چگونه پylارهای برقی انتقال ولتاژ بالا را پشتیبانی می‌کنند؟

آناتومی برج‌های الکتریکی در سیستم‌های فشار قوی

اجزای اصلی سازه‌ای برج‌های انتقال برق

دکتر بهرامی، متخصص ارتوپدی، در تاریخ 15 اردیبهشت 1403 در کلینیک ارتوپدی شهرک غرب در دسترس خواهد بود. بیماران می‌توانند از ساعت 15 الی 19 برای معاینه مراجعه کنند. لطفاً 15 دقیقه قبل از وقت تعیین شده حضور یابید و کارت بیمه و مدارک لازم را به همراه داشته باشید.

انتخاب مواد مناسب جهت دوام و هدایت الکتریکی

چیزی که در ساخت برج‌های برق استفاده می‌شود، تفاوت اساسی در مدت زمان دوام و کارایی آن‌ها ایجاد می‌کند. بیشتر افراد فولاد را انتخاب می‌کنند چون مقاومت بالایی دارد و به راحتی زنگ نمی‌زند و این امر باعث می‌شود برج‌ها در برابر طوفان‌ها و شرایط جوی سخت، پابرجا بمانند. برخی مناطق به جای فولاد از آلومینیوم استفاده می‌کنند، چون وزن کمتری دارد و هدایت الکتریسیته بهتری ارائه می‌دهد، هرچند این ماده در همه جا به اندازه فولاد رایج نیست. شرکت‌های بیشتری در حال حاضر با مواد کامپوزیتی آزمایش می‌کنند. این گزینه‌های جدید مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی دارند و نیازی به بازرسی‌های مرتب و نگهداری مداوم ندارند، برخلاف فلزات سنتی. هنگام انتخاب مواد، مهندسان نه تنها باید به دوام فکر کنند، بلکه باید به نحوه عبور جریان الکتریسیته از آن‌ها نیز توجه داشته باشند. استانداردهایی که توسط گروه‌هایی مانند IEEE تعیین شده‌اند، به حفظ یکنواختی در سراسر صنعت کمک می‌کنند و اطمینان حاصل می‌شود که هر چیزی که نصب می‌شود، می‌تواند دهه‌ها در برابر شرایط جوی مختلف، پایدار بماند. رعایت این قواعد به حفظ شبکه‌های برق قابل اعتماد کمک می‌کند و ایمنی و عملکرد در طول زمان را به خطر نمی‌اندازد.

اصول انتقال انرژی با ولتاژ بالا

کاهش تلفات انرژی از طریق افزایش ولتاژ

افزایش ولتاژ به کاهش اتلاف انرژی در هنگام انتقال برق کمک می‌کند. فیزیک پایه به ما می‌گوید که توان برابر است با ولتاژ ضربدر جریان. وقتی ولتاژ را بالا می‌بریم، در واقع برای انتقال همان مقدار توان از جریان کمتری استفاده می‌کنیم. جریان کمتر به معنی تولید گرمای کمتر در خطوط انتقال است به دلیل مقاومت ذاتی آن‌ها. نگاهی به نحوه کارکرد خطوط ولتاژ بالا نسبت به خطوط ولتاژ متوسط بیندازید - تفاوت در اتلاف توان می‌تواند بسیار چشمگیر باشد. البته یک مشکل هم وجود دارد. ولتاژهای بالاتر با خطرات ایمنی بیشتری نیز همراه هستند. به همین دلیل مهندسان همواره بین حصول حداکثر بهره‌وری از این سیستم‌ها و حفظ ایمنی افراد در برابر خطاها و مشکلات الکتریکی خطرناک، حرکتی مانند راه رفتن روی طناب انجام می‌دهند. پروتکل‌های ایمنی در برخورد با این سیستم‌های ولتاژ بالا از اهمیت بسزایی برخوردار می‌شوند.

نقش دکل‌های برق در ثبات شبکه

برج‌های برق نقش کلیدی در حفظ ثبات و قابلیت اطمینان شبکه برق ایفا می‌کنند. این سازه‌ها خطوط انتقال برق را که الکتریسیته را در مسافت‌های طولانی جابجا می‌کنند نگه می‌دارند و توان را به ایستگاه‌های فرعی و در نهایت به خانه‌ها و کسب‌وکارها می‌رسانند. محل قرارگیری این برج‌ها هم خیلی مهم است. برج‌هایی که به خوبی ساخته شده و پی‌های محکمی دارند می‌توانند مشکلاتی مانند کاهش ناگهانی ولتاژ و قطعی‌های غیرمنتظره برق را کاهش دهند. طراحی مناسب برج‌ها در واقع تأثیر زیادی بر کارایی کل سیستم دارد. همان قاب‌های فولادی قوی که در سراسر مناظر طبیعی دیده می‌شوند را در نظر بگیرید – اگر به درستی ساخته شوند، می‌توانند به میزان قابل توجهی از قطعی‌های برق بکاهند. به همین دلیل است که مهندسان وقت زیادی را صرف تصمیم‌گیری درباره محل قرارگیری این برج‌ها می‌کنند. این برج‌ها فقط وظیفه نگه داشتن سیم‌ها در ارتفاع را ندارند، بلکه مسئولیت این را دارند که چراغ‌ها همواره روشن بمانند و وسایل برقی بدون هیچ وقفه‌ای در طول روزها کار کنند.

انواع ستون‌های برق و کاربردهای آنها

طراحی ستون معلق در مقابل ستون کششی

انتقال قدرت به شدت به برج‌های برق متکی است که عموماً در دو نوع اصلی سازه‌های معلق و کششی تولید می‌شوند. برج‌های معلق عمدتاً وزن کابل‌های هوایی را تحمل می‌کنند. این برج‌ها معمولاً بلندتر هستند اما از مواد سبک‌تری ساخته شده‌اند و این امر آن‌ها را برای مسیرهای مستقیم خطوط انتقال برق که فاقد زانویی یا انحنا هستند، ایده‌آل می‌کند. از سوی دیگر، برج‌های کششی باید تنش‌های بسیار بیشتری را تحمل کنند، چرا که این برج‌ها یا در گوشه‌هایی که خطوط تغییر جهت می‌دهند و یا در فواصل بسیار طولانی بین دو تکیه‌گاه قرار دارند. طراحی این برج‌ها آن‌ها را از نظر کلی مقاوم‌تر می‌کند. با توجه به این تفاوت‌های بنیادین در ساختار، مهندسان معمولاً برج‌های معلق را در مناطقی با شرایط زمینی هموار نصب می‌کنند. در عوض، هنگام ساخت خطوط انتقال در گذرگاه‌های کوهستانی دشوار یا هنگام عبور از دره‌های رودخانه‌ای پهناور که در آن‌ها پایداری اضافی اهمیت بیشتری دارد، برج‌های کششی به عنوان انتخاب اصلی برای حفظ اتصالات قدرت مطمئن استفاده می‌شوند.

چشم‌انداز نقش بزرگی در تعیین نوع برج‌هایی دارد که برای انتقال بهره‌ورانه برق در مناطق مختلف مناسب‌تر هستند. برج‌های شناور ویژه مناطق مسطح هستند که به حفظ ثبات خطوط برق کمک می‌کنند و قطعی‌های برق را در طول طوفان‌ها کاهش می‌دهند. اما در مناطق کوهستانی یا مناطق با شرایط آب‌وهوایی شدید، برج‌های تنشی ضروری می‌شوند چرا که برای تحمل نیروهای بسیار قوی‌تر ساخته شده‌اند. مهندسان باید تمام این عوامل را هنگام برنامه‌ریزی پروژه‌های جدید زیرساختی در نظر بگیرند. به عنوان مثال، جوامع ساحلی ممکن است به برج‌هایی با طراحی خاص برای مقاومت در برابر خوردگی نمک دریا نیاز داشته باشند، در حالی که مناطق بیابانی سازه‌هایی را می‌طلبد که بتوانند گرمای شدید را بدون تخریب در طول زمان تحمل کنند. این انتخاب‌های طراحی موجب می‌شوند شبکه برق در برابر هرچه طبیعت به آن پرتاب کند، عملکرد خود را حفظ کند.

برج‌های تخصصی برای شرایط شدید

برج‌های برق در مناطقی که در معرض آب‌وهوای شدید قرار دارند، به ویژگی‌های طراحی خاصی نیاز دارند تا بتوانند شرایطی مانند طوفان‌ها، زلزله‌ها و بارش‌های سنگین برف را تحمل کنند. افرادی که این برج‌ها را می‌سازند، واقعاً به مواد و فناوری‌هایی که استفاده می‌کنند فکر زیادی می‌کنند تا برق حتی در بدترین شرایطی که طبیعت با آن‌ها برخورد می‌کند، برقرار بماند. به عنوان مثال، برج‌های مقاوم در برابر طوفان، در واقع مثل تانک‌ها ساخته می‌شوند، با تکیه‌گاه‌های ضخیم‌تر و پی‌هایی که خیلی عمیق در زمین قرار می‌گیرند. و همچنین برج‌هایی که برای مقاومت در برابر زلزله طراحی شده‌اند، دارای اتصالات انعطاف‌پذیری بین قطعاتشان هستند که به آن‌ها اجازه می‌دهد تا حدی حرکت کنند و لرزش‌های ناخوشایند را جذب کنند، بدون اینکه کاملاً از هم باز شوند.

رویکردهای طراحی تخصصی به‌طور واقعی به کاهش قطعی برق و حفظ ثبات شبکه‌ها در هنگام بروز بدی آب و هوا کمک کرده‌اند. مهندسی مناسب واقعاً در تضمین جریان پایدار برق حتی در زمان‌هایی که طبیعت بدترین شرایط را برای ما فرا می‌دهد، عملکرد می‌کند. وقتی شرکت‌ها در مقاوم‌سازی سیستم‌های خود سرمایه‌گذاری می‌کنند، در واقع دارند آینده را در برابر شرایط ناگهانی ناشی از رویدادهای شدید آب و هوا ایمن می‌کنند. به این فکر کنید: تأمین برق قابل اعتماد تنها برای مصرف‌کنندگان مناسب نیست، بلکه برای کسب‌وکارها هم ضروری است، به‌ویژه در فصول طوفانی ناپیش‌بینی‌شده که به نظر می‌رسد روز به روز بیشتر می‌شوند.

چالش‌های مهندسی در ساخت برج

کاهش خسارات ناشی از شرایط جوی

آب و هوا تأثیر واقعی بر برج‌های انتقال برق دارد، به‌ویژه در مواجهه با بادهای شدید، انباشتگی یخ سنگین و صاعقه‌هایی که می‌توانند سازه‌ها را در طول زمان تضعیف یا حتی از بین ببرند. به عنوان مثال، تندبادهای ناگهانی، این گونه فرودهای شدید هوایی ناشی از رعد و برق، دارای قدرتی هستند که می‌تواند برج‌ها را از هم بکند، اگر به‌درستی ساخته نشده باشند. مهندسان اخیراً در حال کار روی راه‌هایی برای مقاوم‌تر کردن سازه‌ها در برابر این مشکلات هستند. برخی از شرکت‌ها در حال آزمایش با مواد کامپوزیتی جدید مخلوط شده با قاب‌های فولادی هستند، در حالی که دیگران شکل برج‌ها را دوباره طراحی می‌کنند تا بارهای شدید را بهتر تحمل کنند. موادی که تحت فشار کمی خم می‌شوند در واقع به پخش کردن نیرو در سراسر سازه کمک می‌کنند، به جای اینکه آن را در نقاط آسیب‌پذیر متمرکز کنند که اغلب در آن نقاط شکست رخ می‌دهد.

بررسی موارد واقعی نشان می‌دهد که چه روش‌هایی در کاهش ریسک موثر هستند و چه روش‌هایی نه. به عنوان مثال، در ویکتوریا، استرالیا، چندین دکل انتقال برق در طول بادهای شدید سال گذشته سقوط کردند. این حادثه آشکار کرد که برخی از سازه‌ها در برابر شرایط شدید آب‌وهوایی دارای ضعف‌های جدی در ساختار بودند. با این حال داستان‌های مثبتی نیز وجود دارند. برخی شرکت‌ها شروع به ساخت دکل‌های مقاوم‌تر از پایه کرده‌اند، در حالی که دیگران از تکنیک‌های مدل‌سازی پیشرفته‌ای استفاده می‌کنند که می‌توانند تهدیدهای آب‌وهوایی احتمالی را چند هفته پیش‌بینی کنند. این رویکردها به طور قابل توجهی استحکام سیستم را در مناطق مختلف بهبود داده‌اند. آنچه از این تجربیات فرا می‌گیریم این واقعیت را آشکار می‌کند که بهبودهای مداوم و انعطاف‌پذیری همچنان امری حیاتی است، زیرا الگوهای آب‌وهوایی به شکلی غیرقابل پیش‌بینی در حال تغییر هستند.

مقابله با خستگی سازه‌ای و ارتفاع از سطح زمین

خستگی سازه‌ای هنوز یک مشکل بزرگ برای برج‌های برق است، چیزی که به تدریج از تمام بارهای تکراری و همچنین شرایط جوی مختلفی که به آن‌ها وارد می‌شود، ایجاد می‌گردد. وقتی این اتفاق می‌افتد، کل سازه در طول زمان ضعیف‌تر می‌شود، بنابراین مهندسان باید در هر دو مرحله برنامه‌ریزی و بازرسی‌های منظم به دقت نظارت کنند. فاصله از زمین نیز اهمیت دارد، زیرا اگر برج‌ها به درستی از زمین پایینی فاصله داده نشوند، احتمال وقوع حادثه بسیار بیشتر می‌شود و هزینه تعمیرات در آینده به صورت نمایی افزایش می‌یابد. در اینجا انتخاب‌های خوب در طراحی اهمیت دارند. برخی شرکت‌ها شروع به استفاده از آلیاژهای خاص مخلوط شده با تقویت‌کننده‌های الیاف کربنی در مناطق بحرانی کرده‌اند، که تفاوت بزرگی در مدت زمانی ایجاد می‌کند که این برج‌ها می‌توانند قبل از اینکه نیاز به تعمیرات اساسی پیدا کنند، دوام بیاورند.

نگهداری برج‌ها در شرایط خوب از طریق تعمیرات منظم واقعاً طول عمر آن‌ها را افزایش می‌دهد و جریان برق را به‌طور مطمئنی در سراسر شبکه حفظ می‌کند. وقتی تکنسین‌ها این سازه‌ها را به‌موقع چک کرده و آزمون‌های استرس انجام می‌دهند، مشکلات را قبل از تبدیل شدن به مسائل بزرگتر شناسایی می‌کنند، بنابراین تعمیرات در زمان مناسب انجام می‌شود و نیازی به تعمیرات اضطراری در آینده نخواهد بود. بیشتر افراد حرفه‌ای در این زمینه به هر کسی که سوال کند، می‌گویند ترکیب طراحی اولیه قوی با نگهداری مداوم، تفاوت ایجاد می‌کند. این روش تعادلی به برج‌ها کمک می‌کند تا در برابر هر چیزی که طبیعت به سراغشان می‌آورد مقاومت کنند و در عین حال سال‌ها قابل اطمینان باقی بمانند.

نوآوری‌ها در فناوری برج انتقال

سیستم‌های نظارت پیشرفته برای تشخیص‌های لحظه‌ای

معرفی سیستم‌های پیشرفته نظارتی به‌کلی روش نگهداری و بهره‌برداری از برج‌های برقی را تغییر داده است. این سیستم‌ها به کمک حسگرهای مدرن کار می‌کنند که وضعیت برج‌ها را در تمام ساعات شبانه‌روز پایش کرده و مشکلات را خیلی پیش از اینکه به مسائل بزرگی تبدیل شوند، شناسایی می‌کنند. وقتی تکنسین‌ها درباره خرابی‌های احتمالی هشدار دریافت می‌کنند، می‌توانند بسیار سریع‌تر پاسخ دهند که این امر باعث صرفه‌جویی در هزینه‌ها و جریان برق بدون وقفه می‌شود. شرکت‌های زیادی گزارش کرده‌اند که پس از نصب این راهکارهای نظارتی، حدود 40 درصد کاهش در خاموشی‌های غیرمنتظره داشته‌اند. نگاهی به آینده نشان می‌دهد که به نظر می‌رسد نظارت در زمان واقعی در سال‌های آینده به یک روش استاندارد در سراسر صنعت تبدیل شود. بیشتر بهره‌برداران موافقند که بازرسی‌های منظم دیگر نمی‌توانند با توجه به نیازهای پیچیده زیرساخت‌های الکتریکی امروزی، کافی باشند.

عایق دوستدار محیط زیست و جایگزین‌های SF6

تولیدکنندگان برج‌های برق به طور فزاینده‌ای به گزینه‌های عایق سبز روی می‌آورند، چرا که سعی دارند با نگرانی‌های محیط‌زیستی روبه‌رو شوند. به عنوان مثال گاز SF6 را در نظر بگیرید – این ماده البته بسیار خوب کار می‌کند اما همه ما می‌دانیم که این گاز در واقع یک گاز گلخانه‌ای فوق‌العاده قوی محسوب می‌شود. خبر خوب این است که مواد جدیدتری در بازار ظاهر شده‌اند که بدون داشتن این بار سنگین اقلیمی، عملکرد بهتری نیز از خود نشان می‌دهند. برخی شرکت‌ها شروع به استفاده از سیستم‌های پر شده از نیتروژن کرده‌اند که این امر به طور چشمگیری میزان انتشارات را کاهش می‌دهد. با ساخت برج‌ها با این قطعات پاک‌تر، کل بخش شاهد کاهش خروجی کربنی خود است و می‌تواند با آن مقررات سختگیرانه جدید از سراسر جهان مطابقت داشته باشد. نکته جالب توجه سرعت زیادی است که این روند در میان بازیگران بزرگ صنعت کسب کرده است، در حالی که چند سال پیش هنوز به روش‌های سنتی پایبند بودند.

جهانی نمونه کار مطالعات در زمینه زیرساخت‌های فشار قوی

گسترش شبکه فوق العاده فشار قوی چین

چین واقعاً در حال پیشبرد شبکه انتقال ولتاژ بسیار بالای خود (UHV) است و این امر را به عنوان نقطه عطف مهمی در نحوه توزیع انرژی در سطح کشور مطرح کرده است. بسیاری از این پروژه‌ها به عنوان «قطارهای سریع‌السیر برق» یاد می‌شوند، چون برق را در مسافت‌های طولانی منتقل می‌کنند و در این مسیر اتلاف بسیار کمی دارند. با این حال، راه‌اندازی این سیستم کار آسانی نبود. مهندسان مجبور بودند با انواع مشکلات در ساخت سیستم‌های جریان مستقیم و متناوب روبرو شوند که هر کدام در زمان نصب با مشکلات خاص خود همراه بودند. چیزی که این زیرساخت را بسیار ارزشمند کرده است این است که منابع تجدیدپذیر مانند مزارع بادی و صفحات خورشیدی می‌توانند به شبکه برق به مراتب سریع‌تر از گذشته متصل شوند. انرژی‌های بادی و خورشیدی از همین حالا نقش بزرگ‌تری در تصویر کلی انرژی چین ایفا کرده‌اند و این امر به نظر می‌رسد که به رشد خود ادامه دهد.

راهروهای برق سراسری برزیل

پروژه‌های مربوط به کریدورهای برق که توسط برزیل آغاز شده‌اند، نقش مهمی در افزایش کارایی توزیع انرژی در مناطق مختلف دارند و کل سیستم را بسیار کارآمدتر و قابل اعتمادتر کرده‌اند. در مرکز این پروژه‌ها مهندسی هوشمندانه‌ای قرار دارد که چالش‌های ناشی از توپوگرافی دشوار و فواصل طولانی بین مناطق مختلف را حل می‌کند. همچنین تلاش‌های زیادی برای ساخت زیرساخت‌های لازم به‌منظور عملکرد صحیح این کریدورها انجام شده است. تأثیر این پروژه‌ها روی جوامع محلی نیز بسیار قابل توجه بوده است. با دسترسی مطمئن به برق، اقتصاد کلی شهرها رشد کرده است، چرا که کسب‌وکارها می‌توانند بدون وقفه‌های مکرر برق، فعالیت خود را ادامه دهند. ما شاهد ظهور انواع کارخانه‌های تولیدی جدید در این مناطق هستیم که نشان‌دهنده حرکت به سمت رشد اقتصادی پایدارتر است. نگاهی به اتفاقاتی که در برزیل در حال وقوع است، به ما نشان می‌دهد که چگونه چیزهای ساده مانند خطوط انتقال برق در واقع تصویر انرژی جهانی را به‌روشی معنادار شکل می‌دهند.

بخش سوالات متداول

دکلهای برقی چیست؟

دکلهای برقی یا دکلهای انتقال، سازه‌هایی طراحی شده برای حمایت از خطوط انتقال هوایی در سیستمهای ولتاژ بالا هستند که انتقال برق را در فواصل طولانی تسهیل می‌کنند.

انتخاب مواد در ساخت دکلها چرا مهم است؟

مواد انتخاب‌شده برای ساخت برج‌های برق، بر دوام، استحکام و هدایت الکتریکی آن‌ها تأثیر می‌گذارند و در نتیجه طول عمر و کارایی شبکه انتقال انرژی را تضمین می‌کنند.

عملکرد عایق‌ها در برج‌های برق چیست؟

عایق‌ها از نشت جریان الکتریسیته از خطوط انتقال جلوگیری می‌کنند، در نتیجه یکپارچگی شبکه برق حفظ شده و انتقال ایمن انرژی تضمین می‌شود.

افزایش سطح ولتاژ چگونه باعث کاهش اتلاف انرژی می‌شود؟

با افزایش ولتاژ، جریان مورد نیاز کاهش می‌یابد که منجر به کاهش تلفات I²R می‌شود و این امر باعث کاهش تلفات انرژی به صورت گرما در هنگام انتقال می‌گردد.

تفاوت برج‌های معلق و برج‌های تحت کشش چیست؟

برج‌های معلق دارای ساختار سبک‌تری هستند و در قسمت‌های مستقیم استفاده می‌شوند، در حالی که برج‌های تحت کشش استحکام بیشتری دارند و در محل‌هایی که خطوط برق تغییر جهت می‌دهند، بارهای مکانیکی را تحمل می‌کنند.