هادی برق چیست و در کجا کاربرد دارد؟

یکی از اساسی ترین منابع موثر در زندگی بشر، انرژی الکتریکی است. در واقع اغلب وسایل خانگی، صنعتی و... وابسته به وجود انرژی برق است. یکی از اجزای سیستم های برقی، هادی های برق هستند. یک هادی برق ماده ای است که به لطف برخورداری از الکترون های آزاد، قابلیت عبور جریان الکتریکی را داراست.

فلزات، بدن انسان ها، و زمین همگی هادی جریان برق هستند. در میان فلزات، نقره بهترین هادی جریان برق است. اما فلزی گرانقیمت بوده و کاربرد آن در صنایع انتقال برق بصرفه نیست.

بنابراین برای ساخت سیم و کابل های هادی برق از مس، برنج، فولاد و آلومینیوم استفاده می شود.

مکانیزم عملکرد هادی برق به صورت حرکت الکترون های آزاد و حمل بارهای الکتریکی با نیروی محرکه میدان الکتریکی است.

الکترون هایی که در فاصله دورتری از هسته قرار دارند، تحت جاذبه کمتری از سوی هسته قرار می گیرند. از طرفی الکترون های لایه های داخلی هم آنها را دفع می کنند. این دو عامل سبب آزادی عمل الکترون های لایه های بیرونی اتم ها می شوند.

عوامل موثر بر میزان هدایت

دو عامل ابعاد هادی و دمای محیط بر میزان هدایت مواد رسانا تاثیرگذار خواهند بود:

• ابعاد هادی

شکل و اندازه ماده در میزان هدایت آن موثر است. بین دو قطعه با طول و سایز یکسان و ضخامت متفاوت، قطعه ضخیم تر هدایت بیشتری خواهد داشت.

اما برای دو قطعه با ضخامت یکسان و طول های متفاوت، قطعه کوتاه تر رسانایی بیشتری دارد. چرا که این قطعه از مقاومت کمتری برخوردار خواهد بود.

• دمای محیط

دما بر میزان هدایت تاثیرگذار خواهد بود. با افزایش دما اتم ها انرژی جذب می کنند. این انرژی حرکت منظم الکترون ها را مختل کرده و مقاومت رسانا را افزایش می دهد.

از طرفی ایجاد جریان در یک رسانا خود عاملی برای افزایش دمای آن است. بنابراین فلزات در دمای پایین رسانایی بهتری دارند. برخی از فلزات در دماهای پایین، تبدیل به ابر رسانا می شوند.

انواع هادی الکتریکی

جریان برق توسط هادی های فلزی منتقل می شود که این هادی ها غالبا سیم ها و کابل ها هستند. اغلب هادی ها را از مس یا آلومینیوم می سازند. مس هدایت بالاتری دارد.

درحالی که آلومینیوم سبک ترو ارزان تر است. نقره در دما و فشار معمول، هدایت بالاتری نسبت به مس و آلومینیوم دارد. اما این ماده همیشه یک رسانای ایده آل نیست.

چرا که گران‌قیمت بوده و نیز مستعد تشکیل اکسید است. اکسیدها همواره باعث ایجاد مقاومت الکتریکی در رساناها می شوند. در ادامه انواع مختلف هادی های مورد استفاده در شبکه های انتقال برق معرفی می شوند.

هادی تکی

هادی تکی تعریف ساده ای دارد. چنان چه هر فاز انتقال دارای تنها یک هادی باشد، آن را هادی تکی می-گویند.

هادی چندتایی

هادی چندتایی برخلاف هادی تکی، دارای چند هادی است که با فاصله ساز از یکدیگر مجزا هستند. مجموعه هادی ها در این مدل را یک فاز در نظر می گیرند و اساسا آن را باندل(Bundle) می نامند.

هادی All Aluminum conductor (AAC)

در ساخت این هادی ها از رشته های آلومینیومی با خلوص بالای 5/99% استفاده می شود. از ویژگی های مثبت این هادی ها می توان به افزایش عمر، کاهش وزن و افزایش هدایت آن اشاره کرد.

اما در مقابل مقاومت کششی کمتری نسبت به سایر هادی ها دارند. افزایش عمر هادیAAC سبب شده است این تجهیزات کارایی بهتری در محیط های آلوده داشته باشند.

هادیAll Aluminum Alloy conductor (AAAC)

این هادی ها آلیاژی متشکل از آلومینیوم هستند. وجود عناصر منیزیم و سیلیسیم در ترکیب آلومینیوم مقاومت این هادی را در برابر عوامل خورنده تا حد زیادی بهبود بخشیده است. قیمت این هادی ها نسبت به هادی های مشابه بالاتر است.

هادی آلومینیومی تقویت شده با فولاد (ACSR) Aluminum conductor steel reinforced

این هادی با هسته‌ی فولادی و با هدف افزایش مقاومت مکانیکی هادی ساخته شده است. در قیمت مرکزی هادی فولاد گالوانیزه به کار رفته است و اطراف آن آلومینوم تابیده شده است.

یک روکش آلومینیومی در اطراف هسته فولادی استفاده می شود که مانع از خوردگی فولاد می شود. این گروه از هادی ها را ACSR/AS می نامند. در ساخت این هادی از آلیاژ آلومینوم و آلومینیوم خالص استفاده می شود. هادی آلومینیومی متناسب با شبکه فشار متوسط در ایران طراحی شده است.

پوشش عایق استفاده شده برای این هادی ها از پلی اتیلن کراسلینگ ساخته شده است که در برابر تابش اشعه UV مقاومت بالایی دارند. هادی های ACSR با وجود تمام مزایایی که دارند، مقاومت مکانیکی پایین تری نسبت به هادی های AAAC دارند و قابلیت تحمل شرایط سخت دمایی را ندارند.

بیشتر بخوانید: مقایسه کابل آلومینیمی با مسی

هادی با تلفات کم (SLAC) Small loss ACSR

نوع دیگری از هادی برق که از لحاظ ساختاری کاملا مشابه ACSR هستند. با این تفاوت که هادی های SLAC ظرفیت بیشتری از جریان را انتقال می دهند و در مقابل میزان تلفات بسیار پایین تری را دارند.

میزان مقاومت این هادی ها 11 تا 13% کمتر است. سطح مقطع هادیSLAC بر خلاف هادی ACSR غیر دایره ای است که باعث کمتر شدن فاصله بین رشته ها شده است.

هادی Thermal Aluminum Conductor Steel Reinforced (TACSR)

مشکلی که در استفاده از هادی های ACSR وجود دارد، ظرفیت گرمایی پایین آنهاست. در واقع این هادی ها حداکثر دمای 90 درجه را تحمل می کنند و در دماهای بالاتر هدایت مختل خواهد شد.

برای رفع این مشکل در ساختار این هادی ها از زیرکونیوم استفاده شد. با وجود زیرکونیوم در ترکیب رشته های آلومینیوم، تحمل حرارتی هادی تا 150 درجه افزایش یافته است. هادی های نسل جدید را هادی TACSR نامیدند.

هادی فولادی با روکش آلومینیومی Aluminum Clad Steel

یک پوشش آلومینیومی اطراف هادی فولادی قرار گرفته است که آن را از خوردگی در امان نگه می دارد. مقاومت مکانیکی هادی فولادی، به نسبت نوع فولاد بین 120-180 kg/mm2 متغیر است. در واقع از این هادی به عنوان سیم محافظ در خطوط هوایی استفاده می شود.

چکیده کلام

در مجموع چنین برداشت می شود که با توجه به گستردگی انواع هادی های برق، باید برای انتخاب هادی مناسب، ویژگی های مختلفی مورد بررسی قرار گیرد.

به عبارتی، علاوه بر بررسی شرایط محیطی و ظرفیت جریان مورد انتظار، عوامل دیگری نظیر مقاومت به خوردگی، مقاومت الکتریکی و مقاومت کششی هادی و نیز قیمت آن باید مورد ارزیابی قرار گیرد. عوامل مختلفی همچون ترکیب آلیاژ، ضخامت روکش گالوانیزه، میزان خلوص فلزات و روکش عایق بر میزان مقاومت الکتریکی هادی تاثیرگذار خواهند بود.

از طرفی عوامل محیطی مانند دما این میزان مقاومت را کاهش و یا تشدید می کند. هادی هایی که برای خطوط انتقال برق انتخاب می شوند، علاوه بر هدایت بالا باید توان تحمل باد، گرما و سرماهای شدید را داشته باشند.

از این رو فاکتورهایی نظیر مقاومت کششی، ضریب انبساط طولی و مدول الاستیسیته اهمیت ویژه ای پیدا می کنند.