پروژه بررسی و مقایسه کاربرد شین های آلومینیومی بجای شین های مسی

با توجه به جداول فوق و مقایسهء آنها با هم میتوان به نتایج زیر دست یافت.

استقامت استاتیکی آلومینیوم زیادتر از مس است زیرا در ضمن اینکه مقطع آن نسبت به مس بزرگتر

      است وزن آن کمتر می باشد.

تحمل دینامیکی آلومینیوم و مس با هم برابر است زیرا اگر چه استقامت آلومینیوم کمتر است ولی

      در عوض سطح مقطع آن بزرگتر است.

ازدیاد درجه حرارت توسط ازدیاد شدت جریان و یا جریان اتصال کوتاه در آلومینیوم کمتر است

     زیرا جریان مخصوص آلومینیوم کمتر از مس است و تشعشعات حرارتی و تبادل  حرارتی آن بهتر  

      است.

آلومینیوم در موقع جرقه زدن و سوختن ایجاد خاکستر زیاد نمی کند و چون جسم باقیمانده هادی

     الکتریسیته نمی باشد به مقره ها و پایه های عایق شین آسیب نمی رساند.

مس در مقابل بخار گوگرد خیلی حساس است . مس و گوگرد در هوای آزاد با هم ترکیب می  

     شوند و سپس ایجاد اکسید مس(cu2o) می کند که دارای قابلیت هدایت بسیار کمی است و با-

     عث می شود که بخصوص در کنتاکها اگر دائماً قطع و وصل نشود عمل کنتاکت دهی وهدایت

     جریان را مختل می کند.

آلومینیوم گر چه در مقابل اسید کلرید ریک و اسید سولفوریک و آمونیاک با ثبات است ولی بعلت  

      ناپایدار بودن درمقابل بخار کلر و جیوه و بسیاری از مواد شیمیایی دیگر باید در موقع بکار بردن  

     شین های مسی و یا آلومینیومی در تابلوهای برق رسانی کارخانجات شیمیایی وقت و  مطالعه کافی

   انجام گیرد.

آلومینیوم نسبت به مس شکل پذیرتر می باشد، بنابر این خم کردن وتغییر شکل آلومینیوم آسانتر  از

     مس می باشد.

-  معایب مهم آلومینیوم عبارتند از:

   1-  اکسیداسیون سطحی

         2- فرو رفتن در اثر فشار و اثر الکترولیتی شدید .

1-3- مقایسه فرمولی خواص هادیهای مس و آلومینیوم

 1-3-1- از نظر مشخصات الکتریکی :

        در دو هادی با مقاومت الکتریکی یکسان ،وزن هادیهای بکار رفته از رابطه زیر تبعیت میکند   :                                                               

A                                        B     

       دو هادی با مقاومت مساوی می خواهیم بین A وB وصل نماییم:                                 

            R2 =  R1                                                                                                                                                                   

          L:طول هادی                     S : سطح مقطع هادی

     بعنوان مثال اگرKg 100  آلومینیوم با یک مقاومت الکتریکی داشته باشیم و بخواهیم بفهمیم که چند

    کیلو گرم مس همین مقاومت را داراست داریم:                 

   1-3-2-از نظر مشخصات الکتریکی : 

    با مقاومتهای مکانیکی یکسان دو هادی ، نسبت وزن هادیهای بکار رفته از رابطه زیر تبعیت می کند

    S

                                           1S1σ    =  1S1σ                                         مقاومت مکانیکی    =  σ

                                                                                                                            δ :حد گسیختگی

  بعنوان مثال اگر یک هادی آلومینیومی به وزن 100 Kg داشته باشیم و بخواهیم یک هادی مس با

     همان مقاومت مکانیکی ایجاد کنیم:                            

                                                                                                        CU:W1                              AL:W2                        

      نتیجه گیری:

        در هدایت الکتریکی مساوی وزن هادی آلومینیومی از هادی مسی کمتر است (50 %). در طول مساوی

      با مقاومت مکانیکی یکسان وزن بکار رفته از مس کمتر خواهد بود.

      (76 % ) در طول مساوی و مقاومت اهمی برابر به لحاظ با لا بودن قطر آلومینیوم نسبت به مس ، در هادی                       آلومینیومی تبادل حرارت بهتر صورت می پذیرد و علاوه بر آن پدیده کرونا در اطراف هادیهای آلومینیومی     دارای شدت کمتری است .

فصل دوم

محاسبات اتصال کوتاه در سیستم  

   2-1-تعیین سطح مقطع شینها

       در پستهای فشار ضعیف فواصل شینها بستگی به جریان اتصال کوتاه شبکه (جریان ضربه ای)و مقطع شین         بستگی به جریان نامی دارد.

     برای تعیین و انتخاب شینهای مسی و آلومینیومی معمو لاً از جداولی که بدین منظور بر حسب شدت جریان

     و باردهی شینها و درجه حرارت مجاز داده شده است استفاده می شود.

     باردهی شینهای رنگ نشده قدری کمتر از شینهای رنگ شده است(رنگ شده  0.81 ......  0.9 =  رنگ     شده I ) زیرا تشعشعات حرارتی شینهای رنگ شده به مراتب بیشتر از شین رنگ نشده می باشد و به همین جهت تقریباً همیشه و به همین جهت تقریباً همیشه از شینهای رنگ شده به طریق زیر استفاده می شود.

P قرمز    R           زرد                S سبز                Tبنفش                MP سفید

         در صورتی که شینها به صورت افقی نصب شوند ، باردهی شینها بعلت تشعشع حرارتی نا مناسبتر و خنک   شدن کمتر ،قدری کمتر خواهد شد.همینطور باردهی شینهایی که بطور عمودی روی هم قرار می گیرند نیز

     از شینهایی که در کنار هم در یک سطح قرار دارند قدری کمتر است. باردهی شینهای افقی را میتوان توسط  جدول(2-1)بدست آورد :

                ضریب  a2                                                ضخامت و فاصلهء هوایی                                  عرض شین                                   تعداد شین ها

رنگ شده                رنگ نشده                               شین

                                                                                                                                      mm                                                                     mm

    0.90                    0.85                               10 bis5                               200 bis50                            ▬      1

    0.85                    0.80                                                                                                                            ▬      2

    0.85                    0.80                                                                              80  bis50                         ▬     3                                   

    0.80                    0.75                                                                            120 0 bis5                                          

    0.75                    0.70                                                                                          160                       ▬     4

    0.70                    0.65                                                                                          200

جدول (2-1)

       ضابطه دیگری که در تعیین مقطع شین مورد توجه باید قرار بگیرد ، ارتفاع پست فشار قوی یا تابلوی برق از     سطح دریا می باشد.

    همانطوریکه می دانیم هر چه ارتفاع ‌تأسیسات از سطح دریا بیشتر باشد ، بعلت کم شدن غلظت هوا تشعشعات   حرارتی کمتر می شود و در نتیجه باردهی شین مانند بقیه وسایل برقی چون ترانسفورماتور و غیره کم می شود ، ضریب کم شدن باردهی شین طبق جدول (2-2) می باشد:

              ضریب 4K                                  ضریب 4K                             ارتفاع از سطح دریا

            در شبکه آزاد                            در شبکه محصور                                      m

0.98                                          1.00                                           1000

0.94                                          0.99                                           2000

0.89                                          0.96                                           3000

0.83                                          0.90                                           4000

جدول (2-2)

           در صورتیکه درجه حرارت محیط و یا درجه حرارت شین از مقادیری که در جداول فوق داده شده است تجاوز نکند ، می توان باردهی شین را توسط فاکتور k2 که از شکل (2-1) بدست می آید تصحیح نمود . در این شکل sθ درجه حرارت متوسط محیط در 24 ساعت می باشد . بطور مثال اگر درجه حرارت محیط  Cºu θ=35  و  Cº80=u θ  ( ازدیاد حرارت Cº45 ) باشد ضریب تصحیح K2=1.24 خواهد بود. واگر درجه حرارت انتهایی شین  Cº 45=U θ  و درجه حرارت انتهایی شین  Cº 65 =S θ  (ازدیاد حرارت Cº20 ) باشد ضریب تصحیح K2 = 0.77 بدست خواهد آمد.

(شکل 2-1)

       با آنچه که گفته شد باردهی شین در شرایط خاص برابر است با:

                                                                                            K4 . K3  .  K2  .  K1 . جدول I  =  دایمیI

      در این رابطه K1 عبارتست از ضریب هدایت شین که بستگی به جنس شین دارد و برای آلومینیوم و مس از   شکل (2-2) بدست می آید:

K2            عبارتست از ضریب تصحیح ازدیاد حرارت که از شکل (2-1) بدست می آید و K3  عبارتست از  ضریب ترتیب قرار گرفتن شینها بطور واقعی که از جدول (2-1) برداشت می شود و K4  عبارتست از ضریب ارتفاع تأسیسات از سطح دریا که از جدول (2-2) برداشت می شود.

      2-2- مطالعه اثرات اتصال کوتاه

       در مطالعه جریانهای اتصال کوتاه در اثر باید در نظر گرفته شود که در انتخاب تجهیزات تأثیر مستقیم دارد.

       2-2-1- اثر حرارتی

            عبور جریان اتصال کوتاه از تجهیزات و قسمتهای مختلف یک پست باعث ایجاد حرارت شده و طبیعی  است که مقدار حرارت ایجاد شده که باعث افزایش درجه حرارت خواهد شد تابع زمان بوده ، بنابر این در حد اکثر زمانی که پیش بینی می شود وسایل حفاظتی  قسمت معیوب را از شبکه جدا نماید.( اگر زمان بیان نگردد یک ثانیه در نظر گرفته می شود)

      2-2-2- اثر مکانیکی :

    در اثر عبور جریان اتصال کوتاه از یک هادی میدان مغناطیسی ایجاد می گردد و چنانچه قسمتهای حامل جریان در آن میدان قرار گیرند تحت تأثیر نیروهای مکانیکی واقع خواهند شد بنابراین در اثر عبور جریان اتصال کوتاه نیروهای مکانیکی ایجاد می شود که ممکن است امکان خم شدن و شکستن و از فرم اصلی خارج شدن و احیاناًاز بین رفتن عایقها و ایجاد شکست الکتریکی را همراه اشته باشد.

 چون این نیرو به دامنه جریان بستگی دارد لذا حد اکثر که تابع زمان نبوده مبنا قرار می گیرد. معمولاً حداکثر (مقدار پیک اولیه) جریان اتصال کوتاه به پارامترهای سیستم بستگی دارد . (  نسبت ) که این مقدار تقریباً 2.5 برابر جریان اتصال کوتاه در نظر گرفته می شود.

14

8

4

2

1

X/R

2.56

2.38

2.09

1.76

1.5

IP دینامیکی

Ith حرارتی

      2-3-محاسبهء شبکه از نظر استقامت مکانیکی :

       2-3-1- نیروی وارده به شین و تکیه گاهها در اثر عبور جریان اتصال کوتاه

        نیروی وارده بر دو سیم موازی برابر است با:

در این رابطه /ACm  VS  . 10-9 μ0 =4π قابلیت نفوذ فضای خالی و i1 و  i2 جریانهای دو سیم موازی بر   حسب آمپر و a فاصله دو سیم و L طول سیم می باشد.

       (1)                                                                                                                 

       و چون                                                                

       است می توان نوشت:

       (2)                                                                                                                

       در این رابطه L و a بر حسب یکی از واحدهای طول و i  بر حسب آمپر می باشد .

       نیروی حاصله در اثر عبور جریان ، بطور یکنواخت بر روی سیم تقسیم می شود . این نیرو دافعه است اگر               جهت جریانها در یکجهت با شند . رابطه (1) و (2) فقط در صورتی کاملاً صحیح است که :

            اولاً : طول سیمها نسبت به فاصله شان خیلی بزرگ باشد (10>  L/a )

           ثانیاً: فاصلهء بین دو سیم بیشتر از مقطع سیم باشد .

       در صورتی که شرایط فوق موجود نباشد نیروی محاسبه شده همیشه بزرگتر از نیروی حقیقی وارده بر سیم    می باشد .

     2-3-2-استقامت مکانیکی در اتصال کوتاه

              نیرویی که در اثر عبور جریان به سیم های موازی وارد می شود در تمام طول سیم یکنواخت و برابر است و شین یا سیم را تحت نیروی خمشی قرار می دهد در صورتی که همین نیرو ایزولاتور تکیه گاهها را تحت فشار ، یا کشش یا حتی خمش قرار می دهد و بدینجهت باید استقامت شین ها و استقامت ایزولاتور و تکیه گاهها بطور جداگانه محاسبه شوند.

             استقامت مکانیکی شینها طبق اصول مقاومت مصالح حساب می شود و نظر به اینکه نیروی حاصله از      جریان بطور مساوی در طول شین تقسیم می شود. می توان شین را بصورت پلی فرض کرد که بار روی آن بطور مساوی تقسیم شده باشد . همانطور که می دانیم ماکسیموم مومان خمشی در پلی که بطور آزاد روی پایه ها قرار دارد برابر است با:                                                                                                                                                                (3)                                                                  

       و در صورتیکه پل روی پایه ها محکم شده باشد برابر است با:

    (4)                                                                                                                     

          معمولا" شینها صاف و مستقیم هستند و با تکیه گاههای خود اتصال نقطه ای دارند بطوریکه می توان آنها را با پلی که در روی تکیه گاه (پایه) محکم شده و از دو طرف کشیده شده است ، مقایسه کرد. البته قطعه شین انتهایی یا قسمتی ازشینها که دارای قطعات الاستیکی (نرم  و ارتجائی) می باشند یک حالت استثنایی هستند و معمولا" در محاسبات منظور نمی شود.

       بزرگترین تنش (kp/Cm2) در محلی از شین که بزرگترین نیرو به آن وارد می شود و باید کوچکتر از تنش مجاز جنس فلز شین ( Zδ) باشد.

       به عبارت دیگر:

    (5)                                                               

      باشد در این رابطه

(KP/Cm2)     σ تنش نرمال(فشار یا کشش)

(KP/Cm)     M : مومان خمش طبق رابطهء (4)

(KP)     F : نیرو طبق رابطه (2)

    (Cm) L: فاصله تکیه گاه

    (Cm3) W: لنگر خمشی

    Vδ: فاکتور فرکانس می باشد.

     (6)                                                    

        (7)                                                                                                                  X

          علت بکار بردن فاکتور فرکانس در رابطه (5) این است که فرمول (2) فقط برای نیرویکاملا"استاتیکی                                 صادق است در صورتی که در اثر نیرویی که جریان اتصال کوتاه بوجود می آید یک نیروی دینامیکی    است و فرکانس ان دو برابر فرکانس جریان اتصال کوتاه می باشد.

       تنش مجاز شین طبق VDE 0103 دو برابر 0.2δ گرفته می شود.                     

 Z=2σ0.2 σ. 0.2σ عبارتست از تنش فلز در حالتی که بدون ازدیاد نیرو طول آن بطور قابل ملاحظه ای   ازدیاد پیدا کند. این تنش را می توان تقریبا" برابر با تنش شکستگی جسم قرار داد.

0.2σ برای سیم های هادی که در برق استفاده می شود برابر است با:

        سیم مسی:                                 (KP/Cm2)  1500 = 0.2δ

        سیم آلومینیومی: (KP/Cm2)                      500 = 0.2δ

       بنابر این شرط لازم اینست که:

     (8)                                                                  0.2 ≥ 2≥ σ

جدول زیر 0.2δ را برای پروفیل مس و آلومینیوم نشان میدهد.

ماکسیموم

(KP/Cm2)

0.2σ

مینیموم

(KP/Cm2)

0.2σ

علامت اخنصار

وضعیت

عرض   قطر

mm

ضخامت

mm  

3300

2500

2500

1500

E-Cu   F 30

E-Cu   F 25

کشیده شده یا    

غلطک شده

همه

__

8 تا 3

8 <

تسمه

3300

2500

2500

1500

E-Cu   F 30

E-Cu   F 25

__

__

8 تا 3

14 تا 8

پروفیل -  C

3300

2500

2500

1500

E-Cu   F 30

E-Cu   F25

60 تا

همه

3 تا

3 <

لوله

1100

1000

900

1100

900

850

700

500

E-AL  F 11

E-AL  F 10

E-AL F 9  

    E-AL F8   

کشیده شده

پرس شده

40 تا

60 تا

120 تا

5 تا

10 تا

10 تا

800mm2 <

تسمه

1000

1100

800

500

E-AL  F 10

E-AL  F 8 

پرس شده

__

__

5 تا

5 <

پروفیل -  C

1000

600

E-AL  F 10

کشیده شده

همه

6 تا

لوله

     2-3-3- محاسبه نیروی وارده بر تکیه گاه

           عاملی که استقامت مکانیکی ایزولاتورها و تکیه گاهها را مشخص می کند نیروی شکست مجاز می باشد. نیروی شکست عبارتست از نیرویی که در روی ایزولاتورها در جهت محور ایزولاتور ها به آن وارد می شود و باعث شکستن ایزولاتورها می گردد.

       این نیروی شکست یا به عبارت دیگر نیروی تحمل تکیه گاه توسط کارخانجات سازنده ایزولاتور تکیه گاه    داده شده است.

       برای ایزولاتورهای چینی همیشه نیروی خمشی خطرناکتر از نیروی فشار و کشش می باشد نیرویی که به  تکیه گاه در اثر عبور جریان از شین وارد میشود برابر است با :

       در این رابطه VF عبارتست از ضریب فرکانس نیرویی که به تکیه گاه وارد می شود.شکل زیر کوچکترین    نیروی شکست ایزولاتورهای مصرف در داخل ساختمان (شبکه محصور) طبق DIN 45200 برای ایزولاتور شیار دار از صمغ مصنوعی (Rillenisolator) را متناسب با نقطهء اتکای اثر نیروی(h) نشان میدهد.

       گر چه امکان اینکه در موقع اتصال کوتاه بدترین شرایط موجود باشد کم است، معذالک برای اطمینان  بیشتر بهتر است اعدادی که از شکل زیر بدست می آید در عدد 0.7 ضرب شود بعبارت دیگر فقط 70% مقادیر بدست آمده مورد اطمینان می باشد.

شکل (2-3)

       فاکتور فرکانس vf برای استقامت پایه طبق vde 0103 برابر یا بزرگتر از یک می باشد.

       بطوریکه اگر 0.2 ≥ 0.8≥ σ  باشد ، vf = 1    

       و اگر:   (10)                                                                              

       خواهد بود . در این رابطه 0.2δ عبارتست از ماکسیموم تنش شکستگی (طبق جدول 2-4) توسط فاکتور     فرکانس VF  قدرت ارتعاشی شینها و توسط آن نیروی دینامیکی اضافی پایه ها منظور می شود و تا موقعی که در هیچ نقطه ای از شین نیروی وارده از 0.2δ 0.8 تجاوز نکند فلز حالت الا ستیکی دارد و میرایی ارتعاشات کوچک است و در صورتیکه شین توسط جریان اتصال کوتاه برای ارتعاشات خودش تحریک شود ، در رابطه Fd=VF.F با Vf>1 حساب می شود.

     2- 4- استقامت حرارتی شینها در مقابل جریانهای اتصال کوتاه

  همانطور که می دانیم با ازدیاد درجه حرارت استقامت مکانیکی فلزات کم می شود و حتی خاصیت   عایقی ایزولاسیونها هم از بین می رود از اینجهت باید حرارتی که جریان اتصال کوتاه بوجود می آورد از یک حد معینی تجاوز نکند تا تأ سیسات باز هم قابل استفاده باقی بماند.

       برای کنترل و تعیین سطح مقطع هادیها از دیدگاه جریان اتصال کوتاه روشهای مختلفی(منحنی ، فرمول (  وجود دارد که بر اساس آن می توان حداقل سطح مقطع مورد نیاز را محاسبه نمود و این سطح مقطع بایستی از سطح مقطع انتخابی در حالت قبل (استقامت مکانیکی ) کوچکتر باشد در غیر این صورت سطح مقطع انتخاب شده مناسب نبوده و می بایستی سطح مقطع استانداردی که حداقل مساوی و یا بزرگتر از سطح مقطع بدست آمده از حالت قبل باشد انتخاب گردد.