در صنعت انتقال برق، هادی های آلومینیومی نقش حیاتی در انتقال انرژی الکتریکی ایفا میکنند. این هادی ها، که اغلب در خطوط هوایی استفاده میشوند، در معرض عوامل محیطی مختلفی قرار دارند که میتواند عمر مفید آن ها را کاهش دهد. یکی از مهم ترین چالش ها در این زمینه، ارتعاش آئولین (Aeolian Vibration) است. این ارتعاشات ناشی از بادهای ملایم و پایدار هستند و میتوانند منجر به خستگی مواد و شکست هادی ها شوند. شرکت سیم راد سما، به عنوان یکی از پیشگامان تولید مفتول (راد) آلومینیومی، همواره بر اهمیت کنترل این ارتعاشات تأکید دارد. در این مقاله، به بررسی روش های کنترل ارتعاش آئولیان با استفاده از ویم دامپر (دامپر ارتعاش) میپردازیم، با تمرکز ویژه بر انتخاب مناسب و جانمایی بهینه این دستگاه ها.
ارتعاش آئولین نه تنها بر کارایی خطوط انتقال تأثیر میگذارد، بلکه میتواند هزینه های نگهداری را افزایش دهد. طبق گزارش های سازمان های بینالمللی مانند IEEE و CIGRE، بیش از ۵۰ درصد شکست های هادی ها در خطوط هوایی به دلیل ارتعاشات آزاد است. بنابراین، استفاده از دمپرهای ارتعاش، مانند انواع Stockbridge یا Spiral، ضروری است. در ادامه، به جزئیات فنی این موضوع خواهیم پرداخت.
این مقاله بر اساس استانداردهای بین المللی مانند IEC 61897 و IEEE 664 تدوین شده و هدف آن ارائه راهنمایی عملی برای مهندسان و تکنسین های صنعت برق است. با مطالعه این محتوا، میتوانید درک بهتری از نحوه انتخاب و نصب دمپرها کسب کنید و از هادی های آلومینیومی خود محافظت نمایید.
ارتعاش آئولین چیست؟
ارتعاش آئولین نوعی ارتعاش با فرکانس بالا و دامنه کم است که در هادی های هوایی رخ میدهد. این پدیده زمانی اتفاق میافتد که باد با سرعت پایین (معمولاً بین ۲ تا ۱۵ کیلومتر در ساعت) بر روی سطح استوانه ای هادی جریان یابد و گرداب های متناوب (Vortices) ایجاد کند. این گرداب ها فشارهای متناوب عمود بر جهت باد ایجاد میکنند که منجر به ارتعاش هادی در جهت عمودی میشود.
فرمول محاسبه فرکانس گرداب (Strouhal Frequency) به صورت زیر است:
برای مثال، در یک هادی آلومینیومی با قطر ۱ اینچ و سرعت باد ۸ مایل در ساعت، فرکانس حدود ۲۶ هرتز خواهد بود. این فرکانس اگر با فرکانس طبیعی هادی همخوانی داشته باشد، منجر به رزونانس و افزایش دامنه ارتعاش میشود.
فرکانس طبیعی هادی نیز با فرمول تقریبی محاسبه میشود:
در هادی های آلومینیومی، مانند انواع ACSR (Aluminum Conductor Steel Reinforced) که در کابل های فشار ضعیف شرکت سیم راد سما استفاده میشوند، این ارتعاشات میتوانند به لایه های خارجی آلومینیوم آسیب بزنند. عوامل مؤثر بر شدت ارتعاش شامل تنش هادی، نوع زمین (مسطح یا کوهستانی)، و پوشش برف یا یخ است. در مناطق بادخیز ایران، مانند دشت های مرکزی، این پدیده شایع تر است.
اثرات منفی ارتعاش آئولیان بر هادیهای آلومینیومی
ارتعاشات مداوم آئولین منجر به خستگی مواد (Fatigue) میشود. در هادی های آلومینیومی، خستگی معمولاً در نقاط اتصال مانند کلمپ های ساسپنشن یا زیر آرمور رادها رخ میدهد. این خستگی باعث شکست رشته های آلومینیومی میشود و میتواند به از دست رفتن رسانایی یا حتی سقوط خط منجر گردد.
طبق گزارش CIGRE، تنش خمشی در نقاط انتهایی اسپن میتواند تا ۱۵۰ میکرواسترین برسد، که بیش از حد تحمل آلومینیوم (حدود ۱۰۰ میکرواسترین) است. اثرات دیگر شامل:
- ساییدگی سطحی هادی به دلیل تماس با سخت افزارها
- کاهش عمر مفید هادی تا ۵۰ درصد
- افزایش هزینه های تعمیر و نگهداری
در محصولات سیم راد سما، مانند محصولات مورد نیاز صنایع فولاد، که شامل هادی های مقاوم هستند، کنترل این ارتعاشات میتواند عمر محصول را دو برابر کند. مطالعات موردی در خطوط انتقال ایران نشان میدهد که بدون دمپر، نرخ شکست هادی ها تا ۲۰ درصد افزایش می یابد.
اصول کار دمپرهای ارتعاش
دمپرهای ارتعاش دستگاه هایی هستند که انرژی ارتعاش را جذب و dissipate میکنند. دو نوع اصلی عبارتند از:
- دمپر Stockbridge: شامل دو وزنه نامتقارن متصل به یک کابل فولادی است که به هادی کلمپ میشود. انرژی از طریق خم شدن کابل dissipate میشود.
- دمپر Spiral: یک مارپیچ پلاستیکی (معمولاً PVC) که بر روی هادی پیچیده میشود و با ضربه به هادی، ارتعاش را مختل میکند.
در دمپر Stockbridge، فرکانس های رزونانس متعدد (معمولاً ۲ تا ۴) اجازه میدهد تا طیف وسیعی از فرکانس های آئولین پوشش داده شود. اصول کار بر اساس اصل تعادل انرژی است:
انرژی ورودی باد = انرژی dissipate شده توسط دمپر + خوددمپینگ هادی.
انواع دمپرهای ارتعاش
- Stockbridge Damper: مناسب برای هادی های بزرگتر (قطر بیش از ۰.۷۵ اینچ). انواع نامتقارن مانند VORTX برای فرکانسهای گستردهتر.
- Spiral Vibration Damper (SVD): برای هادی های کوچکتر، OPGW یا shield wires. سبک و آسان نصب.
انتخاب نوع بر اساس قطر هادی و طول اسپن است. برای هادی های آلومینیومی سیم راد سما، SVD برای کابل های هوایی کوچک مناسب است.
انتخاب دمپر ارتعاش
انتخاب دمپر بر اساس عوامل زیر است:
- قطر و نوع هادی: برای هادی های آلومینیومی ACSR، دمپر با کلمپ آلومینیومی انتخاب شود.
- طول اسپن: اسپنهای بلندتر نیاز به دمپرهای بیشتر دارند.
- تنش هادی (EDS): تنش بالاتر، خوددمپینگ کمتر، نیاز به دمپر قویتر.
- شرایط محیطی: در مناطق بادخیز، دمپر با فرکانس گسترده.
- استانداردها: IEC 61897 برای تست دمپرها.
جانمایی دمپرها
جانمایی بهینه کلیدی است. برای Stockbridge:
فاصله از ساسپنشن: ۱-۲ متر برای اولین دمپر.
تعداد: برای اسپن ۴۰۰ متری، ۲ دمپر در هر انتها.
فرمول فاصله تقریبی:
که n تعداد دمپرها است.
برای Spiral: تا ۳ دمپر را میتوان در یک نقطه نصب کرد. در اسپنهای رودخانهای، ۵۰ درصد بیشتر.
مثال: در یک اسپن ۳۰۰ متری با هادی آلومینیومی، ۲ دمپر Stockbridge در فاصله ۱.۵ متری از کلمپ.
مطالعات موردی و استانداردها
در یک پروژه ایرانی، نصب دمپرها در خط ۲۳۰ کیلوولت، نرخ شکست را ۸۰ درصد کاهش داد. استانداردها شامل IEEE 563 برای اندازهگیری خوددمپینگ.
استاندارد IEC 61897:2020 – الزامات و تستها برای دمپرهای ارتعاش آئولین
استاندارد IEC 61897:2020 با عنوان “خطوط هوایی – الزامات و تست ها برای دمپرهای ارتعاش آئولین” (Overhead lines – Requirements and tests for Aeolian vibration dampers) یکی از کلیدیترین استانداردهای IEC در این زمینه است. این استاندارد در تاریخ ۳ مارس ۲۰۲۰ منتشر شده و جایگزین نسخه قبلی (IEC 61897:1998) شده است. دامنه کاربرد آن شامل دمپرهای ارتعاش آئولیان برای هادی های تک، سیم های زمین یا باندل های هادی است که دمپرها مستقیماً به هر زیرهادی متصل میشوند.
دامنه کاربرد (Scope)
این استاندارد الزامات و روشهای تست برای دمپرهایی را مشخص میکند که برای کاهش ارتعاش آئولیان طراحی شده اند. ارتعاش آئولیان، همانطور که بالاتر توضیح داده شد، ناشی از بادهای ملایم است و میتواند به هادی های آلومینیومی مانند ACSR آسیب بزند. استاندارد اجازه میدهد که خریداران بخشی از آن را برای کابل های خاص مانند OPGW (Optical Ground Wire) یا ADSS (All Dielectric Self-Supporting) تطبیق دهند. در موارد خاص، روش های تست و مقادیر تست بر اساس توافق بین خریدار و تامین کننده تعیین میشود و در قرارداد خرید ذکر میگردد. ضمیمه A استاندارد، حداقل جزئیات فنی که باید بین طرفین توافق شود را فهرست میکند، از جمله نوع هادی، شرایط محیطی و الزامات تست.
در سراسر استاندارد، واژه “هادی” برای اشاره به هادی ها یا سیم های زمین استفاده میشود. این استاندارد برای هادی های با دمای بالا (High Temperature Conductors) نیز اعمال میشود و تست های اضافی برای لغزش کلمپ در دماهای بالا را الزامی میکند.
تغییرات از نسخه قبلی (۱۹۹۸)
نسخه ۲۰۲۰ یک بازنگری فنی عمده است و تغییرات مهمی دارد:
- گسترش دامنه: علاوه بر دمپرهای نوع Stockbridge، اکنون دمپرهای مارپیچی (Spiral Aeolian Vibration Dampers) و الاستومری (Elastomeric Aeolian Vibration Dampers) را نیز پوشش میدهد. این تغییر اجازه میدهد تا انواع متنوع تری از دمپرها تست شوند.
- تست های دمای بالا: برای هادی های با دمای بالا، تست های اضافی برای لغزش کلمپ اضافه شده است تا اطمینان حاصل شود که دمپر در شرایط حرارتی شدید کارایی خود را حفظ میکند.
- ساده سازی ارزیابی کارایی: روش ارزیابی کارایی دمپر سادهتر شده تا تستها عملیتر باشند.
- تست در دمای پایین: تستهای جدیدی برای اجزای اتصال مانند پیچ های شکستنی (Break Away Bolts) و واشرهای فنری مخروطی در دماهای پایین اضافه شده است.
- شکل ها و نمودارها: شکل های جدیدی برای ترتیب تست های مکانیکی اصلی اضافه شده تا درک بهتری از فرآیند تست ارائه دهد.
این تغییرات بر اساس پیشرفت های فنی و نیازهای صنعت به روزرسانی شده اند. نسخه قدیمی (۱۹۹۸) بیشتر بر دمپرهای Stockbridge تمرکز داشت و برای هادی های تک یا باندل هایی که دمپر مستقیماً متصل میشود، اعمال میشد.
الزامات کلیدی (Key Requirements) برای دمپرها
استاندارد الزامات زیر را برای دمپرها مشخص میکند:
- مواد و ساخت: دمپرها باید از مواد مقاوم به خوردگی مانند آلومینیوم یا فولاد گالوانیزه ساخته شوند. برای هادیهای آلومینیومی، کلمپها باید آلومینیومی باشند تا از خوردگی گالوانیکی جلوگیری شود.
- عملکرد: دمپر باید انرژی ارتعاش را جذب کند و فرکانسهای رزونانس متعددی داشته باشد تا طیف وسیعی از فرکانسهای آئولین (معمولاً ۵ تا ۵۰ هرتز) را پوشش دهد.
- نصب: الزامات برای جانمایی، مانند فاصله از کلمپهای ساسپنشن، مشخص شده است.
- دوام: دمپر باید در برابر شرایط محیطی مانند باد، باران، برف و دماهای(-۴۰ تا +۸۰ درجه سانتیگراد) مقاوم باشد.
- برای هادی های خاص: در مورد OPGW یا ADSS، تستهای اضافی برای جلوگیری از آسیب به فیبر نوری الزامی است.
روش های تست (Testing Procedures)
تستها برای اطمینان از کارایی دمپر طراحی شدهاند و شامل موارد زیر هستند:
- تست مکانیکی: شامل تست کشش، خمش و لرزش برای ارزیابی دوام. شکل های استاندارد نشان دهنده ترتیب تست ها هستند.
- تست کارایی (Effectiveness Test): ارزیابی جذب انرژی با استفاده از شبیه سازی ارتعاش آئولیان. روش ساده شده در نسخه ۲۰۲۰ شامل اندازه گیری دامنه ارتعاش قبل و بعد از نصب دمپر است.
- تست لغزش کلمپ (Clamp Slip Test): برای اطمینان از اینکه دمپر در تنشهای بالا لغزش نمیکند. برای هادیهای دمای بالا، این تست در دماهای بیش از ۱۰۰ درجه سانتی گراد انجام میشود.
- تست خوردگی و محیطی: تست در محیط های نمکی یا اسیدی برای ارزیابی مقاومت.
- تست دمای پایین: برای اجزای اتصال، تست شکست در دماهای زیر صفر.
- تست خستگی (Fatigue Test): شبیه سازی میلیون ها سیکل ارتعاش برای ارزیابی عمر مفید.
این تست ها بر اساس استانداردهای IEC دیگر مانند IEC 60068 برای تستهای محیطی ارجاع میدهند. تعداد صفحات استاندارد ۵۸ صفحه است و شامل ICS 29.240.20 (هادیها و خطوط انتقال) میشود.
استانداردهای IEC مرتبط دیگر با ارتعاش آئولین و هادی های هوایی
علاوه بر IEC 61897، استانداردهای دیگری از IEC وجود دارند که به طور مستقیم یا غیرمستقیم با کنترل ارتعاش آئولین مرتبط هستند. این استانداردها مکمل یکدیگر هستند و برای طراحی کامل سیستم های خطوط هوایی استفاده میشوند.
IEC 62567:2015 – روش های تست ویژگی های خوددمپینگ هادی ها
این استاندارد با عنوان “خطوط هوایی – روش های تست ویژگی های خوددمپینگ هادی ها” (Overhead lines – Methods for testing self-damping characteristics of conductors) روش هایی برای اندازه گیری قابلیت خوددمپینگ هادی ها ارائه میدهد. خوددمپینگ به توانایی هادی در جذب انرژی ارتعاش بدون نیاز به دمپر خارجی اشاره دارد. این استاندارد برای ارزیابی اینکه آیا هادی نیاز به دمپر اضافی دارد یا نه، مفید است. تست ها شامل اندازه گیری dissipation انرژی در فرکانس های آئولین است و با IEC 61897 ترکیب میشود تا سیستم کاملی طراحی شود.
IEC 62568:2015 – روش تست خستگی هادی ها
عنوان: “خطوط هوایی – روش تست خستگی هادی ها” (Overhead lines – Method for fatigue testing of conductors).
این استاندارد روش های تست برای ارزیابی مقاومت هادی ها در برابر خستگی ناشی از ارتعاش آئولین را مشخص میکند. تست ها شامل اعمال سیکل های تکراری ارتعاش برای شبیه سازی شرایط واقعی است. نتایج این تست ها برای تعیین نیاز به دمپرها استفاده میشود و با IEC 61897 همخوانی دارد.
IEC 61089:1991 – هادی های رشته ای متمرکز سیم گرد برای خطوط هوایی
این استاندارد الزامات برای هادیهای ACSR و سایر انواع آلومینیومی را مشخص میکند. اگرچه مستقیماً به ارتعاش نمیپردازد، اما ویژگیهای مکانیکی مانند تنش و جرم واحد طول را تعریف میکند که در محاسبه فرکانس ارتعاش آئولیان (مانند فرمول Strouhal) استفاده میشود. محصولات سیم راد سما بر اساس این استاندارد تولید میشوند.
IEC 62561 سری – الزامات برای اتصالات و سخت افزارها
این سری استانداردها برای اتصالات خطوط هوایی، شامل کلمپها و آرمور رادها، الزامات را مشخص میکند. در زمینه ارتعاش، تستهای مکانیکی برای جلوگیری از آسیب در نقاط اتصال مهم هستند.
IEC 60068 سری – تستهای محیطی
- این استانداردها برای تست تجهیزات در شرایط محیطی مانند دما، رطوبت و لرزش استفاده میشوند و در IEC 61897 ارجاع داده میشوند.
- در گزارشهای فنی مانند CIGRE و IEEE (مانند IEEE 664 که مشابه IEC 61897 است)، این استانداردها با هم ترکیب میشوند.
کاربرد عملی در صنعت ایران و محصولات سیم راد سما
در ایران، با توجه به شرایط آب و هوایی متنوع (بادهای شدید در مناطق کویری)، رعایت این استانداردها الزامی است. برای مثال، در پروژههای شرکت توانیر، دمپرها باید بر اساس IEC 61897 تست شوند. سیم راد سما در تولید محصولات صنایع فولاد از این استانداردها استفاده میکند تا هادیهایی با خوددمپینگ بالا تولید کند.
مطالعات موردی نشان میدهد که استفاده از دمپرهای مطابق IEC 61897، نرخ شکست هادیها را تا ۸۰% کاهش میدهد. برای محاسبه تعداد دمپرها، از نرمافزارهایی بر اساس این استانداردها استفاده کنید.
نتیجه گیری
کنترل ارتعاش آئولیان با دمپرها ضروری برای حفظ هادی های آلومینیومی است. با انتخاب و جانمایی صحیح، میتوانید عمر خطوط را افزایش دهید. برای اطلاعات بیشتر، به شبکه مشتریان سیم راد سما مراجعه کنید یا با شبکه تامین کنندگان تماس بگیرید.