تحليل أنظمة الكابلات المعرضة لضربات البرق HVDC

أهمية تحليل أنظمة الكابلات المعرضة لضربات البرق HVDC

مدفوعاً بالطلب المتزايد على مخططات نقل الطاقة السائبة، يرتفع عدد “الموصلات البينية” (HVDC) القائمة على تقنية محول مصدر الجهد (VSC) بشكل مستمر، وذلك تماشياً مع استخدام (VSC) ونتيجة للتحسينات المستمرة في “تكنولوجيا المواد”؛ فإن مشاريع (HVDC) المنفذة باستخدام الكابلات ذات العزل المنبثق، بحيث تظهر بوتيرة سريعة.

وحتى الآن، تعمل أنظمة الكابلات (HVDC) ذات العزل المنبثق حالياً بجهد “تيار مباشر” يصل إلى حوالي (320) كيلو فولت ومن المتصور استخدام “كابلات تيار مستمر” مقذوف بجهد كهربائي مقنن يبلغ (525) كيلو فولت للمشاريع المستقبلية في المناطق الحضرية، كما يبدو أن إنشاء موصلات (HVDC) جديدة مع قطاعات الكابلات الأرضية أمر لا مفر منه.

ومع ذلك، قد تؤدي الأسباب الاقتصادية أو القيود البيئية إلى أقسام (OHL) الجزئية في مشاريع (HVDC) المرتقبة، وفي مثل هذه المخططات التي تشتمل على خطوط النقل (الكابلات العلوية المختلطة)، يتعرض كابل التيار المستمر بشكل غير مباشر “لضربات البرق”، بحيث تعتبر قضية الجهد الزائد البرق في خطوط الكابلات العلوية ذات أهمية كبيرة فيما يتعلق بتنسيق العزل لنظام الكابلات.

ووفقاً لذلك، تم التحقيق في هذا الجانب في العديد من الدراسات لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء  والأبحاث الحديثة التي تركز على أنظمة (HVDC) التي تشتمل على أنظمة الكابلات ذات العزل المنبثق، و علاوة على ذلك، تم إجراء دراسة تفصيلية تتناول الجهد الزائد البرق الذي يؤثر على خطوط الكابلات الطويلة، كما تم إجراء دراسات ذات صلة لتحليل سلوك البرق لأنظمة (HVDC) المختلطة.

كما يتمثل نطاق هذا البحث في اشتقاق أقصى جهد للاندفاع البرق يؤثر على كبل التيار المستمر في حالة الأنظمة المختلطة لكابلات (OHL)، وذلك من أجل الحصول على بيان عام حول ضغوط الجهد التي تحدث، كما يتم تقييم مجموعة واسعة من المعلمات الخاصة بالمشروع مثل طول الكابل وتصميم البرج وظروف التأريض الكهربائي.

تأثر كابلات التيار المستمر بسبب فولتية البرق

عندما يتعرض كبل التيار المستمر في الخدمة لضربات البرق؛ فقد يتعرض الكبل لنبضات عابرة متراكبة على جهد التيار المستمر، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، وبهذا؛ فإن (U0) هو جهد تيار مستمر مقرر و(UP) هو جهد ذروة، كذلك قد يكون سبب النبضات المتراكبة للقطبية المعاكسة لجهد التيار المستمر كما هو موضح في الشكل (1-A).

كذلك هو الفلاش العكسي من برج إلى موصل (BF) بعد ضربة صاعقة لبرج قريب، كما قد يؤدي (BF) إلى زيادة الجهد العكسي (BFO) على طول الكابل، وذلك سبب آخر لنبضات القطبية المعاكسة التي تؤثر على كابل التيار المستمر هي حالات فشل التدريع (SF) التي تحدث عندما تتجاوز ضربة البرق سلك الدرع وتضرب موصل التيار المستمر مباشرة.

حيث يؤدي (SF) إلى فشل التدريع في الجهد الزائد (SFO) على طول الكابل، وفي حالة أن تيار البرق ذو قطبية معاكسة مقارنة بقطبية جهد التشغيل لقطب التيار المستمر المضروب؛ فقد يحدث جهد نبضي لقطبية معاكسة لجهد التيار المستمر، وفي حالة أن تيار البرق له نفس قطبية قطبية جهد التشغيل لقطب التيار المستمر المضروب، ينتج عن (SF) نبضة متراكبة بنفس القطبية.

وبخلاف أنظمة التدفئة المركزية و”تكييف الهواء” (HVAC)، لا تحدد توصيات الاختبار ذات الصلة لكابلات التيار المستمر في مستويات الجهد الكهربائي لتحمل النبضات الصاعقة الاختبارات المتعلقة بجهد النظام المقنن، وبدلاً من ذلك تقترح التوصية الحالية لاختبار الكابلات المنبثقة بالتيار المستمر بجهد مقنن يصل إلى 500 كيلو فولت.

كذلك إجراء اختبارات نبضات البرق بجهد نبضي يبلغ (1.15) ضعف قيمة الذروة القصوى المطلقة لنبضة البرق، والتي يمكن للكابل تجربتها، بحيث يتم إجراء اختبار تحمل نبضة البرق لنبضات قطبية معاكسة لجهد التيار المستمر، كما ويكون الاختبار مطلوبًا فقط في حالة تعرض نظام الكابل لضربة صاعقة.

النظام الخاص بتحليل أنظمة الكابلات المعرضة لضربات البرق

يعتبر نظام (HVDC) المدروس هو بمثابة رابط ثنائي القطب مؤرض بنقطة واحدة مع عودة معدنية مخصصة (DMR)، بحيث يبلغ جهد النظام المقدر حوالي (± 525) كيلو فولت عند قدرة نقل القدرة التي تبلغ حوالي (1) جيجاوات لكل قطب، كما يتكون السيناريو الذي تم فحصه من خط كبل مدفون مضمن بين قسمين (OHL)، وذلك كما هو موضح بالشكل التالي (2).

خط الكابلات المعرض: من أجل تقييم تأثير طول الكبل على حدوث الجهد الزائد، تم تحليل سبعة أطوال مختلفة للكابلات تبلغ (2)، (5)، (10)، (20)، (30)، (40)، (50) كم، وذلك خلال النهايات المرتبطة بالكابلات المحمية بواسطة مانعات الصواعق (SA) في جميع الحالات.

كما يتم اختيار تكوين كابل مناسب للتطبيق الأرضي، بحيث يتكون كابل التيار المستمر من موصل نحاسي بقطر عرضي (3000 مم²) وطبقة شبه موصلة داخلية وعزل رئيسي مصنوع من بوليمر (XLPE DC) وطبقة خارجية شبه موصلة وشاشة معدنية وغمد خارجي.

تصميم خط النفقات العامة: عادة ما يكون تكوين البرج خاصاً جداً بالمشروع، ولمعالجة هذه المشكلة؛ فإنه يتم النظر في تصميمين مختلفين لبرج (OHL) يختلفان في عدد الأسلاك الأرضية العلوية (OHGW)، كما يتألف تصميم البرج الأول من اثنين من (OHGWs)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (3).

كما أن الارتفاع فوق سطح الأرض هو (h1 = 47 m و h2 = 33.5 m) للموصلات (OHGW) وكلا الموصلات ذات القطب المستمر على التوالي، كما يقع (DMR) على ارتفاع (h3 = 26) متراً، بحيث تم تجهيز تصميم البرج الثاني بجهاز (OHGW) واحد يتم ترتيبه مركزياً على ارتفاع (h1 = 51) متراً فوق سطح الأرض، لذلك؛ فإن كلا التصميمين عبارة عن أبراج تعليق شبكية بطول (400) متر.

قوة عزل الخط: في أنظمة (HVDC)، يتم تحديد طول عازل الخط بشكل أساسي من خلال التلوث البيئي المتوقع على سطح العازل، بحيث يؤدي جانب التصميم هذا إلى مسافات زحف أعلى للعزل الخارجي لـ (HVDC) مقارنة بأنظمة (HVAC) ذات الفولتية المقدرة المماثلة، وذلك في كل من هندسة برج (OHL) المدروسة، بحيث تكون مسافة الفجوة بين الموصل والبرج المتقاطع (d = 6.5 m).

كما تم تقدير عامل الفجوة المناسب لتكوين الموصل المتقاطع تحت ضغوط الجبهة السريعة بـ (kG = 1.5)، علاوة على ذلك؛ فإنه يتم تقييم التدرج الحرج لمضة كهربائية (CFO) للفجوة الهوائية بين الموصل والذراع المتقاطع تحت دافع البرق في ضوء عامل الفجوة وطول الفجوة، حيث أن متوسط ​​المجال الكهربائي في فجوة هوائية (E50) عند احتمال تفريغ بنسبة (50٪) في ظل اندفاع البرق القياسي للقطبية السالبة يميل إلى الانخفاض مع زيادة مسافة الفجوة.

بالإضافة إلى ذلك، يأخذ (E50) أصغر القيم لعوامل الفجوة فوق (1.4)، وذلك تحت دافع البرق للقطبية السالبة، ووفقاً لذلك يتم تحديد انحدار (CFO) بمقدار (E50 = 500) كيلو فولت / م تحت القطبية السالبة، وذلك لتحقيق مرونة تشغيلية موسعة في المخطط ثنائي القطب، بحيث تم تصميم (DMR) بنفس مستوى عزل الخط مثل موصلات القطب.