في أنظمة الطاقة الحديثة، تلعب كابلات الجهد العالي دورًا حيويًا. بدءًا من شبكات الطاقة تحت الأرض في المدن ووصولًا إلى خطوط النقل لمسافات طويلة عبر الجبال والأنهار، تضمن كابلات الجهد العالي نقلًا فعالًا ومستقرًا وآمنًا للطاقة الكهربائية. ستتناول هذه المقالة بالتفصيل التقنيات المختلفة المتعلقة بكابلات الجهد العالي، بما في ذلك بنيتها وتصنيفها وعملية تصنيعها وخصائص أدائها وتركيبها وصيانتها.
1.الهيكل الأساسي لكابلات الجهد العالي
تتكون كابلات الجهد العالي بشكل أساسي من الموصلات وطبقات العزل وطبقات الحماية والطبقات الواقية.
الموصل هو قناة نقل التيار، وعادةً ما يكون مصنوعًا من النحاس أو الألومنيوم. يتميز النحاس بموصلية جيدة ومرونته، بينما يتميز الألومنيوم بانخفاض تكلفته وخفته نسبيًا. تكون هذه الموصلات عادةً على شكل أسلاك ملتوية متعددة الخيوط لزيادة مرونتها.
طبقة العزل جزء أساسي من كابلات الجهد العالي، إذ تلعب دورًا في منع تسرب التيار وعزل الموصل عن العالم الخارجي. من مواد العزل الشائعة البولي إيثيلين المتشابك (XLPE)، والورق الزيتي، وغيرها. يتميز XLPE بخصائص كهربائية ممتازة، ومقاومة للحرارة، وقوة ميكانيكية، ويُستخدم على نطاق واسع في كابلات الجهد العالي الحديثة.
تنقسم طبقة الحماية إلى طبقة حماية داخلية وطبقة حماية خارجية. يُستخدم الغطاء الداخلي لتوحيد المجال الكهربائي ومنع التفريغ الموضعي من إتلاف طبقة العزل؛ بينما يُقلل الغطاء الخارجي من تداخل المجال الكهرومغناطيسي الخارجي على الكابل، ويمنع أيضًا تأثيره الكهرومغناطيسي على العالم الخارجي.
تحمي الطبقة الواقية الكابل بشكل أساسي من التلف الناتج عن عوامل خارجية، مثل التلف الميكانيكي والتآكل الكيميائي وتسرب المياه. تتكون عادةً من درع معدني وغلاف خارجي. يوفر الدرع المعدني قوة ميكانيكية، بينما يتميز الغلاف الخارجي بخصائص مقاومة للماء والتآكل.
2. تصنيف كابلات الجهد العالي
وفقًا لمستوى الجهد، تُصنف كابلات الجهد العالي إلى كابلات جهد متوسط (عادةً 3-35 كيلو فولت)، وكابلات جهد عالي (35-110 كيلو فولت)، وكابلات جهد فائق (110-500 كيلو فولت)، وكابلات جهد فائق (أكثر من 500 كيلو فولت). وتختلف الكابلات ذات مستويات الجهد المختلفة في التصميم الهيكلي ومتطلبات العزل، وما إلى ذلك.
من منظور المواد العازلة، بالإضافة إلى كابلات XLPE وكابلات الورق الزيتي المذكورة أعلاه، توجد أيضًا كابلات مطاط الإيثيلين-البروبيلين. تتمتع كابلات الورق الزيتي بتاريخ عريق، ولكن نظرًا لتكاليف صيانتها الباهظة وأسباب أخرى، فقد استُبدلت تدريجيًا بكابلات XLPE. تتميز كابلات مطاط الإيثيلين-البروبيلين بمرونة عالية ومقاومة عالية للعوامل الجوية، وهي مناسبة لبعض المناسبات الخاصة.
3. عملية تصنيع كابلات الجهد العالي
إن تصنيع كابلات الجهد العالي هي عملية معقدة ودقيقة.
يتطلب تصنيع الموصلات أولاً شد المواد الخام من النحاس أو الألومنيوم، ولفّها، وعمليات أخرى لضمان دقة أبعاد الموصل وخواصه الميكانيكية. أثناء عملية اللف، يجب ترتيب خيوط الموصل بشكل متقارب لتحسين موصليته.
يُعدّ بثق طبقة العزل إحدى الخطوات الأساسية. بالنسبة لطبقة عزل XLPE، تُبثق مادة XLPE عند درجة حرارة عالية وتُغلّف بالتساوي على الموصل. أثناء عملية البثق، يجب التحكم بدقة في معايير مثل درجة الحرارة والضغط وسرعة البثق لضمان جودة طبقة العزل وتجانس سمكها.
تُصنع طبقة الحماية عادةً بنسج سلك معدني أو لفّ شريط معدني. تختلف عملية تصنيع الدروع الداخلية والخارجية قليلاً، ولكن يجب ضمان سلامة طبقة الحماية وتوصيلها الكهربائي الجيد.
وأخيرًا، يشمل إنتاج الطبقة الواقية وضع الدرع المعدني وتشكيل الغلاف الخارجي. يجب أن يُثبّت الدرع المعدني الكابل بإحكام، ويضمن تشكيل الغلاف الخارجي مظهرًا أملسًا خاليًا من العيوب كالفقاعات والشقوق.
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. تمنع مقاومة العزل العالية تسرب التيار بفعالية، كما أن فقدان العازل المنخفض يقلل من فقدان الطاقة الكهربائية أثناء النقل، وتضمن مقاومة الجهد الجيدة تشغيل الكابل بأمان في بيئة الجهد العالي.
من حيث الخواص الميكانيكية، يجب أن يتمتع الكابل بمقاومة شد كافية، ونصف قطر انحناء، ومقاومة للصدمات. أثناء التركيب والتشغيل، قد يتعرض الكابل للتمدد والانحناء والصدمات الخارجية. إذا كانت الخواص الميكانيكية غير كافية، فمن السهل إتلاف الكابل.
يُعدّ الأداء الحراري عاملاً مهماً أيضاً. يُولّد الكابل حرارةً أثناء التشغيل، خاصةً عند تشغيله تحت أحمال عالية. لذلك، يجب أن يتمتع الكابل بمقاومة جيدة للحرارة وأن يعمل بشكل طبيعي ضمن نطاق درجة حرارة معين دون مشاكل مثل تآكل العزل. يتميز كابل XLPE بمقاومة حرارية جيدة نسبياً، ويمكنه العمل لفترات طويلة في درجات حرارة أعلى.
5. تركيب وصيانة كابلات الجهد العالي
عند التركيب، أول ما يجب فعله هو تخطيط مسار الكابل لضمان أن يكون مساره مناسبًا وآمنًا. أثناء عملية التركيب، يجب توخي الحذر لتجنب التمدد المفرط والانحناء والضغط على الكابل. عادةً ما تُستخدم معدات مثل ناقلات الكابلات للمساعدة في عملية التركيب لمسافات طويلة.
يُعدّ إنتاج وصلات الكابلات حلقةً أساسيةً في عملية التركيب. تؤثر جودة الوصلة بشكل 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 للمتطلبات.
أعمال الصيانة ضرورية لضمان التشغيل المستقر لكابلات الجهد العالي على المدى الطويل. يمكن للفحوصات الدورية الكشف الفوري عن أي تلف في مظهر الكابل أو غلافه. في الوقت نفسه، يمكن استخدام بعض معدات الاختبار لاختبار أداء العزل والتفريغ الجزئي للكابل. في حال وجود أي مشاكل، يجب إصلاحها أو استبدالها في الوقت المناسب.
6. فشل واكتشاف كابلات الجهد العالي
تشمل الأعطال الشائعة في كابلات الجهد العالي انهيار العزل، وانفصال الموصل، وتلف الوصلات. قد ينجم انهيار العزل عن تقادم العزل، أو التفريغ الجزئي، أو الجهد الزائد الخارجي. عادةً ما يحدث انفصال الموصل نتيجة قوة ميكانيكية خارجية أو حمل زائد طويل الأمد. قد ينجم عطل الوصلات عن سوء تصنيع الوصلات أو ارتفاع درجة حرارتها أثناء التشغيل.
لكشف هذه الأعطال، تتعدد طرق الكشف. يُعدّ كشف التفريغ الجزئي من الطرق الشائعة الاستخدام. من خلال كشف الإشارة الناتجة عن التفريغ الجزئي في الكابل، يُمكن تحديد وجود عيوب في العزل داخله. يُمكّن اختبار تحمل الجهد من تحديد سعة تحمل الكابل للجهد واكتشاف مشاكل العزل المحتملة. بالإضافة إلى ذلك، تُمكّن تقنية التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء من الكشف عن توزيع درجة الحرارة على سطح الكابل، وذلك لتحديد ما إذا كان الكابل يُعاني من مشاكل مثل ارتفاع درجة الحرارة الموضعي.
7. اتجاهات استخدام وتطوير كابلات الجهد العالي في أنظمة الطاقة
في أنظمة الطاقة، تُستخدم كابلات الجهد العالي على نطاق واسع في تحويل شبكات الطاقة الحضرية، وخطوط الطاقة الصادرة من محطات الطاقة الكبيرة، ونقل الكابلات البحرية، وغيرها من المجالات. في شبكات الطاقة الحضرية، ونظرًا لضيق المساحة، يُمكن استخدام الكابلات تحت الأرض لتوفير المساحة وتحسين جمال المدينة. تتطلب خطوط الطاقة الصادرة من محطات الطاقة الكبيرة استخدام كابلات الجهد العالي لنقل الكهرباء إلى محطات فرعية بعيدة. يُمكن لنقل الكابلات البحرية تحقيق نقل الطاقة عبر البحار وتوفير إمدادات طاقة مستقرة للجزر والمناطق الساحلية.
مع التطور المستمر لتكنولوجيا الطاقة، شهدت كابلات الجهد العالي تطوراتٍ ملحوظة. أولها البحث والتطوير وتطبيق كابلات ذات مستويات جهد أعلى. ومع تزايد الطلب على نقل الطاقة لمسافات طويلة، سيُصبح تطوير كابلات الجهد الفائق محور التركيز. ثانيها، ذكاء الكابلات. فمن خلال دمج أجهزة الاستشعار وغيرها من المعدات في الكابل، يمكن مراقبة حالة تشغيل الكابل وتحذير الأعطال في الوقت الفعلي، مما يُحسّن من موثوقية تشغيله. ثالثها، تطوير كابلات صديقة للبيئة. ومع تزايد متطلبات حماية البيئة، سيُصبح البحث والتطوير لمواد كابلات منخفضة التلوث وقابلة لإعادة التدوير اتجاهًا مستقبليًا.
وقت النشر: ٢٤ سبتمبر ٢٠٢٤