استفاده از کامپوزیت الیاف شیشه در بازوهای عرضی (کراس آرم) دکل های برق

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
استفاده از کامپوزیت الیاف شیشه در بازوهای عرضی (کراس آرم) دکل های برق، خطر آتش سوزی را کاهش می دهد.


یکی از چالش های بزرگی که صنعت برق با آن مواجه است، بروز آتش سوزی در نوک دکل های برق می باشد. اگر هنگام طراحی و تولید دکل های مذکور از مواد مناسب استفاده گردد، این خطر کاهش می یابد. برخی از شرکت های برق برای کاهش خطر آتش سوزی، در بازوهای عرضی دکل های انتقال و توزیع برق، از الیاف شیشه استفاده می کنند. بازوی عرضی (کراس آرم) نسبت به پایه دکل به صورت متقاطع قرار می گیرد و علاوه بر نگهداری هادی ها و مقره بر روی تیر برق، هادی ها را از یکیدیگر جدا نگاه می دارد. بازوی عرضی در رأس تیر قرار دارد و به عنوان یک سازه باربر، وزن سیم ها (نیروی استاتیکی) را تحمل می کند. ضمناً بازوی عرضی در برابر تنش های دینامیکی ناشی از بار باد، یخ و برف و در مقابل تنش های وارد بر سیم در اثر نشست و برخاست پرندگان نیر مقاومت می نماید.
بازوهای عرضی، یکی از قسمت های عرضی یک دکل انتقال برق فشار متوسط (20 الی 33 کیلوولت) می باشند که در نوک دکل های برق قرار دارند. در گذشته بازوهای عرضی دکل های برق را از چوب می ساختند. اما امروزه آنها را باستفاده از فولاد یا الیاف شیشه تولید می کنند. بازوهای عرضی چوبی، زیست تجزیه پذیر هستند و به همین علت در اثر حمله قارچ ها و باکتری ها دچار پوسیدگی می گردند و به تدریج از بین می روند. به گفته مدیر پروژه تولید بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه، که از کارکنان شرکت برق ایالت کلورادو می باشد، تجمع مواد آلاینده بر روی مقره های چینی و چوبی، منشأ بیشتر آتش سوزی هایی است که در دکل های برق رخ می دهد. به نظر او خاکستر ذغال سنگ، نمک، آلودگی های هوا و یا گردوخاکی که هنگام وزش بادهای تند بر روی مقره ها می نشیند، باعث میشوند در نوک دکل های برق حریق ایجاد شود. این مشکلی است که معمولا شرکتهای برق با آن روبرو هستند. زیرا یک نم باران می تواند با آلودگی هایی که روی مقره نشسته، ترکیب شود و مولکول های آن با یکدیگر پیوند برقرار کنند. قطرات آب، رسانای الکتریکی هستند و بار الکتریکی سیم های برق را به بازوی عرضی منتقل می کنند. در نتیجه بین سیم ها و بازوهای عرضی، جریان نشتی به وجود می آید. لازم به ذکر است که جریان نشتی جریانی است که از دکل برق به زمین نشت می کند. تحت این شرایط اگر بازوی عرضی از جنس چوب باشد، بین مقره و پیچ و مهره ای که برای اتصال بازوی عرضی به نوک دکل مورد استفاده قرار گرفته است، تخلیه الکتریکی صورت میگیرد. بیشتر آتش سوزی های دکل های برق از همین نقطه شروع می شوند. زیرا سطح تماس پیچ و مهره با دکل بسیار کوچک است و مقاومت الکتریکی مقره بسیار بالا می باشد. اگر محل اتصال بازوی عرضی با دکل مرطوب باشد، در اثر تخلیه الکتریکی، این ناحیه به سرعت مشتعل می گردد. توضیح اینکه مقره وسیله ای است که اجازه نمی دهد جریان برق از هادی به پایه تیر چراغ برق منتقل شود.
طبق تحقیقاتی که در آزمایشگاه فشار قوی دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه می سی سی پی استیت صورت گرفت، در آب و هوای مرطوب، چوب در مقابل جریان برق متناوب از خود مقاومت الکتریکی پایینی نشان میدهد. ضمناً در چنین شرایط آب و هوایی، نسبت استحکام به وزن چوب پایین می آید. در کنفرانس مهندسی برق که در سال 2008 میلادی برگزار شد، چند دانشگاه از کشور استرالیا شرکت داشتند که آنها نیز به همین مورد اشاره نمودند. به نظر آنها هرچه رطوبت چوب بیشتر باشد، خاصیت عایق الکتریکی آن کاهش می یابد و در نتیجه خاصیت رسانایی الکتریکی آن افزایش پیدا می کند. اگر روی تیرهای چوبی، نمک و یا گرد و خاک وجود داشته باشد، رسانایی الکتریکی آن باز هم افزایش می یابد. هرچه که چوب خاصیت رسانایی بیشتری پیدا کند، خطر آتش سوزی نیز بالاتر می رود.
بازوهای عرضی دکل های برق که با استفاده از کامپوزیت الیاف شیشه تولید شده اند، با مرور زمان رنگ اولیه خود را از دست داده اند اما هنوز سطح آنها صاف است، نمک، گرد و غبار و آلودگی های هوا روی آن ننشسته است و 100% آب گریز باقی مانده اند. برعکس، بازوهای عرضی دکل های برق که از جنس فولاد می باشند، تحت هر شرایط آب و هوایی، رسانای الکتریکی هستند. بنابراین نمی توانند عایق الکتریکی خوبی باشند اما بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه، هم عایق الکتریکی خوبی هستند و هم از نسبت استحکام به وزن بالایی برخوردار می باشند. به علاوه طول عمر بازوهای عرضی کامپوزیتی بیش از 60 سال است و در شرایط آب و هوایی خشک یا مرطوب از خود عملکرد بالایی نشان می دهند.
تا اینجا معلوم شد اگر به علت وجود آلودگی یا رطوبت، خاصیت عایق الکتریکی بازوهای عرضی چوبی کاهش یابد، جریان نشتی نیز زیاد می شود.
این امر به علاوه عوامل دیگر سبب می گردند که در نوک دکل، دما افزایش یابد و حریق رخ دهد. به همین دلیل شرکتهایی نظیر شرکت برق کلورادو اسپرینگز، در دکل های برق خود از بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه استفاده می کنند.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
پیشرفت هایی که در تولید دکل های برق به وجود آمده است
طول عمر دکل های کامپوزیت الیاف شیشه تقریباً دو برابر نمونه های چوبی است و در برابر خسارات طبیعی نظیر فضولات پرندگان، حمله موریانه، پوسیدگی و کپک به خوبی مقاومت می کنند. به علاوه کامپوزیت های الیاف شیشه از خاصیت عایق الکتریکی بالایی برخوردار می باشند. دلایل مذکور سبب شده اند که از سال ها پیش صنعت برق در لوازمی نظیر نردبان ها، دستگاه چسب حرارتی و آچارها به جای چوب، از الیاف استفاده نماید و به این ترتیب عملکرد و طو عمر آنها را افزایش دهد. به گفته مدیر فروش شرکت پی یو پی آی، بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه در مقایسه با نمونه های چوبی و فولادی از کیفیت بالاتری برخوردار می باشند. به همین خاطر در صنعت برق استفاده از آنها رواج پیدا کرده است. بازوهای عرضی کامپوزیتی با توجه به حداکثر اضافه ولتاژ ممکن، طراحی شده اند بنابراین خطر آتش سوزی در نوک دکل های برق را کاهش می دهند. کامپوزیت الیاف شیشه در سازه هایی که به استحکام و خواص عایق الکتریکی بالا نیاز دارند، مورد استفاده قرار می گیرند. به همین علت برای بالا بردن استحکام بازوهای عرضی دکل های برق، آنها را با استفاده از کامپوزیت پلاستیک تقویت شده با الیاف ممتد شیشه و با فرآیند پالتروژن تولید می کنند.


با گذشت زمان سطح بازوهای عرضی چوبی به شدت پوسیده می شود و در معرض مواد آلاینده قرار میگیرد.
آزمایشگاه فشار قوی دانشگاه می سی سی پی استیت پیشنهاد کرده است که به رزین گرمانرم بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه، مواد افزودنی نظیر بازدارنده واکنش، اضافه گردد تا کامپوزیت مذکور در مجاورت با نور خورشید در فعل و انفعالات شیمیایی شرکت نکند و دچار پوسیدگی نگردد. به علاوه سطح خارجی بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه با روکشی از رزین پلی اورتان پوشش داده می شود و تمام محل های اتصال بازوی عرضی به دکل برق، آب بندی می گردد تا رطوبتی در آن نفوذ نکند.
ضمناً سطح کامپوزیت الیاف شیشه به گونه ای طراحی می گردد که آب گریز شود. به این ترتیب اگر بازوی عرضی کامپوزیت الیاف شیشه کثیف گردد، خود به خود تمیز می شود. به علاوه کامپوزیت مذکور در برابر نفوذ ترکیبات خورنده مقاوت خواهند نمود بنابراین دچار ترک خوردگی نمی گردد.
برخی تولید کنندگان برای بالا بردن عملکرد بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه، آنها را روکش می کنند. به عنوان مثال شرکت پی یو پی آی برای بازوهای عرضی دکل های برق یک روکش ضد اشعه ماروراء بنفش تولید کرده است که با نام تجاری سان گارد شناخته می گردد. روکش مذکور گواهینامه ثبت اختراع دریافت نموده است و با استفاده از چسب حرارتی روی بازوهای عرضی می چسبد. این روکش روی بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه یک لایه محافظ اشعه ماوراء بنفش تشکیل می دهد. به همین علت طول عمر کامپوزیت مذکور افزایش می یابد. به علاوه استفاده از این روکش سبب می گردد که آب و دیگر مواد شیمیایی به داخل بازوی عرضی نفوذ نکنند. به این ترتیب احتمال بروز ترک در آن به حداقل می رسد. در روکشی که شرکت پی یو پی آی تولید کرده است، بیشتر از مواد معدنی استفاده شده است. بنابراین بازوهای عرضی که با آن روکش می شوند، در مقابل حریق به خوبی مقاومت می کنند و در صورت آتش گرفتن، خود به خود خاموش می شوند. ضمناً مواد معدنی مذکور شره نمی کنند و پس از خاموش شدن آتش، از خود خاصیت فسفرسانس نشان نمی دهند. لازم به ذکر است که فسفرسانس از جمله خواص فیزیکی برخی مواد نظیر فسفر، سولفید باریم و سولفید کلسیم است. این مواد نور با طول موج معینی را جذب کرده و آن را با طول موج بلندتری می تابانند. مواد مذکور پس از قرار گرفتن در مقابل نور مرئی یا حرارت، تحریک شده و انرژی نور (انرژی الکترومغناطیسی) یا حرارت را در خود ذخیره می کنند و سپس طی مدت زمان مشخصی، انرژی ذخیره شده را منتشر می کنند.


آزمایش بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه

در اوایل سال 2010 میلادی یک دکل برق چوبی که در نزدیکی شرکت برق کلورادو اسپرینگز قرار داشت، آتش گرفت و فروریخت. این حادثه باعث شد که در ساعات پر تردد، در بزرگراه بین ایالتی 1-25 (واقع در آمریکا) که محل سقوط دکل برق مذکور بود تا کیلومترها ترافیک سنگینی ایجاد شود. به علاوه این آتش سوزی سبب گردید که دانشکده نیروی هوایی که نزدیکی آن محل قرار داشت، به مدت یک ساعت در خاموشی به سر برد. شرکت مشاوره ای تورس (واقع در شهر ونکوور کانادا) علت اصلی این آتش سوزی را تجمع کلرید منیزیم (نمک جاده) بر روی مقره و بازوی اصلی دکل برق اعلام کرد که باعث ایجاد نشتی شده بود. این عامل به اضافه تخلیه الکتریکی که بین سیمهای برق و پایه دکل رخ داده بود، سبب گردید که بازوی عرضی چوبی دچار حریق گردد.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه، سطحی هموار دارند و نسبت به آلودگی هایی که روی آنها می نشیند، مقاوم می باشند
در حادثه بزرگراه بین ایالتی 1-25 ، آتش گرفتن بازوی عرضی چوبی سبب گردید که آتش به مقره و سیم های دکل برق سرایت کند و دکل فرو بریزد. شرکت تورس اعلام کرد که آتش سوزی در بازوی عرضی نوک دکل سبب گردید که در هادی های دکل، جرقه ای ایجاد شود و قطعات دیگر نیز آتش گرفته و ذوب شوند. همین امر سبب گردید که دکل برق سقوط کند و بزرگراه بین ایالتی 1-25 را مسدود نماید.
بروز چنین شکست سنگینی در دکل برق شرکت کلورادو اسپرینگز سبب گردید تا گروه تحقیقاتی این شرکت مطالعاتی انجام دهد و برای پیشگیری از چنین اتفاقی راه حلی پیدا کند. شرکت کلورادو اسپرینگز از شرکت پی یو پی آی خواست تا در این تحقیقات به آنها کمک کند. البته شرکت تورس هم به این گروه تحقیقاتی مشاوره می داد. زیرا این شرکت مشاوره ای، قبلاً نیز با یک شرکت برق در استان آلبرتا (واقع در کانادا) همکاری کرده بود. در آن زمان 80 دکل برق شرکت مذکور، ظرف دو روز آتش گرفته بودند. برای تعمیر دکل های مذکور و برای جلوگیری از تکرار چنین حادثه ای، 10،000 بازوی عرضی چوبی تمام این دکل ها، با نمونه کامپوزیت الیاف شیشه جایگزین شدند. از آن تاریخ به بعد، هیچ یک از دکل های مذکور دچار آتش سوزی نشدند.
بعد از اجرای موفقیت آمیز این پروژه، شرکت تورس پیشنهاد کرد که شرکت کلورادو اسپرینگز نیز تمام بازوهای عرضی دکل های خود را با کامپوزیت الیاف شیشه شرکت پی یو پی آی جایگزین نماید. شرکت برق کلورادو اسپرینگز ظرف دو سال تمام بازوهای عرضی دکل های برق خود را با نمونه کامپوزیت الیاف شیشه جایگزین کرد و در حال حاضر نیز کامپوزیت مذکور در تولید بازوهای عرضی دکل های برق این شرکت به عنوان یک ماده پذیرفته شده (استاندارد) مورد استفاده قرار می گیرد.

بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند
به گفته شرکت مشاوره ای تورس، در صورتی که بر روی بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه، مقره هایی از جنس لاستیک سیلیکون قرار گیرد، دکل برق دچار آتش سوزی نمی گردد. استفاده تواماً از الیاف شیشه و لاستیک سیلیکون سبب می گردد که خطوط انتقال برق آتش نگیرد و فرو نریزد.
مدیر عامل شرکت پی یو پی آی معتقد است که بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه از خواص ویژه ای برخوردار هستند و این امر سبب می گردد که نسبت به نمونه های دیگر کمتر دچار حریق گردند. ضمناً از آنجا که چوب، آب جذب می کند، با گذشت زمان، بازوهای عرضی چوبی متورم گشته و ترک بر می دارند اما کامپوزیت الیاف شیشه آب جذب نمی کند، بنابراین با گذشت زمان ترک بر نمی دارد. به همین دلیل روی بازوهای عرضی کامپوزیتی مواد آلاینده جمع نمی شوند و در نتیجه در سراسر خطوط انتقال و توزیع برق، مقاومت در برابر حداکثر اضافه ولتاژ ممکن افزایش می یابد. لازم به ذکر است که رعد و برق و عمل کلید زنی اضافه ولتاژ را به وجود می آورند. از طرف دیگر ممکن است اضافه ولتاژ بسته به شرایط مدار تولید شود و برای مدت طولانی بر مدار تحمیل گردد. حداکثر اضافه ولتاژ سبب خرابی عایق الکتریکی (مقره) می گردد و به هادی های انتقال ولتاژ بالا خسارت وارد می کند.
بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه با گذشت زمان هم، در برابر جریان نشتی و در برابر آثار سوء مواد آلاینده از خود مقاومت بالایی نشان می دهند. به علاوه از آنجا که بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه در مقابل حریق مقاومت می کنند و پس از بر طرف کردن عامل ایجاد آتش سوزی، خود به خود خاموش می شوند، خسارت ناشی از حریق در نوک دکل های برق به طور چشمگیری کاهش می یابد.
تا کنون شرکتهای برق از بازوهای عرضی کامپوزیت الیاف شیشه راضی بوده اند. بنابراین می توان برای کاهش دادن خطر آتش سوزی در دکل های برق، همچنان از محصولات مذکور استفاده نمود.


منبع: موسسه کامپوزیت ایران- نشریه الکترونیکی کامپوزیت
 
بالا