في صناعة نقل الكهرباء، تلعب الموصلات الألمنيومية دورًا حيويًا في نقل الطاقة الكهربائية. هذه الموصلات، التي غالبًا ما تستخدم في الخطوط الهوائية، تتعرض لعوامل بيئية متنوعة يمكن أن تقلل من عمرها الافتراضي. واحدة من أهم التحديات في هذا المجال هي الاهتزاز الأيولي (Aeolian Vibration). هذه الاهتزازات تنشأ من الرياح الهادئة والمستقرة، ويمكن أن تؤدي إلى إجهاد المواد وكسر الموصلات. تعتبر شركة سيم راد سما واحدة من الرواد في إنتاج الأسلاك (الرود) الألمنيومية، وتؤكد دائمًا على أهمية التحكم في هذه الاهتزازات. في هذه المقالة، سنستعرض طرق التحكم في الاهتزاز الأيولي باستخدام مخمدات الاهتزاز (مخمدات الاهتزاز)، مع التركيز الخاص على الاختيار المناسب والترتيب الأمثل لهذه الأجهزة.
لا يؤثر الاهتزاز الأيولي فقط على كفاءة خطوط النقل، بل يمكن أن يزيد من تكاليف الصيانة. وفقًا لتقارير المنظمات الدولية مثل IEEE وCIGRE، فإن أكثر من 50% من حالات كسر الموصلات في الخطوط الهوائية ناتج عن الاهتزازات الحرة. لذلك، يعد استخدام مخمدات الاهتزاز، مثل أنواع Stockbridge أو Spiral، ضروريًا. في الفقرات التالية، سنتعمق في التفاصيل الفنية لهذا الموضوع.
تم صياغة هذه المقالة بناءً على المعايير الدولية مثل IEC 61897 وIEEE 664، ويهدف إلى تقديم إرشادات عملية للمهندسين والفنيين في صناعة الكهرباء. من خلال دراسة هذا المحتوى، يمكنك الحصول على فهم أفضل لكيفية اختيار وتركيب المخمدات وحماية موصلاتك الألمنيومية.
ما هو الاهتزاز الأيولي؟
الاهتزاز الأيولي هو نوع من الاهتزاز عالي التردد ومنخفض السعة يحدث في الموصلات الهوائية. يحدث هذا الظاهرة عندما يتدفق الرياح بسرعة منخفضة (عادة بين 2 إلى 15 كيلومتر في الساعة) على سطح الموصل الأسطواني ويولد دوامات متناوبة (Vortices). هذه الدوامات تخلق ضغوطًا متناوبة عمودية على اتجاه الرياح، مما يؤدي إلى اهتزاز الموصل في الاتجاه العمودي.
صيغة حساب تردد الدوامة (Strouhal Frequency) كالتالي:
على سبيل المثال، في موصل ألمنيومي بقطر 1 إنش وسرعة رياح 8 أميال في الساعة، سيكون التردد حوالي 26 هرتز. إذا تطابق هذا التردد مع تردد الموصل الطبيعي، فإنه يؤدي إلى الرنين وزيادة سعة الاهتزاز. يتم حساب التردد الطبيعي للموصل بصيغة تقريبية:
في الموصلات الألمنيومية، مثل أنواع ACSR (Aluminum Conductor Steel Reinforced) التي تستخدم في كابلات الضغط المنخفض في شركة سيم راد سما، يمكن لهذه الاهتزازات أن تتلف الطبقات الخارجية الألمنيومية. العوامل المؤثرة على شدة الاهتزاز تشمل شد الموصل، نوع الأرض (مسطحة أو جبلية)، وتغطية الثلج أو الجليد. في المناطق الرياحية في إيران، مثل السهول الوسطى، تكون هذه الظاهرة أكثر شيوعًا.
التأثيرات السلبية للاهتزاز الأيولي على الموصلات الألمنيومية
تؤدي الاهتزازات المستمرة الأيولية إلى إجهاد المواد (Fatigue). في الموصلات الألمنيومية، يحدث الإجهاد عادة في نقاط الاتصال مثل مشابك التعليق أو تحت قضبان الدرع. يؤدي هذا الإجهاد إلى كسر الخيوط الألمنيومية، وقد يؤدي إلى فقدان التوصيلية أو حتى سقوط الخط. وفقًا لتقرير CIGRE، يمكن أن يصل الضغط الانحنائي في نهايات المدى إلى 150 ميكروسترين، وهو أكثر من حد تحمل الألمنيوم (حوالي 100 ميكروسترين). التأثيرات الأخرى تشمل:
- تآكل سطح الموصل بسبب الاحتكاك مع الأجهزة
- تقليل العمر الافتراضي للموصل بنسبة تصل إلى 50%
- زيادة تكاليف الإصلاح والصيانة
في منتجات سيم راد سما، مثل المنتجات المطلوبة لصناعات الصلب، والتي تشمل موصلات مقاومة، يمكن أن يضاعف التحكم في هذه الاهتزازات عمر المنتج. تظهر الدراسات الحالة في خطوط النقل الإيرانية أن بدون المخمدات، يزيد معدل كسر الموصلات بنسبة تصل إلى 20%.
مبادئ عمل مخمدات الاهتزاز
مخمدات الاهتزاز هي أجهزة تمتص وتشتت طاقة الاهتزاز. النوعان الرئيسيان هما:
- مخمد Stockbridge: يتكون من وزنين غير متماثلين متصلين بكابل فولاذي يتم تثبيته على الموصل. تشتت الطاقة من خلال انحناء الكابل.
- مخمد Spiral: ملف حلزوني بلاستيكي (عادة PVC) يلف على الموصل ويؤثر بالصدمة على الموصل لتعطيل الاهتزاز.
في مخمد Stockbridge، ترددات الرنين المتعددة (عادة 2 إلى 4) تسمح بتغطية نطاق واسع من ترددات الأيولي. مبادئ العمل تعتمد على مبدأ توازن الطاقة: طاقة الرياح المدخلة = الطاقة المشتتة بواسطة المخمد + التمتص الذاتي للموصل. أنواع مخمدات الاهتزاز
- Stockbridge Damper: مناسب للموصلات الكبيرة (قطر أكثر من 0.75 إنش). الأنواع غير المتماثلة مثل VORTX لترددات أوسع.
- Spiral Vibration Damper (SVD): للموصلات الصغيرة، OPGW أو أسلاك الدرع. خفيف وسهل التركيب.
يتم اختيار النوع بناءً على قطر الموصل وطول المدى. بالنسبة لموصلات الألمنيوم في سيم راد سما، يناسب SVD الكابلات الهوائية الصغيرة.
اختيار مخمد الاهتزاز
يتم اختيار المخمد بناءً على العوامل التالية:
- قطر ونوع الموصل: لموصلات ACSR الألمنيومية، اختر مخمدًا بمشبك ألمنيومي.
- طول المدى: المدى الأطول يحتاج إلى مخمدات أكثر.
- شد الموصل (EDS): الشد الأعلى يقلل من التمتص الذاتي، مما يتطلب مخمدًا أقوى.
- الظروف البيئية: في المناطق الرياحية، مخمد بتردد واسع.
- المعايير: IEC 61897 لاختبار المخمدات.
ترتيب المخمدات
الترتيب الأمثل هو المفتاح. بالنسبة لـStockbridge: المسافة من التعليق: 1-2 متر للمخمد الأول. العدد: لمدى 400 متر، 2 مخمد في كل نهاية. صيغة المسافة التقريبية:
حيث n هو عدد المخمدات.
بالنسبة لـSpiral: يمكن تركيب حتى 3 مخمدات في نقطة واحدة. في المدى النهري، 50% أكثر. مثال: في مدى 300 متر مع موصل ألمنيومي، 2 مخمد Stockbridge على مسافة 1.5 متر من المشبك.
الدراسات الحالة والمعايير
في مشروع إيراني، أدى تركيب المخمدات في خط 230 كيلوفولت إلى تقليل معدل الكسر بنسبة 80%. المعايير تشمل IEEE 563 لقياس التمتص الذاتي.
معيار IEC 61897:2020 – المتطلبات والاختبارات لمخمدات الاهتزاز الأيولي
معيار IEC 61897:2020 بعنوان “الخطوط الهوائية – المتطلبات والاختبارات لمخمدات الاهتزاز الأيولي” (Overhead lines – Requirements and tests for Aeolian vibration dampers) هو أحد أهم معايير IEC في هذا المجال. تم نشره في 3 مارس 2020، ويحل محل النسخة السابقة (IEC 61897:1998). نطاق التطبيق يشمل مخمدات الاهتزاز الأيولية للموصلات الفردية، أسلاك الأرض أو حزم الموصلات حيث يتم ربط المخمدات مباشرة بكل موصل فرعي.
نطاق التطبيق (Scope)
يحدد هذا المعيار المتطلبات وطرق الاختبار للمخمدات المصممة لتقليل الاهتزاز الأيولي. الاهتزاز الأيولي، كما تم شرحه أعلاه، ينشأ من الرياح الهادئة ويمكن أن يتلف الموصلات الألمنيومية مثل ACSR. يسمح المعيار للمشترين بتكييف جزء منه لكابلات محددة مثل OPGW (Optical Ground Wire) أو ADSS (All Dielectric Self-Supporting). في الحالات الخاصة، يتم تحديد طرق الاختبار وقيم الاختبار بناءً على اتفاق بين المشتري والمورد، ويذكر في عقد الشراء. يسرد الملحق A من المعيار الحد الأدنى من التفاصيل الفنية التي يجب الاتفاق عليها بين الطرفين، بما في ذلك نوع الموصل، الظروف البيئية ومتطلبات الاختبار.
في جميع أنحاء المعيار، يُستخدم مصطلح “الموصل” للإشارة إلى الموصلات أو أسلاك الأرض. ينطبق هذا المعيار أيضًا على الموصلات ذات درجة الحرارة العالية (High Temperature Conductors) ويجعل اختبارات إضافية لانزلاق المشبك في درجات حرارة عالية إلزامية.
التغييرات عن النسخة السابقة (1998)
النسخة 2020 هي مراجعة فنية رئيسية وتحتوي على تغييرات مهمة:
- توسيع النطاق: بالإضافة إلى مخمدات نوع Stockbridge، يغطي الآن مخمدات الحلزونية (Spiral Aeolian Vibration Dampers) والإلاستوميرية (Elastomeric Aeolian Vibration Dampers). هذا التغيير يسمح باختبار أنواع أكثر تنوعًا من المخمدات.
- اختبارات درجة الحرارة العالية: تم إضافة اختبارات إضافية لانزلاق المشبك للموصلات ذات درجة الحرارة العالية لضمان الحفاظ على كفاءة المخمد في الظروف الحرارية الشديدة.
- تبسيط تقييم الكفاءة: تم تبسيط طريقة تقييم كفاءة المخمد لجعل الاختبارات أكثر عملية.
- اختبار في درجة حرارة منخفضة: تم إضافة اختبارات جديدة لعناصر الاتصال مثل البراغي القابلة للكسر (Break Away Bolts) وغسالات الزنبرك المخروطية في درجات حرارة منخفضة.
- الأشكال والرسوم البيانية: تم إضافة أشكال جديدة لترتيب الاختبارات الميكانيكية الرئيسية لتقديم فهم أفضل لعملية الاختبار.
تم تحديث هذه التغييرات بناءً على التقدم الفني واحتياجات الصناعة. كانت النسخة القديمة (1998) تركز أكثر على مخمدات Stockbridge وتنطبق على الموصلات الفردية أو الحزم حيث يتم ربط المخمد مباشرة.
المتطلبات الرئيسية (Key Requirements) للمخمدات
يحدد المعيار المتطلبات التالية للمخمدات:
- المواد والبناء: يجب أن تكون المخمدات مصنوعة من مواد مقاومة للتآكل مثل الألمنيوم أو الفولاذ المجلفن. بالنسبة للموصلات الألمنيومية، يجب أن تكون المشابك ألمنيومية لمنع التآكل الجلفاني.
- الأداء: يجب أن يمتص المخمد طاقة الاهتزاز ولديه ترددات رنين متعددة لتغطية نطاق واسع من ترددات الأيولي (عادة 5 إلى 50 هرتز).
- التركيب: يتم تحديد المتطلبات للترتيب، مثل المسافة من مشابك التعليق.
- المتانة: يجب أن يكون المخمد مقاومًا للظروف البيئية مثل الرياح والمطر والثلج ودرجات الحرارة (-40 إلى +80 درجة مئوية).
- بالنسبة للموصلات الخاصة: في حالة OPGW أو ADSS، تكون الاختبارات الإضافية لمنع تلف الألياف البصرية إلزامية.
طرق الاختبار (Testing Procedures)
تم تصميم الاختبارات لضمان كفاءة المخمد وتشمل:
- الاختبار الميكانيكي: يشمل اختبار الشد والانحناء والاهتزاز لتقييم المتانة. تظهر الأشكال القياسية ترتيب الاختبارات.
- اختبار الكفاءة (Effectiveness Test): تقييم امتصاص الطاقة باستخدام محاكاة الاهتزاز الأيولي. الطريقة المبسطة في النسخة 2020 تشمل قياس سعة الاهتزاز قبل وبعد تركيب المخمد.
- اختبار انزلاق المشبك (Clamp Slip Test): لضمان عدم انزلاق المخمد تحت الشد العالي. بالنسبة للموصلات ذات درجة الحرارة العالية، يتم إجراء هذا الاختبار في درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية.
- اختبار التآكل والبيئي: اختبار في بيئات ملحية أو حمضية لتقييم المقاومة.
- اختبار درجة الحرارة المنخفضة: لعناصر الاتصال، اختبار الكسر في درجات حرارة تحت الصفر.
- اختبار الإجهاد (Fatigue Test): محاكاة ملايين الدورات الاهتزازية لتقييم العمر الافتراضي.
تشير هذه الاختبارات إلى معايير IEC أخرى مثل IEC 60068 للاختبارات البيئية. عدد الصفحات في المعيار 58 صفحة، ويشمل ICS 29.240.20 (الموصلات وخطوط النقل).
معايير IEC الأخرى ذات الصلة بالاهتزاز الأيولي والموصلات الهوائية
بالإضافة إلى IEC 61897، هناك معايير أخرى من IEC تتعلق مباشرة أو غير مباشرة بالتحكم في الاهتزاز الأيولي. هذه المعايير تكمل بعضها البعض وتستخدم لتصميم أنظمة الخطوط الهوائية الكاملة.
IEC 62567:2015 – طرق اختبار خصائص التمتص الذاتي للموصلات
هذا المعيار بعنوان “الخطوط الهوائية – طرق اختبار خصائص التمتص الذاتي للموصلات” (Overhead lines – Methods for testing self-damping characteristics of conductors) يقدم طرقًا لقياس قدرة التمتص الذاتي للموصلات. التمتص الذاتي يشير إلى قدرة الموصل على امتصاص طاقة الاهتزاز دون الحاجة إلى مخمد خارجي. هذا المعيار مفيد لتقييم ما إذا كان الموصل بحاجة إلى مخمد إضافي أم لا. تشمل الاختبارات قياس تبديد الطاقة في ترددات الأيولي، ويتم دمجها مع IEC 61897 لتصميم نظام كامل.
IEC 62568:2015 – طريقة اختبار الإجهاد للموصلات
العنوان: “الخطوط الهوائية – طريقة اختبار الإجهاد للموصلات” (Overhead lines – Method for fatigue testing of conductors). يحدد هذا المعيار طرق الاختبار لتقييم مقاومة الموصلات للإجهاد الناتج عن الاهتزاز الأيولي. تشمل الاختبارات تطبيق دورات اهتزازية متكررة لمحاكاة الظروف الواقعية. تستخدم نتائج هذه الاختبارات لتحديد الحاجة إلى المخمدات وتتوافق مع IEC 61897.
IEC 61089:1991 – موصلات الأسلاك الدائرية المركزية المجدولة للخطوط الهوائية
يحدد هذا المعيار المتطلبات لموصلات ACSR وأنواع ألمنيومية أخرى. على الرغم من أنه لا يتناول الاهتزاز مباشرة، إلا أنه يعرف الخصائص الميكانيكية مثل الشد وكتلة الوحدة الطولية التي تستخدم في حساب تردد الاهتزاز الأيولي (مثل صيغة Strouhal). تنتج منتجات سيم راد سما بناءً على هذا المعيار.
سلسلة IEC 62561 – المتطلبات للاتصالات والأجهزة
تحدد هذه السلسلة من المعايير المتطلبات للاتصالات في الخطوط الهوائية، بما في ذلك المشابك وقضبان الدرع. في سياق الاهتزاز، تكون الاختبارات الميكانيكية مهمة لمنع التلف في نقاط الاتصال.
سلسلة IEC 60068 – الاختبارات البيئية
- تستخدم هذه المعايير لاختبار المعدات في الظروف البيئية مثل درجة الحرارة والرطوبة والاهتزاز، ويتم الإشارة إليها في IEC 61897.
- في التقارير الفنية مثل CIGRE وIEEE (مثل IEEE 664 الذي يشبه IEC 61897)، يتم دمج هذه المعايير معًا.
التطبيق العملي في الصناعة الإيرانية ومنتجات سيم راد سما
في إيران، مع مراعاة الظروف الجوية المتنوعة (رياح قوية في المناطق الصحراوية)، يعد الالتزام بهذه المعايير إلزاميًا. على سبيل المثال، في مشاريع شركة توانير، يجب اختبار المخمدات بناءً على IEC 61897. تستخدم سيم راد سما هذه المعايير في إنتاج منتجات صناعات الصلب لإنتاج موصلات ذات تمتص ذاتي عالي. تظهر الدراسات الحالة أن استخدام المخمدات المتوافقة مع IEC 61897 يقلل من معدل كسر الموصلات بنسبة تصل إلى 80%. للحساب عدد المخمدات، استخدم برامج بناءً على هذه المعايير.
الخاتمة
التحكم في الاهتزاز الأيولي باستخدام المخمدات أمر ضروري لحفظ الموصلات الألمنيومية. مع الاختيار والترتيب الصحيح، يمكنك زيادة عمر الخطوط. للحصول على مزيد من المعلومات، راجع شبكة عملاء سيم راد سما أو اتصل بشبكة الموردين.