مقایسه هادی ACSR و AAAC؛ راهنمای انتخاب هادی خطوط هوایی

هادی تمام‌آلومینیومی AAC نقطهٔ شروع این خانواده است: لایه‌های هم‌مرکز از مفتول 1350-H19 سخت‌کشیده (مطابق ASTM B231 و BS 215) با هدایت الکتریکی حدود 61% IACS. این هادی بیشترین هدایت را به ازای سطح مقطع دارد، اما استحکام کششی آن محدود است؛ به همین دلیل کاربرد AAC عملاً به اسپن‌های کوتاه، شبکه‌های توزیع شهری و جمپرها محدود می‌شود.

در AAAC همهٔ رشته‌ها از آلیاژ نوع 6201 با عملیات حرارتی ساخته می‌شوند (ASTM B399 برای هادی و BS 3242 در رویهٔ قدیمی بریتانیا؛ رده‌های سیم AL3 و AL4 در IEC 61089). در ACSR آلومینیوم 1350 وظیفهٔ هدایت جریان را بر عهده دارد و یک مغزی فولادی گالوانیزهٔ تک‌رشته یا تابیده به آن افزوده می‌شود (ASTM B232 و DIN 48204). نسبت تابیدن — مانند 6/1، 26/7 یا 54/7 — سهم فولاد و در نتیجه ردهٔ استحکام هادی را تعیین می‌کند. گونه‌هایی مانند ACSR/AW با مغزی فولادی روکش‌آلومینیوم و ساختارهای گریس‌خور برای مقابله با خوردگی طراحی شده‌اند.

ACSR یک هادی مرکب با تقسیم کار روشن است: لایه‌های آلومینیومی تقریباً تمام جریان را عبور می‌دهند و مغزی فولادی سهم بزرگی از کشش مکانیکی را تحمل می‌کند. سهم جرمی فولاد از چند درصد تا بیش از ۳۰ درصد متغیر است؛ بنابراین ACSR نه یک هادی، بلکه یک طیف کامل از رده‌های استحکام است.

در مقابل، AAAC مقطعی هم‌جنس دارد و هر رشته هم‌زمان هم جریان می‌برد و هم بار مکانیکی. آلیاژ 6201 پس از عملیات انحلالی و پیرسازی، استحکام کششی‌ای تقریباً دو برابر آلومینیوم 1350 سخت‌کشیده پیدا می‌کند و بهای آن، مقداری افت هدایت است. تک‌جنس بودن هادی، یراق‌آلات را هم ساده می‌کند: کلمپ‌های انتهایی و مفصل‌های میان‌اسپن از نوع پرسی تک‌مرحله‌ای‌اند، در حالی که مفصل ACSR به مجموعهٔ دومرحله‌ای — بوش فولادی داخل بوش آلومینیومی — نیاز دارد.

اگر معیار، بیشترین استحکام کششی نامی باشد، ACSR با سهم فولاد بالا رقیب ندارد: بارهای سنگین یخ و باد، کشش‌های بالا در سیم‌کشی و اسپن‌های بسیار بلند مانند عبور از رودخانه و دره را تحمل می‌کند. مغزی فولادی خزش بلندمدت را نیز مهار می‌کند و به همین دلیل سهم خزش در محاسبات شکم سیم کوچک‌تر است.

AAAC اما نسبت استحکام به وزن بسیار خوبی دارد؛ به‌مراتب بهتر از AAC و هم‌تراز با ACSRهای کم‌فولاد، در حالی که برای مقاومت الکتریکی برابر سبک‌تر است. وزن کمتر هادی یعنی بار قائم کمتر روی برج‌ها و در مناطق کم‌بار، امکان اسپن‌های بلندتر با همان سازه‌ها. سطح سخت‌تر آلیاژ 6201 در برابر خراش و ساییدگی هنگام سیم‌کشی نیز مقاوم‌تر است. در سمت مقابل، خزش هادی تمام‌آلومینیومی بیشتر است و باید با ضریب خزش یا پیش‌کشش در محاسبات شکم–کشش لحاظ شود.

هدایت آلومینیوم 1350 سخت‌کشیده حدود 61% IACS و هدایت آلیاژ 6201 عملیات حرارتی‌شده حدود 52.5% IACS است. در سطح مقطع آلومینیومی برابر، مقاومت DC هادی AAAC تقریباً ۱۵ درصد بیشتر از بخش آلومینیومی ACSR خواهد بود.

اما در عمل مقایسه به شکل دیگری انجام می‌شود: AAAC معمولاً بر مبنای مقاومت DC برابر انتخاب می‌شود؛ یعنی سطح مقطع و قطر کمی بزرگ‌تر، ولی به دلیل نبود فولاد، وزن نهایی هادی غالباً همچنان کمتر از ACSR معادل است. مغزی فولادی مغناطیسی نیز در برخی آرایش‌های تابیدن ACSR مؤلفهٔ تلفات اضافهٔ کوچکی ایجاد می‌کند. از آنجا که تلفات سری بخش عمدهٔ هزینهٔ عمر یک خط پربار است، مقایسه باید در آمپاسیته برابر — با محاسبهٔ حرارتی مطابق IEEE 738 — و همراه با ارزش‌گذاری تلفات انجام شود، نه صرفاً بر اساس اندازهٔ کاتالوگی.

در ACSR روکش روی، فولادِ زیر آن و آلومینیوم اطراف، یک سامانهٔ گالوانیک می‌سازند. تا وقتی گالوانیزه سالم است این زوج مهار شده است؛ اما وقتی لایهٔ روی هنگام سیم‌کشی آسیب ببیند یا در بهره‌برداری مصرف شود، آلومینیومِ در تماس با فولادِ برهنه در حضور الکترولیت — مهِ نمکی مناطق ساحلی، آلودگی صنعتی یا رطوبت ماندگار — به‌صورت ترجیحی خورده می‌شود. این خوردگی از مغزی و دور از چشم بازرسی ظاهری آغاز می‌شود و اغلب زمانی کشف می‌شود که رشته‌ها گسیخته‌اند.

راهکارهای متعارف، مغزی گریس‌خور و فولاد روکش‌آلومینیوم (ACSR/AW) است. AAAC اما اساساً صورت‌مسئله را حذف می‌کند: در مقطع هم‌جنس، زوج دوفلزی داخلی وجود ندارد و به همین دلیل AAAC انتخاب پیش‌فرض کریدورهای ساحلی و مناطق صنعتی آلوده است.

انبساط حرارتی آلومینیوم تقریباً دو برابر فولاد است. در ACSR با بالا رفتن دمای هادی، کشش به‌تدریج از لایه‌های آلومینیومی به مغزی فولادی منتقل می‌شود؛ بالاتر از دمای موسوم به نقطهٔ زانویی، تقریباً تمام کشش را فولاد تحمل می‌کند و رشد شکم عمدتاً تابع انبساط کم فولاد می‌شود. نتیجه، منحنی شکم–دمای تختی در دماهای کاری بالاست؛ مزیتی تعیین‌کننده برای خطوط پربار یا خطوطی که قرار است ظرفیتشان افزایش یابد.

AAAC ضریب انبساط یکتای بزرگ‌تری دارد و شکم آن با دما پیوسته زیاد می‌شود. وزن کم آن شکم روزمرهٔ بسیار خوبی می‌دهد، اما در خطوطی که قرار است داغ کار کنند، فاصلهٔ آزاد تا زمین در بیشینهٔ دمای کاری باید با دقت کنترل شود.

به‌عنوان قاعدهٔ سرانگشتی: ACSR برای اسپن‌های بلند، خطوط فشار قوی و فوق فشار قوی، مناطق با بار سنگین یخ و باد، عبورهای بزرگ و خطوط با دمای کاری بالا؛ AAAC برای محیط‌های ساحلی و خورنده و اسپن‌های متوسط شبکه‌های توزیع و فوق‌توزیع، جایی که وزن کم، یراق‌آلات ساده و مصونیت از خوردگی مغزی خود را نشان می‌دهد. AAC نیز برای اسپن‌های کوتاه و کم‌بار همچنان جای خود را دارد. پیش از نهایی کردن مشخصات، موارد زیر را کنترل کنید:

• مکانیکی: استحکام نامی موردنیاز، کشش روزمره و حالت بارگذاری یخ و باد طبق آیین‌نامهٔ محلی
• اسپن و حریم: طول اسپن‌ها، شکم در بیشینهٔ دمای کاری و برنامهٔ افزایش ظرفیت آینده
• محیط: فاصله تا دریا، آلودگی صنعتی و رطوبت — سناریوی خوردگی به نفع AAAC
• الکتریکی: مقایسهٔ مقاومت در آمپاسیته برابر و ارزش‌گذاری تلفات در طول عمر خط
• سازه: وزن و قطر هادی (بار باد) در برابر ظرفیت برج‌های موجود
• یراق‌آلات: کلمپ‌ها، مفصل‌ها و بوش‌های تعمیری متناسب با ساختار هادی
• انطباق: آزمون‌های نوعی و نمونه‌ای مطابق IEC 61089، EN 50182 یا استاندارد ASTM مربوط