الاعتبارات الميكانيكية لخطوط نقل القدرة فائقة الجهد

أهمية الاعتبارات الميكانيكية لخطوط نقل القدرة فائقة الجهد:

نظراً للأهمية الهائلة التي يوليها المصمم للمشكلات الناتجة عن الاهتزازات والتذبذبات الخاصة بترتيب الموصلات الثقيلة جداً المطلوبة لـ (خطوط نقل فائقة القدرة) (e.h.v)، وذلك مع زيادة عدد الموصلات الفرعية المستخدمة في الحزمة؛ فإن هذه الاهتزازات والتدابير المضادة وتباعد الموصلات الفرعية ستؤثر أيضاً على التصميم الكهربائي، لا سيما تدرج الجهد السطحي.

حيث سيوصي المصمم الميكانيكي بأبعاد البرج وتباعد الطور وارتفاع الموصل وتباعد الموصلات الفرعية، وما إلى ذلك، والتي يجب على “المصمم الكهربائي” أن يبدأ منها حساباته لمحاثة المقاومة والسعة و”المجال الكهروستاتيكي” وتأثيرات الهالة وجميع خصائص الأداء الأخرى، لذلك؛ فإن الاثنين يسيران جنبا إلى جنب.

كما يتم فصل الموصلات الفرعية في الحزمة بواسطة فواصل من النوع المناسب، والتي تتسبب في مشاكلها الخاصة مثل التعب إلى نفسها وإلى الخيوط الخارجية للموصل أثناء الاهتزازات، كذلك لن يتم وصف تصميم الفواصل هنا ولكن يجب الرجوع إلى “كتالوج” الشركات المصنعة لمجموعة متنوعة من الفواصل المتاحة.

كما يتم توفير هذه الفواصل على فترات تتراوح من (60 إلى 75) متراً بين كل امتداد يقع في حي 300 متر لخطوط (e.h.v)، وبالتالي قد يكون هناك امتدادان للنهاية وامتدادان أو ثلاثة امتدادات فرعية في المنتصف، بحيث تمنع الفواصل الموصلات من الاحتكاك أو الاصطدام ببعضها البعض في عواصف الرياح والجليد.

ومع ذلك، وفي ظل ظروف الرياح الأقل شدة؛ فإنه يمكن أن يتسبب مُباعد الحزمة في إتلاف نفسه أو التسبب في تلف الموصل في ظل ظروف اهتزاز حرجة معينة، ومن الناحية الكهربائية؛ فإن الشحنات على الموصلات الفرعية هي من نفس القطبية، وهناك تنافر إلكتروستاتيكي بينهم.

من ناحية أخرى، ونظراً لأنها تحمل تيارات في نفس الاتجاه؛ فهناك جذب كهرومغناطيسي، بحيث تكون هذه القوة شديدة بشكل خاص أثناء التيارات ذات الدائرة القصيرة، لذلك يكون للفاصل قوة مفروضة عليه أثناء التشغيل الكهربائي العادي أو غير الطبيعي.

أنواع الاهتزازات الخاصة بخطوط النقل الكهربائية:

تم التعرف على ثلاثة أنواع من الاهتزازات على أنها مهمة بالنسبة لـ الموصلات الخاصة بـ (e.h.v)، حيث تعتمد درجة شدتها على العديد من العوامل، أهمها:

• توتر الموصل.

• طول الامتداد.

• حجم الموصل.

• نوع الموصل.

• تضاريس الخط.

• اتجاه الرياح السائدة.

• نوع المشبك الداعم لتجمعات عازل الموصل من البرج.

• نوع البرج وارتفاع البرج.

• نوع الفواصل والمخمدات.

• الغطاء النباتي بالقرب من الخط بشكل عام.

كما تحدث أشد ظروف الاهتزاز عن طريق الرياح غير المضطربة بحيث تساعد التلال والمباني والأشجار في تقليل شدتها، حيث أن أنواع الاهتزازات هي:

• الاهتزاز الإيولياني.

• الاهتزاز “الركض”.

النوعين الأول والثاني موجودان لكل من الحزم الفردية والمتعددة الموصلات، بينما يقتصر التذبذب الناجم عن الاستيقاظ على حزمة فقط، بحيث تحتوي الأشكال القياسية للموصلات الحزمية على موصلات فرعية تتراوح أقطارها من (2.54 إلى 5) سم مع تباعد الحزمة من (40 إلى 50) سم بين الموصلات المجاورة، ومن أجل (e.h.v) يتراوح العدد من (2 إلى 8) موصلات فرعية لجهود النقل من 400 كيلو فولت إلى 1200 كيلو فولت، وحتى 12 أو حتى 18 للجهود العالية التي لم يتم تشغيلها تجارياً بعد.

كما يتشكل الاهتزاز الإيولياني عندما يكون الموصل تحت التوتر وتهب رياح ثابتة نسبياً عبره، تتشكل دوامات صغيرة على جانب الريح تسمى دوامات كرمان (التي لوحظت لأول مرة على أجنحة الطائرة)، كما تنفصل هذه الدوامات عن نفسها وعندما تفعل بالتناوب من الأعلى والأسفل، فإنها تسبب قوة عمودية دقيقة على الموصل، كما يتم إعطاء تردد القوات بواسطة الصيغة المقبولة.

F = 2.065 (v/d),  Hz

حيث أن:

(v): مكون سرعة الرياح الطبيعي للموصل بالكيلومتر / الساعة.

(d): قطر الموصل بالسنتيمتر، بحيث يصبح العامل الثابت للمعادلة (2.5) بدلاً من (3.26)، وذلك عندما تكون (v) بالميل في الساعة و (d) بالبوصة.

كما تتسبب قوى التذبذب أو الاهتزازات الناتجة في إجهاد الموصل والبنية الداعمة وتُعرف بالاهتزازات الهوائية، لذلك قد يتطابق تواتر انفصال “دوامات كرمان” مع أحد الترددات الميكانيكية الطبيعية للمدى، والتي إذا لم يتم تثبيتها بشكل صحيح، حيث يمكن أن تتراكم وتدمر خيوطاً فردية من الموصل عند نقاط تقييد مثل عند الدعامات أو عند فواصل الحزمة.

حيث أنها تؤدي إلى تأثيرات موجية، حيث ينتقل الاهتزاز على طول الموصل الذي يعاني من الانعكاس عند الانقطاعات عند نقاط ذات خصائص ميكانيكية مختلفة، وبالتالي هناك معوقات ميكانيكية مرتبطة بها، حيث تم تصميم المخمدات وفقاً لهذه الخاصية وتوفر نقاطاً مناسبة للانعكاس السلبي لتقليل اتساع الموجة.

كذلك لا يتم ملاحظة الاهتزازات الايولية عند سرعات الرياح التي تزيد عن 25 كم / ساعة، كما تحدث بشكل أساسي في التضاريس التي لا تزعج الرياح بحيث تساعد الاضطرابات على تقليل الاهتزازات الجوية، وفي حزمة من موصلين؛ تكون سعة الاهتزاز أقل من سعة موصل واحد بسبب بعض تأثير الإلغاء من خلال مُباعد الحزمة.

كما يحدث هذا عندما لا تكون الموصلات موجودة في مستوى عمودي وهذا هو الحال عادة في الممارسة العملية، حيث تقع الموصلات في مستوى أفقي تقريباً، ولكن مع وجود أكثر من موصلين في حزمة، كما توجد الموصلات في كلتا الطائرتين.

أيضاً فقد تساعد “المخمدات” مثل نوع (Stockbridge) أو الأنواع الأخرى على ترطيب الاهتزازات في الامتدادات الفرعية المتصلة بها، أي الفواصل الفرعية الطرفية؛ ولكن عادةً ما يكون هناك اثنان أو ثلاثة امتدادات فرعية في منتصف الامتداد غير محمية بهذه المخمدات متوفرة فقط في الأبراج، بحيث يتم توفير الفواصل المرنة بشكل عام والتي قد تكون أو قد لا يكون مصمماً لتقديم التخميد.

وفي الحالات التي يتم فيها تصميمها عن قصد لإخماد تذبذبات الامتداد الفرعي، تُعرف باسم مخمدات المباعد، وذلك نظراً لأن الاهتزاز الجوي يعتمد على الطاقة التي تمنحها الرياح للموصل، بحيث يتم إجراء القياسات في ظل ظروف خاضعة للرقابة في المختبر في أنفاق الرياح، وعادة ما يقتصر تردد الاهتزاز على (20) هرتز والسعات أقل من (2.5) سم.

الاختلاف هنا أن الاهتزاز الراكض للموصل هو عبارة عن سعة عالية جداً، ونوع منخفض التردد لحركة الموصل ويحدث بشكل أساسي في مناطق التضاريس المسطحة نسبياً تحت المطر المتجمد وتجمد الموصلات.

حيث توفر التضاريس المستوية رياحاً منتظمة ومنخفضة الاضطراب، خاصةً عندما يتم تجميد الموصل؛ فإنه يقدم قسماً غير متماثل من الأجزاء الأساسية مع الجانب المواجه للريح به تراكم ثلج أقل من الجانب المواجه للريح من الموصل، وذلك عندما تهب الرياح عبر هذا السطح، حيث يكون هناك رفع ديناميكي هوائي بالإضافة إلى قوة سحب بسبب الضغط المباشر للريح.

كما تؤدي القوتان إلى ظهور أنماط التواء من التذبذب وتتحدان لتذبذب الموصل بسعات كبيرة جداً، وهي كافية لإحداث تلامس بين مرحلتين متجاورتين، كذلك قد تكون المسافة بينهما (10 إلى 15) متراً في وضع الراحة.