کابل آلومینیوم ۱۸۵ و ۱۲۰ در فشار متوسط ۲۰ کیلوولت

کابل آلومینیوم ۱۸۵ و ۱۲۰ در فشار متوسط، در مهندسی شبکه‌های توزیع نیروی برق ایران، رده ولتاژی ۲۰ کیلوولت (فشار متوسط یا Medium Voltage) ستون فقرات اصلی تغذیه پست‌های توزیع عمومی، مجتمع‌های مسکونی بزرگ، شهرک‌های صنعتی و پالایشگاه‌ها محسوب می‌شود. افزایش سرسام‌آور قیمت مس در بازارهای جهانی و جهش‌های ارزی در سال‌های اخیر، مهندسان مشاور و شرکت‌های توزیع نیروی برق را به سمت استفاده گسترده و بهینه‌سازی شده از هادی‌های آلومینیومی (Aluminium Conductors) در پروژه‌های ۲۰ کیلوولت سوق داده است. آلومینیوم با برخورداری از مزایایی نظیر چگالی پایین، وزن کمتر خطوط، دسترسی پایدارتر و بازگشت سرمایه سریع‌تر، امروزه به عنوان انتخاب اول فنی و اقتصادی در رده ولتاژی $12/20(24)\text{ kV}$ شناخته می‌شود.

در میان مقاطع مختلف استاندارد، دو سطح مقطع ۱۲۰ میلی‌متر مربع (120 mm2120 \text{ mm}^2120 mm2) و ۱۸۵ میلی‌متر مربع (185 mm2185 \text{ mm}^2185 mm2) نقش حیاتی و استراتژیک را در طراحی فیدرهای خروجی پست‌های فوق توزیع ($63/20\text{ kV}$) و رینگ‌های ارتباطی ایفا می‌کنند. مقطع ۱۲۰ میلی‌متر مربع عمدتاً به عنوان انشعابات فرعی ظرفیت‌بالا، ارتباط داخلی پست‌ها و تغذیه مصرف‌کنندگان با توان نامی متوسط تا بالا به کار می‌رود؛ در حالی که مقطع ۱۸۵ میلی‌متر مربع به عنوان شاه‌بیت فیدرهای اصلی خروجی از پست‌های مادر، کابل‌های بین‌پستی با قابلیت مانور بار (Load Transfer) و خطوط اصلی شریانی در شهرک‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. انتخاب میان این دو سطح مقطع نیازمند بررسی چندوجهی فاکتورهایی نظیر ظرفیت جریان‌دهی پیوسته (Ampacity)، افت ولتاژ مجاز شبکه، تحمل جریان اتصال کوتاه حرارتی، تلفات ژولی در طول عمر مفید خط و ملاحظات مکانیکی نصب است. کارشناسان فنی پارس تکین در این مقاله به بررسی موشکافانه رفتار این دو سایز کلیدی هادی آلومینیومی در شبکه ۲۰ کیلوولت می‌پردازند تا مهندسان و مجریان محترم پروژه‌ها دقیق‌ترین انتخاب را بر پایه محاسبات فنی انجام دهند.

 جدول مقایسه فنی و پارامترهای الکتریکی و فیزیکی کابل آلومینیوم ۱۲۰ و ۱۸۵ در ولتاژ ۲۰ کیلوولت

جدول زیر بر اساس استانداردهای بین‌المللی IEC 60502-2 و IEC 60228 و مشخصات فنی توانیر تدوین شده و مشخصات هادی آلومینیومی کمپکت (Class 2) با عایق XLPE در دمای کاری ۹۰ درجه سانتی‌گراد را مقایسه می‌کند:

مشخصه فنی / پارامتر طراحی	کابل آلومینیوم ۱۲۰ (20kV)	کابل آلومینیوم ۱۸۵ (20kV)	استاندارد مرجع / شرایط مرجع
مقاومت الکتریکی DC در ۲۰ درجه (Rdc)	۰.۲۵۳ اهم بر کیلومتر	۰.۱۶۴ اهم بر کیلومتر	IEC 60228 (کلاس ۲ رشته‌ای فشرده)
مقاومت الکتریکی AC در ۹۰ درجه (Rac)	۰.۳۲۵ اهم بر کیلومتر	۰.۲۱۱ اهم بر کیلومتر	IEC 60287 (فرکانس ۵۰ هرتز)
جریان نامی مجاز در هوا (۳۰ درجه سانتی‌گراد)	۲۹۵ الی ۳۱۵ آمپر (تک‌رشته در چینش سه برگی)	۳۸۰ الی ۴۱۰ آمپر (تک‌رشته در چینش سه برگی)	نصب روکار روی سینی / شرایط تهویه آزاد
جریان نامی مجاز دفن مستقیم در خاک (۲۰ درجه)	۲۴۵ الی ۲۶۵ آمپر	۳۱۰ الی ۳۳۵ آمپر	عمق دفن ۰.۸ متر، مقاومت حرارتی خاک 1.2 K.m/W
جریان اتصال کوتاه مجاز هادی (۱ ثانیه)	۱۱.۳ الی ۱۱.۵ کیلوآمپر (kA)	۱۷.۴ الی ۱۷.۶ کیلوآمپر (kA)	IEC 60949 (دمای شروع ۹۰ و پایان ۲۵۰ درجه)
راکتانس القایی در چینش Trefoil (X)	حدود ۰.۱۱۵ اهم بر کیلومتر	حدود ۰.۱۰۸ اهم بر کیلومتر	فاصله فازها مماس بر یکدیگر
ظرفیت خازنی کاری (C)	حدود ۰.۲۱ میکروفاراد بر کیلومتر	حدود ۰.۲۵ میکروفاراد بر کیلومتر	ضخامت نامی عایق XLPE برابر ۵.۵ میلی‌متر
حداکثر نیروی کشش مجاز حین نصب	حدود ۳۶۰ دکانیوتن (daN) برای هر رشته	حدود ۵۵۵ دکانیوتن (daN) برای هر رشته	مبنای تنش ۳۰ نیوتن بر میلی‌متر مربع آلومینیوم

 ساختار و لایه‌های مهندسی کابل ۲۰ کیلوولت آلومینیوم با عایق XLPE

یک کابل فشار متوسط ۲۰ کیلوولت صرفاً یک هادی ساده با لایه‌ای پلاستیکی نیست؛ بلکه یک خازن هم‌مرکز با مهندسی میدان الکتریکی است. ساختار کابل‌های آلومینیومی ۱۲۰ و ۱۸۵ کیلوولت به صورت لایه‌به‌لایه به شرح زیر طراحی می‌شود:

۱. هادی آلومینیومی فشرده (Compacted Aluminium Conductor – Class 2)

هادی از رشته‌های مفتول آلومینیومی خلوص بالا (EC-Grade با خلوص حداقل ۹۹.۵٪) تشکیل شده که به صورت دایره‌ای دور هم تابیده و سپس از قالب‌های فشردگی (Compaction Dies) عبور داده می‌شوند. فشرده‌سازی هادی سبب کاهش فضای خالی میان تارها، یکنواختی قطر خارجی و کاهش قطر کلی کابل می‌شود که در مصرف مواد لایه‌های بعدی صرفه‌جویی چشمگیری پدید می‌آورد.

۲. لایه نیمه‌هادی روی هادی (Conductor Screen)

لایه‌ای از پلی‌اتیلن نیمه‌هادی به ضخامت تقریبی ۰.۵ تا ۰.۸ میلی‌متر است که مستقیماً بر روی هادی آلومینیومی اکسترود می‌شود. این لایه ناهمواری‌های سطحی رشته‌های تابیده‌شده را پوشانده و میدان الکتریکی را در فصل مشترک کاملاً یکنواخت می‌سازد تا از پدیده تخلیه جزئی (Partial Discharge) و تمرکز استرس در لبه‌ها جلوگیری شود.

۳. عایق پلی‌اتیلن کراس‌لینک شده (XLPE Insulation)

مهم‌ترین لایه دی‌الکتریک کابل است. بر اساس استاندارد IEC 60502-2 برای ولتاژ نامی $12/20(24)\text{ kV}$، ضخامت نامی عایق XLPE معادل ۵.۵ میلی‌متر است. این ماده الاستومری ترموست دارای مقاومت حرارتی عالی بوده و تحمل دمای کاری دائم تا ۹۰ درجه سانتی‌گراد و دمای اتصال کوتاه لحظه‌ای تا ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد را داراست. عایق باید با تکنولوژی پخت خشک با گاز ازت (Dry Curing) اکسترود شود تا از ایجاد حباب‌های ریز آب (Water Treeing) جلوگیری به عمل آید.

۴. لایه نیمه‌هادی روی عایق (Insulation Screen)

لایه دوم نیمه‌هادی است که روی عایق XLPE تزریق می‌شود. این لایه می‌تواند به صورت چسبیده (Bonded) یا جداشونده با دست (Strippable) تولید شود. وظیفه آن زمین کردن میدان الکتریکی در لبه بیرونی عایق و توزیع شعاعی و کاملاً متقارن خطوط میدان در تمام طول کابل است.

۵. شیلد فلزی (Metallic Screen / Copper Wire or Tape)

روی لایه نیمه‌هادی خارجی، شیلد فلزی قرار می‌گیرد که معمولاً از سیم‌های مسی هم‌مرکز (Copper Wires) به همراه نوار مسی هلیکال تشکیل شده است. سطح مقطع استاندارد شیلد مسی در خطوط توزیع معمولاً ۱۶، ۲۵ یا ۳۵ میلی‌متر مربع بسته به جریان اتصال کوتاه شبکه زمین انتخاب می‌گردد. این لایه علاوه بر حمل جریان خطای تک‌فاز به زمین، ولتاژ سطح کابل را روی صفر ولت فیکس کرده و ایمنی پرسنل را تضمین می‌کند.

۶. لایه جداساز یا بدینگ (Bedding / Separation Sheath)

در کابل‌های زره‌دار، یک لایه پلیمری اکسترود شده (مانند PVC یا PE) میان شیلد مسی و زره قرار می‌گیرد تا از اتصال مکانیکی و به خصوص اثر مخرب پیل گالوانیکی بین فلز مس شیلد و آلومینیوم زره جلوگیری نماید.

۷. زره حفاظتی (Armour: NA2XSY, NA2XSEYBY, NA2XSEYRY)

در کابل‌های تک‌رشته از زره نوار آلومینیومی (ATA) یا مفتول آلومینیومی (AWA) استفاده می‌شود تا از جریان‌های گردابی القایی و داغ شدن کابل جلوگیری شود. در صورت چندرشته بودن کابل، از نوارهای فولادی گالوانیزه (STA) استفاده می‌گردد.

۸. روکش نهایی بیرونی (Outer Sheath)

لایه خارجی محافظ که معمولاً از PVC نوع ST2، یا پلی‌اتیلن سنگین (HDPE) به رنگ قرمز (برای مشخص کردن ولتاژ فشار متوسط) ساخته می‌شود. این لایه کابل را در برابر سایش مکانیکی، نفوذ آب، مواد شیمیایی خاک و تشعشعات ماورای بنفش (UV) محافظت می‌کند.

متالورژی آلومینیوم در برابر مس در کابل‌های فشار متوسط: مقایسه هدایت و وزن

برای مهندسان تاسیسات بسیار حائز اهمیت است که بدانند تغییر هادی از مس به آلومینیوم در رده ۲۰ کیلوولت چه پیامدهای فیزیکی به همراه دارد:

ضریب هدایت الکتریکی و مفهوم سطح مقطع معادل

هدایت الکتریکی آلومینیوم الکتریکی حدود ۶۱ درصد مس خالص آنیل‌شده طبق استاندارد IACS است. این بدان معناست که مقاومت یک سیم آلومینیومی با مقطع معین، تقریباً ۱.۶ برابر مقاومت سیم مسی هم‌اندازه است:

RAl≈1.6×RCuR_{Al} \approx 1.6 \times R_{Cu}RAl​≈1.6×RCu​

به همین دلیل، در پروژه‌های صنعتی وقتی تصمیم به جایگزینی مس با آلومینیوم گرفته می‌شود، قانون سرانگشتی ارتقای مقطع به یک یا دو پله بالاتر مطرح می‌گردد:

• کابل آلومینیوم ۱۲۰ میلی‌متر مربع تقریباً معادل هادی مسی با سطح مقطع ۷۰ تا ۹۵ میلی‌متر مربع است.
• کابل آلومینیوم ۱۸۵ میلی‌متر مربع عملکردی معادل یک کابل مسی با سطح مقطع ۱۲۰ میلی‌متر مربع ارائه می‌دهد.

فاکتور شگفت‌انگیز وزن و تأثیر آن در ترانشه‌کشی و پست‌ها

یکی از برجسته‌ترین برتری‌های هادی‌های آلومینیومی، مسئله چگالی است. چگالی آلومینیوم حدود ۲.۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب است، در حالی که مس چگالی معادل ۸.۸۹ گرم بر سانتی‌متر مکعب دارد (بیش از ۳.۲ برابر سنگین‌تر).

حتی با در نظر گرفتن افزایش سطح مقطع هادی آلومینیومی برای جبران هدایت الکتریکی، وزن هادی آلومینیومی همچنان حدود نصف هادی مسی معادل خود خواهد بود.

این تفاوت وزن در سایزهای ۱۲۰ و ۱۸۵ مزایای عملیاتی بی‌نظیری دارد:

• حمل و نقل قرقره‌های سنگین فشار متوسط در مناطق کوهستانی، روستایی و معابر تنگ شهری بسیار آسان‌تر می‌شود.
• در طول عملیات کابل‌کشی، نیروی کشش مورد نیاز روی وینچ‌ها به شدت کاهش می‌یابد که خطر پارگی غلاف کابل و تنش به گلندها را کم می‌کند.
• بار مرده تحمیل‌شده بر سازه‌های فلزی، سینی‌ها، لدرها و رایزرهای عمودی پست‌ها به شدت تقلیل می‌یابد.

 تحلیل دینامیکی ظرفیت جریان‌دهی (Ampacity) و ضرایب تصحیح محیطی

جریان نامی مجاز که در کاتالوگ‌های پارس تکین برای کابل‌های آلومینیوم ۱۲۰ و ۱۸۵ ثبت می‌شود، در شرایط تست استاندارد (دمای هوای ۳۰ درجه یا خاک ۲۰ درجه و مقاومت حرارتی مشخص) تعیین گردیده است. در شرایط واقعی بهره‌برداری در اقلیم ایران، ظرفیت جریان‌دهی باید با استفاده از ضرایب کاهنده تصحیح گردد:

Iactual=Inominal×ktemp×kgroup×kdepth×kthermalI_{actual} = I_{nominal} \times k_{temp} \times k_{group} \times k_{depth} \times k_{thermal}Iactual​=Inominal​×ktemp​×kgroup​×kdepth​×kthermal​

الف) ضریب تصحیح دمای محیط (ktempk_{temp}ktemp​)

در مناطقی مانند خوزستان، بوشهر، هرمزگان و کویر مرکزی که دمای خاک در عمق ترانشه ممکن است به ۳۰ تا ۳۵ درجه و دمای هوا در آفتاب تابستان به بالای ۵۰ درجه سانتی‌گراد برسد، ظرفیت انتقال حرارت عایق XLPE کاهش می‌یابد. ضریب تصحیح دمای هوا برای دمای ۵۰ درجه برابر ۰.۸۲ و دمای خاک ۳۵ درجه برابر ۰.۸۶ خواهد بود.

ب) ضریب هم‌جواری و چینش فیدرها (kgroupk_{group}kgroup​)

اگر در یک ترانشه، چندین رشته کابل ۱۸۵ یا ۱۲۰ در کنار یکدیگر دفن شوند، حرارت ساطع‌شده از هر کابل عملکرد خنک‌کاری کابل هم‌جوار را مختل می‌کند. به عنوان مثال، خواباندن ۴ مدار کابل سه فاز در فاصله مماس بر هم می‌تواند جریان مجاز هر مدار را تا ۳۰ الی ۳۵ درصد (ضریب ۰.۶۵ تا ۰.۷۰) کاهش دهد.

ج) مقاومت حرارتی ویژه خاک (kthermalk_{thermal}kthermal​)

در خاک‌های رسی خشک یا بسترهای ماسه‌ای با مقاومت حرارتی $2.5\text{ K.m/W}$، ضریب کاهنده شدیدی معادل ۰.۷۵ باید اعمال گردد. در صورت عدم توجه به این پارامتر، کابل آلومینیوم ۱۲۰ که برای ۲۵۰ آمپر طراحی شده، در جریان‌های بالای ۱۸۰ آمپر دچار اضافه بار حرارتی و زوال عایق می‌شود.

محاسبات دینامیکی جریان اتصال کوتاه حرارتی و مقایسه سایزهای ۱۲۰ و ۱۸۵

در شبکه‌های ۲۰ کیلوولت، کابل‌ها علاوه بر تحمل بار نامی پیوسته، باید توانایی تحمل اثرات حرارتی و الکترودینامیکی ناشی از خطاهای اتصال کوتاه سه فاز و فاز به زمین را تا زمان عملکرد رله‌های حفاظتی و قطع بریکر (Circuit Breaker) داشته باشند. استاندارد بین‌المللی IEC 60949 فرمولاسیون آدیاباتیک (بی‌دررو) را برای تعیین حداکثر جریان اتصال کوتاه مجاز هادی‌های کابل ارائه می‌دهد:

Isc=k×StI_{sc} = k \times \frac{S}{\sqrt{t}}Isc​=k×t​S​

در این رابطه:

• IscI_{sc}Isc​ جریان اتصال کوتاه حرارتی مجاز بر حسب آمپر (A) است.
• $S$ سطح مقطع هادی آلومینیومی بر حسب میلی‌متر مربع (mm2\text{mm}^2mm2) است.
• $t$ زمان تداوم خطا بر حسب ثانیه است که برای هماهنگی حفاظتی شبکه‌های توزیع معمولاً ۱ ثانیه ($t=1.0\text{ s}$) در نظر گرفته می‌شود.
• $k$ ثابت متالورژیکی و ترمودینامیکی هادی است که برای هادی آلومینیومی با عایق XLPE (با فرض دمای اولیه ۹۰ درجه سانتی‌گراد قبل از خطا و حداکثر دمای مجاز ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد در انتهای خطا) برابر با ۹۴ است.

تحلیل ظرفیت اتصال کوتاه در مقطع ۱۲۰ میلی‌متر مربع

برای کابل آلومینیوم ۱۲۰ در زمان خطای ۱ ثانیه:

Isc(120)=94×1201=11,280 A≈11.3 kAI_{sc (120)} = 94 \times \frac{120}{\sqrt{1}} = 11,280 \text{ A} \approx 11.3 \text{ kA}Isc(120)​=94×1​120​=11,280 A≈11.3 kA

این بدان معناست که اگر سطح اتصال کوتاه در باس‌بار ۲۰ کیلوولت پست فوق توزیع بالاتر از ۱۲ کیلوآمپر باشد و زمان قطع کلید روی ۱ ثانیه تنظیم شده باشد، کابل آلومینیوم ۱۲۰ توانایی تحمل این استرس حرارتی را نخواهد داشت و دمای هادی از ۲۵۰ درجه عبور کرده و عایق XLPE دچار تغییر شکل پلاستیکی، سوختگی و شکست عایقی می‌گردد.

تحلیل ظرفیت اتصال کوتاه در مقطع ۱۸۵ میلی‌متر مربع

برای کابل آلومینیوم ۱۸۵ در همان شرایط زمانی:

Isc(185)=94×1851=17,390 A≈17.4 kAI_{sc (185)} = 94 \times \frac{185}{\sqrt{1}} = 17,390 \text{ A} \approx 17.4 \text{ kA}Isc(185)​=94×1​185​=17,390 A≈17.4 kA

این تفاوت ۶.۱ کیلوآمپری (افزایش ۵۴ درصدی در توان پایداری اتصال کوتاه) عامل تعیین‌کننده‌ای در طراحی شبکه‌های توزیع صنعتی است. در مجاورت پست‌های مادر فوق توزیع ($63/20\text{ kV}$) که جریان اتصال کوتاه نامی شبکه اغلب بین ۱۲.۵ تا ۱۶ کیلوآمپر است، کابل آلومینیوم ۱۲۰ به لحاظ تحمل اتصال کوتاه رد می‌شود و مهندسان ناگزیر به انتخاب کابل آلومینیوم ۱۸۵ هستند، حتی اگر جریان بار نامی خط کمتر از ۲۰۰ آمپر باشد.

تحلیل افت ولتاژ و مقایسه طول خط مجاز برای انتقال توان معین

در خطوط فشار متوسط ۲۰ کیلوولت، افت ولتاژ مجاز معمولاً بین ۲.۵ تا حداکثر ۵ درصد در دورترین نقطه بار در نظر گرفته می‌شود. فرمول محاسبه افت ولتاژ سه فاز در شبکه متقارن به صورت زیر بیان می‌شود:

ΔV=3×I×L×(Rcos⁡ϕ+Xsin⁡ϕ)\Delta V = \sqrt{3} \times I \times L \times (R \cos\phi + X \sin\phi)ΔV=3​×I×L×(Rcosϕ+Xsinϕ)

که در آن:

• $I$ جریان عبوری خط بر حسب آمپر
• $L$ طول فیدر بر حسب کیلومتر
• $R$ مقاومت متناوب هادی در دمای کاری ۹۰ درجه (RacR_{ac}Rac​) بر حسب اهم بر کیلومتر
• $X$ راکتانس القایی کابل بر حسب اهم بر کیلومتر
• $\cos \varphi$ ضریب توان شبکه (معمولاً ۰.۸۵ تا ۰.۹ تاخیری)

مقایسه میدانی افت ولتاژ:

فرض کنید قصد انتقال توانی معادل ۶ مگاوات (تقریباً ۲۰۰ آمپر در ولتاژ ۲۰ کیلوولت با ضریب توان ۰.۸۵) را در مسافت ۵ کیلومتر داشته باشیم:

1. با کابل آلومینیوم ۱۲۰:

   • مقاومت متناوب: $R\approx 0.325\Omega /\text{km}$
   • راکتانس: $X\approx 0.115\Omega /\text{km}$
   • مولفه امپدانس: $Z=(0.325\times 0.85)+(0.115\times 0.527)=0.276+0.060=0.336\Omega /\text{km}$
   • افت ولتاژ خط: ΔV=3×200×5×0.336≈582 V\Delta V = \sqrt{3} \times 200 \times 5 \times 0.336 \approx 582 \text{ V}ΔV=3​×200×5×0.336≈582 V
   • درصد افت ولتاژ: 58220000×100=2.91%\frac{582}{20000} \times 100 = 2.91\%20000582​×100=2.91% (در مرز بهینه)

2. با کابل آلومینیوم ۱۸۵:

   • مقاومت متناوب: $R\approx 0.211\Omega /\text{km}$
   • راکتانس: $X\approx 0.108\Omega /\text{km}$
   • مولفه امپدانس: $Z=(0.211\times 0.85)+(0.108\times 0.527)=0.179+0.057=0.236\Omega /\text{km}$
   • افت ولتاژ خط: ΔV=3×200×5×0.236≈409 V\Delta V = \sqrt{3} \times 200 \times 5 \times 0.236 \approx 409 \text{ V}ΔV=3​×200×5×0.236≈409 V
   • درصد افت ولتاژ: 40920000×100=2.04%\frac{409}{20000} \times 100 = 2.04\%20000409​×100=2.04%

استفاده از مقطع ۱۸۵ میلی‌متر مربع افت ولتاژ خط را حدود ۳۰ درصد کاهش می‌دهد. این کاهش افت ولتاژ نه تنها پایداری تپ چنجر ترانسفورماتورها را بهبود می‌بخشد، بلکه در مسافت‌های بالای ۷ تا ۱۰ کیلومتر، تنها گزینه‌ای است که استاندارد افت ولتاژ ۵ درصد را پاس می‌کند.

محاسبات اقتصادی هزینه طول عمر: تفاوت تلفات ژولی کابل ۱۲۰ در برابر ۱۸۵

یکی از خطاهای رایج در مدیریت پروژه‌ها، نگاه صرف به هزینه اولیه خرید کابل (CAPEX) و نادیده گرفتن هزینه تلفات انرژی در طول عمر ۳۰ ساله کابل (OPEX) است.

تلفات توان ناشی از اثر ژول در یک خط سه فاز از رابطه زیر به دست می‌آید:

Ploss=3×I2×Rac×LP_{loss} = 3 \times I^2 \times R_{ac} \times LPloss​=3×I2×Rac​×L

اگر فیدری به طور میانگین حامل ۲۲۰ آمپر در طول ۵ کیلومتر و در ۶۰۰۰ ساعت کاری سال باشد:

• تلفات سالانه در کابل آلومینیوم ۱۲۰:

  Ploss(120)=3×(220)2×0.325×5≈236 kWP_{loss (120)} = 3 \times (220)^2 \times 0.325 \times 5 \approx 236 \text{ kW}Ploss(120)​=3×(220)2×0.325×5≈236 kW

  انرژی تلف‌شده سالانه: $236\text{ kW}\times 6000\text{ h}=1,416,000\text{ kWh}$

• تلفات سالانه در کابل آلومینیوم ۱۸۵:

  Ploss(185)=3×(220)2×0.211×5≈153 kWP_{loss (185)} = 3 \times (220)^2 \times 0.211 \times 5 \approx 153 \text{ kW}Ploss(185)​=3×(220)2×0.211×5≈153 kW

  انرژی تلف‌شده سالانه: $153\text{ kW}\times 6000\text{ h}=918,000\text{ kWh}$

• صرفه‌جویی سالانه در اتلاف انرژی:

  $$1,416,000-918,000=498,000\text{ kWh}$$

این محاسبه نشان می‌دهد که با وجود هزینه اولیه بالاتر کابل آلومینیوم ۱۸۵، تفاوت قیمت خرید آن با کابل ۱۲۰ تنها ظرف مدت ۱۸ الی ۲۴ ماه از محل صرفه‌جویی در بهای برق مصرفی و تلفات حرارتی جبران می‌شود و در مابقی طول عمر خط، سالانه ده‌ها هزار کیلووات‌ساعت سود اقتصادی خالص به همراه دارد.

 فناوری اتصالات، سرکابل‌ها، مفصل‌ها و چالش کابلشوهای بی متال (Bi-Metal)

بزرگ‌ترین نقطه شکست در خطوط کابل آلومینیومی ۲۰ کیلوولت، هادی کابل نیست، بلکه محل اتصالات (Terminations & Joints) است. آلومینیوم دارای سه رفتار فیزیکی و شیمیایی خاص است که در صورت عدم رعایت مهندسی اتصال، به آتش‌سوزی یا قطعی خط منجر می‌شود:

1. لایه عایق اکسید آلومینیوم سطحی: آلومینیوم در مجاورت هوا فوراً لایه‌ای سخت و عایق از Al2O3\text{Al}_2\text{O}_3Al2​O3​ تشکیل می‌دهد. پیش از پرس کابلشو یا نصب مفصل، هادی کابل باید کاملاً برس سیمی زده شده و فوراً با گریس کنتاکت هادی خنثی پوشانده شود تا پیوستگی الکتریکی بدون مقاومت تماسی بالا برقرار گردد.
2. پدیده خزش زیر بار مکانیکی (Creep): آلومینیوم تحت فشار مکانیکی مداوم تمایل به تغییر فرم دارد. اگر پیچ‌های کابلشو به صورت غیراستاندارد سفت شوند، اتصال شل شده و جرقه می‌زند. در کابل‌های ۱۲۰ و ۱۸۵ آلومینیوم، استفاده از کابلشوها و دوراهه‌های پیچی مجهز به پیچ برشی (Shear-bolt Connectors) با گشتاور کنترل‌شده مطابق استاندارد IEC 61238-1 شدیداً توصیه می‌شود.
3. خوردگی گالوانیک با باسبار مسی: شینه‌ها و ترمینال‌های ترانسفورماتورها و سوئیچ‌گیرهای ۲۰ کیلوولت عموماً از مس ساخته شده‌اند. اتصال مستقیم آلومینیوم به مس به دلیل اختلاف پتانسیل گالوانیکی بالا در حضور کمترین رطوبت، باعث متلاشی شدن هادی آلومینیومی می‌گردد. بنابراین، استفاده از کابلشوهای بی متال اصطکاکی (Friction-Welded Bi-Metallic Lugs) الزامی است؛ کابلشویی که لوله آن از آلومینیوم خالص و زبانه آن از مس بوده و با تکنولوژی جوش اصطکاکی در سطح مولکولی به یکدیگر متصل شده‌اند.

همچنین در اجرای سرکابل‌های حرارتی یا سیلیکونی سرد (Cold Shrink)، سایز قطعات و استرس کنترل (Stress Control Tube) باید متناسب با قطر روی عایق XLPE کابل‌های ۱۲۰ یا ۱۸۵ انتخاب شود تا توزیع خطوط میدان الکتریکی دچار اعوجاج نشود.

سوال متداول

۱. جریان نامی مجاز کابل آلومینیوم ۱۸۵ در مقایسه با کابل ۱۲۰ در شبکه ۲۰ کیلوولت چقدر بیشتر است؟

در شرایط نصب دفن مستقیم در خاک استاندارد، کابل آلومینیوم ۱۲۰ ظرفیتی حدود ۲۴۵ تا ۲۶۵ آمپر دارد، در حالی که کابل آلومینیوم ۱۸۵ جریان مجاز نامی در حدود ۳۱۰ تا ۳۳۵ آمپر را پشتیبانی می‌کند. این به معنای افزایش حدود ۲۵ تا ۳۰ درصدی ظرفیت بارگذاری مداوم با ارتقای سایز به ۱۸۵ است.

۲. در چه شرایطی مهندس طراح باید کابل آلومینیوم ۱۸۵ را به جای ۱۲۰ انتخاب کند حتی اگر بار خط کم باشد؟

دو عامل اصلی تعیین‌کننده است: اول، سطح اتصال کوتاه بالای شبکه در نزدیکی پست‌های فوق توزیع (بالاتر از ۱۱.۳ کیلوآمپر در ۱ ثانیه) که کابل ۱۲۰ توان حرارتی آن را ندارد؛ و دوم، طول فیدرهای بلند (بیش از ۵ کیلومتر) که به منظور کنترل افت ولتاژ زیر حد مجاز ۵ درصد، افزایش سطح مقطع به ۱۸۵ الزامی می‌شود.

۳. معادل مسی کابل آلومینیوم ۱۲۰ و ۱۸۵ در ولتاژ ۲۰ کیلوولت چه سایزهایی هستند؟

بر اساس قوانین هدایت الکتریکی، کابل آلومینیوم ۱۲۰ تقریباً معادل کابل مسی با مقطع ۷۰ تا ۹۵ میلی‌متر مربع، و کابل آلومینیوم ۱۸۵ معادل کابل مسی با مقطع ۱۲۰ میلی‌متر مربع است. با این حال، وزن کابل آلومینیومی حتی با مقطع بزرگ‌تر، حدود نصف کابل مسی معادل خواهد بود.

۴. تفاوت کابل تک‌رشته (Single-Core) و سه رشته (Three-Core) در سایزهای ۱۲۰ و ۱۸۵ آلومینیوم چیست؟

کابل‌های تک‌رشته انعطاف‌پذیری بالاتری برای کابل‌کشی در کانال‌های تنگ دارند و در صورت نیاز به زره، حتماً باید از زره غیرمغناطیسی آلومینیومی (AWA یا ATA) استفاده کنند تا از تلفات هیسترزیس جلوگیری شود. کابل‌های سه رشته قطر کلی و وزن بالایی دارند و در فواصل طولانی حمل قرقره آن‌ها دشوارتر است، اما زره آن‌ها می‌تواند از نوار فولادی (STA) باشد و نیازی به چینش‌های سه برگی ندارند.

۵. ضخامت استاندارد عایق XLPE در کابل‌های آلومینیومی ۲۰ کیلوولت چقدر است؟

مطابق استاندارد IEC 60502-2، برای ولتاژ نامی $12/20(24)\text{ kV}$، ضخامت نامی عایق XLPE برابر با ۵.۵ میلی‌متر است. این مقدار هم برای کابل ۱۲۰ و هم برای کابل ۱۸۵ میلی‌متر مربع یکسان بوده و تفاوت ابعادی این دو کابل ناشی از تفاوت در قطر هادی فشرده زیر عایق است.

۶. چرا در اتصالات کابل‌های فشار متوسط آلومینیومی استفاده از کابلشوی بی متال استاندارد حیاتی است؟

به دلیل اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی بالا میان مس و آلومینیوم (حدود ۲ ولت)، اتصال مستقیم این دو فلز به یکدیگر در حضور رطوبت باعث ایجاد پیل گالوانیکی و خوردگی شدید آلومینیوم می‌شود. کابلشوهای بی متال با جداسازی فیزیکی محل اتصال و جوش اصطکاکی باکیفیت مانع از این خرابی فاجعه‌بار می‌شوند.

۷. آیا کابل آلومینیوم ۱۸۵ از نظر اقتصادی نسبت به کابل ۱۲۰ توجیه دارد؟

بله؛ گرچه قیمت اولیه خرید کابل ۱۸۵ بیشتر است، اما به دلیل مقاومت الکتریکی کمتر، تلفات حرارتی ژولی سالانه به شدت کاهش می‌یابد. در فیدرهایی با بار مداوم بالای ۱۵۰ آمپر، اختلاف هزینه خرید کابل ظرف کمتر از ۲ سال از طریق کاهش هزینه‌های اتلاف انرژی جبران شده و در درازمدت کاملاً اقتصادی‌تر است.

 نتیجه‌گیری کابل آلومینیوم ۱۸۵ و ۱۲۰ در فشار متوسط

کابل‌های فشار متوسط آلومینیوم با مقاطع ۱۲۰ و ۱۸۵ میلی‌متر مربع ($12/20\text{ kV}$) تعادل بهینه‌ای میان قابلیت اطمینان الکتریکی، عملکرد مکانیکی و مدیریت بودجه پروژه‌های توزیع و فوق توزیع برق در زیرساخت‌های کشور برقرار می‌کنند. شناخت دقیق مشخصات امپدانسی، رفتار دینامیکی در برابر جریان‌های خطای اتصال کوتاه، اثرات طول خط بر افت ولتاژ، و بکارگیری تجهیزات اتصال بی متال باکیفیت، شروط اصلی بهره‌برداری موفق و بدون حادثه از این کابل‌ها در طول دوره‌های کاری چند دهه‌ای به شمار می‌روند.

مجموعه مهندسی و بازرگانی پارس تکین (parstakin.com) به عنوان مرجع معتبر تامین تجهیزات شبکه‌های فشار متوسط و قوی، با بهره‌گیری از سبد جامعی از انواع کابل‌های آلومینیومی ۲۰ کیلوولت زره‌دار و بدون زره، اتصالات سرکابل و مفصل‌های دارای تاییدیه معتبر و کابلشوهای برشی، آماده است تا با ارائه مشاوره‌های دقیق فنی، محاسبات نرم‌افزاری سایزینگ کابل و ارائه مشخصات منطبق بر استانداردهای توانیر و IEC، نیازهای کارفرمایان و پیمانکاران محترم را در بهینه‌ترین زمان و با بالاترین سطح استاندارد پوشش دهد.