بلندترین برج انتقال نیروی جهان

هدف کلی پروژه کاهش تنگناهای موجود در انتقال توان الکتریکی در چین شرقی و توسعه تجارت برق بر مبنای اصول بازرگانی که از طریق فراهم آوردن پیش نیازهای لازم جهت رشد اقتصادی با تامین توان کافی برای مصرف کنندگان امکان پذیر می شود

پروژه انتقال برق ۵۰۰ کیلوولت چین شرقی/ جیانگ‌سو برای مقابله با رشد فزاینده تقاضای انرژی الکتریکی در استان جیانگ‌سو، چین اجرا شده. هدف کلی پروژه کاهش تنگناهای موجود در انتقال توان الکتریکی در چین شرقی و توسعه تجارت برق بر مبنای اصول بازرگانی که از طریق فراهم آوردن پیش‌نیازهای لازم جهت رشد اقتصادی با تامین توان کافی برای مصرف‌کنندگان امکان‌پذیر می‌شود. این هدف از طریق گسترش سیستم ۵۰۰ کیلوولت موجود به عنوان اقتصادی‌ترین راه‌حل ممکن مورد توجه واقع شد.

نیروگاههای ظرفیت بالای جدید در طول ساحل استان جیانگ‌سوی شمالی در دست احداث است که برق تولیدی آنها باید به محل مرکز بار واقع در جیانگ‌سوی جنوبی که توسط رودخانه یانگ‌تسه جدا شده است، منتقل شود. از این رو بخش مهمی از طریق توسعه این سیستم عبور (کراسینگ)‌شروع شده به دوشان منتهی می‌شود. طراحی پروژه درسال ۱۹۹۸ و احداث فونداسیون‌ها در سال ۲۰۰۱ آغاز شد. خط هوایی مذکور نخستین بار در ۱۸ نوامبر ۲۰۰۴ برقرار شد. محل تقاطع خط با رودخانه بین شهرهای نان‌کینگ و شانگهای ۲۰۰ کیلومتر بالاتر از دهانه رود یانگ‌تسه واقع شده است.

در هر دوطرف کنار رودخانه خاکریزی شده و منطقه کاملاً‌ هموار است. دراین نقطه رودخانه بیش از ۲ کیلومتر عرض دارد و در هر دوطرف رودخانه تراکم جمعیت بالا بوده و زمینها به طور گسترده برای کشاورزی و صنعت استفاده شده است.

برای ایجاد حریم لازم خط بعضی از خانه‌های مسکونی تخریب شده و خانواده‌ها در خانه‌های مدرن و جدیدی در نزدیکی محل قبلی برای آنها ساخته شد ساکن شدند. رودخانه یانگ‌تسه آبراهی مهم در حمل و نقل دریایی بوده که توسط کشتی‌های اقیانوس‌پیما مورد استفاده قرار می‌گیرد. بالاترین سطح آب ۵ متر بالاتر از سطح دریا قرار گرفته و باید کلیرانس ۵۰ متر برای عبور بلندترین کشتی‌ها به اضافه ۶ متر کلیرانس ایمنی الکتریکی از پایین‌ترین هادی در نظر گرفته شود. برجهای آویزی برج با دو مدار KV۵۰۰ با آرایش دانوب (Danube) دارای یک سیم محافظ و یک سیم محافظ حاوی فیبر نوری (OPGW) است. سایر مشخصات آن به شرح زیر است:

- اسپن ۲۳۰۳ متر

- کلیرانس ۵۶ متر

- شکم سیم ۲۲۷ متر

- طول زنجیره مقره ۱۰ متر

- ارتفاع برج تا زیرکراس آرم پایین ۳۰۲ متر

- ارتفاع کل برج ۵/۳۴۶ متر

- طول کراس آرم ۵/۳۸ متر

- فاصله پشت به پشت ۶۸ متر

- وزن برج ۴۱۹۲ تن این برجها سازه‌های فولادی مشبک از پروفیل‌های نبشی جوشکاری شده و نورد شده هستند.

در مرحله طراحی مقدماتی مقایسه‌ای بین ساخت برجهای فولادی با نبشی،‌برجهای فولادی لوله‌ای و برجهای بتنی انجام شد. اگرچه همه این انتخابها می‌تواند تجربه موفقی را در طراحی، ساخت و بهره‌برداری همراه داشته باشد، اما ساخت برج فولادی با نبشی مزیتهایی را از قبل درجه بالای اتوماسیون تولید، اطمینان بیشتراز کیفیت عملیات ماشین‌کاری، کلیه سطوح قابل رویت هستند. کنترل کیفیت گالوانیزه آسانتر است،‌نداشتن مشکلات ارتعاش تحت بادهای ملایم و مقاومت خستگی بهتر وهزینه کمتر نسبت به برجهای بتنی. اکنون بلندترین برجهای خط انتقال در جهان درعبور از روی رودخانه یانگ‌تسه در شهر جیانگ‌یین بکار گرفته شده‌اند.

شکل قسمت فوقانی برج با توجه به فواصل الکتریکی لازم در روی برج و در وسط اسپن تحت شرایط نرمال (بدون باد) و حدی (حدکثر باد یا گالوپینگ‌هادی) تعیین شده است. طبق آیین‌نامه‌های چین، فاصله افقی بین هادیها در اسپن‌های طویل باید m۵/۲۲ باشد. این مقدار با قاعده نروژی که یک صدم حداکثر اسپن عبوری از روی آبدره (فیورد) است مطابقت دارد. فاصله عمودی بین هادیها با توجه به مساله گالوپینگ m۲۷ محاسبه شده است. فاصله عمودی بین سیم محافظ وهادی با توجه به زاویه حفاظت صاعقه در وسط اسپن و دامنه نوسان برگشت هادی در زمان گالوپینگ انتخاب شده است.

برجهای کششی برای هر مدار نیروهای کششی هادی به دو برج زاویه در سمت چپ و راست رودخانه،‌ منتقل می‌شود. اسپن بین برجهای آویزی و کششی در هر حالت ۷۰۰ متر است. این برجها مقطع مستطیلی به ابعاد m۲۴?m۱۶ در سطح زمین دارند. هر یک ازچهار برج کششی ۵۵ متر ارتفاع و ۱۱۰ تن وزن دارند. یک قطعه صلیب شکل متشکل از دو قسمت نبشی فولادی سنگین که به صورت پشت به پشت جوش داده شده‌اند عضو اصلی بدنه برج در زیر کراس آرمهاست. حداکثر فشار لگ (leg) برابر KN۴۰۵۸ و حداکثر آپ‌لیفت لگ برابر KN۳۸۴۸ باید به فونداسیونها وارد شود. محور کراس آرم عمود بر اسپن عبور تقاطعی بوده و فاصله بین دو برج کششی در هر طرف ۴۰ متر است. هادیها وسیمهای محافظ با این خط انتقال توان به تعداد MVA‌۲۰۰۰?۲ یا MVA ۳۲۰۰،‌اگر فقط یک مدار در حال بهره‌برداری باشد امکان‌پذیر است. هادی باید جریان متناظر با این توان را تحت شرایط دمای محیط ۴۰ درجه سانتی‌گراد و سرعت باد m/s۶/۰ منتقل کند.

امادر طراحی و هزینه عبور از روی رودخانه،‌ مقاومت مکانیکی هادی عامل تعیین‌کننده است. تنها هادیهای آلیاژ آلومینیومی با مغزی فولاد کشش بالا دارای هر دو ویژگی رسانایی بالا و نسبت کشش ? وزن کافی در اسپن اقتصادی هستند. درفرآیند طراحی بررسی روی انواع هادیهای استفاده شده درتقاطع‌های موجود و هادیهای جدید محاسبات میدان الکتریکی و مقایسه بین ارایشهای مختلف باندل انجام گرفت. بالاخره باندل چهارتایی از هادی نوع AACSR۵۰۰ (۴۲/۳.۹ آلیاژ آلومینیوم،‌۱۹/۳.۹ فولاد کشش بالا)‌انتخاب شد. پس از لحاظ شدن تمام فاکتورهای اقتصادی و فنی EDS‌ای برای ۲/۲۰ درصد انتخاب شد و حداکثر تنش‌ هادی تحت شرایط بارگذاری ترکیب باد و یخ به ۴۰ درصد محدود شد.

مقدار واقعی محاسبه شده به ۲/۳۶ درصد می‌رسدو متناظر با KN۷۲۴ در هر فاز باندل است. افزون بر آن بارگذاری ترکیب باد و یخی که بسیار به ندرت اتفاق می‌افتد منظور شده و تنش‌ هادی به ۶۰ درصد مقاومت نهایی محدود شد. معمولاً‌حد حرارتی در مدت عبور جریانهای اتصال کوتاه تکلیف طراحی سیم محافظ را معین می‌کند امادر عبورهای تقاطعی با اسپن طویل، فقط مقاومت مکانیکی تعیین‌کننده است. رفتار مکانیکی سیم محافظ جهت اطمینان از حفاظت رعد و برق تحت همه شرایط باید با هادی فاز مطابقت داده شود. اگر نسبت کشش ? وزن سیم محافظ بالاتر از نسبت کشش- وزن هادی باشد ارتفاع قسمت فوقانی برج را می‌توان کاهش داد. مقاومت کافی در برابر خوردگی نیز لازم است. بررسیها منجر به انتخاب سیم محافظ فولاد با روکش آلومینیوم ACS۳۶۰(۳۷/۳.۵) با نسبت کشش وزن ۱۷.۹>۱۵.۲ در مقایسه با AACSR۵۰۰ و حداکثر ظرفیت جریان اتصال کوتاه ۴۰۰KA۲S شد.

اجزاء زنجیره‌ها با توجه به طول زیاد اسپن، وزن هادی چهارتایی باد و شرایط بارگذاری یخ با ضریب اطمینان ۰/۳ برای تمام بارها از جمله درحداکثر کشش هادی، حداقل بار مکانیکی قابل تحمل زنجیره مقره‌ها برابر KN۲۱۲۰ برای مجموعه آویزی و KN۲۴۰۰ برای مجموعه کششی در نظر گرفته شد. زنجیره آویزی از چهار زنجیره فرعی هر کدام دارای ۳۳ مقره چینی (پرسلینی)‌از نوع کلاهک و پین تشکیل شده و مجموعه کششی دارای شش زنجیره فرعی هر کدام با ۲۶ مقره چینی از نوع کلاهک و پین است. فاصله خزشی برابر mm۱۹۸۰۰ و mm۱۳۶۵۰ به ترتیب برای زنجیره‌های آویزی و کششی در نظر گرفته شد. با توجه به شرایط غیرمتعارف این پروژه لوازم و یراق‌آلات ویژه‌ای ساخته شد و کلیه آزمونهای لازم بر روی آنها انجام شد. کلمپ‌های نوع آویزی زینی شکل m۵۵/۱ طول، kg۱۱۶ وزن و آرمورادهایی به طول m۵۶/۲ دارد که قبل از نصب (کلمپ) بر روی هادیها پیچیده می‌شوند. کلمپ‌های کششی بکاررفته برای تحمل ۹۵ درصد حداکثر مقاومت مکانیکی هادی (KN۴۷۵) مورد آزمون قرارگرفتند.

طراحی برج آویزی برای تحلیل سازه‌ای برج، بیست حالت بارگذاری مختلف شامل شرایط باد نرمال و باد خیلی شدید نادر (rare)،‌پوشش یخ نرمال ترکیب با باد، پوشش یخ خیلی شدید نادر، پارگی هادیها، شرایط حین سیم‌کشی هادیها و سیمهای محافظ و بارهای برپاسازی برج مورد بررسی قرار گرفته است. همه بارها طبق فرآیند حدی بر مبنای آمار احتمالات محاسبه شده‌اند. در شرایط باد نرمال سرعت باد مرجع (Vo) برابر با m/s۳۲ در ارتفاع ۱۰ متری فرض شده و سختی‌ زمین طبق مشخصات رسمی کشور چین برای بارگذاری سازه از نظر معماری از نوع کلاس B معین شد.

ضریب سرعت باد به ارتفاع بستگی دارد و از رابطه )۰.۱۶ ۱.۰( محاسبه شده که در آن Z ارتفاع از روی زمین است. باد با زاویه‌های ۹۰، ۶۰، ۴۵ و صفر درجه سانتی‌گراد به محور خط برخورد می‌کند.در شرایط نادر، سرعت باد مرجع برابر m/s۳۵ با زاویه برخورد ۹۰ فرض شده است. اثر ایفل به صورت تابعی ازتغییر شیب برج مطابق BS۸۱۰۰ بوده، ‌بارگذاری باد روی برجهای بدون هادی قبل از سیم‌کشی همانند تمام بارهای مربوط به گالوپینگ‌ هادی منظور شده است. شرایط پوشش یخ نرمال شامل صخامت یخ روی هادیها برابر mm۱۰ و سرعت باد m/s۱۰ می‌شود. در شرایط یخ نادر ضخامت یخ روی هادیها وسیم‌های محافظ در حالی که سرعت باد m/s۱۵ است را به ترتیب برابر mm۲۰ و mm۲۵ در نظر گرفته شده است. نیروهای وارده به قطعات برج شرایط بارگذاری تعیین‌کننده شرایط باد نرمال،‌شرایط پوشش یخ نادر و پارگی سیم هستند. حداکثر نیروی فشاری لگ به KN۷۱۰۵۷ و حداکثر نیروی بالابرنده لگ به KN۵۲۶۴۲ بالغ می‌شود. یک قوطی مشبک (Lattice box) پیچ و مهره‌ای،‌با مقطع مربع با طول ضلع بین mm۱۲۰۰-۸۰۰ به عنوان عضو اصلی در قسمتهای پایین و میانی برج بکار رفته که ازچهارقطعه صلیبی جوشکاری شده با حداکثر ضخامت mm۶۵ و نبشی‌های باد بند ساخته شده است.

بک عضو مشبک متشکل از چهار قطعه نبشی فولادی سنگین بوده که به عنوان بادبند اصلی بدنه برج بکار برده شده است. یک بیس پلیت دوبل برای جلوگیری از پارگی لایه‌ای ناشی از نیروهای داخلی بسیار شدید در ته برج استفاده شده است. در ارتفاع ۱۲۰ متری سازه برج کاملاً‌پیچیده می‌شود چون شیب بدنه برج در نقطه اتصال تغییر می‌کند. ضخامت و ابعاد مقطع قطعات قوطی مشبک در بالا و پایین این نقطه اتصال متفاوت هستند. برای مطمئن شدن از انتقال تنش لازم در نقطه اتصال، قطعه بلوکی جوشکاری شده‌ای که از یک قسمت ضربدری مرکزی به ضخامت mm۱۰۰ ساخته شده ، بین چهار عضو صلیبی در گوشه‌ها نصب شده است. هر گروه تقریباً ۱۸ تن وزن دارد. هنگامی که نیروهای داخلی بین قطعات سازه‌ای بطور غیرمعمولی بالا باشد نرم‌افزار تحلیل تنش نرمال قابل استفاده نیست.

موسسه طراحی قدرت الکتریکی چین شرقی دو برنامه ویژه Box، MSF را که می‌‌تواند به برنامه Tower لینک شود تهیه کرد- برنامه‌ای المان محدود که در کانادا تهیه شده و برای محاسبه نیروهای استاتیک برج عبور تقاطعی از طریق اینترفیس خودکار وفق داده شده است- برنامه Box بیشتر برای طراحی اجزاء با مقطع قوطی مشبک بکار رفته ولی برنامه MSF اجزاء ساخته شده از مقاطع پروفیل‌های نبشی تکی، نبشی دوتایی، نبشی چهارتایی و پروانه‌ای را محاسبه می‌کند. فونداسیون در مرحله اولیه طراحی فونداسیون مقایسه‌ای بین گزینه‌های شمع‌های بتنی پیش‌تنیده با مقاومت بالا (PHC)، شمع‌های لوله‌ای فولادی، شمع‌های فولادی نوع H و شمع‌های پرشنونده انجام شد.

بررسیها منجر به انتخاب شمع‌های PHC شد و آزمونهای مقاومت مکانیکی در شرایط میدانی KN۷۲۰۰ ظرفیت باربری فشاری و KN۲۳۰۰ ظرفیت آپ‌لیفت نشان داد. طرح فونداسیون شامل ۵۶ شمع PHC در زیر هر لگ برج بوده که طول هر شمع برابر m۳۸ و فاصله هر شمع m۵/۲ است. کلاهک فونداسیون با طول m۵/۱۹ و عرض m۱۷ به صورت قطری قرار گرفته است. شناژها بین هر دو کلاهک از فونداسیون قرار گرفته که دارای ابعاد m۶/۱?m۲ هستند. دو شمع باربر به طول m۲۵ شناژ را نگه می‌دارد. تورفتگی‌‌ای که به بولت‌های مهار تجهیز شده است جهت نصب بیس پلیت دوبله برج و جلوگیری از تحرک آن تحت اثر بارهای طراحی در بالای فونداسیون فراهم شده و بیس پلیت درداخل آن قرار داده شد. پس از تنظیم لگ، بولت‌ها محکم شده و تورفتگی با ملات (گروت) پر شد. عمق جایگذاری بیس‌پلیت درداخل فونداسیون mm۱۳۵۰ است. بولت‌های مهار ۴۲CrMo فولاد آلیاژی کشش بالا بوده که مقاومت و الاستیسته مورد نیاز را تامین می‌کند.

نشست فونداسیون بطور پیوسته از زمان شروع بتن‌ریزی و نصب هادیها و سیمهای محافظ کنترل شد و تاکنون نشست چهار فونداسیون برج کاملاً یکنواخت بوده و در کل mm۶ است. جوشکاری پروفیلهای صلیبی قطعات قوطی مشبک برج آویزی شامل چهار قطعه صلیبی جوش کاری شده است که از صفحات فولادی مقاومت بالا به ضخامت mm۲۵ تا mm۶۵ ساخته شده‌اند. جوشکاری طبق استاندارد بین‌المللی ANSI/AWS D۱.۱ انجام شده و آزمایشهای لازم به جهت مناسب بودن آن انجام گرفته است. در طول زمان ساخت انجام آزمون غیرمخرب در تعیین محل عیبهای پنهان در درزهای جوش موثر بود. صفحات فولادی بالای mm۴۰، ۱۰۰ درصد با بازرسی اولتراسونیک و ۲۰ درصد با بازرسی ذرات مغناطیسی تست شدند. برای رفع کردن شبهات باقیمانده در رابطه با نتایج حاصله،‌تست بازرسی پرتونگاری جهت روشن کردن ماهیت هر عیبی اعمال شد.

صورت آشکار شده ترکهایی سطح جوش بازرسی رنگ نفوذی اضافی انجام می‌شد. درجریان تست روتین پیش از مونتاژ نقاط اتصال مربوط به ارتفاع ۲۸۶ متری و مقاطع میانی برج در ارتفاعات (۲۸۶-۲۰۶ متری) ترکهایی نفوذی در درزهای جوشکاری و صفحات فولادی مجاور آشکار شد. بازرسی کلی قصورهایی را در فرآیند ساخت مشخص کرد. بالاخره تامین‌کننده تولید مجدد این اجزاء سازه را پذیرفت. به منظور ساده‌سازی تولیدو به حداقل رساندن تاخیر پروژه،‌ با تجدید‌نظر در طرح و بکاربردن قطعات صلیبی جوشکاری شده که از صفحه‌های فولادی ساخته شده‌اند به جای قطعات نبشی نورد شده بزرگ موافقت شد. مشکلات ناشی از ابعاد قطعات مشکلاتی به لحاظ فنی و کیفی در زمان ساخت نقطه اتصال در ارتفاع ۱۲۰ متری رخ داد.

در این نقطه شیب بدنه برج تغییر کرده واندازه قطعه قوطی شکل از mm۱۲۰۰ به mm۸۰۰ کاهش می‌یابد. این قطعه قوطی شکل از جوش دادن صفحه‌های فولادی با مقاومت بالا mm۱۰۰/۶۵ و mm۱۰۰/۶۰ ساخته شده است که به علت محدودیتهای فضایی با دسترسی نامناسب بین صفحه‌ها، ساخت آن بسیار مشکل بود. جدول زمانی نصب برجها ۱۷ ماه طول کشید، شروع کار در ۸ نوامبر ۲۰۰۲ و اتمام آن در ۱۳ آوریل ۲۰۰۴ بود و هر دو برج دردو طرف رودخانه بطور هم‌زمان نصب می‌شدند. کار به علت تاخیرهایی که در تحویل اجزاء اصلی صورت گرفت چهار بار متوقف شد که طولانی‌ترین وقفه آن از ۱۷ جولای ۲۰۰۳ تا ۷ فوریه ۲۰۰۴ بود. عملیات نصب برج به مدت ۷۶ روز که اکثراً در نیمه اول سال ۲۰۰۳ و بهار ۲۰۰۴ می‌بود تحت تاثیر هوای بارانی و مه‌آلود کار نصب و سیم‌کشی نمی‌توانست بطور مداوم انجام شود و برنامه‌ریزی در کارگاه را دشوار می‌کرد.

خوشبختانه این مورد پیامدهای جدی نداشت. در نهایت عملیاتی نصب ۱۳۵ روز به طول انجامید. (نرخ کار روزانه ۱۴ تن) رودخانه یانگ تسه مهمترین آبراه در چین با ترافیک متوسط بیش از ۲۵۰۰ کشتی در روز در محل تقاطع خط با رودخانه است. به همین علت سیم‌کشی این پروژه بدون بستن کانال ناوبری انجام شد. سیم‌کشی در ۱۴ مه سال ۲۰۰۴ زمانی که هلیکوپتر اولین سیم پایلوت را کشید شروع شد. هشتاد روز بعد فرآیند سیم‌کشی تکمیل شد. در مجموع بیست و چهار هادی، یک سیم محافظ و یک OPGW با تمام یراق‌آلات نصب شدند.

برگردان: مهندس جواد محمودی