حدود 20 سال است كه كامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف (FRP) در كاربردهای الكتریكی مصرف میشوند. این مواد در ساخت قطعات گوناگون صنعت برق به كار می روند؛ ازجمله لوله های عبور كابل، سیستم های حمل كابل در تونل ها و پل ها، تیرهای انتقال برق، بازوهای عرضی (كراس آرم ها)، مقره ها، برج های ارتباطی و جز آن.
لوله كامپوزیتی عبور كابل
یكی از موارد كاربرد كامپوزیت در صنعت برق، ساخت لوله های عبور كابل است. لوله های پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه (GRP) را میتوان د رتركیب با اتصالات و متعلقات ویژه ای به كار برد و آنها را به شكل یك سیستم عبور كابل چندلایه و چند ردیفی شكل داد. این لوله ها برای كابل های شبكه برق شهری و كابل های مخابراتی زیرزمینی مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر این در موارد زیر نیز كاربرد دارند:
سیستم حمل كابل كامپوزیتی
سیستم های حمل كابل كامپوزیتی، یك محصول سازه ای برای حل بسیاری از مشكلات مهندسی و طراحی در شبكه های برق رسانی و مخابراتی هستند كه برای نگهداری كابل های گرانبها و اغلب حساس و استراتژیك در دراز مدت قابل اعتمادند. این سیستم ها ویژگی های منحصر بفردی دارند كه آنها را قادر به تحمل بسیاری از محیط های خورنده می كند؛ به ویژه شرایطی كه مواد سنتی در آنها عمر كاری مفید و اقتصادی ندارند. این محصولات از رزین های گرماسخت تقویت شده با شیشه و به نحوی طراحی و ساخته می شوند كه یكپارچگی سازه ای آنها با انواع فولادی و آلومینیومی رقابت می كند؛ با این تفاوت كه مشكلات خوردگی، سنگینی وزن و هدایت الكتریكی آنها را ندارند.
این محصولات در برابر اسیدها، نمك ها، قلیاها و محدوده وسیعی از محیط ها و مواد شیمیایی خورنده كه بر آلومینیوم و فولاد گالوانیزه اثرات شدیدی دارند، مقاومند. حتی محصولات آلومینیومی یا فولادی پوشش داده شده نیز ممكن است به علت خراش های كوچك ایجاد شده حین نصب یا پس از آن، در معرض آسیب باشند.
این محصولات در مقایسه با فولاد یا آلومینیوم، دارای نسبت استحكام به وزن بسیار بالایی هستند در حالی كه یكپارچگی سازه ای مشابهی با آنها دارند.
پروفیل های كامپوزیتی پالترود شده كه در این سیستم ها به كار گرفته می شوند دارای وزن مخصوصی حدود یك چهارم فولاد و یك سوم آلومینیوم هستند كه این امر حمل و نقل و برپا كردن آنها را تسهیل می كند. برخلاف فولاد زنگ نزن این قطعات را میتوان در محل و با وسایل دستی برید و سوراخ كرد. از آنجاییكه سینی و نردبان های این سیستم نارسانا هستند، از بابت انتقال برق به سیستم حمل كابل از كابل های آسیب دیده هیچ نگرانی وجود ندارد. علاوه بر آن احتیاجی به جلوگیری از خوردگی الكترولیتی در شرایط ویژه نیست. ویژگیهای نارسانایی و مغناطیسی نبودن به معنی سیستم حمل كابل ایمن ترند.
در بزرگترین پروژه مهندسی انجام شده با سرمایه خصوصی- تونلی كه بریتانیا را به اروپا متصل می كند- بیش از 63/3 هزار تن FRP پالترود شده، 1260 كیلومتر كابل الكتریكی و فیبر نوری را بر روی خود نگه داشته اند. این كابل ها، روشنایی، تهویه و ارتباطات درون تونل را كنترل می كنند. كابل های 25 كیلو ولتی تامین كننده انرژی قطارها نیز با این كامپوزیت های پالترود شده حمل می شوند. این محصولات با شرایط زیر سازگارند:
بازوهای عرضی كامپوزیتی
هر تیر انتقال برق فشار متوسط (20 و 33 كیلو ولت) از سه قسمت اصلی یعنی تیر، بازوهای عرضیو مقره ها تشكیل شده است. بازوهای عرضی معمولاً از جنس فولاد ساخته می شوند. با این وجود در بعضی از كشورها نظیر آمریكا، استرالیا، كانادا و بخش هایی از اروپا یان محصولات از مواد كامپوزیتی ساخته می شوند. به كارگیری بازوهای عرض كامپوزیتی به جای نمونه فلزی دارای برتری هایی است؛
ازجمله:
تیرهای كامپوزیتی
به كارگیری تیرهای كامپوزیت FRP، موضوع جدیدی در خدمات برق رسانی نیست، با این وجود تیرهای انتقال برق FRP پالترود شدۀ 21 تا 24 متری داستان دیگری است. تیرهای FRP با یك سوم وزن تیرهای چوبی، نصف وزن تیرهای فولادی و تنها یك دهم وزن تیرهای بتنی، انتخاب بسیار جذابی برای اغلب شركت های خدماتی برق رسانی هستند.
شركت آمریكایی بریستول تنسی الكتریك سیستم (BTES) به تازگی 144 تیر FRP را در دو خط انتقال نصب كرده است. شركت استرانگ ول (Strongwell Corp.) واقع در ایالت ویرجینیا این تیرهای FRP پالترود شده SE28 را با بیشترین ظرفیت ممان اینرسی در مقطع پایین طراحی و برای جایگزینی تیرهای چوبی، فولادی و بتنی در خطوط انتقال برق تولید كرده است. شركت های خدمات برق رسانی در حال كشف برتری های تیرهای SE28، نسبت به تیرهای ساخته شده از مواد سنتی هستند. تیرهای SE28 شركت استرانگ ول، سبك، محكم و دارای ویژگی های هدایتی خیلی كمی هستند. این تیرها همچنین در برابر خوردگی، پوسیدگی، پرتوهای فرابنفش، نفوذ آب، حشرات و داركوب ها مقاومت بسیار بالایی دارند.
به عقیده دكتر مایكل برودر، مدیرعامل شركت BTES، تیرهای كامپوزیتی SE28، در مقایسه با تیرهای چوبی، با گذشت زمان استحكامشان را از دست نمی دهند و تقریباً به هیچگونه ترمیم و تعمیری احتیاج ندارند. او همچنین به ویژگیهای الكتریكی تیرهای FRP و تحمل ضربه و بار ناشی از بادهای شدید توسط آنها اشاره می كند.
لوله كامپوزیتی عبور كابل
یكی از موارد كاربرد كامپوزیت در صنعت برق، ساخت لوله های عبور كابل است. لوله های پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه (GRP) را میتوان د رتركیب با اتصالات و متعلقات ویژه ای به كار برد و آنها را به شكل یك سیستم عبور كابل چندلایه و چند ردیفی شكل داد. این لوله ها برای كابل های شبكه برق شهری و كابل های مخابراتی زیرزمینی مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر این در موارد زیر نیز كاربرد دارند:
1- برای كابل هایی كه از زیر ریل جرثقیل های سقفی و یا راه های اصلی شهری عبور می كنند.
2- برای كابل هایی كه از روی پل ها و رودخانه ها عبور می كنند. به ویژه برای كابل هایی كه از روی پل عبور می كنند، به كارگیری لوله های GRP، بار وارده بر پل را كاهش داده و ساخت و ساز پل را تسهیل خواهد كرد.
2- برای كابل هایی كه از روی پل ها و رودخانه ها عبور می كنند. به ویژه برای كابل هایی كه از روی پل عبور می كنند، به كارگیری لوله های GRP، بار وارده بر پل را كاهش داده و ساخت و ساز پل را تسهیل خواهد كرد.
سیستم حمل كابل كامپوزیتی
سیستم های حمل كابل كامپوزیتی، یك محصول سازه ای برای حل بسیاری از مشكلات مهندسی و طراحی در شبكه های برق رسانی و مخابراتی هستند كه برای نگهداری كابل های گرانبها و اغلب حساس و استراتژیك در دراز مدت قابل اعتمادند. این سیستم ها ویژگی های منحصر بفردی دارند كه آنها را قادر به تحمل بسیاری از محیط های خورنده می كند؛ به ویژه شرایطی كه مواد سنتی در آنها عمر كاری مفید و اقتصادی ندارند. این محصولات از رزین های گرماسخت تقویت شده با شیشه و به نحوی طراحی و ساخته می شوند كه یكپارچگی سازه ای آنها با انواع فولادی و آلومینیومی رقابت می كند؛ با این تفاوت كه مشكلات خوردگی، سنگینی وزن و هدایت الكتریكی آنها را ندارند.
این محصولات در برابر اسیدها، نمك ها، قلیاها و محدوده وسیعی از محیط ها و مواد شیمیایی خورنده كه بر آلومینیوم و فولاد گالوانیزه اثرات شدیدی دارند، مقاومند. حتی محصولات آلومینیومی یا فولادی پوشش داده شده نیز ممكن است به علت خراش های كوچك ایجاد شده حین نصب یا پس از آن، در معرض آسیب باشند.
این محصولات در مقایسه با فولاد یا آلومینیوم، دارای نسبت استحكام به وزن بسیار بالایی هستند در حالی كه یكپارچگی سازه ای مشابهی با آنها دارند.
پروفیل های كامپوزیتی پالترود شده كه در این سیستم ها به كار گرفته می شوند دارای وزن مخصوصی حدود یك چهارم فولاد و یك سوم آلومینیوم هستند كه این امر حمل و نقل و برپا كردن آنها را تسهیل می كند. برخلاف فولاد زنگ نزن این قطعات را میتوان در محل و با وسایل دستی برید و سوراخ كرد. از آنجاییكه سینی و نردبان های این سیستم نارسانا هستند، از بابت انتقال برق به سیستم حمل كابل از كابل های آسیب دیده هیچ نگرانی وجود ندارد. علاوه بر آن احتیاجی به جلوگیری از خوردگی الكترولیتی در شرایط ویژه نیست. ویژگیهای نارسانایی و مغناطیسی نبودن به معنی سیستم حمل كابل ایمن ترند.
در بزرگترین پروژه مهندسی انجام شده با سرمایه خصوصی- تونلی كه بریتانیا را به اروپا متصل می كند- بیش از 63/3 هزار تن FRP پالترود شده، 1260 كیلومتر كابل الكتریكی و فیبر نوری را بر روی خود نگه داشته اند. این كابل ها، روشنایی، تهویه و ارتباطات درون تونل را كنترل می كنند. كابل های 25 كیلو ولتی تامین كننده انرژی قطارها نیز با این كامپوزیت های پالترود شده حمل می شوند. این محصولات با شرایط زیر سازگارند:
- محدوده دمایی 5 تا 40 درجه سانتی گراد
- رطوبت 100 درصد
- سرعت باد km/h 359
- پاشش مداوم آب نمك و حتی غوطه وری در آن
- نصب آسان
- حدأقل تعمیرات
- هزینه كلی كمینه
- مقاومت در برابر بارگذاری استاتیك كابل ها
- رطوبت 100 درصد
- سرعت باد km/h 359
- پاشش مداوم آب نمك و حتی غوطه وری در آن
- نصب آسان
- حدأقل تعمیرات
- هزینه كلی كمینه
- مقاومت در برابر بارگذاری استاتیك كابل ها
بازوهای عرضی كامپوزیتی
هر تیر انتقال برق فشار متوسط (20 و 33 كیلو ولت) از سه قسمت اصلی یعنی تیر، بازوهای عرضیو مقره ها تشكیل شده است. بازوهای عرضی معمولاً از جنس فولاد ساخته می شوند. با این وجود در بعضی از كشورها نظیر آمریكا، استرالیا، كانادا و بخش هایی از اروپا یان محصولات از مواد كامپوزیتی ساخته می شوند. به كارگیری بازوهای عرض كامپوزیتی به جای نمونه فلزی دارای برتری هایی است؛
ازجمله:
- كاهش وزن: سنگینی وزن بازوهای عرضی فلزی (حدود 20 كیلوگرم) یكی از مشكلات شركت های انتقال و توزیع برق است. در مناطقی كه به دلایل گوناگون ازجمله ناهمواری سطح زمین، امكان استفاده ا زماشین های بالابر در آنها وجود ندارد، حمل بازوهای عرضی فلزی تا بالای تیر بسیار سخت و خطرناك است؛ درصورتی كه كامپوزیت ها وزن نسبتاً كمی دارند و حمل آنها آسان است.
- مقاومت د ربرابر خوردگی: بازوهای عرضی فلزی در آب و هوای مرطوب و خورنده، عمر نسبتاً كمی دارند. یكی از برتری های مواد كامپوزیت، مقاومت بسیار مناسب آنها در برابر خوردگی است كه این مواد را برای این مناطق مطلوب می سازد.
- نارسانایی الكتریكی: كامپوزیت ها را میتوان به صورت موادی عایق طراحی كرده و ساخت. این ویژگی خطر برق گرفتگی و اتصال كوتاه را كاهش می دهد. شاید بتوان با بكارگیری بازوهای عرضی كامپوزیتی از كاربرد مقره های حامل كابل- كه در واقع نقش عایق را بین كابل و پروفیل بازی می كنند- جلوگیری كرد.
- زیبایی: در ساخت بازوهای عرضی فلزی همیشه محدودیت هایی وجود دارد كه طراح را مجبور به استفاده از قطعات استاندارد نبشی می كند. با به كارگیری كامپوزیت ها میتوان به سراغ طرح هایی رفت كه علاوه بر بهینه بودن، زیبا نیز باشند.
- عمر بیشتر: عمر بازوهای عرضی كامپوزیتی حدود 3برابر طول عمر نمونه فلزی است. به دلیل عمر بیشتر و عدم نیاز به تعویض و تعمیر در كامپوزیت ها، هزینه های تعویض و نگهداری حذف خواهند شد.
- كاهش تداخلات امواج رادیویی: امواج رادیویی بدون هرگونه انحراف و شكست از كامپوزیت ها عبور می كنند.
- كاهش افت توان خط: به كارگیری بازوهای عرضی كامپوزیتی از نشت جریان الكتریكی از خط به سمت پایه ها تا حدودی جلوگیری می كند و به این ترتیب میزان افت توان خط كاهش خواهد یافت.
علاوه بر موارد فوق، با بكارگیری بازوهای عرضی كامپوزیتی میتوان از طرح هایی استفاده كرد كه یكپارچه بوده و نیازی به سوار كردن قطعات بر روی هم نباشد.- مقاومت د ربرابر خوردگی: بازوهای عرضی فلزی در آب و هوای مرطوب و خورنده، عمر نسبتاً كمی دارند. یكی از برتری های مواد كامپوزیت، مقاومت بسیار مناسب آنها در برابر خوردگی است كه این مواد را برای این مناطق مطلوب می سازد.
- نارسانایی الكتریكی: كامپوزیت ها را میتوان به صورت موادی عایق طراحی كرده و ساخت. این ویژگی خطر برق گرفتگی و اتصال كوتاه را كاهش می دهد. شاید بتوان با بكارگیری بازوهای عرضی كامپوزیتی از كاربرد مقره های حامل كابل- كه در واقع نقش عایق را بین كابل و پروفیل بازی می كنند- جلوگیری كرد.
- زیبایی: در ساخت بازوهای عرضی فلزی همیشه محدودیت هایی وجود دارد كه طراح را مجبور به استفاده از قطعات استاندارد نبشی می كند. با به كارگیری كامپوزیت ها میتوان به سراغ طرح هایی رفت كه علاوه بر بهینه بودن، زیبا نیز باشند.
- عمر بیشتر: عمر بازوهای عرضی كامپوزیتی حدود 3برابر طول عمر نمونه فلزی است. به دلیل عمر بیشتر و عدم نیاز به تعویض و تعمیر در كامپوزیت ها، هزینه های تعویض و نگهداری حذف خواهند شد.
- كاهش تداخلات امواج رادیویی: امواج رادیویی بدون هرگونه انحراف و شكست از كامپوزیت ها عبور می كنند.
- كاهش افت توان خط: به كارگیری بازوهای عرضی كامپوزیتی از نشت جریان الكتریكی از خط به سمت پایه ها تا حدودی جلوگیری می كند و به این ترتیب میزان افت توان خط كاهش خواهد یافت.
تیرهای كامپوزیتی
به كارگیری تیرهای كامپوزیت FRP، موضوع جدیدی در خدمات برق رسانی نیست، با این وجود تیرهای انتقال برق FRP پالترود شدۀ 21 تا 24 متری داستان دیگری است. تیرهای FRP با یك سوم وزن تیرهای چوبی، نصف وزن تیرهای فولادی و تنها یك دهم وزن تیرهای بتنی، انتخاب بسیار جذابی برای اغلب شركت های خدماتی برق رسانی هستند.
شركت آمریكایی بریستول تنسی الكتریك سیستم (BTES) به تازگی 144 تیر FRP را در دو خط انتقال نصب كرده است. شركت استرانگ ول (Strongwell Corp.) واقع در ایالت ویرجینیا این تیرهای FRP پالترود شده SE28 را با بیشترین ظرفیت ممان اینرسی در مقطع پایین طراحی و برای جایگزینی تیرهای چوبی، فولادی و بتنی در خطوط انتقال برق تولید كرده است. شركت های خدمات برق رسانی در حال كشف برتری های تیرهای SE28، نسبت به تیرهای ساخته شده از مواد سنتی هستند. تیرهای SE28 شركت استرانگ ول، سبك، محكم و دارای ویژگی های هدایتی خیلی كمی هستند. این تیرها همچنین در برابر خوردگی، پوسیدگی، پرتوهای فرابنفش، نفوذ آب، حشرات و داركوب ها مقاومت بسیار بالایی دارند.
به عقیده دكتر مایكل برودر، مدیرعامل شركت BTES، تیرهای كامپوزیتی SE28، در مقایسه با تیرهای چوبی، با گذشت زمان استحكامشان را از دست نمی دهند و تقریباً به هیچگونه ترمیم و تعمیری احتیاج ندارند. او همچنین به ویژگیهای الكتریكی تیرهای FRP و تحمل ضربه و بار ناشی از بادهای شدید توسط آنها اشاره می كند.
