چرا خطوط هوایی برق روی ستون‌های برق‌رسانی و برج‌های انتقال برق شل هستند؟

ممکن است متوجه شده باشید که خطوط انتقال برق آویزان بر روی ستون‌های برق شل هستند. شاید این سؤال را پرسیده باشید که چرا این خطوط به‌صورت محکم به ستون‌ها متصل نشده‌اند؟

بیایید دلیل شل بودن خطوط برق روی ستون‌های برق و ضرورت وجود «پیچ» (Sag) در خطوط توزیع و انتقال برق را بررسی کنیم. اما پیش از اینکه به این موضوع بپردازیم، ابتدا نگاهی به برخی نکات مهم بیندازیم که به درک بهتر ما کمک می‌کنند.

انتقال نیرو

توان توان نرخ انجام کار است. کار زمانی انجام می‌شود که انرژی الکتریکی مسافتی را طی کند. از این رو می‌توانیم نتیجه بگیریم که توان مقدار انرژی تحویل‌داده‌شده در واحد زمان است. برق را می‌توان از طریق خطوط انتقال، که به‌عنوان محیطی برای حمل آن عمل می‌کنند، بر روی فواصل طولانی منتقل نمود.

توان فعال معمولاً بر حسب وات اندازه‌گیری می‌شود. هنگام انتقال توان، انتقال با ولتاژ بالا ترجیح داده می‌شود تا انرژی صرفه‌جویی شود. جریان الکتریکی حرارت تولید می‌کند که می‌تواند مضر باشد، زیرا باعث سایش و خرابی خطوط الکتریکی می‌شود. برای حفظ توان منتقل‌شده، جریان الکتریکی که حرارت تولید کرده و به سایش خطوط کمک می‌کند، باید به مقدار کمتری منتقل شود، در حالی که ولتاژ باید به مقدار بیشتری منتقل شود. این روش «انتقال توان با ولتاژ بالا» نامیده می‌شود.

هدایت و اتصال

در حین انتقال توان، بخشی از توان الکتریکی به دلیل عدم عایق‌بندی خطوط انتقال، به محیط اطراف اتلاف می‌شود. بر اساس قانون اُهم، مقاومت (R) به‌صورت مستقیم با طول هادی (L) تغییر می‌کند؛ یعنی با افزایش طول هادی، مقاومت آن نیز افزایش می‌یابد. هوا هادی خوبی نیست، بنابراین نمی‌تواند گرمای تولیدشده توسط خطوط برق را به‌طور کارآمد پراکنده کند.

به همین دلیل، خطوط برق به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که قطر بزرگ‌تری داشته باشند تا مقاومت آن‌ها در برابر جریان الکتریکی کاهش یابد. مقاومت (R) به‌صورت معکوس با سطح مقطع هادی متناسب است؛ بنابراین هرچه قطر هادی بزرگ‌تر باشد، مقاومت کمتر و بالعکس خواهد بود.

سیم‌ها و کابل‌های برقی

کابل‌ها و سیم‌های برق، رسانا هستند که عمدتاً از سیم‌های مسی ساخته شده‌اند و از طریق آن‌ها جریان برق منتقل می‌شود. با این حال، این سیم‌ها صرفاً از مس تشکیل نشده‌اند. برای ایجاد خواص مکانیکی مناسب، رساناها با عنصر دیگری آلیاژ می‌شوند. افزودن این عنصر دیگر بر رسانایی الکتریکی رسانا تأثیری ندارد؛ بلکه این عنصر خواص مکانیکی مس را بهبود می‌بخشد بدون اینکه رسانایی آن را تحت تأثیر قرار دهد.

قانون ژول در گرمایش الکتریکی

فلز کاملاً خالصی وجود ندارد. درجه خلوص هر فلز هرگز ۱۰۰٪ نیست و در نتیجه فلزات دارای مقاومت داخلی هستند. انرژی مصرف‌شده یا گرمای تولیدشده هنگام عبور جریان از رسانا با استفاده از قانون ژول در گرمایش الکتریکی به صورت زیر محاسبه می‌شود:

• P = VI.t
• P = I ²Rt.

فرم‌های دیگر قانون ژول

• P = I²Rt
• P = VI.t … (R = V/I)
• P = W.t … (P = W = VI)
• P = V²t‍/R …. (I = V/R) با استفاده از قانون اُهم

همان‌طور که از معادلهٔ فوق مشخص است، گرما (P) تولیدشده توسط الکترون‌های متحرک، متناسب با R، t و I² است. هنگامی که جریان الکتریکی از یک رسانا عبور می‌کند، انرژی جریان الکتریکی را به صورت گرما در محیط اطراف پراکنده می‌کند؛ این امر زمانی رخ می‌دهد که جریان بر مقاومت غلبه کرده و این مقاومت به عنوان مانعی در برابر حرکت الکترون‌های در حال انحراف عمل می‌کند.

تأثیر آب‌وهوایی و دما بر خطوط الکتریکی

مقاومت یک رسانا با افزایش دما افزایش می‌یابد. این امر به این دلیل رخ می‌دهد که با افزایش دمای رسانا، الکترون‌های موجود در آن انرژی بیشتری کسب کرده و حرکت تصادفی‌تری انجام می‌دهند و در نتیجه با اتم‌های دیگر برخورد کرده و گرما تولید می‌کنند.

گرمای بیش‌ازحد تولیدشده توسط رسانا ممکن است منجر به ذوب شدن آن شود. در هوای گرم، سیم‌ها تمایل به شل‌شدن دارند زیرا رسانا منبسط می‌شود، در حالی که در هوای سرد، سیم‌ها منقبض می‌شوند.

کشش در خطوط

کشش نیرویی است که در یک ریسمان هنگام اعمال دو نیرو در جهات مخالف بر آن وجود دارد. بنابراین، سیمی که به یک ستون آویزان است، تحت کشش قرار دارد و در صورت شدیدتر شدن این کشش (یعنی سفت‌تر شدن سیم‌ها)، مقدار کشش وارد بر آن‌ها بیشتر می‌شود؛ که ممکن است منجر به قطع آسان سیم‌ها در اثر انقباض یا انبساط جزئی آن‌ها گردد.

چرا در خطوط توزیع و انتقال برق، «پیچ» (Sag) لازم است؟

پیچ (Sag) در خطوط انتقال، به انحنا یا خمیدگی رو به پایین کابل‌ها بین سازه‌های نگهدارنده (ستون‌ها یا برج‌ها) به دلیل تأثیر نیروی گرانش اشاره دارد. این پدیده به‌صورت طبیعی در اثر وزن سیم و کشش وارد بر آن رخ می‌دهد.

در حین انتقال و توزیع برق از طریق سیم‌های بلند، گرما تلف می‌شود. گرمای تولیدشده توسط رسانا با استفاده از انتقال با ولتاژ بالا به حداقل می‌رسد. شرایط آب‌وهوایی و دمای داخلی سیم، ضرورت دارد که خطوط سیم‌کشی به‌صورت کمی شل نگه داشته شوند.

اگر خطوط برق کشیده شوند و هوا سرد شود، ممکن است باعث انقباض خطوط انتقال شده و تنش بیشتری در آن‌ها ایجاد کند که این امر ممکن است منجر به آسیب‌دیدگی شود. بنابراین، سیم‌ها عمداً شل نگه داشته می‌شوند تا حتی در صورت رخ دادن انقباض، تنش اضافی ایجاد نشود که موجب آسیب به سیم‌ها و کابل‌ها گردد.

انحنای سیم (Sag) در موصل‌های خطوط انتقال اجباری است تا از گرم‌شدن بیش از حد جلوگیری شود و تنش را کاهش دهد. این امر ایمنی، قابلیت اطمینان و طول عمر سیستم انتقال انرژی الکتریکی را تضمین می‌کند. انحنای سیم نقش حیاتی در حفظ عملکرد صحیح سیستم و پیشگیری از حوادث و آسیب‌ها ایفا می‌کند.