logo

logo

الهندسة الكهربائية | الأبراج الكهربائية

ابراج كهرباييه

Electricity pylons - Pylônes de l' électricité



الأبراج الكهربائية

 

خطوط النقل عالية التوتر

أنواع أبراج الخطوط الهوائية لنقل الطاقة الكهربائية

تصميم الأبراج

 

 

 

الأبراج الكهربائية electric towers or pylons: هي تركيبات معدنية من الفولاذ تُصمم لحمل خطوط نقل الطاقة الكهربائية العالية التوتر، وتختلف أحجامها وأشكالها تبعاً لمستوى التوتر الذي تعمل عليه، فكلما ارتفع توتر عملها زادت ضخامتها من حيث أبعادها ومقدار ارتفاعها.

تُنصَّب الأبراج الكهربائية في المواقع المحددة لها على مسار خط النقل، وتُثبَّت في الأرض بوساطة قواعد إسمنتية خاصة بها، أما رأس البرج فتُركَّب عليه حاملة العوازل التي تحمل النواقل الحاملة للتيار الكهربائي، حيث تقوم هذه العوازل في الوقت نفسه بعزل النواقل كهربائياً عن جسم البرج.

خطوط النقل عالية التوتر:

تقوم خطوط النقل العالية التوتر (مرتفعة الجهد) high voltage transmission lines بنقل الطاقة الكهربائية إلى مراكز الاستهلاك من محطات التوليد الكهربائية، وغالباً ما تكون بعيدة عنها بمسافات كبيرة نسبياً قد تصل إلى ألف كيلو متر أو أكثر.

تكون خطوط نقل الطاقة الكهربائية عموماً على نوعين: الِكبال الأرضية underground cables، والخطوط الهوائية overhead lines.

تُستخدم الِكبال الأرضية لشبكات التوزيع أساساً تحت سطح الأرض على عمق معين، كما تُستخدم الِكبال لنقل الطاقة الكهربائية بمقادير صغيرة نسبياً ولمسافات قصيرة حيث يكون التوتر اللازم منخفضاً نسبياً حتى 66 كيلو فولط، علماً بأنه - ولظروف خاصة - تُستخدم الِكبال لنقل الطاقة الكهربائية على توترات عالية حتى 220 كيلو فولط.

أما لنقل الطاقة الكهربائية بمقادير كبيرة ولمسافات بعيدة - وهنا يكون توتر النقل عالياً أو عالياً جداً- فتصبح خطوط النقل الهوائية هي الأنسب من الناحيتين الفنية والاقتصادية.

تُمدَّد خطوط النقل الهوائية فوق الأرض، ويجب لضرورات الأمن والسلامة حملها على ارتفاع معين من سطح الأرض على حوامل خاصة line supports، ويُحدَّد هذا الارتفاع بناءً على مقدار توتر العمل للخط، والطبيعة الجغرافية للأرض التي يمر فوقها.

تُصنع حوامل خطوط النقل الهوائية عالية التوتر من مواد مختلفة؛ لذلك يجري تسميتها وفقاً لنوع المادة المستخدمة كالآتي:

1 - الحوامل الخشبية wood supports: وتُصنع من جذوع الأشجار المناسبة لهذا الغرض كالحور والسرو وغيرها بعد معالجتها وحقنها بمواد حافظة، وينحصر استخدام هذه الحوامل على التوترين المنخفض والمتوسط (حتى 33 كيلو فولط).

2 - الحوامل الإسمنتية concrete supports: وتُصنع من الإسمنت المسلح على شكل أعمدة أسطوانية مخروطية القاعدة، وأكثر ما يُستخدم هذا النوع لحمل خطوط التوتر المتوسط، وقليلاً ما يُستخدم لخطوط التوتر المنخفض.

3 - الأبراج المعدنية steel towers or pylons: وتُصنع على شكل هيكل عريض القاعدة ضيق الرأس، يُركَّب من الزوايا الفولاذية المغلفنة.

تُستخدم الأبراج المعدنية لحمل خطوط التوتر المتوسط والتوتر العالي والتوتر العالي جداً، وتمتاز من غيرها من حوامل خطوط النقل العالية التوتر بخفة وزنها وعمرها الطويل نسبياً، إضافة إلى إمكان نقلها على شكل أجزاء وتجميعها في موقع التركيب.

أنواع أبراج الخطوط الهوائية لنقل الطاقة الكهربائية:

تُعدّ الأبراج المعدنية أكثر الحوامل استخداماً لخطوط النقل الهوائية العالية التوتر، حيث تُصنّف هذه الأبراج من حيث طبيعة وظيفتها إلى الأنواع التالية:

1 - أبراج التعليق suspension towers: وتسمى أيضاً «أبراج الاستقامة»، حيث تُصمّم هذه الأبراج لتتحمل ثقل النواقل وضغط الرياح على النواقل وجسم البرج مع حاملة العوازل، وكذلك عزم الفتل الناجم عن انقطاع أحد الأطوار (الشكل 1).

2 - أبراج الشد strain towers: وتستخدم أبراج الشد لتخفيف الحمل عن أبراج التعليق ولتسهيل عملية تعليق النواقل على الحوامل، وكذلك لاختصار تكاليف الخط حيث تُركَّب عدة أبراج تعليق بين حاملي شد، ويُحدَّد عددها تبعاً لطبوغرافية الأرض التي يمر فوقها الخط، إذ إن كلفة برج الشد أكبر من كلفة برج التعليق.

يُصمَّم برج الشد بحيث يتحمل أحمال أبراج التعليق التابعة له، إضافة إلى العزوم الناجمة عن انقطاع طور واحد أو أكثر (طور واحد بحسب المواصفات الفرنسية، وطور التأريض وناقله بحسب المواصفات الإنكليزية).

3 - أبراج الزاوية angle towers: وتُركَّب عند انعطافات مسار الخط، تكون هذه الأبراج عادةً أقوى من النوعين السابقين، إذ عليها أن تتحمل محصلة شدّ النواقل على طرفي البرج، وكلما صغرت زاوية الانعطاف كبرت قوة هذه المحصلة (الشكل 2).

4 - أبراج التفريع branching-off towers: يُستخدم هذا النوع من الأبراج عندما يكون هناك حاجة إلى انبثاق خط نقل فرعي من الخط الرئيسي لتغذية منطقة معينة، وتُصمَّم هذه الأبراج لتتحمل قوة الشد الناجمة عن وجود الخط الفرعي إضافة إلى حمولته الأساسية بحسب وظيفته: برج تعليق أو برج شد أو برج زاوية.

5 - أبراج خاصة special-purpose towers: وتُستعمل لأغراض خاصة، مثل أبراج تبديل النواقل conductors transposition وأبراج عبور الأنهار والأودية والسكك الحديدية، وتتميز هذه الأبراج بضخامتها ومتانتها العالية إضافة إلى تنوع أشكالها بحيث تلائم الغرض الذي صُنعت لأجله (الشكل 3).

الشكل (3)

الشكل (2) الشكل (1)

تصميم الأبراج:

تُصمَّم أبراج خطوط نقل القدرة الكهربائية بحيث تتحمل جميع القوى المؤثرة فيها - الداخلية والخارجية المنشأ - مع عامل أمان يصل حتى قيمة2,5 ، إذ تؤثر في هذه الأبراج قوى شد النواقل وأثقال النواقل والعوازل وحاملاتها، إضافة إلى ثقل البرج نفسه، وتسمى هذه القوى المؤثرة «القوى الداخلية المنشأ». أما «القوى الخارجية المنشأ» فتتمثل بقوى ضغط الرياح على النواقل والعوازل وحاملاتها وعلى البرج نفسه، إضافة إلى وزن الجليد الممكن تشكله على مكونات الخط كلها، وكذلك القوى الشاقولية الناجمة عن فرق المنسوب بسبب الطبيعة الطبوغرافية للأرض التي يمر فوقها الخط، كما يجب أن تؤخذ في الحسبان القوى الناجمة عن انقطاع النواقل. ومع كل هذه القوى المؤثرة يُراعى في تصميم البرج أن يكون خفيف الوزن ما أمكن لاختصار تكاليف التصنيع والنقل والتركيب.

يُستعمل في بناء أبراج خطوط النقل العالية التوتر الفولاذ من ماركة(St- 37 kg/mm) ، علماً بأنه قد استُخدمت مؤخراً أنواع حديثة من الفولاذ العالي المتانة (St- 52 kg/mm) وخاصة لعناصر الأبراج المشدودة أو ذات النحافة المنخفضة.

ونظراً لتأثر هذا الفولاذ بالأكسدة فإنه من الضروري وقايته من العوامل الجوية (رطوبة، أمطار، ثلوج،…)، ويجري ذلك بإحدى الطرائق الآتية:

1 - استعمال فولاذ غير قابل للصدأ stainless steel، إلا أن أسعاره مرتفعة إضافة إلى صعوبة تشغيله؛ لذا يُفضَّل حصر استخدامه في قطع محدَّدة من البرج.

2 - استعمال سبيكة الحديد - النحاس، حيث تُضاف نسبة مئوية صغيرة إلى الحديد من النحاس. يقاوم هذا النوع من السبائك الصدأ مقاومةً أفضل من الفولاذ العادي، ونظراً لأن أسعاره مقبولة فقد شاع استعماله، ولكن على الرغم من مقاومته الجيدة للصدأ يُفضل أن يدهن بطبقة من الدهان.

3 - الطلي بالمعادن، حيث يُطلى الفولاذ بمعدن مقاوم للصدأ، وتحمي هذه الطريقة البرج مدة 50 سنة أو أكثر، إلا أن هذه الطريقة مرتفعة التكاليف، ولذا يجري أحياناً طلي الجزء العلوي فقط من البرج الذي يصعب الوصول إليه لصيانته.

 تكون سماكة الطبقة الواقية بين 0,1 و0,3 مم في حالة الطلي بالتوتياء (الزنك)، ونحو 0,2 مم في حالة الطلي بالرصاص.

4 - الطلي بالدهان، حيث يُدهن الفولاذ بطبقتين: الأولى من الرصاص الأحمر (السيرقون)، والثانية تصنع من مواد بلاستيكية لحماية طبقة الدهان الأولى. وتستلزم هذه الطريقة إعادة طلي البرج كل 5-10  سنوات، وذلك تبعاً للظروف المناخية على مسار الخط.

كما تُصمَّم أبراج خطوط النقل العالية التوتر لتقاوم الشروط المناخية القاسية من رياح شديدة وجليد، حيث تصمَّم الأبراج عادةً على أساس إحدى الفرضيتين المناخيتين: فرضية الربيع وفرضية الشتاء أيهما أقسى، ففي فصل الربيع تشتد سرعة الرياح، وفي الشتاء يزداد سمك الجليد المتراكم على النواقل والعوازل وحاملاتها فتكبر سطوحها المعرضة لضغط الرياح ومن ثَمَّ تزداد قوة ضغط الرياح على مكوِّنات الخط، علماً بأن التسجيلات الإحصائية للمناخ في سورية ترجح فرضية الربيع عند تصميم خطوط النقل، حيث تُعتمَد قوة ضغط الرياح على النواقل بمقدار 48 كيلو غرام على المتر المربع أساساً لحساب جميع مكونات الخط.

تجميع الأبراج وتركيبها:

تُصنع أبراج خطوط النقل العالية التوتر عادةً على شكل أجزاء توصل بعضها ببعض في موقع نصب البرج بوساطة وصلات خاصة تُثبَّت ببراغي شدّ بالقياس والعدد المناسب.

يكون عدد هذه الأجزاء في الغالب ثلاثة: الجزء القاعدي والجزء الجذعي والجزء الرأسي، حيث يُغمر قسم من الجزء القاعدي في قاعد البرج الإسمنتية، ويحدَّد طول هذا القسم تبعاً لطول البرج الكلي ولقوة تحمله. أما الجزء الرأسي فتُثَبَّت عليه حاملة العوازل التي بدورها تحمل العوازل ونواقل الخط.

تُنفّذ قواعد أبراج خطوط النقل من الإسمنت المسلح وتُحدّد أبعادها بحيث توفر استقرار البرج في أقسى ظروف تحميله ولمختلف أنواع التربة في موقع نصب البرج (تربة قوية، تربة متوسطة، تربة ضعيفة)، وتُصمَّم هذه القواعد على شكلين:

1 -القواعد الكتليةblock foundations: حيث تشترك القوائم الأربع للبرج في قاعدة واحدة، ويُستخدم هذا النوع من القواعد لأبراج التوتر المتوسط (حتى 66 كيلو فولط) حيث تكون الأبعاد بين قوائم البرج صغيرة نسبياً.

2 -القواعد المنفصلةspread foundations: ويُستخدم هذا النوع من القواعد لأبراج التوتر العالي (220 و 400 كيلو فولط) حيث تكبر الأبعاد بين قوائمها، وفي هذه الحالة تُصبُّ لكل قائمة من قوائم البرج قاعدة خاصة بها.

وعموماً، تُصمَّم قواعد أبراج خطوط النقل لتتحمل جميع القوى الشاقولية والأفقية التي تقع عليها، وكذلك العزوم المؤثرة فيها نتيجة القوى المؤثرة في عناصر البرج وبعامل أمان مقبول بحسب النظم القياسية العالمية.

أما حاملات العوازل cross arms فتُصنَع من المعدن ذاته الذي تُصنع منه الأبراج، وهي التي تحمل العوازل insulators التي تقوم بعزل النواقل كهربائياً عن جسم البرج.

تأخذ حاملات العوازل عدة أشكال لكل منها حسابه الخاص، إلا أنه في جميع الأحوال يجب أن تُصمّم لتتحمل جميع القوى التي تقع عليها، حيث تُصنَّف هذه القوى إلى قوى شاقولية vertical forces ناجمة عن وزن الحاملة نفسها ووزن العوازل ومتمِّماتها وأوزان النواقل والجليد المحتمل تشكّله عليها، إضافة إلى القوى الناجمة عن فرق المنسوب ووزن عامل الصيانة ومعداته، وتقدر بـ 100 كيلو غرام، وإلى قوى أفقية طولانية longitudinal forces في اتجاه محور النواقل ناجمة عن شدِّ النواقل، وإلى قوى أفقية عرضانية transverse forces تنجم عن ضغط الرياح، ويكون اتجاه هذه القوى عمودياً على محور النواقل. ويجب أخذ جميع هذه القوى في الحسبان عند تصميم حاملات العوازل لخطوط النقل بعامل أمان مقبول بحسب النظم القياسية العالمية.

 

 هاشم أبو الخير

 

مراجع للاستزادة:

- J. Glover, M. S. Sarma , And T. Overbye, Power Sys­tem Analysis and Design, Cengage Learning, 5th Edition, 2011.

- M. S. Naidu , High Voltage Engineering, McGraw-Hill Publisher, 2009.

 




التصنيف : الهندسة الكهربائية
النوع : الهندسة الكهربائية
المجلد: المجلد الأول
رقم الصفحة ضمن المجلد : 20
مستقل

البحوث الأكثر قراءة

للحصول على اخبار الموسوعة

عدد الزوار حاليا : 24
الكل : 2801489
اليوم : 2053

الانتحاء

 الانْتِحا الانْتِحا الانتحا الضوئي Phototropism الانتحا الأرضي الانتحا المائي الانتحا اللمسي thigmotropism الانتحا tropism هو إحدى حركات النبات اللاإرادية involuntary الموجَّهة استجابة لمصدر تنبيه stimulation خارجي غير متناظر. إن النباتات غير قادرة بطبيعتها على تغيير مكانها إلا ما ندر؛ الأمر الذي يفرض عليها عندما تنمو في شروط غير ملائمة أن تغيّر اتجاه نموها بحيث تصل إلى أماكن ذات شروط أفضل للنمو من حيث توفر الضو والما والحرارة والأكسجين وغير ذلك. ولكي تفعل ذلك لا بد لها أن تتمتع بالمقدرة على تحري مواضع الشروط الفضلى كي توجه نموها في الاتجاه المناسب «أي إنها تتحرك». ولعل...

المزيد »

المجلدات الصادرة عن موسوعة التقانة :