ثوابت وأساسيات خطوط النقل المعدنية

يستخدم خط النقل لنقل الطاقة الكهربائية من محطة توليد فرعية إلى وحدات التوزيع المختلفة حيث ينقل موجة الجهد والتيار من طرف إلى آخر، يتكون خط النقل من موصل له مقطع عرضي موحد على طول الخط ويعمل الهواء كوسيط عازل أو عازل بين الموصلات.

على ماذا تعتمد خطوط النقل؟

يعتمد أداء خط النقل على مكونات الخط ويحتوي خط النقل بشكل أساسي على أربع مكونات، وهي: المقاومة والحث والسعة والتوصيل، ويتم توزيع هذه المكونات بشكل موحد على طول الخط، يشكل المحاثة والمقاومة ممانعة متسلسلة في حين تشكل السعة والتوصيل ممانعة التحويل.

1. الحث في الخط – Line inductance:

يحفز التدفق الحالي في خط النقل التدفق المغناطيسي فعندما يتغير التيار في خط النقل، يختلف التدفق المغناطيسي أيضاً بسبب القوة الدافعة الكهربائية (Electromotive force)، ويعتمد حجم إحداث (Electromotive force) على معدل تغير التدفق، تنتج القود الدافعة الكهربائية في خط النقل حيث يقاوم تدفق التيار في الموصل، وتسمى هذه الآلية بمحاثاة الخط، ويرتبط محاثة الدائرة بالجهد المستحث عن طريق تغيير التدفق إلى معدل تغير التيار.

2. سعة الخط – Line capacitance:

في خطوط النقل يعمل الهواء كوسيط عازل حيث يشكل هذا الوسط العازل المكثف بين الموصلات والذي يُخزن الطاقة الكهربائية أو يزيد سعة الخط، تُعرَّف سعة الموصل بأنّها حاضن الشحنة لكل وحدة فرق جهد.

السعة تكاد تهمل في خطوط النقل القصيرة بينما في النقل الطويل، إنّها الميّزة الأكثر أهمية حيث إنّه يؤثر على الكفاءة وتنظيم الجهد وعامل الطاقة واستقرار النظام، يتم تعريف السعة الموجودة بين الموصلات على أنّها شحنة على الموصلات لكل وحدة فرق جهد بينهما، ويتم توزيع المقاومة والحث بشكل موحد على طول الخط لتشكيل مقاومة السلسلة.

توجد السعة بين النواقل لأنّ المجال الكهربائي موجود حول موصل يحمل التيار حيث تنبثق خطوط التدفق الكهربائي من الشحنات الموجبة على الموصل وتنتهي عند الشحنة السالبة على الموصل الآخر ونسبة الشحن على الموصلات لكل وحدة فرق الجهد بينهما هي السعة بين النواقل.

3. الموصلية – Conductance:

الموصلية (Conductance): هو تدفق تيار التسرب بين الموصلات ويتم توزيعه بشكل موحد على طول الخط بالكامل ويمثلها الرمز (Y) ويتم قياسه في شركة (Siemens)، يعمل الهواء كوسيط عازل بين الموصلات، وعندما يتم تطبيق الجهد المتناوب في موصل فإنّ بعض التيار يتدفق في وسط العزل الكهربائي بسبب عيوب عازلة ويسمى هذا التيار تيار التسرب، حيث يعتمد تسرب التيار على حالة الغلاف الجوي والتلوث مثل الرطوبة والترسبات السطحية.

الموصلية ليست شائعة لأنّها مجرد جزء صغير من قبول التحويلة ولا توجد طريقة دقيقة لأخذها في الاعتبار، إنّه متغير تماماً وغالباّ ما ينتج عن التسرب في العوازل حيث يتغير بشكل ملحوظ مع الظروف الجوية ومع الخصائص الموصلة للأوساخ التي تتجمع على العوازل ولحسن الحظ إنّه جزء ضئيل جداً من قبول التحويلة.

4. المقاومة – Resistance:

تُعتبر مقاومة الموصل مهمة جداً في تقييم كفاءة النقل والتقييم الاقتصادي، ولا يمكن أن تكون المقاومة الفعالة مساوية للمقاومة إلّا إذا كان هناك انتظام في تدفق التيار عبر المقطع العرضي للموصل حيث إنّ جهد التيار المتردد يتناوب، وإذا تم النظر إلى الموصل على أنّه مكون من خيوط حلقية صغيرة ويميل التيار المتردد إلى ترك الخيوط باتجاه مركز الموصل ويتركز عند الطرف الآخر (الجلد) للموصل بسبب الحث العالي للخيوط الداخلية، وإنّ تدفق التيار المتردد يؤدي إلى تدفق متناوب والذي بدوره يحث القوة الدافعة الكهربائية من الحث الذاتي.

لا يربط هذا التدفق الخيوط الخارجية للموصل ولكنّه يربط الخيوط الداخلية القريبة من المركز، وعلى سبيل المثال يزداد التردد ويميل التيار إلى التدفق عند جلد الموصل، كما يسود هذا التأثير مع الموصلات ذات القطر الكبير وخاصةً الموصلات الصلبة، وهذا هو السبب في أنّ خطوط النقل العلوية غالباً ما تقطعت ويقلل التجديل من تأثير الجلد بينما يزيد أيضاً من مرونة موصلات الخطوط العلوية وتتأثر مقاومة الموصل بثلاثة عوامل، وهي: التردد والتصاعد ودرجة الحرارة.

أداء خطوط النقل:

يشمل مفهوم الأداء على حساب الجهد النهائي للإرسال وإرسال التيار النهائي وعامل القدرة النهائية للإرسال وفقدان القدرة في الخطوط وكفاءة النقل وتنظيم وحدود تدفق الطاقة أثناء الحالة المستقرة والظروف العابرة، وتُعد حسابات الأداء مفيدة في تخطيط النظام.

1. تنظيم الجهد – Voltage regulation:

تنظيم الجهد (Voltage regulation): هو التغيير في حجم الجهد بين طرفي الإرسال والاستقبال لخط النقل.

2. كفاءة خطوط النقل – The efficiency of transmission lines:

يتم تعريف كفاءة خطوط النقل على أنّها نسبة طاقة الإدخال إلى طاقة الإخراج.

وظائف خط النقل:

• لنقل الطاقة الكهربائية من مكان إلى مكان آخر.
  
• لإرسال إشارة اتصال من جهاز إرسال إلى جهاز استقبال.
  
• للعمل كعنصر دائرة مثل محث ومكثف ومحول ومرشح بشكل أساسي عند التردد العالي.
  
• للعمل كجهاز قياس للحصول على مطابقة المعاوقة بين المصدر والحمل.
  يتم النقل في الغالب عن طريق الحمل، على الرغم من أنّ نقل التيار المتردد تحت الأرض سيكون حلّاً لبعض المشاكل البيئية والجمالية التي تنطوي عليها خطوط النقل العلوية، إلّا أنّ هناك أسباباً تقنية واقتصادية تجعل استخدام ناقل الحركة تحت الأرض غير جذاب.
  

تؤثر معلومات خط النقل على الطريقة التي تؤدي بها خطوط النقل وظائفها وتتمثل إحدى وظائف خط النقل في نقل الطاقة الكهربائية من مكان إلى مكان آخر بجهد وتردد محددين، وعلى هذا النحو يجب أن يظل جهد خط النقل ثابتاً قدر الإمكان حتى في ظل ظروف الحمل المتغيرة، ويعتمد ملف الجهد على طول الخط على ظروف التحميل والرفض المفاجئ للحمل ورفض الخط وتنشيط الخط لهما تأثير في رفع الجهد في نهاية الخط إلى مستوى عالٍ بشكل خطير.

تؤدي الزيادة في الطول إلى تقليل قدرة نقل الطاقة القصوى للخط وبالتالي تقليل الهامش بين نقل الطاقة المخطط له والحد الأقصى الذي يكون عنده الخط عرضة للاستقرار العابر والديناميكي، وتم تصميم الأجهزة الكهربائية للعمل بجهد معين فإذّا اختلفت الفولتية عن الحد المسموح به عند نهاية المستهلك فقد تتلف أجهزتهم وقد تحترق ملفاتهم بسبب الجهد العالي، يعمل تأثير (Ferranti) على خطوط النقل الطويلة عند التحميل الخفيف أو بدون حمولة على زيادة جهد نهاية الاستقبال كما يمكن تنظيم هذا الجهد عن طريق وضع مفاعلات التحويل في الطرف المستقبل للخطوط.

ملاحظة: يقيس القبول قدرة الدائرة الكهربائية أو إنّه يقيس كفاءة خط النقل للسماح للتيار المتردد بالتدفق عبرها دون أي عوائق، و وحدة (SI) هي شركة (Siemens) ويشار إليها بالرمز Y.

ملاحظة: المعاوقة أو الممانعة هي عكس القدرة وتقوم بقياس الصعوبة التي تحدث في خط النقل عند تدفق التيار المتردد ويقاس بالأوم ويمثله الرمز (z).