فصل چهارم
نقش نوسانات هادیها در فواصل فازها
۴-۱- مقدمه
آنچه در فصل قبل اشاره گردید، روش محاسبه فواصل فازها در حالت سکون هادیها بوده است اما در عمل هادیها تحت تأثیر وزش باد دچار نوسان می شوند که این عامل سبب نزدیک شدن فازها به یکدیگر میشود. گرچه نوسانات هادیها را می توان در گروه های مختلفی تقسیم نمود اما آنچه باعث نزدیک فازها به یکدیگر میشوند، شامل نوسانات جهشی (Galloping) و نوسانات آونگی (Swing) است. بنابراین در طراحی خطوط انتقال یا توزیع نیرو، لازم است این نکته بسیار مهم مد نظر قرار گیرد.
۴-۲- نوسانات آونگی
نوسانات نوع آونگی یا Swing در اثر وزش بادهای با سرعت زیاد به وجود می آید. در این حالت که هادیها در محل اتصال به برج یا در سط پایه ها دچار نوسان می شوند که حالت تاب خوردن دارد. این نوع نوسات در محل اتصال هادیها به برج سبب نزدیک شدن فازها به بدنه برج ها می شوند که رعایت آن افزایش فواصل فازی را به همراه خواهد داشت. در یک شرایط معین دامنه نوسانات یا پیشروی هادیها به سمت برج ها ضمن اینکه به سرعت باد وابسته است به طول زنجیره مقره ها، آرایش مقره ها، آرایش هادیها و شکل برجها نیز بستگی دارد. بنابراین در محاسبه فواصل فازی صرف توجه به پارامترهای الکتریکی نمیتواند برای جایگذاری هادیها مناسب باشد.
علاوه بر سربرجها در میانه پایه ها نیز این نوع نوسانات سبب نزدیک شدن فازهای کناری به یکدیگر میشوند (در آرایش افقی هادیها) و هر چه فلش هادیها بیشتر باشد دامنه نوسانات نیز افزایش می یابد. از آنجا که وزش باد سبب نوسانات تمامی فازها می شود، لذا در محاسبه فواصل فازی دو حالت زیر می تواند مد نظر قرار گیرد:
- نوسانات هماهنگ یا سنکرون
- نوسانات غیر هماهنگ
در نوسانات نوع اول فرض می شود که هر سه فاز با هم و بطور هماهنگ دچار نوسان شوند و در حالت دوم فرض بر این است که فازها با اختلاف فاز معینی دچار نوسان شوند که طبیعتاً در حالت دوم لازم است فاصله فازها متناسب با نزدیک شدن فازها افزایش یابد که بر حسب شرایط طراحی مقدار آن متفاوت است. تصاویر نشان داده شده در شکل (۴-۱)، شمای کلی نوسانات هماهنگ و ناهماهنگ را نشان میدهد. همانطور در این شکل پیدا است در حالت نوسانات هماهنگ (شکل سمت راست) فاصله فازها همواره ثابت باقی میمانند اما در نوسانات ناهماهنگ (شکل سمت چپ) در حالیکه فاز A به ماکزیمم دامه نوسانات خود رسیده است، فازهای B و C در حال رسیدن به مقادیر ماکزیمم خود هستند و یا ماکزیمم دامه نوسانات آنها در برخی موارد (وقتی ضخامت یخ در دور هادیهای سه فاز یکسان نباشند) کمتر از فاز A می باشد.
شکل (۴-۱)- نمائی از انحراف زنجیره مقره ها در اثر وزش باد
گرچه در هر دو حالت جایگذاری یا تنظیم فاصله فازها در روی پایه ها تفاوتی با هم ندارند (چون لازم است بر مبنای ماکزیمم دامنه نوسانات هادیها تنظیم شوند) اما در وسط پایه ها، لازم است فواصل پایهها برای حالت ناهمانگ محاسبه و تعیین گردد.
شکل (۴-۲) انحراف زنجیره مقره ها به سمت برج را در یک برج زاویه ای نشان می دهد، در صورتیکه نوسانات فازها هماهنگ باشند، در برج های معمولی، نیز زنجیره مقره ها بصورت شکل (۴-۱) منحرف میشوند.
شکل (۴-۲)- وضعیت انحراف زنجیره مقره ها در یک خط انتقال نمونه
برای کنترل نوسانات هادیها در روی برج ها ضمن اینکه می توان از تجهیزات میراکننده استفاده نمود، انتخاب مناسب آرایش مقره ها نیز می تواند سبب کاهش فواصل فازی شود. گرچه با انتخاب آرایش وی شکل یا انتخاب مقره های ثابت می توان دامنه نوسانات را کاهش یا حذف نمود اما این اقدام مانع از نزدیک شدن فازها در وسط اسپن نمی گردد. لذا در برخی موارد ضرورت کنترل نوسانات در سر برج ها را از بین میبرد. اما در خطوط انتقال کمپاکت که هدف نزدیک سازی فازها تا حد امکان می باشد، برای کنترل نوسانات در وسط اسپن از روش های مختلفی چون: کاهش اسپن، کاهش فلش هادیها و یا نصب فاصله نگهدارهای فازی استفاده می شود.
۴-۲-۱- کاهش فاصله فازها در روی برج
همانطور که از شکلهای (۴-۱ و ۴-۲ ) پیدا است، میزان پیشروی فازها به سمت پایهها بستگی به زاویه انحراف زنجیره مقره ها دارد و هر چه این زاویه افزایش یابد، فازها بیشتر به بدنه پایهها نزدیک می شوند که اگر دامنه این نوع نوسانات کنترل نشود، چاره ای جز افزایش فاصله فازها وجود ندارد. در صورتیکه زاویه انحراف با نشان داده شود، هادیها به اندازه به بدنه نزدیک می شود که مقدار آنرا میتوان از رابطه زیر بدست آورد:
(۴-۱)
در این رابطه طول زنجیره مقره ها و اتصالات است که برابر با فاصله عمودی هادیها تا بازوی برج در نظر گرفته شده است، طبیعی است که هر چه سرعت باد افزایش یابد بر زاویه انحراف افزوده میگردد. البته این رابطه برای حالتی صادق است که آرایش مقره ها از نوع آویزان باشد و برای سایر آرایش مقرهها قابل استفاده نمیباشد.
۴-۲-۲- کاهش فاصله فازها در وسط پایه ها
دامنه نوسانات هادیها در وسط پایه ها بستگی به میزان فلش هادیها دارد، در شرایط خاص مقدار ماکزیمم آن ممکن است به حدود ۵۰ درصد فلش هادیها نیز برسد. اما با توجه به اینکه در اثر وزش باد هر سه فاز با هم به جلو یا عقب کشانده می شوند، لذا در شرایط وقوع نوسانات هماهنگ، فاصله فازها کم نمی شود. در برخی موارد ممکن است نیروی ناشی از باد بر روی هادیهای سه فاز یکسان نباشد (موقعی که یخ روی یکی از فازها را پوشانده باشد یا اینکه ضخامت یخ در روی هر سه فاز یکسان نباشد) در نتیجه دامنه نوسانات هماهنگ نباشد، در چنین موارد لازم است فاصله فازها با توجه به این نکته محاسبه گردد. در مواردی که آرایش هادیها بصورت شکل (۴-۳) می باشد، اغلب کنترل فواصل فازها در سر برج ها، تنظیم فازها در وسط پایه ها را نیز به همراه دارد (بخصوص برای اسپن های کوتاه) اما در حالت شکل (۴-۴) لازم است فواصل فازی در سربرج و وسط پایه ها جداگانه کنترل شود.
شکل (۴-۳)- شمای کلی یک برج دارای زنجیره مقره های آویزان
شکل (۴-۴)- شمای کلی یک خط انتقال که فازهای آن در کنار هم نصب شده اند
مقایسه دو شکل (۴-۳) و (۴-۴) نشان می دهد، در حالتی که هادیها از طریق زنجیره مقره ها بهم متصل میباشند نوسانات هادیها به مراتب کمتر از حالتی که از مقره های آویزان استفاده گردید، می باشد.
در رابطه با نزدیک شدن فازها به یکدیگر بخصوص در وسط پایه ها مطالب محدودی منتشر گردیده است و عمدتاً روابط موجود بر اساس اندازه گیری های آزمایشگاهی تدوین شده است. در حالت کلی کاهش فواصل فازی از رابطه زیر بدست می آید:
(۴-۲)
این رابطه نشان میدهد در صورت وزش باد لازم است فواصل هادیها به اندازه افزایش یابد. در این رابطه K ضریب مشخصی است که در مرجع [۲] مقدار آن برابر ۶۰/۰ پیشنهاد گردید همچنین در این مرجع اظهار شد اگر در حد فاصل دو پایه از فاصله نگهدارهای فازی استفاده شود، مقدار بصورت زیر کاهش می یابد که در این رابطه n تعداد فاصله نگهدارهای فازی در هر اسپن می باشند:
(۴- ۳)
بنابراین در تنظیم فواصل فازها بخصوص در آرایش افقی هادیها لازم است نقش این عامل بخصوص در وسط پایه ها بیشتر مورد توجه قرار گیرد.
۴-۳- نوسانات جهشی
یکی از انواع نوسانات هادیها نوع جهشی یا گالوپینگ (Galloping) می باشد، این نوع نوسانات که در اثر وزش باد، ریزش یخ یا تحت تأثیر هر دو عامل ایجاد می شوند، سبب نزدیک شدن هادیها در آرایش عمودی فازها به یکدیگر می شوند. گرچه با بکارگیری انواع مختلف میراکننده ها تلاش در کاهش دامنه این نوع نوسانات می باشد، اما امکان حذف آنها بخصوص در وسط پایه ها که معمولاً بیشترین افتادگی در آنجا اتفاق می افتد میسر نمی باشد، به همین دلیل لازم است در تعیین فواصل عمودی فازها به این عامل مهم نیز توجه کافی مبذول گردد.
گرچه در دو دهه اخیر مطالعات گسترده ای در جهت تخمین و محاسبه دامنه نوسانات گالوپینگ انجام گرفته است، اما هنوز مدل واحدی که مقبولیت عامه داشته باشد ارائه نشده است، ضمن اینکه در شرایط مشخص مدل های ارائه شده دارای پاسخ یکسانی نمی باشند. با توجه به اینک دامنه نوسانات هادیها به سرعت باد و قطر یخ وابسته است لذا همواره گالوپینگ با دامنه زیاد اتفاق نمی افتد بلکه وقوع آن احتمالی است که بر حسب درجه ریسک پذیری یا نقش خطوط انتقال نیرو لازم است در طراحی ها مد نظر قرار گیرند. در جهت آشنائی با روش های محاسبه دامنه این نوع نوسانات ذیلاً به چند مدل محاسباتی ارائه شده در مراجع معتبر اشاره می گردد.
۴-۳-۱- روش اول- بیضی گالوپینگ
این روش که موسوم به بیضی گالوپینگ می باشد، محدوده نوسانات هادیها در فضاای داخلی یک بیضی با مشخصات نشان داده شده در شکل زیر در نظر گرفته میشود.
شکل (۴-۵)- منحنی بیضی گالوپینگ در یک خط انتقال نیرو نمونه
در این شکل پارامترهای تا که در حقیقت مشخصه بیضی می باشند. بصورت زیر تعریف می شوند:
(۴-۴)
در این رابطه F فلش هادی می باشد ضمناً آقای Davison ارائه دهنده این روش به استناد مطالعات خود، قطر کوچک بیضی ( ) را حدود ۴۰ درصد قطر بزرگ بیضی در نظر گرفته اند یا :
(۴-۵)
در صورتیکه طول اسپن زیاد باشد، تعداد حلقه های گالوپینگ در هر اسپن بیش از یک حلقه می باشند، به همین دلیل لازم است، رابطه بالا برای این حالت نیز تنظیم گردد. در صورتیکه حلقه های گالوپینگ دو باشد، پارامترهای بیضی به صورت زیر اصلاح می شوند:
(۴-۶)
(۴-۷)
در این روابط S اسپن (فاصله دو پایه) و K ضریبی متناسب با طول اسپن و فلش هادیها میباشد. همانطور که رابطه (۴-۶) نشان می دهد، در شرایط وقوع پدیده گالوپینگ، دامنه نوسانات هادیها در مقایسه با حالت تک حلقه بطور چشمگیری کاهش می یابد.
(۴-۸)
این رابطه را می توان بصورت ساده تر زیر نیز نشان داد:
(۴-۹)
همچنین برای محاسبه زاویه نوسانات هادیها میتوان از رابطه زیر استفاده نمود :
(۴-۱۰)
با توجه به شکل (۴-۵)، برای محاسبه حداقل فواصل فازی می توان از رابطه زیر استفاده نمود:
(۴-۱۱)
در این رابطه، Ym حداقل فاصله فازها با توجه به نوسانات گالوپینگ بر حسب متر، d حداقل فاصله الکتریکی بر حسب متر و می باشد. قطر بزرگ بیضی می باشد و مقداری که از رابطه (۴-۶) بدست می آید مربوط به حالت دو حلقه می باشد که در اسپن های بلند اتفاق می افتد.
در صورتیکه یخ دور هادیها را بصورت یکنواخت و متقارن احاطه نماید لازم است سطح باد خور و وزن مجموع هادیها با توجه به ضخامت یخ محاسبه گردد. در چنین حالتی می توان از رابطه زیر استفاده نمود:
(۴-۱۲)
[چهارشنبه 1400-08-05] [ 02:14:00 ق.ظ ]
|