اثر باندل کردن بر پارامترهای خط انتقال

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: در یک خط انتقال چهار کمیت مقاومت، اندوکتانس، ظرفیت خازنی وکنداکتانس روی کارکرد کامل آن به عنوان بخشی از سیستم قدرت اثر می‌گذارند. کندکتانس بین هادی‌ها و زمین باعث جریان نشتی در مقره‌های خطوط هوائی وعایق کابل‌ها میشود. چون میتوان از جریان نشتی در مقره‌های خطوط هوائی چشم پوشید کنداکتانس بین هادی‌ها در یک خط هوائی صفر فرض نمود. دلیل دیگر چشم پوشی از کنداکتانس متغیر بودن آن ونبودن روش مناسب برای محاسبه آن می‌باشد. جریان نشتی مقره‌ها عامل اصلی کنداکتانس به طور محسوسی با شرهیط هوائی ورطوبتی که بر مقره‌ها می‌نشیند تغییر میکند.

 

بعضی از خاصیت‌های یک مدار الکتریکی را می‌توان به وسیله میدانهای الکتریکی و مغناطیسی که در اثر عبور جریان از آن به وجود می‌آید بررسی نمود.
مقاومت و اندوکتانس توزیع شده به طور یکنوهخت در طول خط امپدانس سری خط را تشکیل می‌دهند. کنداکتانس وظرفیت خازنی بین هادیهای خط تکفاز یا بین هادی وخنثی در خط سه فاز ادمیتانس موازی خط را تشکیل می‌دهند. اگرچه مقاومت اندوکتانس وظرفیت خازنی در طول خط توزیع شده اند، اما درمدار معادل خط از کمیتهای فشرده و متمرکز استفاده می‌شود.
انواع هادی‌ها
در انتقال قدرت الکتریکی در آغاز از هادیهای مسی استفاده می‌شد، اما امروزه هادیهای آلومینیومی به علت ارزانتر وسبکتر بودن نسبت به هادیهای مسی با همان مقاومت د. خطوط هوائی به طور کامل جای آن‌ها را گرفته اند. یکی دیگر از مزیتهای هادی آلومینیومی این است که در یک مقاومت مشخص قطر آن از هادی مسی بیشتر است. در حالت با قطر بزرگتر به ازای ولتاژیکسان خطوط فوران الکتریکی گرادیان ولتاژدر سطح هادی پائین آمده امکان یونیزه شدن هوای اطراف هادی کاهش یابد.

نمادهای زیر انواع مختلف هادیهای آلومینیومی را نشان می‌دهند:
AAC هادی تمام آلومینیومی
AAAC هادی تمام آلیاژ آلومینیوم
ACSR هادی آلومنیومی تقویت شده با فولاد
ACAR هادی آلومنیومی تقویت شده با آلیاژ
هادیهای آلیاژآلومنیومی دارای قدرت کششی بیشتری نسبت به هادیهای الکتریکی آلومنیومی معمولی هستند.

اندوکتانس یک خط انتقال برابر فوران در بر گیرنده آن به ازای عبور جریان یک آمپر است. در خطوط انتقال ما با هادیهای گروهی سروکار داریم از جمله خط سه فاز با فاصله گذاری یکسان وغیر یکسان که به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.
هنگامی که فاصله گذاری یکسان نباشد، به دست آوردن اندوکتانس نسبت به خط سه فاز متقارن سخت‌تر می‌شود. در این حالت فوران در برگیرنده و اندوکتانس هر فاز یکسان نخواهد بود.
اندوکتانس گوناگون هر فاز منجر به نامتعادل شدن مدارمی شود. با جابجا کردن هادیهادرفاصله معین و با یک ترتیب مشخص، به گونه‌ای که هر هادی جای ابتدائی دو هادی دیگر را در فاصله یکسان اشغال نماید، می‌توان سه فاز را متعادل نمود. جابجائی هادی‌ها، جایگشت نامیده میشود. معمولا خطوط قدرت امروزی در فاصله‌های منظم جابجا نمی‌شوندوجایگشت هادی‌ها برای متعادل کردن اندوکتانس فاز‌ها، ممکن است در پست کلید زنی صورت گیرد.
خوشبختانه، نامتقارنی بین فازهای یک خط جایگشت نشده کم بوده در بیشتر محاسبات اندوکتانی از آن چشم پوشی می‌شود. اگراز عدم تقارن چشم پوشی گردد، اندوکتانس از آن چشم پوشی گردد، اندوکتانس هر فاز خط جایگشت نشده برابر میانگین اندوکتانس یک فاز ازهمان خط است که به طور صحیح جایگشت شده باشد.

درولتاژهای بسیار بالا (EHV)، یعنی ولتاژهایبالاتر از kv ۲۳۰، اگرهر فاز دارای یک هادی باشد، کرونا وافت قدرت ناشی ازآنو بویژهتداخل با خطوط مخابراتی پدید می‌آید. چنانچه هر فاز دارای دو یا چند هادی باشد که در مقایسه با فاصله گذاری فاز‌ها به یکدیگر نزدیک باشند، گرادیان ولتاژبالا در هادی در محدوده EHV کاهش می‌یابد. چنین خطی را خط با هادیهای گروهی می‌نامند. گروه دارای دو، سه یا چهار هادی است. مزیت مهم گروهی بودن هادیها، کاهش راکتانس است. افزایش تعداد هادیهای گروه، راکتانس واثر کرونا را کاهش میدهد.

ظرفیت خازنی خط انتقال ناشی از اختلاف پتانسیل بین هادیهاست که باعث می‌شود هادی‌ها مانند صفحه‌های خازن باردارشوند. ظرفیت خازنی بین هادیها، میزان بار به ازای واحد اختلاف پتانسیل استودر مورد هادیهای موازی مقداری است ثابت که به اندازه و فاصله بین هادی‌ها بستگی دارد. در خطوط قدرت کمتراز km ۸۰ اثر ظرفیت خازنی کم بوده قابل چشم پوشی می‌باشد، اما در خطوط بلند تربا وولتاژبیشتر به صورت افزاینده‌ای اهمیت می‌یابد.
ولتاژمتناوبی که به خط انتقال اعمال می‌گردد، باعث می‌شود که میزان بارالکتریکی در هر نقطه، هماهنگ با مقدار لحظه‌ای ولتاژ بین دو هادی درآن نقطه، کو یا زیادشود. تغییربارهمان جریان الکتریکی است واین جریان که حاصل باردار وبی باردار شدن متناوب خط در اثر ولتاژ متناوب است.
جریان باردار کننده خط نامیده می‌شود. از آنجا که ظرفیت خازنی بین هادی‌ها به صورت موازی می‌باشد، جریان باردارکننده حتی درحالت مدار باز شدن خط وجود دارد. این جریان علاوه بر افت ولتاژدرطول خط بر بازده، ضریب توان خط وپایداری سیستمی که خط جزئی از آن است نیز اثر می‌گذارد.
پایه بررسی ظرفیت خازنی، قانون گوس در میدانهای الکتریکی می‌باشد. براساس این قانون بار الکتریکی کل داخل یک سطح حلقه بسته برابر فوران الکتریکی است که از سطح بیرون می‌آید. به عبارت دیگر، بارکل داخل یک سطح حلقه بسته برابرفوران الکتریکی است که از سطح بیرون می‌آید. به عبا رت دیگر، بار کل سطح حلقه بسته برابر انتگرال مولفه چگالی فوران الکتریکی روی سطح می‌باشد.

هنگامی که فاصله گذاری هادیهای یک خط سه فاز یکسان نباشد، محاسبه ظرفیت خازنی
مشکلتر می‌شود. در یک خط معمولی جایگشت نشده، ظرفیت خازنی به خنثای میانگین هر یک از فاز‌ها نسبت به خنثی برابر نیستند. در یک خط جایگشت شده، ظرفیت خازنی به خنثی میانگین فازهای دیگر برابر است، چون هادی هر فاز در دوره کامل جایگشت، مکان فازهای دیگر را در فاصله‌های یکسان اشغال می‌کند. عدم تقارن خط جایگشت نشده در بیشتر حالت‌ها کم بوده محاسبات ظرفیت خازنی ماند خط جایگشت شده انجام می‌شود.

به دست آوردن ظرفیت خازنی خط سه فاز به طور دقیق کاری مشکل است مگر این که فاصله گذاری تخت بوده فاصله بین هادیهای مجاور یکسان باشد. درفاصله گذاری معمولی با هادیهای متداول با فرض اینکه بار واحد طول هادی در همه بخشهای دوره جایگشت یکسان باشد، ظرفیت خازنی با دقت کافی به دست خواهد آمد. با چنین فرضی در مورد بارها، ولتاژ بین یک زوج هادی درهر یک از بخشهای دوره جایگشت یکسان نمی‌باشد، پس باید اندازه میانگین بر‌ای ولتاز بین هادی‌ها به دست آورد و ظرفیت خازنی را با این اندازه میانگین بررسی نمود.

زمین بر ظرفیت خازنی خط انتقال به علت تغییر دادن میدان الکتریکی خط، اثر می‌گذارد، اگر زمین را یک هادی کامل به صورت یک صفحه افقی بی نهایت فرض کنیم، در می‌یابیم که میدان الکتریکی ناشی از هادی باردار نزدیک سطح زمین با حالتی که سطح هم پتانسیل زمین وجود ندارد، یکسان نمی‌باشد. میدان الکتریکی هادی باردار شده برای سازگار شدن با سطح زمین نیرویی را متحمل می‌شود. البته، فرض مسطح بودن و پستی و بلندیهای آن کاملا معتبر نیست. اما این فر ض. ما را توانا می‌سازد تا اثر هدایت زمین را در محاسبه ظرفیت خازنی بفهمیم.

اگر مداری شامل یک هادی هوایی با مسیر برگشت از زمین در نظر بگیریم، هنگام باردار شدن هادی، بار‌ها از زمین روی هادی قرار می‌گیرند واختلاف پتانسیل بین هادی و زمین بوجود می‌آید. زمین دارای بار مساوی، ولی از نظر علامت مخالف با هادی است. خطوط فوران الکتریکی از بارهای روی هادی به  بارهای روی زمین به سطح هم پتانسیل زمین عمود است، چون سطح را، هادی کامل فرض کرده ایم. تصور کنید درزیرزمین درفاصله‌ای برابر با فاصله هادی هوایی اصلی تا زمین، یک هادی فرضی با همان اندازه و شکل هادی اصلی وجود داشته باشد. اگر زمین را حذف کرده وباری مساوی، ولی مخالف بار هادی فرضی قرار دهیم، صفحه میانی هادی اصلی وهادی فرض‌ی یک سطح همان مکان را به عنوان سطح هم پتانسیل زمین اشغال میکند.

 

فوران الکتریکی بین هادی هوایی واین سطح هم پتانسیل، همان فوران الکتریکی است که بین هادی وزمین وجود داشت. بنا براین برای محاسبه ظرفیت خازنی باید به جای زمین، یک هادی باردار شده فرضی در زیر زمین با فاصله‌ای برابر با فاصله زمین تا هادی اصلی قرار دهیم. این هادی دارای باری مساوی، ولی مختلف العلامه با بارهادی اصلی است وهادی تصویری یا هادی قرینه نامیده می‌شود.

روش کاربرد هادی قرینه به جای زمین برای محاسبه ظرفیت خازنی یک هادی هوایی را می‌توان برای بیش از یک هادی نیز به کار برد. در این صورت اگر به جای هرهادی هوایی، یک هادی قرینه درنظر گرفته شود، فوران الکتریکی بین هادیهای اصلی و قرینه‌های ان‌ها بر صفحه‌ای که به جای زمین قرارمی گیرد عمود بوده واین سطح، یک سطح هم پتانسیل می‌باشد. فورانهای الکتریکی بالای این صفحه به حالتی که زمین به جای هادیهای قرینه قرار داشت، برابر است.

هدف ما در خطوط انتقال کاهش اثر سلفی خط و افزایش اثر خازنی آن است. برای این کار دو راه وجود دارد:
۱ - زیاد کردن سطح مقطع سیم‌ها
۲ - استفاده از هادی‌های گروهی یه به اصطلاح باندل کردن

روش اول با توجه به اینکه هادیهای به کار رفته در خطوط انتقال ۳۰ % تا ۴۰ %هزینه کل خط را شامل میشود به هیچ وجه به صرفه نیست، بنابر این از هادیهای گروهی استفاده میکنیم که هوم بهعث کاهش اثر کرونا وخاصیت سلفی خط می‌شود وهم باعث افزایش اثر خازنی خطوط انتقال می‌شود. با مقایسه روابط بدست آمده برای سلف وخازن خط انتقال مشاهده می‌شود که این دو رابطه دوگان یکدیگرندودر کل تعداد معادلات حاکم بر محیط کم بوده و روابط بدست امده در تمام زمینه‌ها کاملا مشابه بوده ودوگان یکدیگرند.