جریان مجاز هادی هوایی؛ عواملی که آمپاسیته خط انتقال را تعیین می‌کنند

در حالت ماندگار، گرمای ورودی به هادی با گرمای خروجی از آن برابر است. استاندارد IEEE 738 این موازنه را به صورت I²R(Tc) + qs = qc + qr می‌نویسد: در سمت چپ، تلفات ژول و گرمای جذب‌شده از تابش خورشید و در سمت راست، اتلاف همرفتی و تشعشعی. تلفات ژول با مقاومت AC هادی در دمای واقعی آن محاسبه می‌شود؛ مقاومت با دما افزایش می‌یابد و بنابراین هادی داغ به ازای هر آمپر گرمای بیشتری تولید می‌کند. گرمای خورشیدی به شدت تابش، قطر هادی و ضریب جذب سطح بستگی دارد. اتلاف همرفتی در حضور کوچک‌ترین بادی مهم‌ترین سازوکار خنک‌کنندگی است و اتلاف تشعشعی نیز مطابق قانون تابش توان چهارم، با بالا رفتن دمای سطح هادی نسبت به محیط به‌تندی رشد می‌کند.

اگر بیشینه دمای مجاز هادی را ثابت بگیریم و فرض‌های جوی را وارد معادله کنیم، تنها مجهول باقی‌مانده جریان است؛ همان جریان مجاز — البته فقط برای همان شرایط و نه هیچ شرایط دیگری. برای اضافه‌بارهای کوتاه‌مدت نیز شکل گذرای همین موازنه به کار می‌رود.

هر ورودی موازنه حرارتی بر نتیجه اثر می‌گذارد، اما پنج عامل نقش اصلی را دارند:

• دمای هوای محیط: جریان مجاز به فاصله میان حد دمایی هادی و دمای محیط وابسته است؛ دمای بالای بعدازظهرهای تابستان، بخش بزرگی از این فاصله را پیش از عبور هر آمپری مصرف می‌کند.
• سرعت و زاویه باد: همرفت اجباری قوی‌ترین سازوکار خنک‌کنندگی است. بادی که عمود بر مسیر خط می‌وزد بسیار مؤثرتر از همان باد در راستای خط است و تفاوت هوای ساکن با یک نسیم ملایم چشمگیر است؛ به همین دلیل در ظرفیت‌دهی استاتیک محافظه‌کارانه، سرعت باد کم — به‌طور متعارف 0.61 m/s — با زاویه نامساعد فرض می‌شود.
• تابش خورشید: آفتاب نیمروز در عرض‌های جغرافیایی پایین، بار حرارتی قابل‌توجهی متناسب با قطر هادی و ضریب جذب سطح به سامانه تحمیل می‌کند.
• ضریب صدور و ضریب جذب سطح: سطح آلومینیومی نو و براق ضریب صدور و جذب پایینی دارد (در حدود ۰٫۲ تا ۰٫۳) و با هوازدگی و تیره شدن سطح، هر دو به سمت ۰٫۸ تا ۰٫۹ میل می‌کنند. در طراحی معمولاً مقادیر سطح کهنه فرض می‌شود، زیرا خط بیشتر عمر خود را با سطح هوازده می‌گذراند.
• بیشینه دمای مجاز هادی: این کمیت یک تصمیم طراحی است، نه یک ثابت فیزیکی؛ با الزامات فاصله مجاز (شکم هادی) و متالورژی هادی تعیین می‌شود و برای هادی‌های متعارف تمام‌آلومینیوم و ACSR معمولاً در بازه ۷۵ تا ۹۰ درجه سلسیوس قرار می‌گیرد.

دیتاشیت هادی می‌تواند مقاومت، قطر، وزن واحد طول و استحکام مجاز را صادقانه اعلام کند، چون این کمیت‌ها به خود هادی تعلق دارند؛ اما نمی‌تواند یک عدد یکتا برای آمپاسیته بدهد، چون آمپاسیته به آب‌وهوا و طراحی خط نیز تعلق دارد. یک مقطع ACSR یکسان در دشت ساحلی، کریدور مرتفع کوهستانی و کویر مرکزی جریان‌های متفاوتی حمل می‌کند؛ در دی‌ماه و تیرماه متفاوت است؛ و نزد بهره‌برداری که دمای هادی را به ۷۵ درجه محدود می‌کند با بهره‌برداری که ۹۰ درجه را می‌پذیرد نیز متفاوت است.

وقتی دو کاتالوگ برای یک هادی دو «جریان مجاز» متفاوت می‌دهند، هیچ‌کدام اشتباه نکرده‌اند؛ فقط دو دنیای متفاوت را فرض کرده‌اند. مشخصات فنی خرید هرگز نباید صرفاً «هادی با فلان آمپر جریان مجاز» بخواهد؛ باید فرض‌های جوی و حد دمایی را صریح اعلام کند تا جریان مجاز از دل آن‌ها به دست آید.

رویکرد کلاسیک، ظرفیت‌دهی استاتیک قطعی است: مقادیری از آب‌وهوا انتخاب می‌شود که هم‌زمانی آن‌ها به‌ندرت رخ دهد — دمای محیط بالا، باد کم، آفتاب کامل — و یک عدد فصلی یا سالانه منتشر می‌شود. مزیت این روش سادگی است و بهای آن، بلااستفاده ماندن بخشی از ظرفیت خط در بیشتر ساعات سال.

در روش‌های احتمالاتی، ورودی‌های جوی به صورت توزیع آماری دیده می‌شوند و ظرفیت به گونه‌ای تعیین می‌شود که احتمال عبور دمای هادی از حد مجاز، زیر مقدار پذیرفته‌شده بماند. ظرفیت‌دهی دینامیک خط (DLR) یک گام جلوتر می‌رود و با ایستگاه‌های هواشناسی، پایشگرهای کشش یا شکم و حسگرهای دمای هادی، ظرفیت را نزدیک به بلادرنگ محاسبه می‌کند. DLR اغلب ظرفیت نهفته قابل‌توجهی بالاتر از عدد استاتیک آشکار می‌کند؛ اما نیازمند ابزار دقیق، مخابرات و رویه‌های بهره‌برداری است و بنابراین یک سرمایه‌گذاری سامانه‌ای است، نه صرفاً یک خرید هادی.

دو سازوکار خرابی، بیشینه دمای بهره‌برداری را مهار می‌کنند. نخست، افت استحکام: رشته‌های آلومینیوم سخت‌کشیده EC استحکام کششی خود را مدیون کار سرد هستند و این استحکام با ماندن طولانی در دمای بالا، به‌تدریج و به صورت برگشت‌ناپذیر از راه بازپخت (آنیل) از دست می‌رود. اثر تجمعی است: بهره‌برداری پیوسته بالاتر از حدود ۹۰ تا ۱۰۰ درجه سلسیوس در طول عمر خط، افت استحکام اندازه‌پذیری بر جا می‌گذارد؛ به همین دلیل هادی‌های متعارف به دماهای دائمی معتدل محدود می‌شوند و اضافه‌بار اضطراری کوتاه‌مدت جداگانه تحلیل می‌شود.

دوم، شکم هادی: آلومینیوم و فولاد با گرما منبسط می‌شوند، فلش کاتنری بیشتر می‌شود و فاصله هادی تا زمین کاهش می‌یابد. در بسیاری از خطوط، پیش از آنکه حد بازپخت مطرح شود، حد فاصله مجاز — که موضوعی ایمنی و قانونی است — تعیین‌کننده می‌شود. معنای هر دو سازوکار این است که «بیشینه دما» در مطالعه ظرفیت باید به طراحی واقعی خط برگردد: کشش نصب، طول اسپن‌ها و فواصل نقشه‌برداری‌شده.

کریدوری را در نظر بگیرید که از دشت‌های گرم فلات مرکزی یا جنوب ایران می‌گذرد؛ جایی که دمای بعدازظهرهای تابستان از بالاترین مقادیری است که خط در عمر خود خواهد دید. یک مشخصات فنی درست به این ترتیب پیش می‌رود: نخست، بیشینه دمای هادی از طراحی خط — محاسبات فاصله مجاز و متالورژی هادی — تعیین می‌شود، نه از کاتالوگ. دوم، سناریوی جوی هم‌زمان انتخاب می‌شود: دمای محیط تابستانی با صدک بالا، تابش کامل نیمروز، ضرایب صدور و جذب سطح کهنه، و سرعت باد عمداً کم با زاویه نامساعد، چون بعدازظهرهای داغ اغلب تقریباً بی‌بادند. سوم، موازنه حرارتی IEEE 738 یا CIGRE با مقاومت AC، قطر و ارتفاع مسیر اجرا می‌شود.

جریان مجاز استاتیک تابستانیِ حاصل، به‌طور محسوسی از عدد عمومی کاتالوگ که در دمای معتدل محاسبه شده کمتر خواهد بود — و دقیقاً همین درست است. سپس می‌توان یک ظرفیت زمستانی جداگانه در دمای محیط پایین محاسبه کرد تا در فصلی که هم بار و هم خنک‌سازی اجازه می‌دهند، ظرفیت بازیابی شود. برای نوارهای ساحلی مرطوب خلیج فارس یا مسیرهای مرتفع، فقط سناریوی جوی عوض می‌شود؛ روش همان است.