الظاهرة القشرية وأثرها على خطوط النقل الكهربائية

أهمية التعرف على الظاهرة القشرية في أنظمة النقل الكهربائية:

عندما يتدفق التيار المستمر عبر “الموصل”، يكون توزيع الشحنة في جميع أنحاء المقطع العرضي للموصل منتظماً، كما ويتم توزيع التيار بشكل متساوٍ، حيث ينتج التيار المباشر أيضاً مغناطيسياً حوله ولكنه لا يتناوب، لذلك لا يمكن للحقل المغناطيسي المتناوب أن يحفز التيار بشكل ثابت وموضوع ولا يوجد تأثير للجلد (القشرة)، ولكن في حالة التيار المتردد؛ فإن هذا غير صحيح.

كما يعتبر التوزيع الحالي في منطقة المقطع العرضي للموصل غير منتظم مع تدفق تيار التيار المتردد عبر الموصل، حيث يكون تركيز الشحنة بالقرب من “سطح الموصل” أكثر بكثير من تركيز الشحنة في مركز الموصل، كما تسمى ظاهرة التوزيع غير المنتظم للتيار الكهربائي على السطح الخارجي للموصل الذي يحمل التيار المتردد باسم تأثير الجلد.

أيضاً تزداد المقاومة الأومية للموصل الحامل للتيار المتردد بسبب تأثير الجلد، كما تسمى مقاومة الموصل، خاصةً عندما يتدفق التيار المتردد خلاله، ويزداد تأثير الجلد مع زيادة التردد. يكون تأثير الجلد في حالة إشارة التردد اللاسلكي أكثر انتشاراً وتزداد مقاومة الموصل إلى حد كبير ويتم اتخاذ تدابير علاجية لها.

كما يتم استخدام الموصل المجوف في تطبيق (RF) لتقليل وزن الموصل، وخاصةً في حالة تردد الطاقة المعروف (50 هرتز)، كما أن هناك زيادة طفيفة في كثافة التيار بالقرب من سطح الموصل، بحيث تزداد كثافة التيار عند سطح الموصل بزيادة التردد وبشكل توافقي.

الأسباب التي تقف وراء الظاهرة القشرية على خطوط النقل الكهربائية:

يعتبر الموصل مصنوعاً من العديد من العناصر الصغيرة للعناصر الأسطوانية، وعندما يتدفق تيار التيار المتردد عبر الموصل؛ فإنه يتم إعداد التدفق المغناطيسي في منطقة المقطع العرضي بأكملها للموصل، كما ويتم ربط هذا التدفق بالموصل.

لذلك يكون التدفق المغناطيسي المرتبط بالعناصر الأسطوانية بالقرب من المركز أكثر من التدفق المرتبط بالعنصر الأسطواني بالقرب من سطح الموصل، كما أن الأجزاء المركزية من العناصر الأسطوانية للموصل محاطة بالتدفق الداخلي والخارجي، وبالتالي يتم ربط المزيد من التدفق بالعناصر الأسطوانية القريبة من قلب الموصل.

لذلك؛ فإن الموصلات القريبة من القلب لها تفاعل أكبر مقارنة بالمفاعلة التي توفرها الموصلات الحاملة الحالية بالقرب من سطح الموصل، بحيث يتسبب الاختلاف في التفاعل الذاتي للعنصر الأسطواني الداخلي والعنصر الأسطواني الخارجي في اختلاف تركيز التيار في جميع أنحاء منطقة المقطع العرضي للموصل.

كما يكون الحث الذاتي الذي يوفره العنصر الأسطواني بالقرب من القلب أكثر، وبالتالي فهو يوفر مقاومة أكثر تفاعلية ويكون التيار المتدفق عبر العنصر الأسطواني الداخلي أقل، وعندها فقد تكون كثافة التيار أو تركيز الشحنة أكثر على السطح وتكون كثافة التيار في مركز اللب صفراً وتتسبب ظاهرة تأثير الجلد (القشرة) في تقليل منطقة المقطع العرضي الفعال للموصل، وبالتالي تزداد مقاومة الموصل.

العوامل المؤثرة على الظاهرة القشرية:

معدل التكرار:

يزداد تأثير الجلد مع زيادة التردد، حيث توفر الموصلات القريبة من القلب مقاومة أكثر تفاعلًا “لتدفق التيار”، وبالتالي ينخفض ​​عمق الجلد وتزداد مقاومة الموصل مع زيادة التردد.

شكل الموصل:

يعتمد تأثير الجلد على مساحة سطح الموصل، بحيث يكون تأثير الجلد في الموصل الصلب أكثر من تأثير الموصل المجدول لأن الموصل الصلب يحتوي على مساحة سطح أكبر.

قطر الموصل:

يزداد تأثير الجلد مع زيادة قطر الموصل.

نفاذية المادة:

تعتبر النفاذية هي خاصية المادة التي تدعم تكوين المجال المغناطيسي، كما تميل المواد ذات النفاذية العالية إلى أن يكون لها تأثير جلدي أكبر، حيث تتسبب المواد ذات النفاذية العالية في تطوير المزيد من المجال المغناطيسي وتؤدي إلى ارتفاع الحث الذاتي، وأيضاً يؤدي الحث الذاتي الأعلى إلى مزيد من الممانعة التفاعلية التي تجبر التيار على التدفق على سطح الموصل.

كيفية تقليل تأثير الظاهرة القشرية على خطوط النقل الكهربائية:

هناك عدة حلول تهدف الى التقليل من عواقب الظاهرة القشرية على أسطح الموصلات في خطوط نقل القدرة الكهربائية، يأتي من أهمها:

• استخدام موصل (ACSR) المجمع لتقليل تأثير الظاهرة القشرية، حيث أن موصلات (ACSR) هي من الفولاذ الذي يوضع داخل أو وسط الموصل وموصل الألمنيوم يكون موضوع حول سلك فولاذي؛ فيعمل الفولاذ على زيادة قوة الموصل ولكنه قلل من مساحة سطح الموصل.

• استخدم مادة كابل ذات “نفاذية مغناطيسية” أقل، و هذا يقلل من التأثير، ولكن عادة ما يأتي على حساب المقاومة الأساسية الأعلى لكل وحدة طول، لذلك قد يكون من الجيد إذا كانت الخطوط قصيرة.

• تقليل حجم الموصل.

• زيادة الجهد عن طريق تقليل التيار مما يقلل من التأثير القشري في نفس الموصل.