فصل اول

تحليل ، بررسي و مقايسه خواص هاديهاي مس و آلومينيوم

۱-۱- مقدمه

شينها معمولا” از مس( e-al) ساخته مي شوند. در حال حاضر در سطوح ولتاژ kv20 33kv , و ۰٫۴kv اغلب از شينهاي مس استفاده ميشود.از آنجائيكه در جداول استاندارد ارائه شده در استانداردهاي مختلف هم براي هاديهاي مسي هم براي هاديهاي آلومينيومي مقاطع استاندارد ارائه شده است بنابراين لازم است كه مطالعه و بررسي جهت مقايسه خواص الكتريكي مكانيكي و حرارتي مس و آلومينيوم انجام شودتا بتوان در صورت امكان و اقتصادي بودن از شينهاي آلومينيومي بجاي شينهاي مسي استفاده كرد.

در اين پروژه تحقيقاتي- اجرايي در ابتدا مهمترين خواص عمومي مواد اين هاديها را مورد تجزيه و تحليل قرار مي دهيم آنگاه فرمولهايي جهت مقايسه خواص دو هادي استخراج كرده سپس پارامترهاي مؤثر در باردهي شين را بيان مي كنيم.و در ادامه اثرات اتصال كوتاه را مورد مطالعه قرار ميدهيم و در پايان محسبات الكتريكي مكانيكي و حرارتي را بر روي يك سيستم فرضي و يك سيستم واقعي براي دو حالت استفاده از شين مسي و استفاده از شي آلومينيومي انجام مي دهيم.

۱-۲-بررسي و مقايسهء خواص هاديهاي مس و آلومينيوم

در جدول(۱-۱) و(۱-۲) خواص عمومي هاديهاي مس و آلومينيوم و آلياژ آلومينيوم بصورت كامل آمده است در جدول (۱-۳) اثرات حرارت روي استحكام آلومينيوم آورده شده است و در جدول (۱-۴) مهمترين

خواص هاديهاي مس و آلومينيوم بيان گرديده است و در جدول (۱-۵) مس و آلومينيم در شرايط مختلف با هم مقايسه شده اند.

خصوصيت

مس
(E-CU ) آلومينيوم خالص
(E-AL) آلياژ
(E-AL Mg si 0/5)
چگالي kg/dm3 8.9 2.7 2.7

ضريب هدايت درm/20 c mm2 Ω ۵۶ ۳۵ ۳۰
ضريب هدايت در c 60 Ωmm2 m/ 48 30 26
چگالي /ضريب هدايت Ωmm2/m 3.6 13 11

مقاومت مخصوص در۲۰c Ωmm2/m 0.0178 0.0286 0.0333
ضريب حرارت مقاومت الكتريكي بينc 1 تا c 100 k 0.0038 0.004 0.0036
نقطه ذوب c 1083 658 630

گرماي ذوب /g ws 181.28 386.86 376.81
متوسط گرماي مخصوص بين c 1 تا c 100 /kg ws 0.393 0.92 0.92
ضريب هدايت حرارتي بين c 1 تا c 100 ws/cm.s.k 3.85 2.2 1.9
متوسط ضريب انبساط بين c 1 تا c 100 mm/m.k 0/017 0/024 0/023

مدل يانگ(ضريب انبساط) N/mm2 11000 65000 70000
شدت جريان حد حرارتي N/mm2 154 102 89
شدت جريان ذوب N/mm2 3060 1910 1690

جدول (۱-۱)مهمترين خاص عمومي مواد هاديهاي AL وCU

هادي

استقامت كششي

rm
n/mm2 ضريب الاستيسيته

e
n/mm2 حد ريزش
rp .2 rp .2
min max

n/mm2
ضريب سختي

n/mm2
ضريب هدايت در c c ْ۲۰
mm2 m/
minimum
مس
E-CU F 20 200 104*11 120 . – 450…۷۰۰ ۵۷
E-CU F 25 250 104*11 290 200 700…۹۵۰ ۵۶
E-CU F 30 300 104*11 360 250 800…۱۰۵۰ ۵۶
E-CU F 37 370 104*11 400 330 950…۱۱۵۰ ۵۵
آلومينيوم
E-CU F 6 65.70 104*6.5 80 25 200…۳۰۰ ۳۵٫۴
E-AL F 8 80 104*6.5 100 50 220…۳۲۰ ۳۵٫۲
E-AL F 10 100 104*6.5 120 70 280…۳۸۰ ۳۴٫۸
E-AL F 13 130 104*6.5 160 90 320…۴۲۰ ۳۴٫۵
E-AL F 10 100 104*6.5 – 70 280…۳۰۰ ۳۴
آلياژ آلومينيوم
e-al mg si .5f 17 170 104*7 180 120 450…۶۵۰ ۳۲
e-al mg si .5f 22 220 104*7 240 160 650…۹۰۰ ۳۰
آلومينيوم با روكش مس ۱۳۰ ۱۰۴*۸ ۱۳۰ ۱۰۰ – ۴۲٫۵

جدول (۱-۲(

حرارت ۲۰ ۱۰۰ ۱۶۰ ۲۵۰
مقاومت كششي ۹۰…۱۳۰ ۹۰…۱۲۰ ۸۰…۱۱۰ ۳۰…۷۰
حد كشش ۸۰…۱۲۰ ۸۰…۱۱۰ ۷۰…۱۰۰ ۳۰…۶۰

جدول(۱-۳) اثر حرارت روي استحكام آلومينيوم

مشخصات
مس(e-cu)

آلومينيوم (E-AL) آلياژ آلومينيوم
(E-AL Mg si 0/5)
وزن مخصوص kg/dm3
قابليت هدات الكتريكي در c ْ۲۰ Ωmm2 m/
قابليت هدات الكتريكي در c ْ۶۰ Ωmm2 m/
مقاومت مخصوص در c ْ۲۰ m / Ωmm2
قابليت هدايت حرارتي بين ۱ تا c ْ۱۰۰
ضريب ازدياد طول بين ۱ تا c ْ۱۰۰، mm/m
استقامت كششي متوسط N/mm2 8.9

۵۶

۴۸

۰٫۰۱۷۸

۰٫۹۲

۰٫۰۱۷

۳۰۰ ۲٫۷

۳۵

۳۰

۰٫۰۲۸۶

۰٫۵۵

۰٫۰۲۲

۱۰۰ ۲٫۷

۳۰

۲۶

۰٫۰۳۳۳

۰٫۴۵

۰٫۰۲۳

۲۰۰

جدول(۱-۴)

• آلومينيوم در برابر مقايسه با مس داراي خواص به شرح زير مي باشد.
AL CU
سطح مقطع در افت اختلاف سطح برابر
سطح مقطع در ازدياد حرارت برابر ناشي از عبور جريان
ازديا طول ۱۰ متر شين مستقيم د ر ۶۰ = ᇫt
سطح مقطع در استقامت خمشي برابر
وزن در ازدياد حرارت برابر ناشي از عبور جريان
فاصله شين ها و پايه ها ۱٫۶ ۱
۱٫۴ ۱
۱۵mm 10mm
2.2-1.9 1

۰٫۴۲ ۱

۱ ۱

جدول(۱-۵)

با توجه به جداول فوق و مقايسهء آنها با هم ميتوان به نتايج زير دست يافت.

 استقامت استاتيكي آلومينيوم زيادتر از مس است زيرا در ضمن اينكه مقطع آن نسبت به مس بزرگتر

است وزن آن كمتر مي باشد.

 تحمل ديناميكي آلومينيوم و مس با هم برابر است زيرا اگر چه استقامت آلومينيوم كمتر است ولي

در عوض سطح مقطع آن بزرگتر است.

 ازدياد درجه حرارت توسط ازدياد شدت جريان و يا جريان اتصال كوتاه در آلومينيوم كمتر است

زيرا جريان مخصوص آلومينيوم كمتر از مس است و تشعشعات حرارتي و تبادل حرارتي آن بهتر

است.

 آلومينيوم در موقع جرقه زدن و سوختن ايجاد خاكستر زياد نمي كند و چون جسم باقيمانده هادي

الكتريسيته نمي باشد به مقره ها و پايه هاي عايق شين آسيب نمي رساند.

 مس در مقابل بخار گوگرد خيلي حساس است . مس و گوگرد در هواي آزاد با هم تركيب مي

شوند و سپس ايجاد اكسيد مس(cu2o) مي كند كه داراي قابليت هدايت بسيار كمي است و با-

عث مي شود كه بخصوص در كنتاكها اگر دائماً قطع و وصل نشود عمل كنتاكت دهي وهدايت

جريان را مختل مي كند.

 آلومينيوم گر چه در مقابل اسيد كلريد ريك و اسيد سولفوريك و آمونياك با ثبات است ولي بعلت

ناپايدار بودن درمقابل بخار كلر و جيوه و بسياري از مواد شيميايي ديگر بايد در موقع بكار بردن

شين هاي مسي و يا آلومينيومي در تابلوهاي برق رساني كارخانجات شيميايي وقت و مطالعه كافي

انجام گيرد.

 آلومينيوم نسبت به مس شكل پذيرتر مي باشد، بنابر اين خم كردن وتغيير شكل آلومينيوم آسانتر از

مس مي باشد.

– معايب مهم آلومينيوم عبارتند از:
۱- اكسيداسيون سطحي
۲- فرو رفتن در اثر فشار و اثر الكتروليتي شديد .

۱-۳- مقايسه فرمولي خواص هاديهاي مس و آلومينيوم

۱-۳-۱- از نظر مشخصات الكتريكي :

در دو هادي با مقاومت الكتريكي يكسان ،وزن هاديهاي بكار رفته از رابطه زير تبعيت ميكند :
A B

دو هادي با مقاومت مساوي مي خواهيم بين A وB وصل نماييم:

R2 = R1

L:طول هادي S : سطح مقطع هادي

(۱)

(۲)

بعنوان مثال اگرKg 100 آلومينيوم با يك مقاومت الكتريكي داشته باشيم و بخواهيم بفهميم كه چند
كيلو گرم مس همين مقاومت را داراست داريم:

۱-۳-۲-از نظر مشخصات الكتريكي :

با مقاومتهاي مكانيكي يكسان دو هادي ، نسبت وزن هاديهاي بكار رفته از رابطه زير تبعيت مي كند:

۱S1σ = ۱S1σ مقاومت مكانيكي = σ

δ :حد گسيختگي

بعنوان مثال اگر يك هادي آلومينيومي به وزن ۱۰۰ Kg داشته باشيم و بخواهيم يك هادي مس با
همان مقاومت مكانيكي ايجاد كنيم:

CU:W1 AL:W2

نتيجه گيري:

در هدايت الكتريكي مساوي وزن هادي آلومينيومي از هادي مسي كمتر است (۵۰ %). در طول مساوي
با مقاومت مكانيكي يكسان وزن بكار رفته از مس كمتر خواهد بود.
(۷۶ % ) در طول مساوي و مقاومت اهمي برابر به لحاظ با لا بودن قطر آلومينيوم نسبت به مس ، در هادي آلومينيومي تبادل حرارت بهتر صورت مي پذيرد و علاوه بر آن پديده كرونا در اطراف هاديهاي آلومينيومي داراي شدت كمتري است .

فصل دوم

محاسبات اتصال كوتاه در سيستم

۲-۱-تعيين سطح مقطع شينها

در پستهاي فشار ضعيف فواصل شينها بستگي به جريان اتصال كوتاه شبكه (جريان ضربه اي)و مقطع شين بستگي به جريان نامي دارد.
براي تعيين و انتخاب شينهاي مسي و آلومينيومي معمو لاً از جداولي كه بدين منظور بر حسب شدت جريان
و باردهي شينها و درجه حرارت مجاز داده شده است استفاده مي شود.
باردهي شينهاي رنگ نشده قدري كمتر از شينهاي رنگ شده است(رنگ شده ۰٫۸۱ …… ۰٫۹ = رنگ شده I ) زيرا تشعشعات حرارتي شينهاي رنگ شده به مراتب بيشتر از شين رنگ نشده مي باشد و به همين جهت تقريباً هميشه و به همين جهت تقريباً هميشه از شينهاي رنگ شده به طريق زير استفاده مي شود.

P قرمز R زرد S سبز Tبنفش MP سفيد

در صورتي كه شينها به صورت افقي نصب شوند ، باردهي شينها بعلت تشعشع حرارتي نا مناسبتر و خنك شدن كمتر ،قدري كمتر خواهد شد.همينطور باردهي شينهايي كه بطور عمودي روي هم قرار مي گيرند نيز
از شينهايي كه در كنار هم در يك سطح قرار دارند قدري كمتر است. باردهي شينهاي افقي را ميتوان توسط جدول(۲-۱)بدست آورد :

ضريب a2 ضخامت و فاصلهء هوايي عرض شين تعداد شين ها
رنگ شده رنگ نشده شين
mm mm

۰٫۹۰ ۰٫۸۵ ۱۰ bis5 200 bis50 ▬ ۱
۰٫۸۵ ۰٫۸۰ ▬ ۲

۰٫۸۵ ۰٫۸۰ ۸۰ bis50 ▬ ۳
۰٫۸۰ ۰٫۷۵ ۱۲۰ ۰ bis5

۰٫۷۵ ۰٫۷۰ ۱۶۰ ▬ ۴
۰٫۷۰ ۰٫۶۵ ۲۰۰

جدول (۲-۱)

ضابطه ديگري كه در تعيين مقطع شين مورد توجه بايد قرار بگيرد ، ارتفاع پست فشار قوي يا تابلوي برق از سطح دريا مي باشد.
همانطوريكه مي دانيم هر چه ارتفاع ‌تأسيسات از سطح دريا بيشتر باشد ، بعلت كم شدن غلظت هوا تشعشعات حرارتي كمتر مي شود و در نتيجه باردهي شين مانند بقيه وسايل برقي چون ترانسفورماتور و غيره كم مي شود ، ضريب كم شدن باردهي شين طبق جدول (۲-۲) مي باشد:

ضريب ۴K ضريب ۴K ارتفاع از سطح دريا
در شبكه آزاد در شبكه محصور m
0.98 1.00 1000
0.94 0.99 2000
0.89 0.96 3000
0.83 0.90 4000

جدول (۲-۲)

در صورتيكه درجه حرارت محيط و يا درجه حرارت شين از مقاديري كه در جداول فوق داده شده است تجاوز نكند ، مي توان باردهي شين را توسط فاكتور k2 كه از شكل (۲-۱) بدست مي آيد تصحيح نمود . در اين شكل sθ درجه حرارت متوسط محيط در ۲۴ ساعت مي باشد . بطور مثال اگر درجه حرارت محيط Cºu θ=۳۵ و Cº۸۰=u θ ( ازدياد حرارت Cº۴۵ ) باشد ضريب تصحيح K2=1.24 خواهد بود. واگر درجه حرارت انتهايي شين Cº ۴۵=U θ و درجه حرارت انتهايي شين Cº ۶۵ =S θ (ازدياد حرارت Cº۲۰ ) باشد ضريب تصحيح K2 = 0.77 بدست خواهد آمد.

(شكل ۲-۱)

با آنچه كه گفته شد باردهي شين در شرايط خاص برابر است با:

K4 . K3 . K2 . K1 . جدول I = دايميI

در اين رابطه K1 عبارتست از ضريب هدايت شين كه بستگي به جنس شين دارد و براي آلومينيوم و مس از شكل (۲-۲) بدست مي آيد:

(شكل۳-۲)

K2 عبارتست از ضريب تصحيح ازدياد حرارت كه از شكل (۲-۱) بدست مي آيد و K3 عبارتست از ضريب ترتيب قرار گرفتن شينها بطور واقعي كه از جدول (۲-۱) برداشت مي شود و K4 عبارتست از ضريب ارتفاع تأسيسات از سطح دريا كه از جدول (۲-۲) برداشت مي شود.

۲-۲- مطالعه اثرات اتصال كوتاه

در مطالعه جريانهاي اتصال كوتاه در اثر بايد در نظر گرفته شود كه در انتخاب تجهيزات تأثير مستقيم دارد.

۲-۲-۱- اثر حرارتي

عبور جريان اتصال كوتاه از تجهيزات و قسمتهاي مختلف يك پست باعث ايجاد حرارت شده و طبيعي است كه مقدار حرارت ايجاد شده كه باعث افزايش درجه حرارت خواهد شد تابع زمان بوده ، بنابر اين در حد اكثر زماني كه پيش بيني مي شود وسايل حفاظتي قسمت معيوب را از شبكه جدا نمايد.( اگر زمان بيان نگردد يك ثانيه در نظر گرفته مي شود)

۲-۲-۲- اثر مكانيكي :

در اثر عبور جريان اتصال كوتاه از يك هادي ميدان مغناطيسي ايجاد مي گردد و چنانچه قسمتهاي حامل جريان در آن ميدان قرار گيرند تحت تأثير نيروهاي مكانيكي واقع خواهند شد بنابراين در اثر عبور جريان اتصال كوتاه نيروهاي مكانيكي ايجاد مي شود كه ممكن است امكان خم شدن و شكستن و از فرم اصلي خارج شدن و احيانـاًاز بين رفتن عايقها و ايجاد شكست الكتريكي را همراه اشته باشد.

چون اين نيرو به دامنه جريان بستگي دارد لذا حد اكثر كه تابع زمان نبوده مبنا قرار مي گيرد. معمولاً حداكثر (مقدار پيك اوليه) جريان اتصال كوتاه به پارامترهاي سيستم بستگي دارد . ( نسبت ) كه اين مقدار تقريباً ۲٫۵ برابر جريان اتصال كوتاه در نظر گرفته مي شود.

۱۴ ۸ ۴ ۲ ۱ X/R

۲٫۵۶

۲٫۳۸

۲٫۰۹

۱٫۷۶

۱٫۵

IP ديناميكي

Ith حرارتي

۲-۳-محاسبهء شبكه از نظر استقامت مكانيكي :

۲-۳-۱- نيروي وارده به شين و تكيه گاهها در اثر عبور جريان اتصال كوتاه

نيروي وارده بر دو سيم موازي برابر است با:

در اين رابطه /ACm VS . 10-9 μ۰ =۴π قابليت نفوذ فضاي خالي و i1 و i2 جريانهاي دو سيم موازي بر حسب آمپر و a فاصله دو سيم و L طول سيم مي باشد.

(۱)

و چون
است مي توان نوشت:

(۲)

در اين رابطه L و a بر حسب يكي از واحدهاي طول و i بر حسب آمپر مي باشد .
نيروي حاصله در اثر عبور جريان ، بطور يكنواخت بر روي سيم تقسيم مي شود . اين نيرو دافعه است اگر جهت جريانها در يكجهت با شند . رابطه (۱) و (۲) فقط در صورتي كاملاً صحيح است كه :
اولاً : طول سيمها نسبت به فاصله شان خيلي بزرگ باشد (۱۰> L/a )
ثانياً: فاصلهء بين دو سيم بيشتر از مقطع سيم باشد .
در صورتي كه شرايط فوق موجود نباشد نيروي محاسبه شده هميشه بزرگتر از نيروي حقيقي وارده بر سيم مي باشد .

۲-۳-۲-استقامت مكانيكي در اتصال كوتاه

نيرويي كه در اثر عبور جريان به سيم هاي موازي وارد مي شود در تمام طول سيم يكنواخت و برابر است و شين يا سيم را تحت نيروي خمشي قرار مي دهد در صورتي كه همين نيرو ايزولاتور تكيه گاهها را تحت فشار ، يا كشش يا حتي خمش قرار مي دهد و بدينجهت بايد استقامت شين ها و استقامت ايزولاتور و تكيه گاهها بطور جداگانه محاسبه شوند.

استقامت مكانيكي شينها طبق اصول مقاومت مصالح حساب مي شود و نظر به اينكه نيروي حاصله از جريان بطور مساوي در طول شين تقسيم مي شود. مي توان شين را بصورت پلي فرض كرد كه بار روي آن بطور مساوي تقسيم شده باشد . همانطور كه مي دانيم ماكسيموم مومان خمشی در پلی که بطور آزاد روی پايه ها قرار دارد برابر است با: (۳)
و در صورتيکه پل روی پايه ها محکم شده باشد برابر است با:
(۴)

معمولا” شينها صاف و مستقيم هستند و با تکيه گاههای خود اتصال نقطه ای دارند بطوريکه می توان آنها را با پلی که در روی تکيه گاه (پايه) محکم شده و از دو طرف کشيده شده است ، مقايسه کرد. البته قطعه شين انتهايی يا قسمتی ازشينها که دارای قطعات الاستيکی (نرم و ارتجائی) می باشند يک حالت استثنايی هستند و معمولا” در محاسبات منظور نمی شود.
بزرگترين تنش (kp/Cm2) در محلی از شين که بزرگترين نيرو به آن وارد می شود و بايد کوچکتر از تنش مجاز جنس فلز شين ( Zδ) باشد.