تفريغ الوميض الحاصل في خطوط النقل فائقة الجهد الكهربائي

الغرض من تفريغ الوميض في خطوط النقل فائقة الجهد الكهربائي

مع الزيادة الهائلة في الطاقة المنقولة عبر مسافات طويلة، أصبح نقل التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) مضاهياً، كما وتم بناء العديد من خطوط نقل (HVDC) حول العالم، بحيث يستخدم ناقل الحركة (HVDC) الأرض كمسار عودة، مما يتطلب أبراجاً أبسط وبالتالي انخفاض صافي التكاليف، ومع ذلك تعمل أنظمة نقل (HVDC) فوق جهد بداية الإكليل وقد تسبب ضوضاء مسموعة وتداخل لاسلكي وفقدان الطاقة وقد تؤدي إلى تدهور أنظمة العزل.

وبالإضافة إلى ذلك، قد تسبب الهالة تأثيرات بيولوجية وبيئية، كما شكلت هذه الظاهرة مصدر قلق متزايد فيما يتعلق بدراسة تصريفات كورونا على خطوط نقل (HVDC)، كما ولد الإكليل شحنات فضائية تملأ المنطقة بين الأقطاب الكهربائية، ومع ذلك في أنظمة نقل التيار المتردد عالي الجهد (HVAC)، بحيث تقتصر الشحنات الفضائية الناتجة عن الهالة على قرب الموصل حيث يتم عكس المجال الكهربائي بشكل دوري.

كما يعتمد فقدان الإكليل بشكل أساسي على المجال السطحي للموصل في حالة أنظمة نقل (HVAC)، بينما في حالة أنظمة نقل (HVDC)، بحيث يعتمد بشكل أكبر على المعلمات الهندسية لخط النقل، وذلك نتيجة لهذه الأسباب؛ فإن دراسة المجال الكهربائي وكثافة التيار المرتبط بتفريغ الهالة، وفي أنظمة نقل (HVDC)، بحيث تحظى باهتمام كبير للباحثين، وبشكل عام يجب مراعاة تأثير الهالة عند تصميم أنظمة نقل (HVDC).

كما أن مشكلة الهالة في محيط أنظمة نقل (HVDC) ذات طبيعة غير خطية، وبالتالي فإن الحل الدقيق للحقل المتأين المرتبط بالكورونا يمثل تحدياً كبيراً، وفي هذا الصدد جرت عدة محاولات لتطوير التقنيات العددية، حيث أن الغرض الرئيسي من هذه التقنيات هو حل معادلات بواسون واستمرارية التيار أثناء الحصول على المجال الكهربائي وكثافة التيار المرتبط بالإكليل على أنظمة نقل (HVDC) أحادية القطب التقنيات العددية الشائعة لحل مشكلة الإكليل، وهي طريقة العناصر المحدودة (FEM) وطريقة محاكاة الشحن (CSM) وطريقة عنصر الحدود (BEM).

كما تم تطوير نموذجاً حاسوبياً لتحليل خطوط نقل (HVDC)، وعلى وجه الخصوص اقترحوا حلاً تكرارياً للمجال الكهربائي وكثافة التيار على سطح الأرض، كما كانت خصائص الجهد الكهربائي والتيار التي تم الحصول عليها متوافقة بشكل معقول مع البيانات التجريبية حيث نفذ تحليلها افتراض (Deutsch)، والذي يذكر أن شحنة الفضاء تؤثر فقط على حجم المجال الكهربائي، ولكن ليس اتجاهه.

كذلك تم استخدم (FEM) لحل مشكلة المجال المتأين للهالة أحادية القطب، وبافتراض أن كثافة الشحنات الفضائية ثابتة حول سطح الموصل، بحيث إنهم يتخلون عن افتراض أن المجال الكهربائي يبقى ثابتاً عند قيمته الأولية على سطح الموصل، ومع ذلك؛ فإن اختيار كثافة الشحنة الثابتة حول سطح الموصل كشرط حد غير واقعي من الناحية العملية، مما يضع بعض التجريبية على تحليلهم بواسطة (FEM).

طريقة الحساب المقترحة الخاصة بظاهرة كورونا

المعادلات الحاكمة للكورونا: تحدد المعادلات التالية تفريغ الهالة أحادية القطب، بحيث تمثل معادلة بواسون:

كما أن معادلة الاستمرارية للتيار الكهربائي:

حيث أن: 

(E): هي كثافة المجال الكهربائي.

(j): هي كثافة التيار الكهربائي.

(V): هي الجهد الكهربائي.

(k): هي الحركة الأيونية وسماحية الهواء.

(W): هي سرعة الرياح و هي كثافة الشحنة، كما يؤدي الجمع بين المعادلتين في البداية، وذلك إلى معادلة غير خطية من الدرجة الثالثة، مما يؤدي إلى صعوبات كبيرة في الحل التحليلي، لذلك تلعب التقنيات العددية دوراً مهماً في علاج مشكلة الهالة أحادية القطب.

وبالنسبة لشروط الحدود، وبالإشارة إلى الشكل التالي (1)؛ فإن شروط الحدود اللازمة لحل معادلات الهالة أحادية القطب للتيار المستمر هي:

• الإمكانات على الأرض هي صفر.

• شحنة الفضاء في منطقة القطب الكهربائي أحادي القطب.

• يتم تجاهل سماكة منطقة التأين حول السلك المتأين مقارنة بارتفاع السلك (H) فوق سطح الأرض.

• طول خط التماثل وعلى مستوى الأرض ، فإن المجال الكهربائي (Ex) يساوي صفراً.

• حركة الأيونات (k) ثابتة.

كما يمكن حساب كثافة الشحنة عند النقطة [A (ρA)] من خلال:

حيث تمثل (f) عامل خشونة السطح، كما تمثل عامل كثافة الهواء، أيضاً (R) تمثل نصف قطر السلك المتأين (cm)، أما (jp) تمثل متوسط كثافة التيار على اللوحة البديلة، (Sx) تمثل نصف طول اللوحة المؤرضة، و (k) يمثل تنقل الأيونات (m2 / Vs).

من وجهة نظر رياضية، يتطلب حل مشكلة الهالة أحادية القطب، وهي المحددة بواسطة المعادلات السابقة، كما أن هناك ثلاثة شروط حدودية لأي هندسة موصل، وهو مطلوب لتقديم تقديرات كافية لمجال بداية الهالة لموصلات الخط، وفي هذه الدراسة؛ فإنه يتم تجاهل افتراضات ثبات المجال الكهربائي على سطح السلك المتأين عند قيمته الأولية (افتراض دويتش)، وأن الشحنة الفضائية تؤثر فقط على الحجم، ولكن ليس اتجاه المجال الكهربائي (افتراض كابتزوف).

طريقة متعددة الشبكات الكاملة: بشكل عام، تعتبر أدوات التمليس وكذلك التقييد العمود الفقري لطريقة الشبكة المتعددة، إلى جانب الإطالة؛ فإن الهدف الرئيسي من أجهزة التنعيم هو تقليل أخطاء التردد العالي، ومن بين مشغلي نقل الشبكة؛ فإن هناك قيد يرسم النقص في المخلفات من الشبكة الدقيقة إلى الشبكة الخشنة بعد تجانس الشبكة الدقيقة.

كذلك مشغل نقل الشبكة الإضافي الذي تم تنفيذه مع (FMG) هو عملية استيفاء، ومن خلال استخدام الاستيفاء؛ فإنه من الممكن حساب القيمة المتوسطة لجميع النقاط المجاورة الحالية وفقاً لمقدار كل نقطة تالية في الشبكة الكهربائية، لذلك من الواضح أن معادلة بواسون تستهلك وقتاً طويلاً في الخوارزمية الحسابية، وعندما تكون الشبكة جيدة؛ فإنه يستغرق الأمر وقتاً طويلاً لتحقيق التقارب المطلوب من خلال الطرق التكرارية الكلاسيكية للحل.

وبالتالي؛ فإن العمل الحالي يقترح النهج متعدد الشبكات باعتباره وسيلة حل تكرارية لتحسين عملية التقارب، لذلك يحتوي النهج متعدد الشبكات على مخططات مختلفة، بما في ذلك نظام الشبكتين ودورة الفولتية ودورة التردد و (FMG)، وفي في النهج المقترح، يتم تطبيق (FMG) كأداة تكرارية لحل معادلات الفروق المحدودة بينما يتم تنفيذ تقنية (Gauss-Seidel) على أنها أكثر سلاسة.

وأخيراً تم تحليل نهج جديد لحل مشكلة الهالة أحادية القطب المتعلقة بتكوين خط نقل (HVDC) باستخدام (FDM) المتكامل مع محلل (FMG)، كما تعمل (FMG) على تحسين معدل تقارب (FDM)، وذلك على الشبكات الدقيقة، بحيث يبلغ إجمالي وقت تنفيذ البرنامج (8-30) ثانية لتتقارب مع نظام القابلية المحدد في حالة عدم وجود رياح وظروف رياح على التوالي على شبكة من (256 × 256) نقطة.

كما يتم تقييم المنهج المقترح فيما يتعلق بالبيانات التجريبية السابقة ويتم تحقيق مطابقة قوية، وذلك مقارنة بالتقنيات العددية السابقة للرياح وعدم وجود ظروف للرياح، بحيث أظهرت النتائج أن الرياح تمارس قوة ميكانيكية على الأيونات في أنظمة نقل (HVDC).

أيضاً تتنبأ الدراسة الحالية بارتفاع كبير في كثافة التيار ومجال كهربائي شبه ثابت على مستوى الأرض مع زيادة سرعة الرياح وتؤدي إلى توزيع أوسع لكثافة التيار والمجال الكهربائي على مستوى الأرض، بحيث سيتم توجيه العمل المستقبلي لتنفيذ (FDM-FMG) المقترح في خطوط (HVDC) ثنائية القطب في المجالات الحسابية الدقيقة.