تقليل المجالات الكهربائية والمغناطيسية لخطوط النقل العلوية

الضرورة من تقليل المجالات الكهربائية والمغناطيسية لخطوط النقل العلوية

يتسبب استخدام خطوط نقل الطاقة الكهربائية في المناطق المأهولة بالسكان في العديد من المشكلات، وذلك بسبب ارتفاع قيمة الكهرباء إلى جانب المجالات المغناطيسية على مستوى الأرض والتي تؤثر على البشر والحيوانات والنباتات وأيضاً لأن معظم الناس كانوا مهتمين حول احتمال وجود تأثيرات مسرطنة لديهم، كما كان الخطر المحتمل على صحة الإنسان والحيوان من العيش بالقرب من خطوط نقل الطاقة الكهربائية قلقاً من قبل العلماء طوال السنوات الماضية.

لذلك تحدث تأثيرات المجال الكهربائي من الخطوط العلوية بسبب الجهد العالي للغاية بينما تعود تأثيرات المجال المغناطيسي إلى تحميل الخط وتيارات الدائرة القصيرة، كما من المتوقع أن يؤدي التعرض لمجالات كهربائية ومغناطيسية بتردد كهربائي مقداره (50) هرتز تم إنشاؤها بواسطة الخطوط الهوائية إلى زيادة المخاطر على الكائنات الحية.

كما أن أحد العناصر الرئيسية التي تحدد اختيار طريق خط النقل (ROW) هو التأثير العالي للمجالات الكهربائية والمغناطيسية، بحيث يمكن تعريف خط الطاقة (ROW) بشكل عام على أنه المسار الآمن لخطوط النقل العلوية (OHTLs) بحيث لا يتعرض البشر لقيم تأثير المجالات الكهربائية والمغناطيسية مع الحفاظ على التدفق المستمر للطاقة الكهربائية.

على سبيل المثال، وبالنسبة لخطوط (230) كيلو فولت و (500) كيلو فولت والدائرة المزدوجة (500) كيلو فولت؛ قام فريق الإشراف باختيار مستويات المجال المغناطيسي من (150 ، 200 ، 250) ميغا غرام حافة المجال المغناطيسي (ROW) على التوالي، وبطريقة أخرى يوصف (ROW) على أنه المسافة من المرحلة المركزية إلى نقطة حيث يُعتبر المجال الكهربائي عند متر واحد فوق مستوى الأرض مباشرةً (1.5) كيلو فولت لكل متر.

كما تحدد لوائح فريق الإشراف عرض (ROW) الضروري لتصميم خط معين أو على العكس من ذلك، ما هي الخطوط التي يمكن بناؤها على (ROW) معين، كما من المعروف أن قيم المجال المغنطيسي والكهربائي، وكذلك الملامح الموجودة أسفل خطوط النقل العلوية، بحيث تتأثر بالخصائص الهندسية لهذه الخطوط، لذلك استخدم بعض الباحثين موصل حلقة سلبية لتقليل المجال المغناطيسي.

وعلاوة على ذلك؛ فإن تأثير أسلاك الدرع النشطة والسلبية على قيم المجال المغناطيسي أسفل الخطوط بالإضافة إلى المجال الكهربائي على السطح الخارجي للموصل يتم تسليط الضوء عليها من خلال المرجع، بحيث تم إجراء تخفيف للمجال المغناطيسي أسفل خط النقل العلوي بما في ذلك تأثيرات الترهل بين الأبراج.

وبالإضافة إلى متغير الترهل مع درجة الحرارة على حسابات المجال المغناطيسي؛ فقد تم تقديم تقييم السلامة وتقليل التكنولوجيا للتردد المنخفض للغاية (ELF) للمجالات الكهرومغناطيسية وإرشادات لتقييد التعرض للمجالات الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة بمرور الوقت في المراجع، بحيث تم إعطاء ملخص للطرق المستخدمة في التخفيف من المجالات الكهربائية و المغناطيسية في الجدول التالي (1).

هندسة التقليل من قيم المجالات المغناطيسية والكهربائية

كما تقدم هذه الدراسة طريقتين لتقليل قيم المجالات المغناطيسية والكهربائية، واحدة عن طريق تغيير موضع المرحلة المركزية لتحسين تكوين دلتا، والتي تعتبر طريقة مبتكرة لم يتم استخدامها من قبل، والأخرى عن طريق الاستخدام من أكثر من سلك تدريع، كما تم التحقيق في تأثير معلمات أسلاك التدريع وهي أعدادها وارتفاعاتها فوق مستوى الأرض مباشرة وكذلك التباعد بينها على المجالات الكهرومغناطيسية لخطوط نقل الطاقة الكهربائية.

كذلك تم التحقيق في تأثيرات موضع المرحلة المركزية لتحسين تكوين دلتا، وعلى كل من (ROW) وملامح المجالات الكهربائية والمغناطيسية على مستوى الأرض، بحيث تُستخدم طريقة محاكاة الشحن (CSM) في حسابات المجال الكهربائي، كما ويتم اختيار عدد وموضع رسوم الخط لإعطاء القيم الدقيقة للمجال الكهربائي تحت خطوط النقل.

أيضاً يستخدم قانون (Biot-Savart) في حسابات المجال المغناطيسي، بحيث تتم مقارنة حسابات المجالات الكهرومغناطيسية في حالة تغيير موضع خط الوسط وفي حالة استخدام أسلاك التدريع باستخدام تكوين خط النقل العلوي التقليدي بقدرة (500) كيلو فولت.

كما أظهرت الدراسة أنه يمكن تحسين المعلمات الهندسية للتكوين ثلاثي الطور لتقليل الحد الأقصى للمجالات الكهربائية والمغناطيسية الأرضية، أيضاً يُلاحظ أن زيادة أسلاك التدريع بعدد يزيد عن اثنين له تأثير ضئيل في تقليل المجالين الكهربائي والمغناطيسي.

حساب المجالات الكهربائية والمغناطيسية

يتم النظر في بعض الافتراضات في طرق الحساب المقترحة، وهي كالتالي:

• يُفترض أن يكون خط النقل العلوي طويلاً بشكل غير محدود.

• يُفترض أن تكون تيارات طور خط النقل العلوي جيبية إلى جانب حالة التوازن، بحيث يتم تجاهل أدوات التوصيل المتبادلة بين مراحل خط النقل.

• يُفترض أن المقاومة الكهربائية للأرض تحت خط النقل العلوي ثابتة.

حساب المجال الكهربائي: في هذه الدراسة، يتم استخدام طرق محاكاة الشحن والصورة لحساب المجال الكهربائي في المنطقة المحيطة بخط نقل (500) كيلو فولت، وفي نموذج (CSM) التقليدي، بحيث يتم تطبيق رسوم وهمية لتقدير الحقل في المنطقة المجاورة قيد الدراسة، كما يتم تحديد الموقع وكذلك نوع هذه الشحنات، وذلك على الرغم من عدم تحديد حجمها.

وعلاوة على ذلك، يتم استخدام رسوم الخطوط اللانهائية لنمذجة الأنظمة التي لديها توازن متعدية، لذلك يتم تطبيقها لمحاكاة المجال الكهربائي لخطوط نقل التيار المتردد متعدد الأطوار بما في ذلك أسلاك التدريع، فيما يتعلق بهياكل النقل ثلاثية الطور، بحيث تعتبر الفولتية المطبقة على (OHTLs) ثلاثية الطور جيبية ويمكن وضعها في شكل طوري أو ثابت.

كما تعتبر إمكانات أسلاك التدريع جهداً صفرياً، بحيث يؤدي فرض هذه الإمكانات كقيود حدودية في مجموعة من النقاط الكنتورية الموجودة على أسطح (OHTLs) بما في ذلك الموصلات التعويضية إلى نظام خطي من المعادلات في الشحنات المعقدة غير المعروفة، حيث أن هذه المعادلات لها الهيكل التالي:

حساب المجال المغناطيسي: الممارسة الشائعة، وفي حساب المجالات المغناطيسية تحت (OHTLs) هي افتراض أن خطوط النقل العلوية وهي أسلاك أفقية مباشرة بطول لانهائي، وذلك من خلال تطبيق قانون (Biot-Savart)؛ فإن شدة المجال المغناطيسي (H) عند نقطة محددة [P (xi، yi)] تحتوي فقط على مكون سمتي يمكن حسابه بالمعادلة التالية:

حيث:

(I): توسيع الاختصار، كما يُعرف باسم التيار المتدفق في الموصل في قيمة جذر متوسط التربيع (RMS) للأمبير.

(d): تُعرف بالمسافة من الموصل إلى نقطة محددة (P) بالأمتار.

(a ϕ): يُعرف باسم متجه الوحدة في اتجاه السمتي (ϕ).

وفي الغالب، ونظراً لأن خط نقل الطاقة يحتوي على العديد من الموصلات (أكثر من 1)؛ فإنه يجب حساب التجميع الكلي للمجالات المغناطيسية بواسطة كل تيار خط عند نقطة محددة (P) بشكل متكرر، وعلاوة على ذلك، يصور الشكل التالي (1) مكونات شدة المجال المغناطيسي التي تم إنشاؤها بواسطة نظام ثلاثي الموصلات يحمل التيارات، وفي الاتجاه (z) (عمودياً على الصفحة ويخرج).

وبالنسبة لخطوط النقل ذات الجهد العالي المتناوب، تكون تيارات الخط جيبية متغيرة بمرور الوقت عند تردد الطاقة المحدد، ووفقاً لذلك يختلف المجال المغناطيسي المستحث في المنطقة المحيطة بخطوط نقل الطاقة أيضاً في تردد الطاقة ويمكن استخدام جبر الطور للجمع بين العديد من المكونات، بحيث ينتج عنه اتساع المجال المغناطيسي الإلزامي (أفقياً بالإضافة إلى المتجهات الرأسية).