نوار مشخصات نویسنده ) موضوع خود را بیابید با ارزوی موفقیت روز افزون برای همه دوستان) ___ ضمناَ جزوه های اساتید محترم در بخش موضوعات ویلاگ (جزوات) قابل مشاهده می باشد

طراحی هادیهای خطوط انتقال(Conductors)
نویسنده : مجتبی کاربه - ساعت ۱۱:۱۳ ‎ب.ظ روز ۱٧ اسفند ۱۳٩٠
 

به دلیل افزایش روزافزون مصرف انرژی الکتریکی ، خطوط انتقال نیرو دائماً در حال گسترش هستند . زیرا تبادل اصلی و اساسی انرژی در شبکه های سراسری توسط خطوط انتقال انرژی با ظرفیت بالا صورت می گیرد .

      بدون تردید هادیها مهمترین اجزاء هر شبکه انتقال انرژی محسوب شده و مسیر جریان از طریق آنها برقرار می گردد . تمام تمهیدات نیز در طراحی یک خط فشار قوی صرفاً به منظور انتقال مناسب و مطمئن انرژی الکتریکی از طریق هادیها صورت می گیرد .


 به عنوان مثال نقش برجهای خط انتقال نگهداری هادیها در فاصله هوایی مناسب از یکدیگر و از زمین بوده و زنجیره ی مقره نیز برای نگهداری و ایزوله نمودن هادیهای تحت ولتاژ بالا از بدنه برجها تعبیه می گردد . همچنین سیم محافظ هوایی که در سرتاسر مسیر خط امتداد می یابد تنها به عنوان چتری محافظ بر روی هادیها بوده تا آنرا از برخورد مستقیم صاعقه و ایجاد اختلال در انتقال انرژی مصون دارد . از جنبه اقتصادی نیز هادیهای خطوط انتقال دارای اهمیت بسزایی هستند . خرید و نصب سیم هادی در خطوط انتقال نیرو همواره سهم قابل توجهی از هزینه های اجرای خط را به خود اختصاص داده و علاوه بر سرمایه گذاری انجام شده ، هزینه بهره برداری مربوط به افت انرژی و تلفات توان نیز مستقیماً با نوع و مقطع هادی خط مرتبط است .

       جریان برقرار شده در هادیها می تواند از نوع مستقیم (D.C) و یا متناوب (A.C) باشد . در انتقال مستقیم که کمتر در این بخش مورد نظر است هر هادی یا دسته هادیها ، نقش یک مدار را دارند و معمولاً به صورت سیستم یک مداره (Monopole) و یا دو مداره استفاده می شود ولی در روش متناوب ، هادیهای سه فاز به صورت سیستم یک مداره یا چند مداره و یک ولتاژه یا چند ولتاژه مورد استفاده قرار می گیرند .

2- جنس هادیهای خطوط انتقال :

     در سالهای اولیه ، هادیهای خطوط انتقال فشار قوی از جنس مس انتخاب می شد و بعدها آلومینیوم نیز برای این کار مورد استفاده قرار گرفت . به علت وزن سبکتر و قیمت کمتر ، امروزه دیگر هادیهای آلومینیومی کاملاً جایگزین هادیهای مسی شده و این جایگزینی نتایج رضایتبخشی نیز به دنبال داشته است .

در جدول زیر خواص مربوط به دو نوع هادی فوق جهت مقایسه ارائه شده است :

موضوع

مس

آلومینیوم

جرم مخصوص (Kg/am3)

9/8

7/2

مقاومت مخصوص  

0178/0

0303/0

قابلیت هدایت

56

33

استحکام کشش

24-21

10-7

درجه حرارت ذوب

1084

658

ضریب انبساط طولی

017/0

023/0

نسبت هدایتها برای سطح مقطع مساوی

1

6/0

نسبت سطح قاطع با مقاومت مساوی

1

66/1

نسبت قطرها با مقاومت مساوی

1

29/1

نسبت وزنها برای سطح مقطع مساوی

3/3

1

نسبت وزنها با مقاومت مساوی

2

1

      قابلیت هدایت الکتریکی و استقامت مکانیکی آلومینیوم از مس کمتر است ، لذا بایستی جهت انتقال جریان مساوی سطح مقطع هادی آلومینیومی از هادی مسی بیشتر انتخاب گردد . هدایت آلومینیوم 60% هدایت مس است لیکن در سطح مقطع های مساوی وزن آلومینیوم 30% وزن مس است و در مقاومت الکتریکی مساوی وزن آلومینیوم 50% وزن مس است . بطورکلی با انتخاب قطر هادی آلومینیومی معادل 29/1 برابر قطر هادی مشابه از جنس مس ( و یا سطح مقطع 66/1 برابر آن ) می توان ضمن تأمین هدایت الکتریکی مورد نظر مقدار قابل توجهی از وزن هادی کاست .

      شدت میدان الکتریکی هادی آلومینیومی با افزایش قطر هادی کاهش می یابد و در نتیجه تلفات ناشی از کروناکم می شود و این موضوع نیز امتیاز دیگری برای هادیهای آلومینیومی محسوب می شود . در عمل برای دستیابی به سطح مقطع های زیاد و بالابردن قابلیت انعطاف در نصب خطوط انتقال ، معمولاً از هادیهای رشته ای یا طنابی استفاده می شود مگر آنکه سطح مقطع هادی بسیار کوچک باشد . این رشته ها از نظر الکتریکی موازی یکدیگر بوده و در طول هادی به صورت مارپیچ بر روی هم می غلتند . دراین حالت چون هر لایه مخالف لایه دیگر پیچیده می شود ، مقاومت سیم به دلیل اثر پوستی کاهش می یابد و همچنین رشته سیمها درون یکدیگر حالت پیچش نداشته و به داخل هم فرو نمی روند .

      برای ازدیاد مقاومت مکانیکی هادیها نیز درون آنها را با رشته های فولادی یا آلیاژهای فلزی دیگر تقویت می کنند بطوری که یکی از انواع هادی نوع                       (Aluminum Conductor Steel Reinforced) ACSR و یا هادی نوع (Aluminum Conductor Alloy Reinforced) ACAR بدست آید .

3- انواع هادیهای خطوط انتقال نیرو :

     هادیهای خطوط انتقال نیرو از لحاظ نوع ، جنس و کاربرد انواع مختلفی دارند که مهمترین آنها را می توان به صورت زیر خلاصه نمود :

3-1- هادی تمام آلومینیومی (AAC) :

       این هادی تماماض از جنس آلومینیوم (All Aluminum Conductor)  و از انواع هادیهای رشته ای بوده که دارای درجه خلوصی در حدود 5/99% و مقاومت مخصوص  828/25  در دمای  20 می باشد .

   همچنین مقاومت مکانیکی آن در حدود  19-16 بوده و به علت دارا بودن مقاومت مکانیکی پایین بیشتر در خطوط با اسپن کوتاه استفاده می شود و بیشترین کاربرد آن در خطوط 20 کیلو ولت است .

3-2- هادی آلیاژ الومینیوم ، آلملک آلدری :

       این هادی دارای درجه خلوصی در حدود 3/98% بوده و تقریباً ( 75/0-65/0 ) % از وزن آن را منیزیم تشکیل می دهد و بقیه آن یعنی حدود (6/0-5/0)% از سیلیسیم می باشد  مقاومت مخصوص این هادی در شرایط طبیعی محیط در حدود  15/3 بوده و مقاومت مکانیکی آن نیز بیشتر از نوع قبلی و در حدود  33 می باشد . این هادی معمولاً در خطوط 20 و 63 کیلو ولت با اسپن های کوتاه 150 تا 200 متر و نیز در پست های انتقال بعنوان هادی باسبارها مورد استفاده قرار می گیرد .

 3-3- هادی آلومینیومی با مغزی فولادی (ACSR) :

       قسمت خارجی هادی فوق از جنس آلومینیوم و قسمت مرکزی آن جهت افزایش استقامت مکانیکی از جنس فولاد می باشد و به همین علت ACSR نامیده شده اند . این نوع هادیها ، هم از نظر خواص الکتریکی وهم از لحاظ خواص مکانیکی بر سایر هادیها برتری داشته و به طور گسترده ای در خطوط انتقال انرژی مورد استفاده قرار می گیرند .

3-4- هادی آلومینیومی با مغزی آلیاژی ( ACSR ) :

      کاملاً مشابع هادیهای ACSR بوده ولی جهت افزایش مقاومت مکانیکی و همچنین کاهش میزان خوردگی هادی در مناطق آلوده در مرکز این هادیها از آلیاژها مخصوصی بجای فولاد استفاده شده و به همین علت ACAR نامیده شده اند .

3-5- هادیهای با تلفات کم (SLAC) :

       بررسیها و مطالعاتی که اخیراً صورت گرفته ، نشان داده اند که با تغییر شکل رشته ها در هادیهای نوع ACSR می توان ظرفیت انتقالی آنرا به میزان قابل توجهی افزایش داد .

این هادیها طوری ساخته شده اند که نسبت به هادی ACSR هم قطر و هم وزن مشابه حدود 11 الی 13 درصد مقاومت الکتریکی کمتری دارند .

    این هادیها کاملاً مشابه هادیهای ACSR بوده و تنها بخاطر دارا بودن ظرفیت انتقال بالاتر وکم بودن تلفات با نام (Small Loss ACSR ) SLAC شناخته شده اند .

 

3-6- هادی GTACSR :

      هادی ACSR با فواصل هوایی را اصطلاحاً GTACSR گویند که اخیراً جهت افزایش قدرت انتقالی در کشور ژاپن ساخته شده است که ضمن دارا بودن کلیه ی ویژگیهای هادی ACSR دارای ظرفیت انتقالی بالاتر و مقاومت بیشتر در برابر خوردگی می باشد .

3-7- هادی فولادی با روکش مس (Copper Clad Steel) :

       این هادی دارای مقاومت مخصوصی حدود  7 و مقاومت مکانیکی بین  100-70 می باشد . از این هادی می توان بعنوان سیم محافظ هوایی در خطوط استفاده نموده و یا آن را برای سیستم زمینپای برجها بکار برد .

3-8- هادی فولادی با روکش آلومینیوم (Aluminum Clad Steel) :

       مشابه هادی فولادی با روکش مس می باشد با این تفاوت که بجای روکش مس بر روی رشته های فولادی از آلومینیوم استفاده شده که در نتیجه دارای خواص الکتریکی پایین تری نسبت به مورد قبلی بوده ولی در عوض دارای وزن و قیمت کمتری است .

     نوع فولاد مورد استفاده می تواند از نوع معمولی دارای مقاومت مکانیکی بین  140-120 و یا فولاد نوع سخت دارای مقاومت مکانیکی بین  180-150 باشد .

کاربرد این هادیها در خطوط هوایی بعنوان سیم محافظ و همچنین برای زمین کردن برجها می باشد .

      البته انواع هادیها به موارد فوق ختم نمی شود و نمونه های دیگری مانند TACSR  ( هادی ACSR مقاوم در مقابل حرارت ) و AAAC ( هادی تمام آلیاژ از جنس آلومینیوم ) و LTACSR , UTACSR و... نیز وجود دارند ، لیکن همانطورکه قبلاً نیز اشاره شد متداولترین هادی در خطوط انتقال انرژی الکتریکی هادیهای نوع ACSR می باشند که در آنها هدایت الکتریکی توسط رشته های آلومینیومی و مقاومت مکانیکی توسط هسته فولادی تأمین می گردد . تعداد رشته های آلومینیوم و فولادی بستگی به هدایت الکتریکی و مقاومت مکانیکی مورد نیاز دارد . البته برای مناطق آلوده صنعتی یا دریایی که احتمال خوردگی هادی در اثر پدیده گالوانیک وجود دارد مغزی فولادی با روکش آلومینیوم بعنوان هسته هادی ACSR مورد استفاده قرار می گیرد که این هادیها تحت عنوان هادی ACSR/AS  یا ACSR/AW شناخته شده اند .

       در یک هادی رشته ای اگر X تعداد لایه ها و N تعداد رشته ها در نظر گرفته شود ، در این صورت اغلب رابطه زیر برقرار است :

 

البته در رابطه فوق تک رشته مرکز هادی بعنوان لایه شماره 1 محسوب می شود. اگر d قطر هر رشته در نظر گرفته شود ، قطر کلی هادی (D) از رابطه ی زیر بدست می آید :

 

 

در خطوط انتقال انرژی با ولتاژهای بسیار زیاد EHV (EXTRA High Voltage) از ترکیب هادیها در کنار یکدیگر ، جهت کاهش اثرات حاصل از پدیده کرونا استفاده می شود .

4- روشهای نامگذاری هادیهای خطوط انتقال :

       امروزه در اکثر کشورهای جهان از انواع مختلف هادیهای ACSR جت خطوط انتقال انرژی الکتریکی استفاده می شود . در کشور ما نیز تعدادی از هادیهای ACSR از میان انواع مختلف آن انتخاب گردیده و در داخل تولید و جهت نصب در خطوط هوایی انتقال انرژی مورد استفاده قرار می گیرد . مشخصات الکتریکی و مکانیکی هادیها را می توان از جداولی که توسط سازندگان آنها ارائه می شود بدست آورد .

     در استانداردهای کشورهای مختلف ، برای نامگذاری هادیها روشهای متفاوتی مورد استفاده قرار می گیرد که در اینجا آشنایی ، برخی از این روشها را بر می شمریم :

الف) استاندارد انگلیسی :

       در استاندارد فوق از نوعی سیستم درجه بندی که در آن فقط سطح مقطع هادی ( در اینجا آلومینیم ) برحسب میل دایره ای (CM) بیان شده استفاده می شود بطوری که :

ب ) استاندارد کانادایی :

       در استاندارد کانادایی ، سطح مقطع فولاد ، سطح مقطع آلومینیوم و همچنین سطح مقطع کل برحسب (mm2) بیان می شود.

 ج) استاندارد فرانسوی :

      در استاندارد فرانسوی فقط سطح مقطع کل و برحسب میلیمتر مربع (mm2) بیان می شود .

د) استاندارد آلمانی :

       در استاندارد آلمانی (DIN) ، هادیها توسط نسبت سطح مقطع آلومینیوم به سطح مقطع فولاد بیان می شوند .

هـ ) استاندارد آمریکایی :

       در استاندارد آمریکا از اسامی حیوانات مختلف برای نامگذاری هادیهای خطوط انتقال نیرو استفاده شده است . در ایران نیز هادیهای خطوط انتقال از نوع رشته ای بوده و برای نامگذاری آنها از استاندارد آمریکایی استفاده می شود .

5- پدیده ی کرونا در خطوط انتقال:

       در خطوط انتقال انرژی الکتریکی ، اغلب مقطع مناسب هادیها با توجه به درجه حرارت مجاز هادی و دانسیته جریان مجاز هادی برحسب آمپر بر میلیمتر مربع  انتخاب می گردد .

      دانسیته جریان هادی به گونه ای انتخاب می شود تا افت انرژی با افت حرارتی از حدود مجاز و استاندارد فراتر نرفته و با این عمل حداقل مقطع هادی انتخاب می گردد . به همین سبب ، دانسیته مجاز جریان با توجه به افت حرارتی مجاز را دانسیته اقتصادی جریان گویند .

      با فرض دانسیته ثابت جریان ، به ازاء کلیه مقادیر اسمی منحنی تغییرات جریان برحسب مقطع به شکل خط مستقیم می باشد و تغییر محدوده امتداد مستقیم به منحنی تحت اثر پدیده پوستی مشاهده می گردد .

       با افزایش ولتاژ هادیها از حدود 230 کیلو ولت به بالا در حالی که مقطع هادی با توجه به دانسیته اقتصادی جریان و جریان اسمی بار به طور مناسب انتخاب گردیده ، شدت میدان الکتریکی در سطح خارجی هادی مقدار قابل ملاحظه ای را دارا می گردد .

      ظهور شدت میدان الکتریکی قابل ملاحظه در سطح هادی ، نیروی وارد بر الکترونها را افزایش داده و از انرژی ارتباط آن با مولکولها و اتمهای هادی می کاهد .

      افزایش بیشتر شدت میدان موجب جدا گشتن الکترونها از اتمها ومولکولهای خود گردیده و آنان را از سطح هادی خارج نموده و تحت تأثیر میدان الکتریکی به فضای پیرامون هادی وارد می سازند .

      ظهور الکترونهای آزاد در اطراف هادی که ناشی از شدت میدان الکتریکی می باشد ، یونیزاسیون هوا را در فضای پیرامون هادی موجب می گردد . بخش اعظم الکترونهای آزاد توسط فضای اطراف هادی جذب شده و به صورت افت جریان در مسیر ظاهر می شود .

       شدت میدان الکتریکی در فضای اطراف هادی ، متناسب با فاصله از سطح هادی کاهش می یابد .

       با افزایش ولتاژ ( بدون اینکه تغییری در ابعاد و اندازه های هادی داده باشیم ) بر شدت میدان الکتریکی ماکزیمم افزوده شده ، فاصله یونیزاسیون پیرامون هادی تا شعاع بیشتری گسترش می یابد . این مرحله از بروز پدیده کرونا که تنها به صورت افت جریان و برقراری جریان جزئی از هادی به فضای یونیزه پیرامون آن ظاهر گردیده ، محدود به جریانهای تخلیه شعاعی بوده و به نام مرحله « پدیده کرونا با تخلیه جزئی جریان » موسوم است .

       این مرحله که با صدایی مخصوص شبیه صدای جیرجیر ( ناشی از جابجایی الکترونها از هادی به فضای اطراف آن و بالعکس ) همراه می باشد غیرقابل اجتناب بوده و در کلیه خطوط انتقال انرژی با ولتاژ  کیلو ولت مشاهده می گردد . با اینهمه شدت میدان الکتریکی ظاهر شده به روشهای گوناگون قابل کنترل می باشد .

       با ازدیاد شدت میدان و در حدود مشخصی از آن ، سرعت خروج الکترونها فزونی یافته موجب ظهور هاله ای نورانی در حول هادی می گردد . هاله نورانی در حول هادی به صورت یکنواخت تشکیل نشده و به علت ناصافی سطح هادی و وجود لایه های گرد و غبار و غیره ، در برخی فواصل و نقاط بطور قابل ملاحظه شدت یافته ، در برخی دیگر تقلیل می یابد . هاله نورانی در هوای رطوبی و شرجی در سرتاسر طول هادی گسترش یافته و به طور یکنواخت ظاهر می گردد . هاله نورانی در شب قابل مشاهده بوده و به ابر کرونا موسوم است .

       شدت میدان مربوط به این مرحله بعنوان شدت میدان بحرانی یا Critical موسوم بوده و با Ec نشان می دهند .

       در این مرحله افت جریان ناشی از پدیده کرونا بطور قابل ملاحظه ای افزایش یافته و از افت حرارتی حاصل از مقاومت اهمی فراتر می رود . تحت این شرایط ، در حالی که افت حرارتی حاصل از مقاومت اهمی با انتخاب دانسیته مناسب جریان قابل قبول می باشد افت ناشی از پدیده کرونا انتقال انرژی را با راندمان نامناسب و غیرقابل قبول همراه می سازد .

    به همین علت ، همواره شدت میدان الکتریکی ناشی از ولتاژ اسمی هر فاز (Uph) کمتر یا برابر با شدت میدان بحرانی (Ec) انتخاب می گردد . شدت میدان بحرانی یا شدت میدان کرونا بستگی به ابعاد و اندازه هادیها داشته ، برای هر هادی با ابعاد و اندازه مشخص ثابت می باشد . بنابراین شدت میدان حاصل از ولتاژ فاز (Uph) که با (Eph)  نشان می دهند را همواره از شدت میدان کرونای هادی Ek  کمتر می گیرند .

یعنی :

 

      در صورت نزدیک بودن شدت میدان ولتاژ فازی خط Eph  به شدت میدان بحرانی آن Ek پدیده کرونا تا حدود نزدیک به ظهور هاله ای نورانی روی داده و بهره برداری خط با حداکثر افت کرونا همراه خواهد بود . این حالت با  و یا نسبت  نشان داده می شود . به همین علت حداکثر شدت میدان قابل قبول در هادی تعریف شده و آن را با  نشان داده و در حدود 5% کمتر از شدت میدان شروع پدیده کرونا (Ek ) در نظر می گیرند ، یعنی :

       هنگامی که شدت میدان بحرانی Ek نسبت به شدت جریان میدان اسمی خط Eph اختلاف قابل ملاحظه ای داشته باشد ،  افت حاصل از کرونا حداقل بوده و با افزایش شدت میدان Ek از افت کرونا همچنان کاسته می گردد . بطور معمول نسبت زیر را بین شدت میدانهای فوق در نظر می گیرند :

 

از آنجائیکه ولتاژ با شدت میدان متناسب است می توان نوشت :

       بنابراین می توان در تمام روابط قبلی بجای نسبت شدت میدانها از نسبت ولتاژ اسمی خط به ولتاژ حد کرونا به صورت زیر استفاده نمود :

 

       بطوری که خواهیم دید اقتصادی ترین راه جهت افزایش شدت میدان بحرانی هادی  (Ek) در خطوط انتقال انرژی با ولتاژ بالا ، افزایش شعاع هادیها از طریق دسته ای نمودن آن به صورت هادیهای باندل می باشد .

       نکته قابل توجه دیگر تلفات ناشی از کروناست . رابطه ی تجربی پترسون ( که بعداً خواهد آمد ) تلفات کرونا در هوای خوب را بدست می دهد . در صورتی که در شرایط وی دیگر مقدار تلفات ناشی از کرونا به صورت زیر افزایش می یابد :

تلفات کرونا در هوای خنک و سرد : 5/2 برابر تلفات در هوای خوب

تلفات کرونا در هوای بارانی : 8/10 برابر تلفات در هوای خوب

تلفات کرونا در هوای یخبندان : 29 برابر تلفات در هوای خوب

    اعداد فوق نشان می دهند که شرایط جوی تا چه حد بر افزایش تلفات ناشی از کرونا تأثیر می گذارد .

6- هادیهای گروهی ( باندل ) :

       جهت انتقال توانهای زیاد به مسافات طولانی از طریق خطوط هوایی انتقال انرژی و توسط سیستمهای سه فاز ، استفاده از ولتاژهای بالا  (H.V)و نیز ولتاژهای فوق بالا (E.H.V) اجتناب ناپذیر می باشد .

       با افزایش ولتاژ هادیها از مقداری مشخص پدیده ای که قبلاً ذکر شد موسوم به پدیده ی کرونا ظاهر شده و عوامل نامطلوبی به همراه دارد.

اصلی ترین نکات منفی پدیده کرونا را می توان به صورت زیر بر شمرد :

1-ایجاد تلفات انرژی در سیستم انتقال .

2-تولید سر و صدا .

3-تداخل در سیستمهای مخابراتی .

 البته هر چه شرایط جوی بدتر شود ، تلفات حاصل از پدیده ی کرونا نیز به مراتب بالاتر خواهد رفت . بررسی ها و مطالعات صورت گرفته نشان داده اند که با افزایش تعداد هادیها درهر فاز ضمن بالاتر بردن ظرفیت انتقال می توان تلفات حاصل از کرونا را بطور قابل ملاحظه ای کاهش داد .

بطور کلی عوامل زیر در کاهش اثرات ناشی از پدیده ی کرونا مؤثرند :

1-تعداد هادیهای تشکیل دهنده باندل در هر فاز .

2-فاصله بین هادیهای تشکیل دهنده باندل در هر فاز .

3-فواصل فازهای مختلف از یکدیگر .

 اکنون دیگر استفاده از یک هادی درهر فاز برای خطوط با ولتاژ اسمی بیش از 300 کیلوولت عملاً امکانپذیر نبوده و یا حداقل این کار از نظر اقتصادی توجیه پذیر نمی باشد .

       خطوط 230 کیلوولت بطور معول محدود به یک هادی در هر فاز می باشند و در صورت افزایش جریان اسمی خط ، از 2 یا 3 یا تعداد بیشتری هادی در هر فاز استفاده می شود .

       در سیستم باندل مقدار GMR ( شعاع متوسط هندسی ) افزایش می یابد و هرچه تعداد هادیهای باندل بیشتر شود ، GMR نیز بیشتر شده و در نتیجه اندوکتانس بطور قابل ملاحظه ای کاهش خواهد یافت و افزایش ظرفیت و توان خط انتقال را به دنبال خواهد داشت .

       همانطور که اشاره شد ، شروع پدیده ی کرونا ، ناشی از افزایش قابل ملاحظه شدت میدان الکتریکی در سطح هادی می باشد . شدت میدان الکتریکی در سطح هادی نیز بستگی به شعاع و نوع هادی خواهد داشت . البته شدت میدان الکتریکی قابل قبول در سطح هادی به ارتفاع نصب آن از زمین بستگی دارد .

    هنگامی که از یک هادی در هر فاز استفاده می شود ، شدت میدان ظاهر شده در کلیه نقاط سطح خارجی هادی یکنواخت بوده و پدیده ی کرونا ظاهر می گردد . در صورت استفاده از هادیهای متعدد در هر فاز ، شدت میدان ظاهر شده در سطح خارجی هادیها یکسان نبوده در قسمتی از سطح هادی کاهش یافته در قسمت دیگر آن فزونی می یابد . عدم برابری شدت میدان در سطح هادیهای فرعی موجب کاهش اثرات سوء ناشی از پدیده ی کرونا می گردد .

       در خطوط با ولتاژ اسمی کمتر از 110 کیلو ولت حداکثر شدت میدان حاصل از ولتاژ اسمی بطور قابل ملاحظه ای کمتر از شدت میدان شروع پدیده ی کرونا می باشد . یعنی :

 

     بنابراین شرایط بروز پدیده ی کرونا فراهم نخواهد آمد و لذا استفاده از یک هادی در هر فاز امکانپذیر خواهد بود .

       در خطوط 230 کیلو ولت و در صورت استفاده از هادی با مقطع آلومینیوم فولاد به نسبت ( 72/600 ) و یا بیشتر ، استفاده از یک هادی در هر فاز مناسب بوده و اینکار منجر به افزایش شدت میدان از مقدار مجاز و استاندارد نخواهد گردید .

      در صورت استفاده از هادی با مقطع محدودتر ، شدت میدان ظاهر شده در سطح هادی از شدت میدان مجاز تجاوز نموده ، شرایط بروز پدیده ی کرونا با افت غیرقابل قبول آن فراهم می گردد . به همین علت از تعداد دو هادی در هر فاز استفاده می گردد . استفاده از سه هادی در ولتاژ فوق نیز ممکن است بنا به دلایل مختلف از جمله افزایش ظرفیت انتقال خط طراحی و مورد استفاده قرار گیرد . 

7- تأثیر ابعاد و اندازه دسته هادیها در طرح خطوط انتقال :

       می توان با تغییر تعداد هادیهای فرعی ، شعاع آنان و سایر ابعاد و اندازه های دسته هادیها ، ولتاژ شروع پدیده ی کرونا  را تأمین ساخت . زیرا ولتاژ اسمی هر فاز  ثابت بوده و می توان نسبت   که شدت بروز پدیده ی کرونا و افت ناشی از آن را معین می نماید ، درحد قابل قبول نگهداشت .

       همواره سعی ما بر آنست که نسبت  را حفظ نماییم .

در صورتی که  باشد ، پدیده ی کرونا در شرایط عادی تحت ولتاژ اسمی خط روی داده و با حداکثر افت کرونا همراه خواهد بود.

       انتخاب  آنچنانکه افت کرونا معادل صفر گردد نیز مستلزم تأمین شدت میدان بالای  بوده و شعاع بالای هادی و یا تعداد قابل ملاحظه آنان را ایجاب می نماید .

       در این صورت دانسیته جریان مقدار اقتصادی را دارا نگشته ، مشخصات آن غیر اقتصادی خواهد بود .

       مقدار مناسب همانطور که قبلاً گفته شد  می باشد مقدار ایده آل نسبت فوق با توجه به مشخصات خط ، جریان بار ، دانسیته جریان و شرایط جوی منطقه احداث خط برآورد می گردد .

       انتخاب حد پایین نسبت فوق  مستلزم افزایش هادیهای فرعی بوده ، سرمایه گذاری خطوط را فزونی می بخشد . انتخاب حد بالای نسبت فوق  سرمایه گذاری خط را تقلیل داده ولی هزینه ناشی از افت کرونا را افزایش می دهد .

       با افزودن بر تعداد هادیهای فرعی ، سطح اختلالات رادیویی نیز تقلیل می یابد . اگرچه بروز پدیده در هر یک از هادیهای فرعی از نظر تأثیر در اختلالات رادیویی و امواج فرکانس بالا قابل ملاحظه می باشد ، با اینهمه هادیهای فرعی به مانند پرده ای حفاظتی محسوب گردیده مانع از انتشار امواج با فرکانس بالا ناشی از کرونا می گردند .

8- تئوری پیدایش هادیهای باندل :

       همانگونه که اشاره شد کاهش تلفات ناشی از کرونا مستلزم محدود ساختن حداکثر شدت میدان الکتریکی در سطح هادیها می باشد . اگر هادیها را به صورت استوانه فرض نماییم ، شدت میدان الکتریکی ظاهر شده در سطح استوانه با بار q به شعاع آن (r0 ) بستگی داشته و به صورت زیر نوشته می شود :

 

      شدت میدان فوق در سطح هادیهای خط برای یک سیستم سه فاز تحت ولتاژ خطی (UL) به صورت زیر نوشته می شود :

 

که در آن :

E : شدت میدان ( کیلو ولت بر سانتی متر ).

 : شعاع هادیهای فرعی ( سانتی متر ).

 : ولتاژ خطی ( کیلو ولت ) .

 : ثابت دی الکتریک هوا .

و  : فاصله هندسی بین فازها می باشد که به صورت زیر برحسب سانتی متر بدست می آید :

 

در این رابطه  فاصله بین مراکز هادیها می باشد .

      با توجه به روابط فوق ، شدت میدان در سطح هادیها به شعاع هادی و ولتاژ خط   بستگی دارد . همزمان با افزایش ولتاژ اسمی ، مقدار آن در سطح هادی فزونی می یابد و در ردیف ولتاژهای بالای 230 کیلو ولت از حد مجاز فراتز رفته و پدیده ی کرونا ظاهر می گردد .

      کمیاب مؤثر در کنترل شدت (E) و کاهش آنرا می توان به صورت زیر برشمرد :

1- فاصله هندسی بین فازها (  ) :

       فاصله هندسی بین فازها با فاصله ایزواسیون بین آنها مرتبط است و افزایش فاصله بین فازها از شدت بروزپدیده کرونا می کاهد .ولی از طرف دیگر این کار موجب کاهش ظرفیت خط و افزایش مقاومت مکانیکی و هزینه احداث خط خواهد گردید .

       در صورتی که جهت افزایش ظرفیت خط ، همواره کاهش فاصله بین هادیها در فازهای مختلف مدنظر ماست ، روش فوق برای کاهش مقدار شدت میدان الکتریکی در سطح هادی مناسب نبوده و هرگز توصیه نمی گردد .

2- شعاع هادی (  ) :

       طبق رابطه ارائه شده ، شعاع هادی در میزان شدت میدان الکتریکی بسیار مؤثر است و بطوری که افزایش آن شدت میدان الکتریکی را بطور قابل ملاحظه ای کاهش می دهد.      افزایش شعاع هادیها تا بیش از چند سانتیمتر خارج از حدود و اندازه هادی های معمول و استاندارد ، با مسائل تکنیکی ومکانیکی فراوان همراه بوده و غیرممکن می باشد .

    مشکلات ناشی از ساخت ، حمل ، نصب ، وزن ، مقاومت مکانیکی مورد نیاز برجها ، افزایش نیروی باد و تشکیل لایه های برف و یخ و غیره ، استفاده از هادیهای با قطر بالا را دشوار ساخته است .

       تنها راه ممکن جهت افزایش شعاع  ، پیش بینی هادیهای متعدد در هر فاز می باشد . استفاده از هادیهای متعدد با شعاع استاندارد در مجاورت یکدیگر ، به مانند هادی فرعی با شعاع فرضی  عمل می نماید .

       در ایران حداکثر ولتاژ خطوط انتقال انرژی 400 کیلو ولت بوده و تعداد هادیهای فرعی مورد نیاز در هر فاز در ردیف ولتاژهای فوق بین (4-2) هادی در هر فاز می باشد .

       در ردیف ولتاژهای بالاتر تا سطح 750 کیلو ولت از (5-4) هادی در هر فاز و در خطوط 1200 کیلو ولت از حدود (10-8 ) هادی در هر فاز استفاده می شود .

     موقعیت هادیهای فرعی نسبت به یکدیگر در سرتاسر طول خط حائز اهمیت بوده و لازم است از جابجایی فازها تحت تأثیر نیروی باد و غیره جلوگیری بعمل آید تا فاصله ثابت بین هادیهای فرعی همواره حفظ گردد .

       حفظ فاصله بین هادیهای فرعی بطور ثابت ، توسط جداکننده ها (Spacers) صورت می گیرد . جداکننده ها فلزی بوده و در فواصل مناسب از یکدیگر در طول خط نصب می گردند . نصب هادیهای فرعی به صورت نامتقارن نیز می تواند صورت گیرد . مطالعات اخیر نشان داده که با نصب هادیهای فرعی به صورت نامتقارن می توان از بروز صدای ناشی از پدیده ای موسوم به Audible-Noise  تا حد مناسبی کاست .

 9- تأثیر دسته هادیهای فرعی در مشخصات الکتریکی خطوط :

       در خطوط مجهز به دسته هادیهای فرعی (باندل) مشخصات الکتریکی خط شامل اندوکتانس (L) و خاصیت خازنی (C) با استفاده از همان روابط مربوط به خطوط مجهز به یک هادی و با قراردادن شعاع معادل  بجای  حاصل می گردد .

  بین شعاع یک هادی (  ) و شعاع فرضی هادیهای باندل (  ) رابطه ی زیر برقرار است :

که در آن :

 : شعاع فرضی هادیهای باندل (Cm) .

n : تعداد هادیهای باندل در هر فاز .

S  : فاصله بین مراکز هادیهای باندل در هر فاز (Cm) .

و  شعاع یک هادی (Cm) می باشد .

با توجه به شعاع معادل  نتایج زیر حاصل می گردند :

1- خاصیت اندوکتانسی خط مجهز به دسته هادیهای فرعی ، با افزایش شعاع معادل  و یا شعاع هادیهای فرعی  تقلیل می یابد .

2- با کاهش فاصله بین فازها اندوکتانس خط تقلیل می یابد .

    کاهش خاصیت القایی (L) در خطوط انتقال انرژی با ولتاژ بالا دارای اهمیت فراوانی است . این کار موجب تقلیل امپدانس موجی خط ، تقلیل زاویه اختلاف فاز ولتاژها در دو انتهای خط ، افزایش توان انتقالی خط و کاهش حجم تجهیزات متعادل کننده می گردد .

       با توجه به تأثیر ابعاد و اندازه دسته هادیها در کاهش خاصیت القایی ، انتخاب ابعاد و اندازه دسته هادیها در مشخصات الکتریکی خط دارای اهمیت بسیاری است .

      تغییرات خاصیت خازنی خط (C) تحت تأثیر شعاع معادل  و فاصله بین فاز – فاز هادیها ، به عکس تغییرات خاصیت القایی (L) می باشد .

      به همین علت هر گونه تغییر در ابعاد و اندازه دسته هادیها به منظور کاهش خاصیت القایی (L) منجر به افزایش خاصیت خازنی (C) شده و تغییرات امپدانس موجی را طبق رابطه ی زیر :

 

     در یک جهت سبب می گردد و توان انتقالی خط ، به دلیل کاهش بیشتر امپدانس موجی باز هم بالاتر خواهد رفت .

10- مدلهای خطوط انتقال انرژی :

       در این قسمت ، قبل از آغاز مبحث « تعیین مقطع هادیهای خطوط انتقال نیرو » به دلیل نیاز به مشخصه های الکتریکی خط در روابط آتی ، لازم است ضمن آشنایی مختصر با انواع مدلهای خطوط انتقال نیرو با مدار معادل هر یک از آنها نیز آشنا شویم .

   بطور کلی خطوط انتقال انرژی را از لحاظ طول خط به سه دسته زیر طبقه بندی می نمایند :

1-خطوط انتقال کوتاه .

2-خطوط انتقال متوسط.

3-خطوط انتقال بلند .

10-1- خطوط انتقال کوتاه :

      اگر طول خط کمتر از 100 کیلومتر باشد ، خط انتقال را کوتاه می نامند و می توان از ادمیتانس مربوط به کاپاسیتانس خط در فرکانس (Hz) 50 صرفنظر نموده وتنها مقاومت اهمی و القائی سری خط را در نظر گرفت . جریان ورودی در ابتدای خط معادل جریان در انتهای خط می باشد و این جریان در تمامی قسمت های خط یکسان است . L , R  را می توان بطور متمرکز در نظر گرفت .

با توجه به دیاگرام برداری فوق می توان نوشت :

 

چون  خیلی کمتر از  هستند ، ولتاژ  در مقایسه با ولتاژ بزرگ  کوچک است لذا :

 

بنابراین تنظیم ولتاژ خط کوتاه به صورت زیر خواهد بود :

 

10-2- خطوط انتقال متوسط و بلند :

       خطوط انتقال انرژی بین 100 تا 250 کیلومتر را خطوط متوسط و خطوط بالای 250 کیلومتر را خطوط انتقال بلند یا طولانی گویند.

      با افزایش طول و ولتاژ خط انتقال ، جریان نشتی ناشی از ظرفیت خط نسبت به زمین قابل ملاحظه شده و اثر آنرا باید در نظر گرفت . لذا در خطوط انتقال با طول متوسط ادمیتانس موازی در محاسبات وارد می شود . اگر امپدانس خط را بطور متمرکز در نظر بگیریم و ادمیتانس خط را به دو قسمت تقسیم کنیم و در ابتدا و انتهای خط قرار دهیم ، مدار اسمی  بدست می آید .

      با این وجود مدار اسمی  نمی تواند جهت مشخص نمودن خط بلند مورد استفاده قرار گیرد . زیرا حالت گسترده بودن پارامتها را بطور یکنواخت در طول خط نمی توانند منظور نمایند . برای تعیین مدار معادل یک خط بلند ، یک مدار  در نظر می گیریم با این تفاوت که به جای  از   و بجای  از   استفاده می نماییم .  و  به ترتیب امپدانس سری و ادمیتانس موازی خط انتقال بلند در مدار معادل  می باشند .

 

که در آن :

L : طول خط

 : ثابت انتشار

و  : امپدانس مشخصه خط می باشد .

در مدار معادل  خط انتقال  داریم :

 

11- تعیین مقطع هادیهای خطوط انتقال نیرو :

   - مقدمه :

       یکی از گامهای اساسی در آغاز طراحی هر خط انتقال انرژی انتخاب مقطع مناسب برای هادی می باشد . عوامل متعددی در تعیین مقطع هادی مؤثرند که مهمترین آنها عبارتند از :

1-توان انتقالی

2-تلفات اهمی

3-جریان اتصال کوتاه

4-کرونا و تلفات ناشی از آن

5-عوامل اقتصادی

6-شرایط مکانیکی

11-1- توان انتقالی :

       قدرت قابل انتقال توسط خطوط انتقال انرژی به عنوان ظرفیت انتقال یا توانایی خط موسوم است . ظرفیت خطوط انتقال انرژی با توجه به مشخصات الکتریکی و خصوصیات ساختمانی آنها تعیین می گردد . قدرت انتقالی خطوط ، معادل ظرفیت اسمی آنها یا ظرفیت در نظر گرفته شده جهت طرح خط می باشد . قدرت انتقالی می تواند تا حدودی از ظرفیت اسمی خط تجاوز نماید . طرح خط و انتخاب قدرت اسمی با محدودیتهایی به شرح زیر برحسب ولتاژ اسمی همراه می باشد .

11-1-1- حدّ حرارتی :

      حد حرارتی خطوط انتقال انرژی محدودیت ناشی از افزایش جریان بار هادیها را در پی افزایش درجه حرارت آنها مشخص می سازد . با افزایش تدریجی جریان بار هادیها ، افت انرژی حرارتی حاصل در مقاومت اهمی خط به صورت  ظاهر گردیده ، افزایش درجه حرارت هادیها را نسبت به درجه حرارت محیط سبب می گردد .

درجه حرارت مجاز و استاندارد هادی با انتخاب سطح مقطع مناسب و دانسیته اقتصادی جریان امکان پذیر می گردد . دانسیته قابل قبول حداکثر جریان برقرار شده در واحد سطح هادی ، مربوط به درجه حرارت مجاز می باشد . هنگامی که دانسیته جریان از مقدار مجاز تجاوز نماید ، درجه حرارت هادی از حدود استاندارد تجاوز خواهد نمود . در فصل سرما با توجه به تبادل حرارت هادی با محیط اطراف خود دانسیته جریان می تواند از مقدار مجاز بیشتر شود ، به همین علت اضافه بار هادی بیش از مقداراسمی در فصل سرما تا حدودی امکان پذیر می باشد .

       برای محاسبه حد ظرفیت حرارتی هادی ، ابتدا شبکه را از لحاظ بار و نیازهای منطقه ای برنامه ریزی نموده و سپس برای مدت زمان برنامه ریزی شده با درنظر گرفتن رشد بار متناسب سالانه ، مقدار بار و جریان انتقالی از هادی را به کمک روابط زیر محاسبه می نمائیم :

 

که در آن :

 : بار برنامه ریزی شده فعلی .

: بار انتقالی در سال n  .

 : ولتاژ خط .

 جریان خط .

 : نرخ رشد بار سالانه .

n : مدت زمان برنامه ریزی شده .

و  : ضریب توان خط می باشد .

       در این مرحله با استفاده از جداول یا منحنی های « مقطع – جریان » هادیها که توسط کارخانجات سازنده ی آنها ارائه می شود و با داشتن جریان I مقطع لازم هادی بدست خواهد آمد .

11-2- تلفات اهمی :

       هنگامی که خطی مورد طراحی قرار می گیرد بایستی تلفات قدرت را دقیقاً مورد بررسی قرار داد . این مطالعه پس از تعیین و برآورد بار خط مزبور ، توسط محاسبات مربوط به پخش بار ممکن می گردد . صرفنظر از بررسی کلی فوق می توان خط را مستقل از شبکه با فرض ولتاژ ثابت در ترمینالهای ورودی و خروجی آن از نقطه نظر تلف قدرت بررسی نمود . لازم به ذکر است که در طرح خطوط انتقال با توجه به محاسبات ، مقطع هادی باید چنان انتخاب گردد که تلف قدرت از حدود 5 درصد توان انتقالی تجاوز ننماید از رابطه زیر می توان قدرت تلف شده در اثر مقاومت اهمی را برای خطوط انتقال کوتاه ( خطوط با طول کمتر از 100Km ) بدست آورد :

 

که در آن :

I : جریان خط

 : ولتاژ خط

S : قدرت ظاهری

 : ضریب توان

و  : مقاومت ac بوده که از رابطه زیر بدست می آید :

 

برای محاسبه مقدار تلفات اهمی در خطوط انتقال متوسط و طویل از مدار معادل  استفاده می شود .

11-3- جریان اتصال کوتاه :

       بررسی اختلالات شدید و ناگهانی تحت عنوان خطاها در سیستمهای قدرت اهمیت ویژه ای دارد که انواع اتصال کوتاه ها و باز شدن ( یا پاره شدن ) خطوط انتقال از مهمترین خطاها به ترتیب میزان شدت ، به صورت زیر طبقه بندی می شوند :

1- اتصال کوتاه سه فاز متقارن :

     این اتصال کوتاه براثر اتصال و یا برخورد سه فاز به یکدیگر بوجود می آید .

2- اتصال کوتاه دو فاز :

      در این صورت باید دو حالت را مورد بررسی قرار داد . در حالت اول تنها دو فاز به یکدیگر وصل می شوند و در حالت دوم ، دو فاز همزمان به زمین نیز متصل می گردند .

3- اتصال کوتاه یک فاز به زمین :

4- از هم گسیختگی و یا پاره شدن هادیهای خط انتقال :

      اغلب اتصال کوتاهها در سیستمهای قدرت ( بیش از 75% ) از نوع اتصال کوتاه یک فاز به زمین می باشند که معمولاً بر اثر شکست الکتریکی و ایجاد جرقه روی مقره ها پدید می آیند . احتمال وقوع اتصال کوتاه دو فاز نیز بیشتر از اتصال کوتاه متقارن می باشد .گرچه احتمال وقوع اتصال کوتاه متقارن بسیار کم ( حدود 5% ) می باشد ، لیکن بسیاری از محاسبات کلاسیک سیستم ها بر مبنای جریانهای اتصال کوتاه متقارن بنا شده اند .

      با توجه به محاسبات اتصال کوتاه شبکه ( ماکزیمم جریان اتصال کوتاه سه فاز و یا تک فاز هر کدام که تعیین کننده باشد ) و مدت زمان تداوم آن ( زمان عملکرد کلید ) ، سطح مقطع هادی از رابطه زیر بدست می آید :

 

A : سطح مقطع هادی برحسب میلیمتر مربع .

 : جریان اتصال کوتاه برحسب آمپر .

t : زمان رفع خطا برحسب ثانیه .

K : ضریب ثابت که مقدار آن برای هادیهای مختلف برابر است

11-4- کرونا و تلفات ناشی از آن :

       موضوع فوق تحت عناوین زیر مورد بررسی قرار می گیرد :

11-4-1- کرونا :

      یکی از عوامل تعیین کننده حداقل قطر هادی در ولتاژهای بالا پدیده کرونا می باشد . در حین عبور جریان از سیم ، یک میدان الکتریکی در اطراف هادی بوجود می آید که چنانکه مقطع سیم کافی نباشد ، شدت میدان بوجود آمده باعث شکست مقاومت الکتریکی هوای اطراف هادی و در نتیجه وقوع پدیده کرونا می گردد . با افزایش ولتاژ اسمی هادیها از حدود 220 کیلو ولت به بالا در حالی که مقطع هادی با توجه به دانسیته اقتصادی جریان و جریان اسمی بار ، بطور مناسب انتخاب گردد ، شدت میدان الکتریکی در سطح خارجی هادی ، مقدار قابل ملاحظه ای را دارا می گردد و چنانچه گرادیان ولتاژ بر روی سطح یک هادی بیش از قدرت شکست الکتریکی هوا گردد باعث تخلیه الکتریکی در هوای اطراف هادی می شود . این تخلیه در هوای اطراف هادی سبب ایجاد هاله ای نورانی به رنگ بنفش ، نویز صوتی ، نویز رادیویی و لرزش هادی شده و از آنجایی که گرادیان ولتاژ محیط اطراف هادی در روی سطح هادی بیشترین مقدار خود را دارا می باشد ، تخلیه الکتریکی از سطح هادی شروع می گردد . ضخامت هوای یونیزه اطراف هادی بستگی به مقدار ولتاژ دارد . در حالتی که فواصل بین هادیها کم باشد کرونا ممکن است باعث ایجاد جرقه و بروز اتصال کوتاه گردد . کرونا صرفنظر از تلف قدرت و تداخل رادیویی و دیگر اثرات نامطلوب خود ، در مواقعی که موجهای ولتاژ ضربه ای ( در اثر کلید زنی و یا رعد و برق ) در خط ایجاد گردد ، سبب کاهش دامنه موجهای مذکور می شود . همچنین در اثر پدیده کرونا ضریب کوپلاژ بین هادی و سیم زمین افزایش می یابد و این خود باعث می شود چنانچه موج ولتاژی در اثر رعد و برق روی سیم و یا برج پدید آید ، مقدار ولتاژ در سر ایزولاتورها و در نتیجه احتمال جرقه در دو سر ایزولاتور کاهش یابد .

       افت کرونا به عوامل مختلفی از جمله موقعیت هادیها ، فرم وسطح هادی و شرایط جوی بستگی دارد . برای هوای صاف در شرایط معمول در سطح دریا گرادیان ولتاژ بحرانی ( گرادیان ولتاژی که به ازاء آن یونیزاسیون شروع می شود ) برابر با  می باشد وچنانچه مقدار مؤثر ولتاژ منظور شود مقدار مؤثر گرادیان بحرانی  خواهد بود .

     مقدار گرادیان ولتاژ بحرانی متأثر از ضریب چگالی هوا و در نتیجه درجه حرارت و فشار هوا خواهد بود و برای دیگر شرایط جوی از نقطه نظر درجه حرارت و فشار از رابطه  محاسبه می شود . محاسبه می شود. در این رابطه  ضریب چگالی هوا بوده و عبارتست از :

 

 

که در این رابطه P فشار هوا برحسب سانتیمتر جیوه و t درجه حرارت برحسب درجه سانتیگراد می باشد . معمولاً در طراحی خطوط انتقال ،گرادیان ولتاژ را پایین تر از حد شروع کرونا ( معمولاً 17kv/cm ) درنظر می گیرند و گرادیان ولتاژ روی سطح هادی را می توان از رابطه زیر محاسبه کرد :

 

که در آن:

D : فاصله متوسط هندسی فازها ( برحسب cm ) .

S : فاصله بین مراکز هادیها در هر فاز ( برحسب cm ) .

n : تعداد هادیها در هر فاز .

r : شعاع هر هادی ( برحسب cm ) .

 : شعاع معادل هادیهای هر فاز ( برحسب cm ) .

و V : ولتاژ فازی مؤثر شبکه ( برحسب kv ) می باشد .

برای مشابه سازی حالت باندل با حالت تک هادی ، در حالت باندل شعاع مؤثر  تعریف می شود. بطوری که در حالت باندل نیز رابطه زیر صدق نماید .

 

در حالت باندل به دلیل افزایش شعاع مؤثر باندل نسبت به شعاع هادی ، از شدت میدان الکتریکی در سطح هادی کاسته خواهد شد.

11-4-2- تلفات کرونا :

      تلفات کرونا همانند ولتاژ بحرانی کرونا ، به شرایط جوی و مشخصات خط انتقال بستگی دارد . در طراحی هادی تلفات کرونا را در هوای خوب در حد معینی محدود می کنند که مقادیر آن برای ولتاژهای مختلف به صورت زیر می باشد . لازم به ذکر است که در ولتاژهای پایین تر از 132(kv) اصولاً کرونا بوجود نیامده و یا بسیار ناچیز است .

تلفات مجاز

ولتاژ نامی (KV)

0.06

0.6

1

132

230

400

11-5- سطح مقطع اقتصادی :

       با توجه به اینکه انتخاب هادی تابع پارامترها و عوامل متعددی می باشد و بدست آوردن یک رابطه که بتواند با در نظر گرفتن همه عوامل و پارامترها ، سطح مقطع بهینه را مشخص نماید ، کاری بس مشکل می باشد و از طرفی منظور کردن تمام پارامترها بطور دقیق مشکل می باشد ، لذا امروزه برای تعیین سطح مقطع اقتصادی هادی بیشتر از روش مقایسه استفاده می شود . بطور کلی در خطوط انتقال هزینه یک هادی عمدتاً متشکل از دو قسمت می باشد که عبارتند از :

الف) هزینه سرمایه گذاری مربوط به خرید و نصب هادی .

ب) هزینه انرژی تلف شده ناشی از مقاومت اهمی .

واضح است که برای یک مسیر با طول مشخص ، وزن و در نتیجه هزینه مس یا آلومینیوم ، متناسب با سطح مقطع می باشد . در نتیجه مقدار بهره سالیانه و استهلاک نیز متناسب با سطح مقطع بوده و عبارت خواهد بود از :

 

که در آن :

 : بهره سالیانه .

A: سطح مقطع هادی .

و  : ضریب ثابت می باشد .

     از طرف دیگر مقاومت متناسب با 1/A می باشد . در نتیجه برای شرایط معین بارگیری در طول سال ، تلفات انرژی در هادی متناسب با مقاومت و در نتیجه متناسب با 1/A خواهد بود. بنابراین هزینه سالانه تلفات را می توان به صورت زیر نوشت که  ضریب ثابت است .

البته برای تعیین هزینه تلفات سالانه مقدار متوسط جریان سالانه باید مشخص باشد . با صرفنظر کردن از تلفات غیر اهمی داریم :

 

چنانچه بخواهیم این هزینه حداقل باشد . DS/DA بایستی صفر باشد .

روش فوق را می توان با استفاده از منحنیهای هزینه مربوط به سرمایه گذاری و هزینه تلفات سالیانه برحسب مقطع هادی نمایش داد .

11-6- عوامل مکانیکی :

       پس از بررسی شرایط الکتریکی هادی و حصول اطمینان از داشتن مشخصه های الکتریکی مناسب ، باید شرایط مکانیکی هادی نیز مورد بررسی قرار گیرد . به عبارت دیگر هادیها بایستی بتوانند نیروهای کششی و بارهای اضافی ناشی از عوامل جوی را در شرایط مختلف تحمل نمایند و کشش آنها از محدوده مجاز که باعث تغییر شکل سیم و خارج شدن از حد الاستیک می شود ، تجاوز ننماید .

    با توجه به ویژگیهای مناسب فلز آلومینیوم ، این فلز بعنوان هادی جریان در خطوط انتقال نیرو انتخاب گردیده ، لیکن در ولتاژهای بالاتر از 35(KV) بعلت فاصله بیشتر بین برجها ، وزن و نیروی کششی بالاتری به هادیها تحمیل شده و مقاومت مکانیکی بالاتر هادی را طلب می کند . در این حالت مقاومت مکانیکی فلز آلومینیوم جهت تأمین نیروی کششی ظاهر شده در هادیها کافی نبوده ، از آلومینیوم همراه با فولاد استفاده می شود

     فولاد در قسمت مرکزی هادی بعنوان هسته یا مغزی پیش بینی شده و نیروی کششی و مقاومت مکانیکی مورد نیاز را تأمین می سازد . این نوع هادیها با عنوان هادیهای آلومینیوم فولاد (ACSR) موسوم می باشند .

       با افزایش ولتاژ اسمی خط ، فاصله بین برجها باز هم فزونی یافته و نیروی کششی بیشتری در هادیها ظاهر شده و لذا هادی با مقاومت مکانیکی بالاتری مورد نیاز می باشد . به همین علت مقطع فولادی نیز متناسب با افزایش ولتاژ و فاصله بین برجها فزونی می یابد .

   در نقاط سردسیر به علت تشکیل حجم قابل ملاحظه یخ و برف بر روی هادی از هادیهای با مقطع فولاد بیشتر استفاده می شود . بدین ترتیب برحسب نیروی کششی مورد نیاز ، مقطع هسته فولادی و نسبت آن به مقطع رشته های آلومینیوم در انواع گوناگون هادیها متفاوت خواهد بود .

در برخی استانداردها از نسب فولاد به آلومینیوم جهت مشخص نمودن هادیها استفاده شده و حاصل این نسبت را ضریب استفاده نامیده اند و به صورت زیر نشان می دهند :

 

که در آن :

 : سطح مقطع آلومینیوم در هادی.

 : سطح مقطع فولاد در هادی .

و K : ضریب استفاده می باشد .

       هادی مخصوص که در آن سطح مقطع فولاد با سطح مقطع آلومینیوم برابر باشد (K=1) در مناطق بسیار خاص و محدود به هنگام عبور خط از دره های عمیق ، عرض رودخانه های بزرگ و فواصل فوق العاده زیاد برجها بکار می رود .

      بطور کلی در شرایط معمولی نصب خطوط ، نسبت آلومینیوم به فولاد برابر با 8 ، در شرایط دشوار 6 و در مناطق سردسیر با حجم قابل ملاحظه یخ نزدیک به 4 می باشد .

اصولاً طراحی طوری صورت می گیرد که نیروی وارد شده به هادیها در شرایط مختلف بارگذاری از مقادیر زیر که توسط استانداردهای مختلف توصیه شده تجاوز ننماید .

       در صورتی که کشش هادیهای خط بیش از حد مجاز باشد عمر مکانیکی هادی و ضریب اطمینان خط کاهش می یابد و استفاده از هادیها با کشش کم نیز از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست .