إرسال الضوء عبر آلاف الأميال - استكشاف غموض وابتكار كابلات الجهد العالي

تلعب كابلات الجهد العالي دورًا حيويًا في أنظمة الطاقة الحديثة. فمن شبكات الطاقة تحت الأرض في المدن إلى خطوط النقل لمسافات طويلة عبر الجبال والأنهار، تضمن هذه الكابلات نقل الطاقة الكهربائية بكفاءة واستقرار وأمان. ستتناول هذه المقالة بالتفصيل مختلف التقنيات المتعلقة بكابلات الجهد العالي، بما في ذلك بنيتها وتصنيفها وعملية تصنيعها وخصائص أدائها وتركيبها وصيانتها.
1. البنية الأساسية لكابلات الجهد العالي

تتكون كابلات الجهد العالي بشكل أساسي من موصلات وطبقات عازلة وطبقات حماية وطبقات واقية.

الموصل هو قناة نقل التيار، وعادةً ما يُصنع من النحاس أو الألومنيوم. يتميز النحاس بموصلية جيدة وقابلية للطرق، بينما يتميز الألومنيوم بانخفاض تكلفته وخفة وزنه. وتكون هذه الموصلات عادةً على شكل أسلاك مجدولة متعددة الخيوط لزيادة مرونتها.

تُعدّ طبقة العزل جزءًا أساسيًا من كابلات الجهد العالي، حيث تلعب دورًا هامًا في منع تسرب التيار وعزل الموصل عن البيئة الخارجية. تشمل مواد العزل الشائعة البولي إيثيلين المتشابك (XLPE) والورق الزيتي، وغيرها. يتميز البولي إيثيلين المتشابك (XLPE) بخصائص كهربائية ممتازة، ومقاومة عالية للحرارة، وقوة ميكانيكية فائقة، ويُستخدم على نطاق واسع في كابلات الجهد العالي الحديثة.

تنقسم طبقة الحماية إلى طبقة حماية داخلية وطبقة حماية خارجية. تُستخدم الطبقة الداخلية لتوحيد المجال الكهربائي ومنع التفريغ الموضعي من إتلاف طبقة العزل؛ بينما تعمل الطبقة الخارجية على تقليل تداخل المجال الكهرومغناطيسي الخارجي على الكابل، كما تمنع الكابل من التأثير الكهرومغناطيسي على البيئة الخارجية.

تحمي الطبقة الواقية الكابل بشكل أساسي من التلف الناتج عن عوامل خارجية كالتلف الميكانيكي والتآكل الكيميائي وتسرب المياه. وهي تتكون عادةً من غلاف معدني خارجي ودرع معدني. يوفر الدرع المعدني المتانة الميكانيكية، بينما يتميز الغلاف الخارجي بخواص مقاومة الماء والتآكل.

2. تصنيف كابلات الجهد العالي

بحسب مستوى الجهد، يمكن تقسيم كابلات الجهد العالي إلى كابلات الجهد المتوسط ​​(عادةً من 3 إلى 35 كيلوفولت)، وكابلات الجهد العالي (من 35 إلى 110 كيلوفولت)، وكابلات الجهد العالي جدًا (من 110 إلى 500 كيلوفولت)، وكابلات الجهد العالي جدًا جدًا (أكثر من 500 كيلوفولت). وتختلف كابلات مستويات الجهد المختلفة في تصميمها الهيكلي ومتطلبات العزل، وغيرها.

من منظور مواد العزل، بالإضافة إلى كابلات XLPE وكابلات الورق الزيتي المذكورة سابقًا، توجد أيضًا كابلات مطاط الإيثيلين بروبيلين. تتمتع كابلات الورق الزيتي بتاريخ طويل، ولكن نظرًا لارتفاع تكاليف صيانتها وأسباب أخرى، فقد تم استبدالها تدريجيًا بكابلات XLPE. تتميز كابلات مطاط الإيثيلين بروبيلين بمرونة جيدة ومقاومة للعوامل الجوية، وهي مناسبة لبعض التطبيقات الخاصة.
3. عملية تصنيع كابلات الجهد العالي

تُعد صناعة الكابلات ذات الجهد العالي عملية معقدة ودقيقة.

تتطلب صناعة الموصلات في البداية معالجة المواد الخام من النحاس أو الألومنيوم بعمليات الشد واللف وغيرها لضمان دقة الأبعاد والخواص الميكانيكية للموصل. وخلال عملية اللف، يجب ترتيب خيوط الموصل بإحكام لتحسين توصيليته.

تُعدّ عملية بثق طبقة العزل إحدى الخطوات الرئيسية. بالنسبة لطبقة عزل البولي إيثيلين المتشابك (XLPE)، يتم بثق مادة XLPE عند درجة حرارة عالية وتُلفّ بالتساوي على الموصل. خلال عملية البثق، يجب التحكم بدقة في معايير مثل درجة الحرارة والضغط وسرعة البثق لضمان جودة طبقة العزل وتجانس سمكها.

تُصنع طبقة الحماية عادةً عن طريق نسج الأسلاك المعدنية أو لفّها بشريط معدني. تختلف عمليات تصنيع الدروع الداخلية والخارجية اختلافًا طفيفًا، ولكن يجب أن تضمن كلتاهما سلامة طبقة الحماية وجودة التوصيل الكهربائي.

أخيرًا، تشمل عملية إنتاج الطبقة الواقية وضع الغلاف المعدني وتشكيل الغلاف الخارجي. يجب أن يكون الغلاف المعدني محكمًا على الكابل، وأن يضمن تشكيل الغلاف الخارجي مظهرًا أملسًا خاليًا من العيوب كالفقاعات والتشققات.
4. خصائص أداء كابلات الجهد العالي

من حيث الأداء الكهربائي، يجب أن تتمتع كابلات الجهد العالي بمقاومة عزل عالية، وفقد عازل منخفض، ومقاومة جهد جيدة. فمقاومة العزل العالية تمنع تسرب التيار بشكل فعال، ويقلل الفقد العازل المنخفض من فقد الطاقة الكهربائية أثناء النقل، وتضمن مقاومة الجهد الجيدة تشغيل الكابل بأمان في بيئة ذات جهد عالٍ.

من حيث الخصائص الميكانيكية، يجب أن يتمتع الكابل بقوة شد كافية، ونصف قطر انحناء مناسب، ومقاومة للصدمات. أثناء التركيب والتشغيل، قد يتعرض الكابل للتمدد والانحناء والصدمات الخارجية. إذا كانت الخصائص الميكانيكية غير كافية، فمن السهل أن يتلف الكابل.

يُعدّ الأداء الحراري جانبًا مهمًا أيضًا. يُولّد الكابل حرارةً أثناء التشغيل، خاصةً عند العمل تحت أحمال عالية. لذا، يجب أن يتمتع الكابل بمقاومة جيدة للحرارة وأن يكون قادرًا على العمل بشكل طبيعي ضمن نطاق درجة حرارة مُحدد دون مشاكل مثل تلف العزل. يتميز كابل XLPE بمقاومة جيدة نسبيًا للحرارة، ويمكنه العمل لفترات طويلة في درجات حرارة عالية.
5. تركيب وصيانة كابلات الجهد العالي

فيما يتعلق بالتركيب، فإن أول خطوة هي تخطيط المسار لضمان أن يكون مسار مدّ الكابلات مناسبًا وآمنًا. أثناء عملية المدّ، يجب توخي الحذر لتجنب الشد المفرط أو الانحناء أو التمدد الزائد للكابل. في حالة مدّ الكابلات لمسافات طويلة، تُستخدم عادةً معدات مثل ناقلات الكابلات للمساعدة في عملية الإنشاء.

يُعدّ تصنيع وصلات الكابلات حلقةً أساسيةً في عملية التركيب، إذ تؤثر جودة الوصلة بشكلٍ مباشر على موثوقية تشغيل الكابل. عند تصنيع الوصلات، يجب تجريد الكابل وتنظيفه وتوصيله وعزله. يجب تنفيذ كل خطوة بدقة وفقًا لمتطلبات العملية لضمان استيفاء الخصائص الكهربائية والميكانيكية للوصلة للشروط المطلوبة.

تُعدّ أعمال الصيانة ضرورية لضمان التشغيل المستقر طويل الأمد لكابلات الجهد العالي. تُمكّن عمليات الفحص الدورية من الكشف السريع عن أي تلف في مظهر الكابل أو غلافه. كما يُمكن استخدام بعض أجهزة الاختبار لفحص أداء العزل والتفريغ الجزئي للكابل. وفي حال اكتشاف أي مشاكل، يجب إصلاحها أو استبدالها في الوقت المناسب.

6. أعطال واكتشاف كابلات الجهد العالي

تشمل الأعطال الشائعة لكابلات الجهد العالي انهيار العزل، وانفصال الموصلات، وتلف الوصلات. قد ينتج انهيار العزل عن تقادم العزل، أو التفريغ الجزئي، أو زيادة الجهد الخارجي. أما انفصال الموصلات فيحدث عادةً نتيجة قوة ميكانيكية خارجية أو زيادة الحمل لفترة طويلة. وقد ينتج تلف الوصلات عن سوء عملية تصنيعها أو ارتفاع درجة حرارتها بشكل كبير أثناء التشغيل.

للكشف عن هذه الأعطال، توجد طرق عديدة. يُعدّ الكشف عن التفريغ الجزئي من أكثر الطرق شيوعًا. فمن خلال رصد الإشارة الناتجة عن التفريغ الجزئي في الكابل، يُمكن تحديد ما إذا كانت هناك عيوب في العزل داخله. كما يُمكن لاختبار تحمل الجهد تحديد قدرة تحمل الجهد للكابل والكشف عن مشاكل العزل المحتملة. إضافةً إلى ذلك، تُتيح تقنية التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء رصد توزيع درجة الحرارة على سطح الكابل، ما يُساعد في الكشف عن مشاكل مثل ارتفاع درجة الحرارة الموضعي.
7. تطبيقات واتجاهات تطوير كابلات الجهد العالي في أنظمة الطاقة

في أنظمة الطاقة، تُستخدم كابلات الجهد العالي على نطاق واسع في تحويل شبكات الطاقة الحضرية، وخطوط نقل الطاقة من محطات الطاقة الكبيرة، ونقل الطاقة عبر الكابلات البحرية، وغيرها من المجالات. في شبكات الطاقة الحضرية، ونظرًا لمحدودية المساحة، يُمكن استخدام الكابلات الأرضية لتوفير المساحة وتحسين المظهر الجمالي للمدينة. تتطلب خطوط نقل الطاقة من محطات الطاقة الكبيرة استخدام كابلات الجهد العالي لنقل الكهرباء إلى المحطات الفرعية البعيدة. كما يُمكن نقل الطاقة عبر الكابلات البحرية، مما يُتيح نقل الطاقة عبر البحار وتوفير إمداد طاقة مستقر للجزر والمناطق الساحلية.

مع التطور المستمر لتكنولوجيا الطاقة، شهدت كابلات الجهد العالي بعض التوجهات التطويرية. أولها البحث والتطوير وتطبيق كابلات ذات مستويات جهد أعلى. ومع ازدياد الطلب على نقل الطاقة لمسافات طويلة، سيصبح تطوير كابلات الجهد الفائق محورًا رئيسيًا. ثانيها تطوير الكابلات الذكية. فمن خلال دمج أجهزة الاستشعار وغيرها من المعدات في الكابل، يمكن مراقبة حالة تشغيله في الوقت الفعلي والإنذار المبكر بالأعطال، مما يُحسّن موثوقية تشغيله. ثالثها تطوير كابلات صديقة للبيئة. فمع تزايد متطلبات حماية البيئة، سيُمثل البحث والتطوير في مواد الكابلات منخفضة التلوث والقابلة لإعادة التدوير اتجاهًا تطويريًا مستقبليًا.