تجربه­ی کاربردی با برقگیر­های خط انتقال

خط ۴۰۰ کیلوولت گوتیناس – برازو در منطقه کوهستانی رومانی است که عمدتاً دارای شرایط محیطی سنگی است. یخ ضخیمی در طول زمستان طولانی مدت هادی ها را می پوشاند و موجب شکستن سیم محافظ تا حد زیادی می شود که باید بخش های شدیداً آسیب دیده از خط برچیده شود. بدون محافظت، این بخش ها در برابر رعد و برق آسیب پذیر بودند. برای کاهش تاثیر منفی بر قابلیت اطمینان، یک راه حل شامل استفاده از برقگیر های خط برای این بخش ها  بود که انتخاب شد.

این پروژه در دو مرحله انجام شد و تجربه در مرحله اول موجب چندین بهبود در طول نصب در مرحله­ی دوم شد. بعدها به منظور ارتقاء امنیت برقگیر، پیشرفت های بیشتری نیز صورت گرفت. در مقایسه با وضعیت قبل از نصب برقگیر ها، که از ۴ تا ۱۰ تعداد خاموشی ناشی از رعد و برق در سال دیده می شد، در سال های ۲۰۰۶ تا ۲۰۱۵ هیچ وقفه و خاموشی­ای ثبت نشد. ماریان فلورا، مدیر فنی TSO رومانیایی Transelectrica، جزئیات مهندسی پروژه را به همراه درس های اصلی آموخته شده از آن را بررسی می کند.

بررسی تکنولوژیTLSA

سیم های محافظ در خطوط انتقال، همراه با زمین کردن خوب تعبیه شده­اند تا عملکرد خوب در برابر رعد و برق در مناطقی که صاعقه بر قابلیت اطمینان منابع برق تاثیر می­گذارد، اطمینان حاصل شود. اما سیم های محافظ ­وانند در برخی موارد خود به صورت مسئول عمل کنند، مثلا اگر آنها یخ بزنند و یا سقوط کنند، می­تواند منجر به جرقه بین خود و رساناها فاز زیرین شوند. یک جایگزین در چنین مواردی استفاده از برقگیرهای خط انتقال (TLSA) به موازات رشته های عایق است. در حالی که رویکرد سنتی با استفاده از سیم های محافظت شده است تا رعد و برق قبل از رخ دادن جرقه به زمین منتقل شود، رویکرد برقگیر خط شامل رساندن صاعقه به اطراف رشته عایق بدون جرقه در هوا است. در مورد سیم محافظ، زمینی با مقاومت کم ضروری است. اما اگر برقگیر ها برای تمام رشته­های عایق استفاده شوند، عملکرد مورد نیاز دیگر به مقاومت زمین بستگی ندارد (اگرچه برخی از سازندگان برقگیر هنوز هم حداکثر مقاومت به زمین را توصیه می کنند).

در هنگام انتخاب TLSA ها برای هر برنامه چندین عامل وجود دارد. به عنوان مثال، نرخ برقگیر باید با برقگیر ها در پست­های برق هماهنگ باشد. برقگیرهای خط باید یکسان یا بالاتر باشند تا مانع از حفاظت برقگیرهای پست­های برق نشوند. علاوه بر این، اندازه­ی برقگیر های خط باید بر اساس ولتاژ و همچنین یک ارزیابی از عایق خط باشند. برای جلوگیری از مشکلی قفل شدن خط، برقگیر می­تواند با یک قطع کننده­ی هوشمندانه مجهز شود. قطع کننده جریان خطا را پاک نمی کند، بلکه به بسته شدن مجدد موفق پس از عمل کرد دژنکتور کمک می کند. اگر یک برقگیر دچار خطا شود و جریان فرکانس توان از طریق قطع کننده عبور کند، باعث انفجار دستگاه می­شود. گاهی اوقات، شکست های مکانیکی قطع کننده ها، که در ارتباط با خطای ناشی از برقگیرها نیستند، شرایطی را ایجاد می­کنند که یک برقگیر بطور غیر ضروری از سرویس خارج شود. وضعیت دیگری که ممکن است اتفاق بیفتد این است که جریان های صاعقه موجب انفجار اتفاقی شود و باعث قطع عملیات شود، حتی اگر برقگیر موفق به تحمل شرایط صاعقه باشد. برقگیرهایی برای ولتاژ خط بالاتر از ۲۳۰ کیلوولت نیاز به حلقه های درجه بندی شده برای جلوگیری از پدیده­ی کرونا و حفظ توزیع ولتاژ رضایت بخش در امتداد دیسک های MOV دارند. تحت شرایط یخ زدگی، galloping می­تواند نوسان هایی رسانا را در فرکانس­هایی ایجاد کند که موجب برانگیختن فرکانس طبيعی برقگیر خط می­شود. تجربه نشان داده است که بسیاری از خرابی های TLSA را می توان به مسائل مربوط به نصب مرتبط کرد، مانند زمانی که اتصالات به هادی برقدار یا ساختار زمین در معرض بارهای استاتیک و دینامیک قرار می­گیرند که منجر به بارگذاری بیش از حد می شوند. این می­تواند باعث شکستن یا صدمات احتمالی به برقگیر شود.

پروژه و پس زمینه­ی آن

خط ۴۰۰ کیلوولت Gutinas – Brasov، طراحی و نصب شده در اوایل دهه­ی ۷۰، با طول۱۲۶ کیلومتر و متصل به پست های Brasov و Gutinas می­باشد. این خط مجهز به دو زیر رسانا در هر فاز است که هر کدام از ACSR ها ۷۵/۴۵۰ میلیمتر مربع می­باشند. این خط از کوه های کارپاتی شرقی عبور می کند، منطقه ای که در هر زمستان تقریباً یخ ثابتی بر رسانا ها ساخته می­شود. در ابتدا خط با دو سیم محافظ در تمام طول آن تهیه شد. اما به علت شکست های مکرر در دو بخش، یعنی برج های ۹۴ تا ۱۰۰ و همچنین بین برج های ۱۳۰ و ۱۴۵، سیم های محافظ در هر دو بخش نامبرده در سال ۱۹۸۵ برچیده شدند. علاوه بر این، رسانای فاز اولیه در بخش خطوط از ۹۴ تا ۱۰۰ با یک هادی ACSR 228/973 میلیمتر مربع جایگزین شد. سپس با نصب برقگیرها میزان خاموشی ها به دلیل صاعقه کاسته شد.  برنامه ریزی برای مرحله اول در سال ۲۰۰۵ آغاز شد و یک سال بعد برقگیر های نصب شده بر روی برج های ۱۳۰ به ۱۴۵ دیده شد. مرحله دوم این پروژه برج های ۹۴ تا ۱۰۰ را پوشش داد و در سال ۲۰۱۳ اجرا شد. این راه حل تصویب شده، دارای برقگیر خطوط MOV با محفظه­ی پلیمری متصل شده با قطب زمین و مجهز به قطع کننده­ی بین قطب های فعال و فاز بود. هدف این بود که ریسک آسیب های ناشی از ارتعاشات آئولین و همچنین galloping را از بین ببرد که بارهای دینامیک را در هنگام نصب برقگیر زیر فاز تحمل کند. برقگیر ها باید شرایط مندرج در IEC 60099 را داشته باشند و همچنین برای رعایت حداقل ویژگی های عملکردی مانند: ولتاژ عملیاتی پیوسته ۲۵۵ کیلوولت، ولتاژ مقاومتی در پالس های ناشی از کلیدزنی، مقاومت در برابر ولتاژ ۵۰ هرتز در ۱ دقیقه، شرایط مرطوب حداکثر ۲۱۰۰ کیلوولت و تخلیه انرژی ۹ kJ / kV را برآورده کند. یکی دیگر از شرایط این بود که دستگاه قطع کننده بین پایین برقگیر و اتصال انعطاف پذیر به فاز است. قبل از نصب، اندازه­گیری زمین برج باید انجام شود و در مواردی که مقاومت زمین کمتر از ۲۵ اهم باشد، بهبود شرایط زمین باید حاصل شود.

مرحله اول پروژه

یکی از عواملی که در تصمیم گیری که برای ادامه فاز ۱ به شمار می رود، تعداد حوادث مربوط به رعد و برق در بین سال های ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۵ بوده که شامل بین ۴ تا ۱۰ قطع برق در سال بود. از آنجایی که این خط در میان مهمترین اهداف امنیتی شبکه برق رومانی بود، تعداد زیادی از خروج ها انگیزه کافی برای جستجو برای یافتن یک راه حل دائمی را فراهم آورد. بنابراین تصمیم گرفته شد که TLSA را به موازات هر رشته عایق در قسمت خطوط بین ۱۳۰ تا ۱۴۵ که بدون سیم و اتصال زمین عمل می کرد، نصب کنند تا از رعد و برق محافظت کند. برای شروع، برج های آویزان کنونی با برج های کششی سنگین جایگزین شدند و دو فاز ACSR 75/450 توسط هادی ACSR 228/973 جایگزین شد. سپس برقگیر از برج آویزان شد و به فاز متصل شد.. TLSAs برای تمام فازها در برج های ۱۳۱ تا ۱۳۸ و همچنین در تمام فاز های برج های ۱۴۰ تا ۱۴۲ و همچنین برج ۱۴۴ نصب شد. تمامی این برج ها مجهز به رشته های عایق بندی شده­ی آویزی شدند. برقگیر به صورت موازی با رشته های عایقی آویزی متصل شد و ولتاژ محدودی را که کمتر از ولتاژ جرقه­ی عایق خط بود در سراسر عایق خط متصل شد. از آنجا که برج های ۱۳۹ و ۱۴۳ برج های کششی مجهز به رشته های عایقی تنشی است، میله های صاعقه­ی عمودی در مقدار حداکثر به جای برقگیرها نصب شدند. اندازه گیری مقاومت زمین نتایج خوبی را نشان داد، یعنی کمتر از ۱۰ اهم، بنابراین نیاز به اصلاح بیشتری وجود نداشت.

برقگیر فاز برج معلق و رشته­ی عایقی

پس از تکمیل فاز ۱، آمار عملیاتی خط گوتیناس – برازو نشان می دهد که خاموشی های گزارش شده کاهش یافته است. این ثابت کرد که استراتژی محافظتی، از لحاظ فنی و اقتصادی توجیه شده است، از آنجایی که تعداد قطع برق و همچنین هزینه های تعمیرات اصلاحی نیز کاهش یافته است. با این وجود هنوز سه حادثه بین سال های ۲۰۰۶ و ۲۰۱۲ گزارش شده است (یعنی اوت ۲۰۰۷، دسامبر ۲۰۰۹ و فوریه ۲۰۱۱). بر اساس تحقیقات، تمام موارد ناشی از نقص در اتصالات مکانیکی و / یا الکتریکی برقگیر بوده است. همچنین مشاهده شد که پوشش در رشته های آویزان کامپوزیت به علت ضربه سخت توسط حلقه­های کرونای برقگیر در طی جا به جایی نامنظم عایق و برقگیر به جهت وجود باد خساراتی را متحمل شد. آسیب نیز در لوله محافظ کرونا با پوشش اتصال انعطاف پذیر بین پایین برقگیر و فاز دیده می­شود. تجزیه و تحلیل این حوادث مختلف نشان داد که چندین خطا در مرحله طراحی مهندسی رخ داده است. به عنوان مثال، مکان های نامناسب برای تعلیق برقگیر انتخاب شده اند. اساساً فاصله ای بین برقگیر و رشته های عایقی آویزان به اندازه­ی کافی نبود که بتواند حرکات مستقل آن را تحت شرایط باد و عدم تعادل ناهمگن تاب بیاورد. علاوه بر این، انتخاب و طراحی قطعات برقگیر بدون توجه به شرایط محیطی سخت در منطقه خدمات رسانی انجام شده است. این منجر به چرخش بیش از حد محرک در اطراف محور آن شد، که منجر به لغزش قسمت ثابت بالای آن شد. قطع کننده همچنین دارای ضعیف پایداری الکتریکی و مکانیکی (به عنوان شکل ۳) به علت اتصال ضعیف هادی مس در گیره ها به هادی های فاز بودند (نگاه کنید به شکل ۴).

قطع کننده­ها و ثابت کننده­های شکسته شده

برقگیر جدا شده از فاز

برای جلوگیری از آسیب ناشی از چرخش بیش از حد محرک در اطراف محور آن، ۲  (به شکل ۵ مراجعه شود) بعدا بر روی برقگیر ، همراه با یک زنجیره ای برای جلوگیری از کشیده شدن به صورت تصادفی قرار گرفته شد (نگاه کنید به شکل ۶). علاوه بر این، برای محدود کردن آسیب احتمالی در آینده، قطع کننده های نصب شده در فاز ۱ توسط جدا کننده های دوگانه جایگزین شدند (نگاه کنید به شکل ۷).

Semi-collars

Semi-collars و زنجیر مکانیکی

قطع کننده­ی دوگانه

راه حل پیشنهاد شده برای مرحله دوم

براساس تجربیات مرحله اول پروژه که در آن ما هیچ خروج ناشی از رعد و برق در خطوط بین سال های ۲۰۰۶ و ۲۰۱۱ وجود نداشت، تصمیم گرفته شد برای رفع خطر خروج و خاموشی راه حل های مشابه با بخش خط بین برج های ۹۴ و ۱۰۰ که همچنین هیچ سیم محافظی نداشتند اعمال گردد. برای جلوگیری از برخی از مشکلات که در مرحله اول تجربه شد، طراحی دقیق تر مورد نیاز بود. به عنوان مثال، در این زمان باید بین برقگیر ها و رشته های تعلیقی فاصله کافی داشته باشد تا این عایق ها با تماس با حلقه های کرونای برقگیر آسیب نبینند. علاوه بر این، توجه ویژه ای به برج های کششی ۹۴ و ۱۰۰ وجود داشت که در آن دو راه حل ممکن برای نصب برقگیر ها وجود داشت: اول اتصالات عایق بندی سفت و محکم به بخش های زنده (یعنی شرایط عادی) و دوم بخش زنده از خط (یعنی هادی ها، گیره ها) و بدون اتصال سفت و سخت. مورد جیگزین دوم انتخاب شد.

معیارهای بازپرداخت

مکان های برقگیر باید بر اساس تجزیه و تحلیل فاصله بین قسمت های زنده و زمین، تحت شرایط باد زیاد و همچنین بدون باد انتخاب شوند. جنبش ناهمزمان رشته های عایق آویز و برقگیر ها نیز باید مورد توجه قرار گیرد. فشار باد دینامیکی در منطقه ۴۵ daN بر مترمربع است و طبق استاندارد NTE 003/004/00 رومانیایی حداقل فاصله لازم در هوا بین نقاط زنده و زمین باید ۲۹۰۰ میلی متر در هوا و ۱۰۰۰ میلیمتر در حداکثر میزان باد بدون یخ بر روی هادی ها باشد. عملاً این فاصله ها باید بین قسمت پایین ترمینال برقگیر یا حلقه کرونای آن و تمام نقاط زنده از جمله هادی ها، گیره ها و غیره مشاهده شود. در مورد خطوط قدیمی مانند این، نصب برقگیر خطوط با این فواصل تعریف شده تقریباً غیرممکن است. بنابراین، برای برآورده کردن نیازهای ترخیص، لازم است تغییر هندسه­ی برج که باعث یک وقفه طولانی در عملیات خط است، اعمال شود.

معیارهای مکانیکی

تجهیزات مختلفی بر روی برج های موجود نصب شده اند تا اجازه نصب برقگیر را در فاصله مورد نیاز از رشته های عایق بندی آویزان، برای هر دو برج های آویزان و برج های کششی بدهد. به همین ترتیب، المان های برج با توجه به نیروها و شرایط جدید باید مجدداً محاسبه شوند. همان برقگیر­هایی که در مرحله اول استفاده می شدند، انتخاب شدند، که استانداردهای IEEE C62.22، IEC 60099، IEC 60694، IEC 60060 و IEEE 1243 مطابق با سطح ولتاژ نامی ۴۰۰ کیلوولت را برآورده می­کنند. برقگیرهایی با محفظه­ی پلیمری دارای قطع کننده بودند.

موقعیت برقگیر

زاویه انحراف برقگیر تحت حداکثر باد با توجه به وزن برقگیر و همچنین وزن حلقه کرونا می تواند محاسبه شود. موقعیت حداکثر انحراف حلقه کرونا ۲٫۳۳۸ متر از محور عمودی برقگیر در هوا بود. رشته عایق آویزان را به غیر از مقیاس عرضی به محور خط، در شرایط عادی و با حداکثر زاویه ۶۰ درجه نمی توان مجاز دانست. در مورد رشته عایق آویزان در جامپر ها، این زاویه ی ۳۰ درجه برای برج های کشش تک فاز # ۹۴ و # ۱۰۰ بود، در صورت حرکت ناهمزمان برقگیر ها و رشته های عایق آویزان، با توجه به زاویه ی انحراف برای برقگیر ۲۵ درجه ، فاصله افقی ۲۳۰۰ میلی متر بین هر دو محور برقگیر و رشته عایق آویزان مورد نیاز است. در نهایت، برای برج های تعلیق، فاصله طولی ۲۳۰۰ میلیمتر بین محور برقگیر و محور رشته های عایق آویزان لازم بود. همچنین، فاصله عرضی ۲۰۰۰ میلیمتر باید مورد توجه قرار گیرد. در مورد آسیب های احتمالی برقگیر که ترمینال پایین به ولتاژ زمین می­رسد، فاصله ی۱۰۰۰ میلی متری هنوز از آنجا به هر نقطه­ی زنده از فاز برقرار می­باشد که تفکیک قابل قبولی را بدون باد نشان می دهد (به شکل ۸، ۹، ۱۰ نگاه کنید). همانطور که در شکل ۱۱ نشان داده شده است، فاصله های مشابهی باید برای برج های تکفاز مورد استفاده قرار گیرد. اگر یک برقگیر خراب شود، فاصله بین پایین آن، با ولتاژ زمین، و فاز ۱۴۷۴ میلیمتر است، همچنین اجازه می دهد عملیات خطی در شرایط بدون باد یا با سرعت باد کم ادامه یابد.

برج معلق – دید از بالا

بازوی اضافه برج برای فاز میانی

بازوی اضافه برج برای برج معلق (فاز های کناری)

برج کششی تکفاز

برج کششی به همراه برقگیر

برج معلق به همراه برقگیر

بهبود مقاومت زمین

مقاومت زمین در بخش های آسیب دیده اندازه گیری شد. به عنوان مثال، نتایج برج های # ۹۵، ۹۶، ۹۷ و ۹۸ ۲۵ اهم بود. برج ۹۹ و ۱۰۰ به ترتیب ۲۵٫۴۳ و ۲۵٫۳۹ اهم داشتند. مقاومت خاک در این منطقه نیز اندازه گیری شد. میان برجهای ۹۴ و ۹۵ این مقدار ۲۷٫۹ اهم بود، بین ۹۵ و ۹۶ این مقدار ۵۰۱ اهم بود، بین ۹۶ و ۹۷ مقدار آن ۵۵۴ اهم بود، بین ۹۷ و ۹۸ مقدار آن ۱۴۵۰ اهم بود، بین ۹۸ و ۹۹ مقدار آن ۱۲۷ بود اهم و بین ۹۹ تا ۱۰۰ مقدار آن ۵۱۹ اهم است. در مواردی که مقاومت خاک بیش از ۵۰۰ اهم باشد، مقاومت زمین مجاز حداکثر ۳۰ اهم است، اما با نصب برقگیر، حداکثر مقدار مجاز ۲۵ اهم می شود. ارتقاء زمین های موجود با اضافه کردن میله های عمودی و یا نوار از نوع الکترودهای افقی به علت عدم امکان کشیدن میله ها به خاک سخت و سنگی امکان پذیر نبود. علاوه بر این، تقویت زمین های موجود با استفاده از نوار های اضافی باعث کاهش کارایی و بازده می شود. بنابراین، به جای آن، سیستم زمین متعادل پیشنهاد شد. این سیستم شامل الکترودهای افقی متصل به برج است. این­ها می توانند به صورت شعاعی با طول های فردی کمتر از حداکثر طول موثر و یا با اتصال تمام برج ها در آن بخش با یک الکترود افقی قرار داده شده در طول مسیر خط در خاک اطراف هر برج قرار گیرد. سیستم متعادل برای برج ۹۵ تا ۹۹ مورد استفاده قرار گرفت و نوار فولادی ۴۰ × ۴ میلیمتر گالوانیزه را دربر داشت. طول موثر ۱۱۲ متر برای خاک ۱۵۰۰ اهمی و ۷۴ متر برای خاک ۵۰۰ اهمی است. تمام برج ها در بخش # ۹۵ تا ۹۹ به وسیله این سیستم الکتریکی متصل شده اند. در طول سالهای ۲۰۱۳ و ۲۰۱۴، هیچ قطع و خروج خطی ثبت نشده بود. اما در ژانویه سال ۲۰۱۵، برخی از اتصالات انعطاف پذیر بین برقگیر ها و فازها، در پایان فاز یا در پایان برقگیر آسیب دیده بود. اتصال دهنده ها در هر دو انتهای هادی مسی انعطاف پذیر مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند و مشاهده شد که یکی از ضعف ها این بود که مونتاژ با استفاده از تنها یک مهره انجام شد. احتمال بازشدن یک مهره ناشی از ارتعاشات در طول عملیات خط زیاد است. بنابراین، برای ساختن آن به صورت ایمن تر، راه حل این است که از دو مهره و یا قرار دادن یک اسپلیت از طریق پیچ استفاده شود. اولین راه حل در این مورد امکان پذیر نبود زیرا طول پیچ اجازه­ی آن کار را نمیداد ، اما راهکار دوم مناسب ارزیابی شد.

نتیجه گیری

استفاده از برقگیرها در خطوط هوایی ولتاژ بالا راه حل بسیار موثری است، به ویژه در مناطق کوهستانی که سیم های محافظ را نمی توان به دلیل بالا بودن میزان یخ روی هادی ها نصب کرد. تجربه رومانیایی در این زمینه نتایج بسیار خوبی از لحاظ کاهش میزان خروج ناشی از رعد و برق بود. هیچگونه خروجی در خط ۴۰۰ کیلوولت گوتیناس – برازو در دوره ۲۰۰۶ تا ۲۰۱۵ و بعد از آن ثبت نشده بود. مشکلات پس از مرحله اول پروژه مورد بررسی قرار گرفت، مثلا آسیب به دلیل اشتباهات در طراحی و نصب، مکان های نادرست برای تعلیق برقگیر ها و استفاده از اجزای برقگیر که برای شرایط محیطی محلی مناسب نبودند انتخاب شده بودند. بر اساس این، تمام پیشرفت های لازم برای مرحله دوم پروژه مورد توجه قرار گرفت. هنوز می توان جزئیات بیشتری را در ساخت قطعات خاص برای دستیابی به عملکرد حتی ایمن تر انجام داد.