چه چیزی میله های لوله ای منیزیم-آلومینیوم را برای سیستم های انتقال برق با ولتاژ فوق العاده ضروری می کند؟

باس میله های لوله ای آلیاژ منیزیم-آلومینیوم با ولتاژ فوق العاده بالا (UHV) به عنوان اجزای رسانای اصلی برای سیستم های انتقال و تبدیل برق 500 کیلو ولت و بالاتر ولتاژ فوق العاده و ولتاژ فوق العاده بالا . این محصولات با استفاده از سیستم‌های مواد آلیاژ منیزیم-آلومینیوم از طریق فرآیندهای شکل‌دهی اکستروژن دقیق تولید می‌شوند. ساختار سبک وزن، هدایت الکتریکی بالا و استحکام مکانیکی عالی . سری محصول شامل مشخصات مواد متعددی از جمله آلیاژ آلومینیوم-منیزیم 6063G، آلیاژ آلومینیوم- منگنز LF21Y، آلیاژ آلومینیوم خاکی کمیاب 6R05 و آلیاژ آلومینیوم مقاوم در برابر حرارت 2A14 است که به طور جامع سناریوهای کاربرد UHV از 2500kV، 2500kV، و ± 800 کیلو ولت، تا 1000 کیلو ولت. تحت شرایط عملیاتی نامی، رسانایی الکتریکی می رسد ≥60٪ IACS ، با ظرفیت جریان نامی تا 12000 آمپر ، استحکام کششی حفظ شده در 180-250MPa محدوده، پوشش دمای عملیاتی از -40 تا 150 درجه سانتیگراد و عمر مفید طراحی شده 30-40 سال .

طراحی سیستم مواد و ترکیب آلیاژ

درجه ها و ویژگی های آلیاژ اولیه

انتخاب مواد برای میله های لوله لوله ای آلیاژ منیزیم-آلومینیوم UHV به طور مستقیم عملکرد الکتریکی و قابلیت اطمینان مکانیکی آنها را تعیین می کند. کاربردهای مهندسی فعلی در درجه اول از چهار دسته آلیاژ زیر استفاده می کنند:

• 6063G آلیاژ آلومینیوم-منیزیم : متعلق به سیستم آلیاژ تقویتی قابل عملیات حرارتی ال-Mg-سی است که دارای عملکرد عالی پردازش اکستروژن و مقاومت در برابر خوردگی است. رسانایی الکتریکی تقریباً 53-55٪ IACS است، با استحکام کششی 120-150MPa، مناسب برای سیستم های شینه پست UHV معمولی.
• آلیاژ آلومینیوم- منگنز LF21Y : آلیاژ آلومینیوم ضد زنگ سری Al-منگنز با مقاومت در برابر خوردگی جوی برجسته و جوش پذیری خوب، با استحکام متوسط. عمدتاً در پست‌های فضای باز در محیط‌های ساحلی و با رطوبت بالا استفاده می‌شود.
• 6R05 آلیاژ آلومینیوم کمیاب : عناصر خاکی کمیاب (مانند Ce، La و غیره) را در ماتریس آلومینیومی گنجانده است، به طور قابل توجهی ساختار دانه را تصفیه می کند، استحکام در دمای بالا و مقاومت در برابر خزش را افزایش می دهد. هدایت الکتریکی به ≥60٪ IACS می رسد، با استحکام کششی 180-220MPa، مناسب برای ایستگاه های هاب UHV با جریان بالا و بار سنگین.
• 2A14 آلیاژ آلومینیوم مقاوم در برابر حرارت : یک آلیاژ مقاوم در برابر حرارت سری Al-مس-Mg-Si با استحکام بالا که قادر به عملکرد طولانی مدت بالای 150 درجه سانتیگراد است، با استحکام کششی بیش از 250 مگاپاسکال. این عمدتا برای خروجی های ژنراتور، ترانسفورماتورهای کوره الکتریکی و دیگر کاربردهای با جریان بالا و افزایش دما استفاده می شود.

کنترل ترکیب شیمیایی بحرانی

کنترل دقیق ترکیب آلیاژ پیش نیاز برای اطمینان از عملکرد ثابت باس بار است. با در نظر گرفتن آلیاژ 6063G به عنوان مثال، کسر جرمی عناصر اولیه آن باید به شدت در محدوده های زیر کنترل شود:

منیزیم (Mg)، به عنوان عنصر آلیاژی اولیه، با سیلیکون (Si) ترکیب می شود و فازهای تقویت کننده Mg2Si را تشکیل می دهد. از طریق عملیات حرارتی T6 (پیری مصنوعی درمان محلول)، استحکام مواد را می توان به طور قابل توجهی افزایش داد. در همین حال، افزودن منیزیم تأثیر منفی نسبتاً کمی بر رسانایی الکتریکی دارد و آلیاژ 6063G را قادر می‌سازد تا به تعادل عالی بین قدرت و رسانایی دست یابد.

عملکرد الکتریکی و ظرفیت حمل جریان

رسانایی الکتریکی و ویژگی های مقاومت

شاخص های اصلی عملکرد الکتریکی برای میلگردهای لوله ای UHV هدایت الکتریکی و مقاومت DC هستند. با توجه به داده های اندازه گیری مهندسی، گریدهای مختلف آلیاژ خواص رسانایی متفاوتی را نشان می دهند:

• 6063G-T6 وضعیت : رسانایی الکتریکی ≥53% IACS، مقاومت در دمای 20 ℃ تقریباً 0.0325 Ω·mm²/m
• 6101-T7 وضعیت : هدایت الکتریکی ≥56% IACS، مقاومت در دمای 20 ℃ تقریباً 0.0308 Ω·mm²/m
• 6R05 آلیاژ خاکی کمیاب : هدایت الکتریکی ≥60% IACS، مقاومت در دمای 20 ℃ تقریباً 0.0287 Ω·mm²/m
• 1060 آلومینیوم خالص : هدایت الکتریکی ≥61% IACS، اما با استحکام مکانیکی پایین تر، فقط در کاربردهایی استفاده می شود که نیاز به مقاومت حیاتی نیست

در نظر گرفتن یک پست 500 کیلوولت به عنوان مثال، در هنگام استفاده از باس‌های لوله‌ای 6063G با قطر بیرونی 160 میلی متر و ضخامت دیوار 8 میلی متر ، سطح مقطع تقریباً می باشد 3848 میلی متر مربع . در دمای محیط 35 درجه سانتیگراد و دمای مجاز هادی 80 درجه سانتیگراد، ظرفیت حمل جریان پیوسته به 4500-5000 آمپر . اگر از آلیاژ خاکی کمیاب 6R05 با همان مشخصات استفاده شود، ظرفیت حمل جریان را می توان تا 4800-5300A ، که نشان دهنده بهبود تقریباً 6-8٪ است.

مرجع طراحی ظرفیت حمل فعلی

طراحی ظرفیت حمل جریان میلگردهای لوله لوله ای باید به طور جامع سطح مقطع هادی، شرایط اتلاف گرما، دمای محیط و عوامل تشعشع خورشیدی را در نظر بگیرد. جدول زیر مقادیر مرجع ظرفیت حمل جریان مشخصات معمول را در شرایط بیرونی (دمای محیط 35 درجه سانتیگراد، دمای هادی 80 درجه سانتیگراد، شدت تابش خورشیدی 1000 وات بر متر مربع) ارائه می دهد:

قابل توجه است که وقتی از میله های اتوبوس لوله ای استفاده می شود اتصالات بین GIS (Gas Insulated Switchgear) و ترانسفورماتورها یا کلیدهای مدار ، ظرفیت واقعی حمل جریان باید در ضریب تصحیح ضرب شود 0.85-0.90 به دلیل فضای فشرده و شرایط اتلاف حرارت محدود.

مقاومت مکانیکی و طراحی سازه

استحکام کششی و تسلیم

میله های اتوبوس لوله ای UHV باید در طول عملیات بارهای مکانیکی متعددی از جمله وزن خود، فشار باد، برافزایش یخ و نیروهای الکترودینامیکی اتصال کوتاه را تحمل کند. شاخص های عملکرد مکانیکی آنها باید شرایط زیر را برآورده کند:

• مقاومت کششی (Rm) : ≥180MPa (آلیاژ 6R05 می تواند به بالای 220MPa برسد)
• قدرت تسلیم (Rp0.2) : ≥120MPa (6063G در شرایط T6 تقریباً 150MPa)
• کشیدگی (A50) : ≥8% (اطمینان از عدم شکستگی شکننده در حین خم شدن نصب)
• مدول الاستیک : تقریبا 70GPa معادل آلومینیوم خالص

تحت تاثیر جریان اتصال کوتاه، باس میله ها باید نیروهای الکترودینامیکی عظیمی را تحمل کنند. گرفتن a 50kA/3s به عنوان مثال، جریان اتصال کوتاه، نیروی الکترودینامیکی بین هادی‌های موازی مجاور می‌تواند به چندین هزار نیوتن بر متر برسد، که مستلزم آن است که میله‌های اتوبوس نه تنها دارای استحکام استاتیکی کافی، بلکه مقاومت خستگی خوبی نیز باشند. حد خستگی آلیاژهای منیزیم و آلومینیوم تقریباً می باشد 35-40٪ استحکام کششی، دوام خوبی را در محیط‌های لرزش ناشی از باد و ارتعاشات اتصال کوتاه فراهم می‌کند.

طراحی دهانه انحراف و پشتیبانی

دهانه پشتیبانی میله های اتوبوس لوله ای به طور مستقیم بر هزینه پروژه و ایمنی عملیاتی تأثیر می گذارد. طبق استانداردهای IEEE Std 605 و DL/T 5222، حداکثر انحراف میله های اتوبوس لوله ای در فضای باز به طور کلی به داخل محدود می شود. 1/200 تا 1/150 از دهانه مصرف معمول استفاده می شود φ160×8 میلی متر به عنوان مثال، میله باس لوله ای، تحت اثر ترکیبی وزن خود و فشار باد پایه (0.5 کیلو نیوتن بر متر مربع)، حداکثر دهانه پشتیبانی می تواند برسد. 8-10 متر . اگر از تکیه گاه های تقویت شده استفاده شود یا دهانه به 6-7 متر کاهش یابد، انحراف را می توان به طور قابل توجهی کاهش داد و مقاومت ارتعاشی ناشی از باد را بهبود بخشید.

برای کاربردهای با دهانه بزرگ در پست های UHV (مانند عبور از جاده ها یا مناطق تجهیزات)، سیم میرایی میله اتوبوس لوله ای سازه های کامپوزیتی اغلب استفاده می شوند، یا تکیه گاه های کمکی در وسط دهانه برای سرکوب ارتعاشات ناشی از نسیم و ارتعاشات اتصال کوتاه اضافه می شوند. اندازه‌گیری‌ها نشان داده‌اند که پس از نصب خطوط میرایی سیم رشته‌ای آلومینیومی در داخل باس‌های لوله‌ای، دامنه ارتعاش ناشی از نسیم را می‌توان کاهش داد. بیش از 60% ، به طور موثر از خطرات شکستگی ناشی از خستگی جلوگیری می کند.

مقاومت در برابر آب و هوا و محافظت در برابر خوردگی

رفتار خوردگی جوی

سطح لوله های لوله ای آلیاژ منیزیم-آلومینیوم به طور طبیعی یک متراکم تشکیل می دهد فیلم اکسید Al2O3 با ضخامت تقریبی 2-10 نانومتر. این فیلم اکسید پایداری خوبی در محیط‌هایی با pH بین 4 تا 9 نشان می‌دهد و به طور موثر از خوردگی بیشتر زیرلایه جلوگیری می‌کند. با این حال، در اتمسفرهای صنعتی (حاوی SO2)، اتمسفرهای دریایی (حاوی Cl-)، و محیط های باران اسیدی، فیلم اکسید ممکن است آسیب دیده و منجر به خوردگی حفره ای یا بین دانه ای شود.

داده های تست خوردگی تسریع شده نشان می دهد که نرخ خوردگی سالانه آلیاژ 6063G در محیط های اتمسفر صنعتی تقریباً است. 0.5-1.5μm ، و در محیط های جوی دریایی تقریبا 1.0-3.0μm . بر اساس عمر طراحی 30 سال و ضخامت دیوار 8 میلی متر، حتی بدون حفاظت اضافی، از دست دادن خوردگی فقط 1-2٪ ضخامت دیواره، تاثیر محدودی بر مقاومت سازه دارد. با این حال، در محیط های به شدت خورنده (مانند مناطق پر نمک ساحلی)، درمان آنودایز سطح یا پوشش ضد خوردگی توصیه می شود.

فرآیندهای حفاظت از سطح

برای افزایش طول عمر میله‌های اتوبوس لوله‌ای در محیط‌های سخت، معمولاً از اقدامات حفاظتی زیر استفاده می‌شود:

1. درمان آندایزینگ : ایجاد یک فیلم Al2O3 با ضخامت 10-25μm بر روی سطح از طریق روش های الکتروشیمیایی، دارای سختی بالا و خواص عایق خوب، با مقاومت در برابر خوردگی 3-5 برابر بهبود یافته است.
2. پوشش فلوروکربن : پاشش پوشش‌های فلوروکربن PVDF یا FEVE با ضخامت فیلم 30-50 میکرومتر، حفظ رنگ و براقیت عالی در محیط‌های فرابنفش و مه نمک، با عمر حفاظت در برابر خوردگی بیش از 20 سال.
3. پوشش داغ : اعمال گالوانیزه گرم یا آبکاری قلع برای اتصال سخت افزار و سایر نواحی تماس فلزی غیر مشابه برای جلوگیری از خوردگی گالوانیکی.
4. محافظ گریس رسانا : استفاده از گریس رسانای حاوی روی یا نقره بر روی سطوح تماس مشترک برای کاهش مقاومت تماس و ایزوله کردن هوا و رطوبت.

روندهای توسعه فناوری

مواد و فرآیندهای جدید

همانطور که پروژه های UHV به سمت درجه های ولتاژ بالاتر و ظرفیت انتقال بیشتر پیش می روند، فناوری باس بار لوله ای آلیاژ منیزیم-آلومینیوم به تکامل خود ادامه می دهد:

• تقویت نانو کامپوزیت : وارد کردن ذرات TiB2 یا Al2O3 در مقیاس نانو به داخل ماتریس آلومینیوم می تواند استحکام کششی را افزایش دهد. بالاتر از 300MPa بدون کاهش قابل توجه هدایت الکتریکی، در حالی که مقاومت در برابر خزش را بهبود می بخشد.
• فناوری اکستروژن مداوم : استفاده از فرآیندهای اکستروژن پیوسته Conform تولید باس میله‌های لوله‌ای با طول نامحدود را امکان‌پذیر می‌سازد، ضعف‌های رابط را از اکستروژن معمولی حذف می‌کند و قوام محصول را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد.
• رفع و پیری آنلاین : ادغام فرآیندهای اکستروژن، کوئنچ و پیری در یک خط تولید واحد، چرخه های تولید را کوتاه می کند، در حالی که کنترل دقیق دما تغییرات عملکرد در شرایط T6 را تا 5±% کاهش می دهد.

فناوری مانیتورینگ هوشمند

پست‌های مدرن UHV به تدریج اینترنت اشیاء و فناوری‌های هوش مصنوعی را برای پایش بلادرنگ شرایط عملکرد باس بار لوله‌ای معرفی می‌کنند:

1. اندازه گیری دمای فیبر نوری توزیع شده : قرار دادن فیبرهای نوری بر روی سطح میله‌های لوله‌ای یا در محل اتصال، با استفاده از پراکندگی رامان یا اصول پراکندگی بریلوین برای دستیابی به اندازه‌گیری میدان دمایی پراکنده با دقت ±1℃ و تفکیک فضایی 0.5 متر.
2. نظارت بر کرنش بی سیم : نصب سنسورهای کرنش بی سیم مینیاتوری در نقاط پشتیبانی و میانه دهانه برای جمع آوری فرکانس و دامنه ارتعاش در زمان واقعی، شناسایی ارتعاشات ناشی از نسیم و خطرات تاختن یخ از طریق تجزیه و تحلیل طیفی.
3. پیش بینی خطای هوش مصنوعی : آموزش مدل های یادگیری ماشین بر اساس داده های عملیاتی تاریخی، انجام تجزیه و تحلیل همجوشی بر روی داده های چند بعدی از جمله دما، ارتعاش و شرایط آب و هوایی، برای پیش بینی خطاهای احتمالی 72 ساعت پیش با دقت بیش از 90٪.

به جلو نگاه کردن، میله های لوله لوله ای آلیاژ منیزیم-آلومینیوم UHV به سمت توسعه خواهد یافت استحکام بالاتر، رسانایی الکتریکی بالاتر، عمر مفید بیشتر و هوش بیشتر ، ارائه پشتیبانی تجهیزات جامد برای ساخت یک سیستم قدرت جدید با انرژی های تجدید پذیر به عنوان پایه اصلی.