معرفی یک میراکننده ارتعاشی جدید برای خطوط باندل انتقال انرژی الکتریکی

تخلیه ناگهانی برف و یخ (گال پینگ) و نیز وزش بادهای موسمی و طوفان باعث ایجاد ارتعاش در هادیهای خطوط هوایی انتقال انرژی الكتریكی و خستگی در نقاط اتصال هادی به مقره و در نهایت پارگی سیم می‌شود. در هادیهای باندل، بخشی از این نوسانات، مخصوصاً نوسانات ناشی از وزش باد و طوفان، به وسیله جداكننده‌ها (Spacer) خنثی می‌شود. اما دامنه بالای ارتعاشات ناشی ازتخلیه برق و یخ به وسیله میراكننده‌ها (Damper) و جداكننده‌های فوق، چندان تضعیف نمی‌شود. در این نوشتار پس از معرفی كلی میراكننده‌ها در خطوط انتقال انرژی الكتریكی، یك نوع میراكننده جدید برای خطوط باندل هوایی برای تضعیف اثر تخلیه ناگهانی برق و یخ معرفی شده و نتایج آزمایشگاهی و بكارگیری عملی آن در یكی از خطوط ۳۸۰ كیلوولتی بلژیك مطرح می‌شود. نتایج حاصل از بكارگیری این میراكننده جدید از كاهش دامنه نوسان‌ هادی مجهز به این نوع میراكننده تا یك هفتم خط بدون میراكننده اخیر، دراثر پدیده تخلیه ناگهانی برف و یخ خبر می‌دهد.
گسترش روزافزون مصرف انرژی الكتریكی و دور بودن نسبی محلهای تولید و مصرف این انرژی، استفاده از باندل را به عنوان یكی از بهترین راه حلها از دید فنی و اقتصادی مطرح می‌كند. در عین حال به دلیل افزایش وزن هادی‌ها و سایر یراق‌آلات خط، دكلها نیز باید با استحكام بیشتر، طراحی و ساخته شوند. تحلیل نیروهای مكانیكی ناشی از وزش باد وطوفان و تخلیه ناگهانی برف و یخ كه بر دكل وارد می‌شود نیز قدری متفاوت با خطوط تك باندل است.
فركانس نوسانات ناشی از وزش باد وطوفان، بالا و دامنه آن كم (حدود سانتی‌متر) است. از سوی دیگر ارتعاشات ایجاد شده ناشی از تخلیه ناگهانی برق و یخ با دامنه‌ای زیاد، از ۱/۰ تا حداكثر به اندازه شكم‌دادگی (sag) سیم و با فركانسی از حدود ۱۵/۰ تا یك هرتز می‌تواند خط هوایی را به نوسان درآورد.
اثرات ناشی ازاین ارتعاشات به صورت لحظه‌ای می‌تواند پاره شدن سیم، خوابیدن و شكستن دكل انتقال انرژی و در بلند مدت ایجاد خستگی در محل اتصال هادی به مقره، كاهش مقاومت سیم در برابر كشش و در نهایت پارگی هادی باشد. مشكل دیگر ناشی از تخلیه ناگهانی برق و یخ. كاهش حداقل فاصله مجاز هادی با فازهای دیگر، بدنهٔ دكل و سایر بخشهای عایق شده است كه باعث تخلیه انرژی الكتریكی روی سیستم و قطع آن می‌شود.
علاوه بر هزینه‌های بالای ناشی از تعمیر خطوط انتقال برق در اثر حوادث فوق، توقف در برق‌رسانی نیز، ضررهای جبران‌ناپذیری بر مصرف‌كنندگان برق تحمیل می‌كند. بنابراین با روشهای مختلف، به دنبال كاهش قطعی و پارگی خطوط به علت تخلیه ناگهاین برف و یخ و وزش طوفان برآمده‌اند. این روشها شامل اصلاح نحوه اتصال سیم به مقره و استفاده از انواع میراكننده‌ها برای خطوط هوایی انتقال انرژی است كه در بخشهای بعدی مطرح می‌شود.
روشهای متداول میراكننده ارتعاشات خطوط هوایی یكی از روشهای معمول، تقویت كردن اتصال بین هادی و بست (clamp) آویزی مقره است. این كار با استفاده از سیم‌های محافظ هادی(Armour Rod) به صورت ساده یا بالاستیك انجام می‌شود. سیمهای محافظ هادی، رشته‌های سیم كاملاً انعطاف‌پذیری هستند كه به صورت مارپیچ روی سیم وزیر بست هادی قرار می‌گیرند (تعداد رشته‌ها معمولاً از ۱۱ تا ۱۴ است). لاستیك معمولاً بین سیم و بست، بین سیم محافظ وسیم اصلی ویا بین هر سه قرار می‌گیرد.
روش اساسی‌تر برای حفاظت هادی در مقابل ارتعاشات مختلف، استفاده از میراكننده ارتعاش است. میراكننده از دو وزنه چدنی تشكیل شده است كه یك كابل انعطاف‌پذیر، ‌آن دو را به هم متصل كرده و یك بست نیز وسط آن را به سیم اصلی وصل می‌كند با وزش باد و یا تخلیه برف و یخ،‌ ارتعاشات عرضی در هادی به وجود می‌آید. این ارتعاشات سعی دارند در محل اتصال به میراكننده، آن را نیز به همراه سیم به نوسان درآورند، اما وزنه‌های طرفین میراكننده كه كابل انعطاف‌پذیر، آنها را به هم وصل كرده، این انرژی ارتعاشی را جذب و با تاخیر فاز عمل كرده و هنگام عكس شدن جهت نوسان سیم، انرژی جذب شده را رها می‌كنند. وزنه‌های میراكننده، درچند شكل، ساخته شده و وزن آنها از حدود یك كیلوگرم تا ۱۰ كیلوگرم می‌رسد. میراكننده‌ها را معمولاً به صورت دوتایی و در طرفین بست آویزی، استفاده می‌كنند. مباحث فوق مربوط به خطوط تك هادی است. در خطوط باندل كه هر فاز، خود از تعدادی سیم تشكیل شده وضعیت قدری متفاوت است. در خطوط باندل، جداكننده‌ها وظیفه حفظ فاصله هادیهای هر فاز از یكدیگر را به عهده دارند. این جداكننده‌ها خود می‌توانند نقش مهمی در میرا كردن ارتعاشات هادی به عهده داشته باشند. در این خطوط در اثر ارتعاشات عرضی ایجاد شده در تك‌تك سیمهای هر فاز، جداكننده‌ها با همان فركانس، نوسان نكرده و تا حدی، ارتعاشات را میرا می‌كنند، ضمن این كه در فاصله هر دو تیر، تعدادی از این جداكننده‌ها وجود دارند.
در خطوط باندلی كه تحت ارتعاشات بیشتری قرار داشته باشند، از جداكننده‌هایی كه خاصیت میراكنندگی هم دارند، استفاده می‌شود. بازوهای این جداكننده‌ها می‌توانند،‌حركت كرده و فاصله بین هادیهای هر فاز را تغییر داده و نوسانات را میرا كنند.
خاصیت میراكنندگی جداكننده‌های فوق، بیشتر برای نوسانات ناشی از وزش باد و طوفان كارایی دارد. در هادیهای باندل، به علت افزایش قطر یخ تشكیل شده بر روی هادی، نیروی ناشی از تخلیه آن، نقش بسیار زیادی را بر هادی وارد می‌كند.
● مكانیزم میراكنندگی
برخلاف خطوط با یك هادی، درخطوط باندل، شكل غیریكنواخت تشكیل یخ در بین و اطراف هادیهای خط باندل عدم تقارن و خارج از محوری زیادی را در خط به وجود آورده و باعث اعمال گشتاور پیچشی به خط می‌شود. با این حال فركانس نوسانات طبیعی عمودی و پیچشی هادیهای باندل، بدون تاثیرپذیری زیاد از ابعاد خط برای خطوط مختلف با تعداد باندل مساوی، در یك محدوده قرار دارند. با این وجود گشتاور پیچشی مزبور می‌تواند در صورت ایجاد حالت تشدید، باعث ایجاد نوسان عمودی با دامنه زیاد در هادی شود و حتی ممكن است به ناپایداری خط منجر شود.
این مكانیزم تا حد زیادی شبیه فروپاشی یك پل و یا اعمال فشار بر بال هواپیما و تشدید و شكستن آن است. راه‌حل پیشنهادی‌، ایجاد اختلاف بین فركانس ارتعاشات عمودی و پیچش در هادی است، كه این كار را تنظیم مجدد می‌نامند. با این كار اثرات تشدید، كاهش می‌یابد. راه‌حل دیگر استفاده از میراكننده پیچشی است. این میراكننده با جذب انرژی ناشی از پدیده تخلیه یخ، مانع انتقال آن می‌شود. این كار برای خطوط هوایی به دلیل پایین بودن نسبی انرژی پیچشی (حدود چند ده ژول برای هر اسپان)، عملی است.
با توجه به توضیحات فوق، دو نوع وسیله برای میرا كردن اثرات تخلیه ناگهانی برف و یخ برای خطوط باندل، طراحی شده است. نوع اول موسوم به پاندول قابل تنظیم است كه در كانادا طراحی شده و دومی GCD (Galloping Control Device) است كه نخستین بار در ژاپن طراحی شده است. وسیله نوع اول، تنها فركانس گشتاور پیچشی را افزایش داده و هیچ‌گونه میرایی در سیستم ایجاد نمی‌كند. چون مشخصات یخی كه بر روی هادی تشكیل می‌شود از قبل مشخص نیست این مكانیزم نمی‌تواند چندان كارا باشد. در دو نوع (GCD) با افزایش ممان اینرسی خط باندل، فركانس نوسانات پیچشی كاهش داده می‌شود.● معرفی میراكننده جدید
این میراكننده جدید موسوم به تنظیم‌ و میراكننده نوسانات (TDD)، همزمان هم خاصیت میراكنندگی نوسانات و هم تغییر فركانس نوسانهای عنوان شده را انجام می‌دهد. از این وسیله می‌‌توان برای خطوط باندل مختلف با تعداد هادیهای دلخواه استفاده كرد. میراكننده به وسیله چهار بست به هادیهای خط باندل متصل شده و می‌تواند همراه با هادیها، حول محور ۱ بچرخد. در دو طرف پاندول غیریكنواخت نشان داده شده دو جرم m۱ و m۲ قرار دارند. اتصال این پاندول به میراكننده به وسیله بلبرینگ است. به نحوی كه می‌توانند به راحتی حول محور ۲ به چرخش درآیند. همچنین پاندول به دو استوانه لاستیكی نیز متصل شده است. این استوانه‌ها را دو لوله مانند لاستیكی محافظت می‌كنند كه به بخش پایینی بست در محل اتصال پاندول به بست‌ها ثابت شده‌اند. بنابراین با چرخش پاندول حول محور ۲، تغییر شكل ایجاد شده در استوانه لاستیكی باعث ذخیره انرژی چرخشی در آن شده و بدین نحو خاصیت میراكنندگی خود را انجام می‌دهد. مركز ثقل این میراكنندگی حدود ۳۵ سانتی‌متر پایین‌تر از محور ۱ قرارداد و وزن آن به حدود ۳۰ كیلوگرم می‌رسد. از سوی دیگر، این وسیله برای كل خط مشابه یك پاندول عمل كرده و باتغییر فركانس نوسانات گشتاور چرخشی، وظیفه تنظیم مجدد را انجام می‌دهد.
● طراحی میراكننده
در طراحی این میراكننده نكته مهم آن است كه حركت نسبی پاندول حول محور ۲، در حین تخلیه یخ و برف باید آن قدر بزرگ باشد كه حداكثر انرژی چرخشی را به لاستیك منتقل كند. بنابراین هدف اصلی، طراحی پاندولی است كه بتواند با فركانسی نزدیك به فركانس نوسان ناشی از تخلیه یخ در زمان نصب بر روی خط باندل، به نوسان درآید.
فركانس نوسانات برای یك خط با دو باندل، طی پدیده تخلیه یخ و برف حدود ۲/۰ تا ۶/۰ هرتز است پایین بودن این فركانس یكی از مشكلات موجود برای تنظیم پاندولی است در چنین فركانس كمی نوسان كند. راه‌حل پیشنهادی افزایش اینرسی پاندول و كاهش سفتی پیچشی آن است. برای افزایش اینرسی می‌توان جرم بزرگی را با بازویی كوتاه در بخش بالایی پاندول قرار داد و یا جرم كوچكی را در بخش پایینی پاندول با بازوی بلند نصب كرد كه برای اولی محدودیت جرم وزنه‌ها و برای دومی محدودیت فضای موجود برای نصب میراكننده مطرح است. مولفه سفتی پیچشی، خود از دو بخش تشكیل شده است. یك بخش آن به خاصیت الاستیكی، استوانه لاستیكی باز می‌شود و بخش دیگر مربوط به مركز ثقل مجموعه پاندول است. در هر حالت مركز ثقل پاندول و G۲ باید بالاتر از محور ۲ قرار گیرد. در غیر این صورت نوسان پاندول حول محور عمودی می‌تواند ناپایدار شود. با توجه به توضیحات فوق، برای تنظیم فركانس نوسان چرخشی پاندول سه راه حل زیر وجود دارد:
۱) افزایش جرم ma با افزودن وزن بخش بالایی پاندول، مركز ثقل مجموعه به سمت بالا حركت كرده كه می‌تواند كاهش سفتی پیچشی را ایجاد كند.
۲) با كاهش قطر استوانه لاستیكی از ۵۰ به ۴۰ میلی‌متر، می‌توان سفتی پیچشی را كاهش داد.
۳) با تغییر طول بازوهای پاندول، می‌توان اینرسی آن را تغییر داد.
● بررسی رفتار دینامیكی میراكننده
یك نمونه ساخته شده از تنظیم و میراكننده نوسانات (TDD) با مشخصات داده شده در شكل ۹، مورد آزمایش قرار گرفت. دو هدف اصلی این آزمایش، تعیین محدوده فركانسی كه پاندول با بازده بالا در آن كار می‌كند و بررسی میزان میراكنندگی وسیله فوق است.
كل سیستم حول محور ۱، به نوسان درآورده شده است. فركانس این نوسانات از ۲/۰ تا ۹/۰ هرتز و با پله‌های ۰۵/۰ هرتزی است. در كلیه اتصالات از بلبرینگ برای جدا كردن اثر متقابل سیستمهای جنبی استفاده شده و چگونگی نوسان پاندول به وسیله كامپیوتر ضبط شده است. این آزمایش با وزنه‌های مختلف (ma) انجام شده است. نتایج آزمایش نشانگر آن است كه با افزایش وزنه فوق (ma) فركانس نوسانات از ۶۵/۰ به ۵/۰ هرتز كاهش یافته است.
● بررسی میزان میراكنندگی TDD
در صورت استفاده از چند تنظیم‌ و میراكننده در طول اسپان خط كه به خواص مساوی از یكدیگر قرار دارند، می‌توان میرایی نوسانات چرخشی هادی را كاهش داد.
● نتایج بر روی یك سیستم واقعی
میراكننده فوق بر روی یكی از فازهای یك خط ۳۸۰ كیلوولت در سال ۱۹۹۲ در بلژیك نصب شد. سطح مقطع هادیهای خط كه دو باندل بودند ۶۲۰ میلی‌متر مربع بود. تجهیزات مورد نیاز برای ثبت نوسانات هادیهای خط برای دو فاز یك خط كه یكی مجهز به میراكننده و دیگر فاقد آن بود، نصب شد. نتایج حاصل از ثبت یك تنش بالا در هادیها در تاریخ ۱۷/۱۱/۱۹۹۲ در شكل ۱۳ نشان داده شده است. نتایج نشانگر آن است كه دامنه نوسانات در خط مجهز به میراكننده به یك هفتم خط مشابه كه میراكننده نداشته، كاهش یافته است: نمودار تغییرات زمانی نشان می‌دهد كه از دقیقه ۵ تا ۲۵، فاز بدون TDD حركت چندانی نداشته است،‌اما در فاز دارای TDD حركت نوسانی اما با دامنه كم و محدود به وجود آمده است. در فاصله زمانی بین ۲۵ تا ۳۵، فاز بدون TDD دچار تنش‌های شدید شده،اما فاز دیگر خیر، و این به علت جذب انرژی ورودی توسط TDD در خط دوم و تغییر در فركانس تشدید آن و میرا كردن نوسانات است.
● جمع‌بندی
در این مقاله یك نوع میراكننده جدید برای خطوط باندل معرفی شد، كارایی این میراكننده به طور عمده در میرایی نوسانات ناشی از پدیده تخلیه ناگهانی برف و یخ است. هر چند تعداد پارگی خط ناشی از این پدیده زیاد نیست، اما هزینه‌های بسیار بالای تعمیرات این خطوط، لزوم بررسی نحوه به‌كارگیری میراكننده‌های جدید را مطرح می‌كند. از جمله این میراكننده كه امكان تنظیم فركانس تشدید برای نوسان پیچشی در مورد آن وجود دارد.

گردآوری: سعید محسنی

منبع : ماهنامه صنعت برق