ظهور عایق­های کامپوزیتی از دهه ۱۹۵۰ ، ابتدا در ایالات متحده و به زودی پس از آن در آلمان و فرانسه آغاز شد. در ابتدا پذیرش کاربران آهسته بود و این محصولات با مشکل teething که در اکثر فناوری­های نوآورانه رایج است، روبرو شدند. علاوه بر این ، قیمت گذاری اولیه، آ­­ن­ها را برای کاربردهای گسترده بسیار پرهزینه کرده بود. اما همه اینها طی دو دهه گذشته تغییر کرده است. امروزه این عایق ها نیمی از کل بازار جهانی را به خود اختصاص داده اند. حجم تولید افزایش یافته است، و با این حساب، اکنون هزینه های آن کمتر از عایق­های چینی و شیشه­ای است.یکی از اولین کاربردهای عایق کامپوزیتی، عایق بازوهای متقابل در برج­ها بود که برای طراحی خطوط جمع و جور و به اصطلاح برجهای زیبایی شناسی ضروری است. به ویژه، به دلیل استقبال بیشتر مردم، تأسیسات به سرعت به دنبال بدست آوردن گزینه­ای برای جایگزینی شدن با ساختار خطوط سنتی هستند. علاوه بر این، عایق های کامپوزیتی در افزایش ظرفیت انتقال توان خطوط موجود، نقش اصلی را ایفا می­کنند. کنستانتین ا. پاپایلیو ، رئیس سابق کمیته مطالعات CIGRE در بخش خطوط هوایی و مدیر اجرایی با سابقه طولانی در صنعت عایق ، ویژگی­های لازم عایق­های کامپوزیتی و همچنین نمونه های اخیر چنین کاربردهایی را توضیح می دهد.خطوط  کامپکت برای اولین بار در دهه ۱۹۷۰ توسعه یافت اما به دلیل رشد سریع در دسترس عایق های کامپوزیتی ، در اواخر دهه ۱۹۹۰ میلادی رایج شد. بازوهای دکل عایق بندی شده، که برای نصب یک خط کامپکت ضروری هستند، در درجه اول با کامپکت سازی دارای بار می­شوند، این بدین معنی که آن­ها در معرض تغییر شکل­های نسبتاً بزرگی قرار دارند. مقاومت در برابر این تغییر شکل­ها برای مواد کامپوزیتی نسبت به عایق­های چینی معمولی و شیشه ای بهتر است. به طور خاص ، خواص کلیدی عایق های کامپوزیتی برای کاربرد در بازوهای عایق بندی شده به دلیل استحکام خمشی بالا، حد خاصیت الاستیکی در منطقه با قدرت بالا و رفتار غیر شکننده بسیار سودمند است.

گزینه های کامپکت سازی خط

ایده اصلی فشرده­سازی خط، سرکوب حرکت افقی رشته تعلیقی است. به این ترتیب، تکیه گاه های خط می­توانند باریک تر شوند و در عین حال ابعاد مورد نیاز کاهش یابد. با گذشت زمان، چهار عایق مختلف برای فشرده­سازی خط مورد استفاده قرار گرفته است: رشته های V؛ پست های افقی؛ پست های معلق؛ و بازوهای عایق بندی شده. این چهار تنظیم در شکل های زبر نشان داده شده است. ۱ تا ۴٫

شکل: ۱: رشته سیم V ،شکل: ۲: پست افقی ،شکل ۳: پست معلق ،شکل: ۴: بازوی عایق شده.

طراحی مکانیکی

شکل ۵ بارهایی را نشان می­دهد که روی بازوی عایق شده عمل می­کنند. که عبارت اند از:

• بارهای عمودی ، V ، از هادی و از یخ ، در صورت وجود؛• بارهای افقی ، H ، از باد و در صورت تکیه گاه های با زاویه کم از حرکت زاویه ای و

• بارهای طولی ، T ، احتمالاً از تنش هادی غیر یکنواخت در دهانه­های مجاور هادی یا از خرابی هادی – یک بار استثنایی نادر.

بسته به نوع زاویه ، a ، بین بند و پست، بارهای عمودی عمدتاً توسط بند بسته می شوند. در مقابل ، بارهای افقی که به صورت کامپکت سازی عمل می­کنند، پست را در کمانش دارای بار می­کنند. نیروهای عایق، یعنی نیروی کامپکت سازی ، P ، روی پست و نیروی کششی ، B ، روی بند محاسبه می شوند، با فرض T = 0 ، با استفاده از فرمول های زیر:

شکل ۵: هندسه و نیرو ها

اتصال محکم

برای ولتاژهای حداکثر تا ۲۴۵ کیلوولت، پست معمولاً به سختی به تکیه گاه وصل می­شود (مانند شکل ۶). برای محاسبه نمودار بارگذاری، همچنین به عنوان منحنی برنامه، از یک نرم افزار تجاری با استفاده از المان محدود تجاری به نام CIGRE WG 22-03 ، برای یک پست ۶۳ به طول ۲۰۰۰ میلی متر با زاویه تمایل به افق ۱۵ درجه استفاده شد (به شکل ۸ مراجعه کنید). زاویه اتصال مهاربندی ۱۶ میلیمتر به برج، ۴۵ درجه بود ، فرض می شود این بند در هر دو طرف محور باشد.فشار روی بند نباید منفی باشد (کامپکت سازی) و باید به گونه ای باشد که مانع از کج شدن بند شود که منجر به تماس بین اتصالات فلزی دو عایق نشود. با زاویه افقی عایق پست ۱۵ درجه، همانطور که در اینجا استفاده می شود ، این شرایط منجر به نابرابری می شود: تانژانت ۱۵ درجه V> H. در این نمودار ، خط راست پایین مطابق با تانژانت ۱۵ درجه V = H است ، یعنی بند در این خط دارای بار نشده است، یا به عبارتی بازوی عایق بندی شده نباید زیر این خط کار کند. خط مستقیم بالا در نمودار به موازات خط مستقیم پایین امتداد دارد و با حداکثر بار مجاز کششی بند مطابقت دارد. این یک کار خوب است که از یک پایگاه به اصطلاح عدم اطمینان برای پست استفاده کنید، که در صورت اضافه بار به صورت پلاستیک تغییر شکل می­یابد و از این رو از پست حساس تر و گران تر محافظت می­شود.

شکل ۶: بازوی عایق شده­ی محکم و ثابت.

شکل ۷: نمودار بارگذاری برای بازوی عایق شده­ی محکم.

اتصال محوری

این روش معمولاً مورد استفاده قرار می­گیرد ، به ویژه برای ولتاژهای بالاتر، زیرا از مقاومت مکانیکی بالایی برخوردار است و در صورت وجود بارهای متقاطع نیز تحمل خطا را دارد (شکل ۸ را ببینید). میله طولانی کامپوزیت در بند کاملاً در شرایط تنش بارگذاری شده و به راحتی قابل بعد دادن است. در مقابل ، پست در تراکم بارگذاری می شود و از آنجا که در هر دو انتها دارای مفصل است ، می­تواند به عنوان یک پرتو اویلر با حداکثر بار فشار قابل تحمل محاسبه شود ، یعنی بار اویلر برابر است با:

که در این رابطه E مدول الاستیسیته ، I لحظه اینرسی و L طول میله هسته فایبرگلاس عایق پست است.

شکل ۸: بازوی عایق شده­ی محور.

شکل ۹: نتایج تست های کمانش روی بازوهای عایق بندی شده ۶۳ میلی متر پست با طول متفاوت در مقایسه با بار اویلر نظری.

البته لازم به ذکر است که ، به دلیل یک برنامه غیرمترقبه­ی غالباً غیرقابل اجتناب از بار متراکم ، عایق پست علاوه بر این در معرض خمش قرار می­گیرد. تأثیر منفی این را می­توان در شکل ۹ مشاهده کرد، جایی که نتایج آزمایشات کمانش انجام شده بر روی میله های با قطر ۶۳ میلی متر در مقابل حداکثر بار کمانش داده شده ترسیم شده است، همانطور که در بالا از فرمول کمانش معمولی توضیح داده شد. کاهش قابل ملاحظه­ای در بار اندازه گیری شده با عدم موفقیت در مقایسه با بار کمانش نظری مشاهده می­شود و این باید در طراحی مدنظر قرار گیرد. از آنجا که این مورد و سایر اثرات ، به عنوان مثال استحکام جزئی محورها، با قابلیت اطمینان بالا قابل مدل سازی نیست، توصیه می شود که بازوی عایق، قبل از استفاده تست شده باشد (شکل ۱۰ را ببینید).

شکل ۱۰: آزمایش در مقیاس کامل از بازوی عایق ۴۲۰ کیلوولت. (courtesy pfister sefag) سمت چپ: تنظیمات آزمون. سمت راست: انحراف در مقابل بارهای Fres اعمال شده.

مسائل پایداری

یکی از مزیت­های ویژه بازو های عایق محوری، توانایی آن ها در ثبات و پایداری در صورت حرکات ناگهانی هادی است. در صورت بروز تنش خط موقت دیفرانسیلی در نوک بازوی متقاطع روی یک خط هوایی که شامل تعدادی شکم است ، ممکن است چنین حرکاتی اتفاق افتد. این حرکات می­تواند در اثر باد کند، یخ زدگی نامنظم ، شکم هایی با طول قابل توجهی متفاوت (به عنوان مثال در زمین­های کوهستانی) و نیروهای اتصال کوتاه ایجاد شود. به خصوص در مورد بازوهای بلند برای ولتاژهای بالاتر ، ممکن است که بازوهای متقاطع ناپایدار شود و منجر به انحراف قابل توجه همراه با کاهش در فاصله ایمنی بین هادی و دکل شود. در موارد شدید ، بازوی متقابل می­تواند به صورت مکانیکی از بین برود.در صورت وجود اختلاف در تنش­های خط افقی در دو شکم مجاور، نوک بازوی متقاطع به سمت بار کششی بالاتر حرکت می کند. در این حالت ، اگر زاویه چرخش بازوی عایق به سمت عمودی متمایل شود ، نوک بازوی متقاطع از نظر فیزیکی بلند می­شود و بارهای خط عمودی باعث ایجاد گشتاور ترمیمی می­شوند. این باعث می شود که تعادل نیروها در جهت خط برقرار شود. بنابراین ، مهمترین پارامتر طراحی برای جلوگیری از مشکلات پایداری، زاویه تمایل کافی و محور چرخش بازوی متقاطع است (شکل ۶ را ببینید). مقادیر در حدود ۲۰ درجه ثابت کرده است که این مقدار سازش خوبی را ارائه می دهد. این نوع از مسائل پایداری گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. همانطور که گفته شد، پایداری تا حد زیادی به سرعت باد عمودی بر خط بستگی دارد و با کاهش تعداد شکم ها و همچنین با افزایش زاویه شیب ، q ، بازوی متقاطع بهبود می­یابد (شکل ۱۱).

شکل ۱۱: سرعت باد بحرانی به عنوان تابع تعداد شکم هایی که دارای زاویه تتا به عنوان پارامتر هستند.

به طور کلی ، ثبات باددر خطوط کامپکت با بازوهای عایق بندی شده با استفاده از اقدامات زیر قابل بهبود است:

• افزایش زاویه شیب ، q یا زاویه ، α ، بین بند و پست.

• افزایش بارهای عمودی روی بازو ، به عنوان مثال با اضافه کردن وزن

• افزایش تنش هادی.

• کاهش طول شکم های فردی و / یا تعداد شکم ها در یک بخش از خط.

• کاهش زاویه خط در دکل های زاویه ای.

• استفاده از “تثبیت کننده­ی بازوهای متقابل” برای بخش های طولانی از خط.

افزایش ظرفیت خط

به دلیل افزایش دشواری در تأیید ایمنی برای کوریدورهای انتقال جدید ، فناوری های ارتقاء خط بیش از پیش توسعه یافته اند. هدف اصلی استفاده از کوریدورهای خط، انتقال توان بیشتر است. یکی از گزینه ها استفاده از رسانای با دمای بالا و خمش کم (HTLS) برای افزایش جریان است. روش دیگر اصلاح هندسه دکل به منظور افزایش ولتاژ است. در هر دو مورد ، عایق های کامپوزیتی فرصت های جالب جدیدی را ارائه داده اند.

نمونه برنامه­هااولین خط کامپکت ۴۰۰ کیلوولت

اولین خط کامپکت ۴۰۰ کیلوولت در سال ۱۹۹۸ در سوئیس نصب شد. این خط از آنجا که خط ۱۲۵ کیلوولت موجود و لازم بود (برای مشاهده شکل ۱۲ در سمت چپ موجود است) ، برای پاسخ به افزایش تقاضای توان در منطقه دریاچه ژنو کافی نبود و مجبور شدند که آن را با یک خط ۴۰۰ کیلوولت با دکل های مشبک معمولی برای این نوع خط ها که بطور معمول مورد استفاده قرار می­گیرند، نیاز به مسیری مناسب دارند، و در مکان خاصی نزدیک به ساختمان های در دسترس نبودند، جایگزین شوند. راه حل برای طراحی دکل های باریک ۲D ، استفاده از بازوی عایق بندی شده با عایق های کامپوزیت برای مدارهای ۴۰۰ کیلوولت بود. این­ها همچنین می­توانند از دو مدار تک فاز ۱۳۲ کیلوولت برای خطوط تغذیه کننده راه آهن سوئیس پشتیبانی کنند (شکل ۱۲ در سمت راست). شایان ذکر است که میله های هسته FRP موجود در آن زمان به قطر ۷۶ میلی متر محدود شده بود، که نمی توانست بارهای کامپکت را بگیرد. بنابراین، عایق های کامپوزیت هسته توخالی را باید مورد استفاده قرار می دادند.

شکل ۱۲: دکل مشبک فولادی با خط ۱۲۵ کیلوولت. الف) دکل فشرده­ی سوئیس برای خط ۴۰۰ کیلوولت به ۱۳۲ کیلوولت. ب) و همچنین طراحی استاندارد. ج) (طبق استاندارد INMR).

خط ترکیبی AC / DC

تبدیل از AC به DC مزایایی برای انتقال مسافت طولانی دارد. به طور خاص ، هادی­ها می­توانند تا از حد حرارتی بالای در خطوط DC استفاده کنند در حالی که در بارگذاری امپدانسیSIL اغلب خط AC عامل محدود کننده می باشد. در یک پروژه پیشگام در آلمان ، یکی از دو مدار خط ۳۸۰ کیلوولت AC به یک خط دو قطبیDC 400 کیلوولت با رسانای سوم جهت بازگشت به زمین فلزی تبدیل شد (شکل ۱۳). شرط اصلی این پروژه استفاده از همان هادی ها و دکل های مشابه بود. این امر تنها با جایگزینی رشته های پرسلنی موجود با عایق های کامپوزیتی، امکان پذیر است زیرا این ماده دارای عملکرد به طور قابل توجهی بهتر در برابر آلودگی تحت حالت DC است. به این ترتیب ، طول آنها می­تواند در هندسه دکل ­های موجود جای گیرد.

شکل ۱۳: OHL ترکیبی با تبدیل AC به DC .

تبدیل ۲۴۵ کیلوولت به ۴۲۰ کیلوولت (AC)

در یک پروژه جالب در اتریش افزایش ظرفیت خط دو برابری مشاهده شد. از یک طرف ، هادی اصلی ACSR توسط هادی­های تازه طراحی شده، یعنی هادی هایی با همان مقدار آلومینیوم اما با قطر بزرگتر جایگزین شده­اند تا بتوانند ظرفیت حمل جریان را به دلیل خنک کننده بهتر توسط تابش افزایش دهند. از طرف دیگر، بازوهای فلزی روی دکل های فلزی مشبک با بازوهای عایق شده جایگزین شدند (شکل ۱۴ را ببینید) ، که باعث افزایش ولتاژ خط از ۲۴۵ کیلوولت به ۴۲۰ کیلوولت می شود.

شکل ۱۴: افزایش ظرفیت ۲۴۵ کیلوولت تا ۴۲۰ کیلوولت با استفاده از عایق های کامپوزیت با بازوهای متقابل.

خط فشرده

این مفهوم جدید که در آلمان توسعه یافته است از کوریدورهای ۲۲۰ کیلوولت موجود استفاده می­کند، اما با طراحی جدیدی از پیلون با دید کم ۳۸۰ کیلوولت. برای دستیابی به این هدف ، مجبور به محدود کردن هادی بودیم و این امر با تعلیق هادی های دسته­ای چهار تایی به طناب استیل با استحکام بسیار زیاد ، همانطور که در کابل های اتومبیل استفاده می شود ، امکان پذیر شد. برای نگه داشتن هندسه بالای تکیه گاه ، مجبور به استفاده از مجموعه های عایق رشته­ای V شکل بود و این تنها با مقره­های کامپوزیت با مقاومت بالا امکان پذیر است (شکل ۱۵ را ببینید).

شکل ۱۵: مقایسه خطوط کامپکت (با مقاومت بالای کامپوزیت با رشته ­های V شکل) در مقابل دکل معمولی دانوب.

نتیجه ­گیری

مقره های کامپوزیتی احتمالاً مهمترین نوآوری فنی در خطوط هوایی طی دهه های گذشته است. جدای از کاربرد فزاینده آن­ها در موقعیت های خط استاندارد برای جایگزینی چینی و شیشه، آن­ها همچنین در طراحی خطوط کامپکت با ساختارهای پشتیبانی کننده از زیبایی شناسی نقش بیشتری داشته اند. هر دو، پذیرش بیشتر جامعه از پروژه های خط جدید را ارتقا داده اند. علاوه بر این، به دلیل ویژگی های مکانیکی عالی، این عایق ها همچنین به پروژه های افزایش کارایی خط مانند تبدیل AC به DC و همچنین افزایش ولتاژ سیستم کمک کرده اند.