بلندترين برج انتقال برق جهان

به گزارش "برق نیوز" پروژه انتقال برق 500 كيلوولت چين شرقي-جيانگ‌سو براي مقابله با رشد فزاينده تقاضاي انرژي الكتريكي در استان جيانگ‌سو، چين اجرا شده. هدف كلي پروژه كاهش تنگناهاي موجود در انتقال توان الكتريكي در چين شرقي و توسعه تجارت برق بر مبناي اصول بازرگاني كه از طريق فراهم آوردن پيش‌نيازهاي لازم جهت رشد اقتصادي با تامين توان كافي براي مصرف‌كنندگان امكان‌پذير مي‌شود. اين هدف از طريق گسترش سيستم 500 كيلوولت موجود به عنوان اقتصادي‌ترين راه‌حل ممكن مورد توجه واقع شد.

 نيروگاههاي ظرفيت بالاي جديد در طول ساحل استان جيانگ‌سوي شمالي در دست احداث است كه برق توليدي آنها بايد به محل مركز بار واقع در جيانگ‌سوي جنوبي كه توسط رودخانه يانگ‌تسه جدا شده است، منتقل شود. از اين رو بخش مهمي از طريق توسعه اين سيستم عبور (كراسينگ)‌شروع شده به دوشان منتهي مي‌شود. طراحي پروژه درسال 1998 و احداث فونداسيون‌ها در سال 2001 آغاز شد.
خط هوايي مذكور نخستين بار در 18 نوامبر 2004 برقرار شد. محل تقاطع خط با رودخانه بين شهرهاي نان‌كينگ و شانگهاي 200 كيلومتر بالاتر از دهانه رود يانگ‌تسه واقع شده است. در هر دوطرف كنار رودخانه خاكريزي شده و منطقه كاملاً‌ هموار است. دراين نقطه رودخانه بيش از 2 كيلومتر عرض دارد و در هر دوطرف رودخانه تراكم جمعيت بالا بوده و زمينها به طور گسترده براي كشاورزي و صنعت استفاده شده است. براي ايجاد حريم لازم خط بعضي از خانه‌هاي مسكوني تخريب شده و خانواده‌ها در خانه‌هاي مدرن و جديدي در نزديكي محل قبلي براي آنها ساخته شد ساكن شدند. رودخانه يانگ‌تسه آبراهي مهم در حمل و نقل دريايي بوده كه توسط كشتي‌هاي اقيانوس‌پيما مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

بالاترين سطح آب 5 متر بالاتر از سطح دريا قرار گرفته و بايد كليرانس 50 متر براي عبور بلندترين كشتي‌ها به اضافه 6 متر كليرانس ايمني الكتريكي از پايين‌ترين هادي در نظر گرفته شود. برجهاي آويزي برج با دو مدار KV500 با آرايش دانوب (Danube) داراي يك سيم محافظ و يك سيم محافظ حاوي فيبر نوري (OPGW) است. ساير مشخصات آن به شرح زير است: - اسپن 2303 متر - كليرانس 56 متر - شكم سيم 227 متر - طول زنجيره مقره 10 متر - ارتفاع برج تا زيركراس آرم پايين 302 متر - ارتفاع كل برج 5/346 متر - طول كراس آرم 5/38 متر - فاصله پشت به پشت 68 متر - وزن برج 4192 تن اين برجها سازه‌هاي فولادي مشبك از پروفيل‌هاي نبشي جوشكاري شده و نورد شده هستند. در مرحله طراحي مقدماتي مقايسه‌اي بين ساخت برجهاي فولادي با نبشي،‌برجهاي فولادي لوله‌اي و برجهاي بتني انجام شد.

اگرچه همه اين انتخابها مي‌تواند تجربه موفقي را در طراحي، ساخت و بهره‌برداري همراه داشته باشد، اما ساخت برج فولادي با نبشي مزيتهايي را از قبل درجه بالاي اتوماسيون توليد، اطمينان بيشتراز كيفيت عمليات ماشين‌كاري، كليه سطوح قابل رويت هستند. كنترل كيفيت گالوانيزه آسانتر است،‌نداشتن مشكلات ارتعاش تحت بادهاي ملايم و مقاومت خستگي بهتر وهزينه كمتر نسبت به برجهاي بتني. اكنون بلندترين برجهاي خط انتقال در جهان درعبور از روي رودخانه يانگ‌تسه در شهر جيانگ‌يين بكار گرفته شده‌اند. شكل قسمت فوقاني برج با توجه به فواصل الكتريكي لازم در روي برج و در وسط اسپن تحت شرايط نرمال (بدون باد) و حدي (حدكثر باد يا گالوپينگ‌هادي) تعيين شده است. طبق آيين‌نامه‌هاي چين، فاصله افقي بين هاديها در اسپن‌هاي طويل بايد m5/22 باشد. اين مقدار با قاعده نروژي كه يك صدم حداكثر اسپن عبوري از روي آبدره (فيورد) است مطابقت دارد. فاصله عمودي بين هاديها با توجه به مساله گالوپينگ m27 محاسبه شده است. فاصله عمودي بين سيم محافظ وهادي با توجه به زاويه حفاظت صاعقه در وسط اسپن و دامنه نوسان برگشت هادي در زمان گالوپينگ انتخاب شده است. برجهاي كششي براي هر مدار نيروهاي كششي هادي به دو برج زاويه در سمت چپ و راست رودخانه،‌ منتقل مي‌شود. اسپن بين برجهاي آويزي و كششي در هر حالت 700 متر است. اين برجها مقطع مستطيلي به ابعاد m24×m16 در سطح زمين دارند. هر يك ازچهار برج كششي 55 متر ارتفاع و 110 تن وزن دارند. يك قطعه صليب شكل متشكل از دو قسمت نبشي فولادي سنگين كه به صورت پشت به پشت جوش داده شده‌اند عضو اصلي بدنه برج در زير كراس آرمهاست. حداكثر فشار لگ (leg) برابر KN4058 و حداكثر آپ‌ليفت لگ برابر KN3848 بايد به فونداسيونها وارد شود. محور كراس آرم عمود بر اسپن عبور تقاطعي بوده و فاصله بين دو برج كششي در هر طرف 40 متر است. هاديها وسيمهاي محافظ با اين خط انتقال توان به تعداد MVA‌2000×2 يا MVA 3200،‌اگر فقط يك مدار در حال بهره‌برداري باشد امكان‌پذير است.

هادي بايد جريان متناظر با اين توان را تحت شرايط دماي محيط 40 درجه سانتي‌گراد و سرعت باد m/s6/0 منتقل كند. امادر طراحي و هزينه عبور از روي رودخانه،‌ مقاومت مكانيكي هادي عامل تعيين‌كننده است. تنها هاديهاي آلياژ آلومينيومي با مغزي فولاد كشش بالا داراي هر دو ويژگي رسانايي بالا و نسبت كشش – وزن كافي در اسپن اقتصادي هستند. درفرآيند طراحي بررسي روي انواع هاديهاي استفاده شده درتقاطع‌هاي موجود و هاديهاي جديد محاسبات ميدان الكتريكي و مقايسه بين ارايشهاي مختلف باندل انجام گرفت. بالاخره باندل چهارتايي از هادي نوع AACSR500 (42/3.9 آلياژ آلومينيوم،‌19/3.9 فولاد كشش بالا)‌انتخاب شد. پس از لحاظ شدن تمام فاكتورهاي اقتصادي و فني EDS‌اي براي 2/20 درصد انتخاب شد و حداكثر تنش‌ هادي تحت شرايط بارگذاري تركيب باد و يخ به 40 درصد محدود شد. مقدار واقعي محاسبه شده به 2/36 درصد مي‌رسدو متناظر با KN724 در هر فاز باندل است. افزون بر آن بارگذاري تركيب باد و يخي كه بسيار به ندرت اتفاق مي‌افتد منظور شده و تنش‌ هادي به 60 درصد مقاومت نهايي محدود شد. معمولاً‌حد حرارتي در مدت عبور جريانهاي اتصال كوتاه تكليف طراحي سيم محافظ را معين مي‌كند امادر عبورهاي تقاطعي با اسپن طويل، فقط مقاومت مكانيكي تعيين‌كننده است. رفتار مكانيكي سيم محافظ جهت اطمينان از حفاظت رعد و برق تحت همه شرايط بايد با هادي فاز مطابقت داده شود. اگر نسبت كشش – وزن سيم محافظ بالاتر از نسبت كشش- وزن هادي باشد ارتفاع قسمت فوقاني برج را مي‌توان كاهش داد. مقاومت كافي در برابر خوردگي نيز لازم است. بررسيها منجر به انتخاب سيم محافظ فولاد با روكش آلومينيوم ACS360(37/3.5) با نسبت كشش وزن 17.9>15.2 در مقايسه با AACSR500 و حداكثر ظرفيت جريان اتصال كوتاه 400KA2S شد. اجزاء زنجيره‌ها با توجه به طول زياد اسپن، وزن هادي چهارتايي باد و شرايط بارگذاري يخ با ضريب اطمينان 0/3 براي تمام بارها از جمله درحداكثر كشش هادي، حداقل بار مكانيكي قابل تحمل زنجيره مقره‌ها برابر KN2120 براي مجموعه آويزي و KN2400 براي مجموعه كششي در نظر گرفته شد.

زنجيره آويزي از چهار زنجيره فرعي هر كدام داراي 33 مقره چيني (پرسليني)‌از نوع كلاهك و پين تشكيل شده و مجموعه كششي داراي شش زنجيره فرعي هر كدام با 26 مقره چيني از نوع كلاهك و پين است. فاصله خزشي برابر mm19800 و mm13650 به ترتيب براي زنجيره‌هاي آويزي و كششي در نظر گرفته شد. با توجه به شرايط غيرمتعارف اين پروژه لوازم و يراق‌آلات ويژه‌اي ساخته شد و كليه آزمونهاي لازم بر روي آنها انجام شد. كلمپ‌هاي نوع آويزي زيني شكل m55/1 طول، kg116 وزن و آرمورادهايي به طول m56/2 دارد كه قبل از نصب (كلمپ) بر روي هاديها پيچيده مي‌شوند. كلمپ‌هاي كششي بكاررفته براي تحمل 95 درصد حداكثر مقاومت مكانيكي هادي (KN475) مورد آزمون قرارگرفتند. طراحي برج آويزي براي تحليل سازه‌اي برج، بيست حالت بارگذاري مختلف شامل شرايط باد نرمال و باد خيلي شديد نادر (rare)،‌پوشش يخ نرمال تركيب با باد، پوشش يخ خيلي شديد نادر، پارگي هاديها، شرايط حين سيم‌كشي هاديها و سيمهاي محافظ و بارهاي برپاسازي برج مورد بررسي قرار گرفته است.

همه بارها طبق فرآيند حدي بر مبناي آمار احتمالات محاسبه شده‌اند. در شرايط باد نرمال سرعت باد مرجع (Vo) برابر با m/s32 در ارتفاع 10 متري فرض شده و سختي‌ زمين طبق مشخصات رسمي كشور چين براي بارگذاري سازه از نظر معماري از نوع كلاس B معين شد. ضريب سرعت باد به ارتفاع بستگي دارد و از رابطه )0.16 1.0( محاسبه شده كه در آن Z ارتفاع از روي زمين است. باد با زاويه‌هاي 90، 60، 45 و صفر درجه سانتي‌گراد به محور خط برخورد مي‌كند.در شرايط نادر، سرعت باد مرجع برابر m/s35 با زاويه برخورد 90 فرض شده است. اثر ايفل به صورت تابعي ازتغيير شيب برج مطابق BS8100 بوده، ‌بارگذاري باد روي برجهاي بدون هادي قبل از سيم‌كشي همانند تمام بارهاي مربوط به گالوپينگ‌ هادي منظور شده است. شرايط پوشش يخ نرمال شامل صخامت يخ روي هاديها برابر mm10 و سرعت باد m/s10 مي‌شود. در شرايط يخ نادر ضخامت يخ روي هاديها وسيم‌هاي محافظ در حالي كه سرعت باد m/s15 است را به ترتيب برابر mm20 و mm25 در نظر گرفته شده است.
نيروهاي وارده به قطعات برج شرايط بارگذاري تعيين‌كننده شرايط باد نرمال،‌شرايط پوشش يخ نادر و پارگي سيم هستند. حداكثر نيروي فشاري لگ به KN71057 و حداكثر نيروي بالابرنده لگ به KN52642 بالغ مي‌شود. يك قوطي مشبك (Lattice box) پيچ و مهره‌اي،‌با مقطع مربع با طول ضلع بين mm1200-800 به عنوان عضو اصلي در قسمتهاي پايين و مياني برج بكار رفته كه ازچهارقطعه صليبي جوشكاري شده با حداكثر ضخامت mm65 و نبشي‌هاي باد بند ساخته شده است. بك عضو مشبك متشكل از چهار قطعه نبشي فولادي سنگين بوده كه به عنوان بادبند اصلي بدنه برج بكار برده شده است. يك بيس پليت دوبل براي جلوگيري از پارگي لايه‌اي ناشي از نيروهاي داخلي بسيار شديد در ته برج استفاده شده است. در ارتفاع 120 متري سازه برج كاملاً‌پيچيده مي‌شود چون شيب بدنه برج در نقطه اتصال تغيير مي‌كند. ضخامت و ابعاد مقطع قطعات قوطي مشبك در بالا و پايين اين نقطه اتصال متفاوت هستند. براي مطمئن شدن از انتقال تنش لازم در نقطه اتصال، قطعه بلوكي جوشكاري شده‌اي كه از يك قسمت ضربدري مركزي به ضخامت mm100 ساخته شده ، بين چهار عضو صليبي در گوشه‌ها نصب شده است. هر گروه تقريباً 18 تن وزن دارد. هنگامي كه نيروهاي داخلي بين قطعات سازه‌اي بطور غيرمعمولي بالا باشد نرم‌افزار تحليل تنش نرمال قابل استفاده نيست. موسسه طراحي قدرت الكتريكي چين شرقي دو برنامه ويژه Box، MSF را كه مي‌‌تواند به برنامه Tower لينك شود تهيه كرد- برنامه‌اي المان محدود كه در كانادا تهيه شده و براي محاسبه نيروهاي استاتيك برج عبور تقاطعي از طريق اينترفيس خودكار وفق داده شده است- برنامه Box بيشتر براي طراحي اجزاء با مقطع قوطي مشبك بكار رفته ولي برنامه MSF اجزاء ساخته شده از مقاطع پروفيل‌هاي نبشي تكي، نبشي دوتايي، نبشي چهارتايي و پروانه‌اي را محاسبه مي‌كند. فونداسيون در مرحله اوليه طراحي فونداسيون مقايسه‌اي بين گزينه‌هاي شمع‌هاي بتني پيش‌تنيده با مقاومت بالا (PHC)، شمع‌هاي لوله‌اي فولادي، شمع‌هاي فولادي نوع H و شمع‌هاي پرشنونده انجام شد. بررسيها منجر به انتخاب شمع‌هاي PHC شد و آزمونهاي مقاومت مكانيكي در شرايط ميداني KN7200 ظرفيت باربري فشاري و KN2300 ظرفيت آپ‌ليفت نشان داد. طرح فونداسيون شامل 56 شمع PHC در زير هر لگ برج بوده كه طول هر شمع برابر m38 و فاصله هر شمع m5/2 است. كلاهك فونداسيون با طول m5/19 و عرض m17 به صورت قطري قرار گرفته است. شناژها بين هر دو كلاهك از فونداسيون قرار گرفته كه داراي ابعاد m6/1×m2 هستند. دو شمع باربر به طول m25 شناژ را نگه مي‌دارد. تورفتگي‌‌اي كه به بولت‌هاي مهار تجهيز شده است جهت نصب بيس پليت دوبله برج و جلوگيري از تحرك آن تحت اثر بارهاي طراحي در بالاي فونداسيون فراهم شده و بيس پليت درداخل آن قرار داده شد. پس از تنظيم لگ، بولت‌ها محكم شده و تورفتگي با ملات (گروت) پر شد. عمق جايگذاري بيس‌پليت درداخل فونداسيون mm1350 است. بولت‌هاي مهار 42CrMo فولاد آلياژي كشش بالا بوده كه مقاومت و الاستيسته مورد نياز را تامين مي‌كند. نشست فونداسيون بطور پيوسته از زمان شروع بتن‌ريزي و نصب هاديها و سيمهاي محافظ كنترل شد و تاكنون نشست چهار فونداسيون برج كاملاً يكنواخت بوده و در كل mm6 است. جوشكاري پروفيلهاي صليبي قطعات قوطي مشبك برج آويزي شامل چهار قطعه صليبي جوش كاري شده است كه از صفحات فولادي مقاومت بالا به ضخامت mm25 تا mm65 ساخته شده‌اند. جوشكاري طبق استاندارد بين‌المللي ANSI/AWS D1.1 انجام شده و آزمايشهاي لازم به جهت مناسب بودن آن انجام گرفته است. در طول زمان ساخت انجام آزمون غيرمخرب در تعيين محل عيبهاي پنهان در درزهاي جوش موثر بود.

صفحات فولادي بالاي mm40، 100 درصد با بازرسي اولتراسونيك و 20 درصد با بازرسي ذرات مغناطيسي تست شدند. براي رفع كردن شبهات باقيمانده در رابطه با نتايج حاصله،‌تست بازرسي پرتونگاري جهت روشن كردن ماهيت هر عيبي اعمال شد. صورت آشكار شده تركهايي سطح جوش بازرسي رنگ نفوذي اضافي انجام مي‌شد. درجريان تست روتين پيش از مونتاژ نقاط اتصال مربوط به ارتفاع 286 متري و مقاطع مياني برج در ارتفاعات (286-206 متري) تركهايي نفوذي در درزهاي جوشكاري و صفحات فولادي مجاور آشكار شد. بازرسي كلي قصورهايي را در فرآيند ساخت مشخص كرد. بالاخره تامين‌كننده توليد مجدد اين اجزاء سازه را پذيرفت. به منظور ساده‌سازي توليدو به حداقل رساندن تاخير پروژه،‌ با تجديد‌نظر در طرح و بكاربردن قطعات صليبي جوشكاري شده كه از صفحه‌هاي فولادي ساخته شده‌اند به جاي قطعات نبشي نورد شده بزرگ موافقت شد. مشكلات ناشي از ابعاد قطعات مشكلاتي به لحاظ فني و كيفي در زمان ساخت نقطه اتصال در ارتفاع 120 متري رخ داد. در اين نقطه شيب بدنه برج تغيير كرده واندازه قطعه قوطي شكل از mm1200 به mm800 كاهش مي‌يابد. اين قطعه قوطي شكل از جوش دادن صفحه‌هاي فولادي با مقاومت بالا mm100/65 و mm100/60 ساخته شده است كه به علت محدوديتهاي فضايي با دسترسي نامناسب بين صفحه‌ها، ساخت آن بسيار مشكل بود.
جدول زماني نصب برجها 17 ماه طول كشيد، شروع كار در 8 نوامبر 2002 و اتمام آن در 13 آوريل 2004 بود و هر دو برج دردو طرف رودخانه بطور هم‌زمان نصب مي‌شدند. كار به علت تاخيرهايي كه در تحويل اجزاء اصلي صورت گرفت چهار بار متوقف شد كه طولاني‌ترين وقفه آن از 17 جولاي 2003 تا 7 فوريه 2004 بود. عمليات نصب برج به مدت 76 روز كه اكثراً در نيمه اول سال 2003 و بهار 2004 مي‌بود تحت تاثير هواي باراني و مه‌آلود كار نصب و سيم‌كشي نمي‌توانست بطور مداوم انجام شود و برنامه‌ريزي در كارگاه را دشوار مي‌كرد. خوشبختانه اين مورد پيامدهاي جدي نداشت. در نهايت عملياتي نصب 135 روز به طول انجاميد. (نرخ كار روزانه 14 تن) رودخانه يانگ تسه مهمترين آبراه در چين با ترافيك متوسط بيش از 2500 كشتي در روز در محل تقاطع خط با رودخانه است. به همين علت سيم‌كشي اين پروژه بدون بستن كانال ناوبري انجام شد. سيم‌كشي در 14 مه سال 2004 زماني كه هليكوپتر اولين سيم پايلوت را كشيد شروع شد. هشتاد روز بعد فرآيند سيم‌كشي تكميل شد. در مجموع بيست و چهار هادي، يك سيم محافظ و يك OPGW با تمام يراق‌آلات نصب شدند.