خطوط النقل في الاتصالات - Transmission Line

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

ما هو خط النقل في الاتصالات؟

خط النقل (Transmission Line): هو جهاز مصمم لتوجيه الطاقة الكهربائية من نقطة إلى أخرى ويتم استخدامه من أجل نقل طاقة خرج (r_f) لجهاز إرسال إلى هوائي وهذه الطاقة لن تنتقل من خلال سلك كهربائي عادي بدون خسائر كبيرة، وعلى الرغم من أنّه يمكن توصيل الهوائي مباشرة بجهاز الإرسال، يقع الهوائي عادةً على بعد مسافة من جهاز الإرسال.

فمثلاً: على متن السفينة يقع جهاز الإرسال داخل غرفة راديو والهوائي المرتبط به مثبت على سارية ويتم استخدام خط نقل لتوصيل الارسال والهوائي لخط النقل غرض واحد لكل من المرسل والهوائي وهذا الغرض هو النقل خرج الطاقة من جهاز الإرسال إلى الهوائي بأقل خسارة ممكنة للطاقة ويعتمد على الخصائص الفيزيائية والكهربائية الخاصة (الممانعة والمقاومة) للإرسال خط.

جميع خطوط النقل لها طرفان ونهاية خط نقل ثنائي السلك متصل بالمصدر عادةً ما يسمى نهاية الإدخال أو نهاية المولد أي نهاية المرسل والإرسال النهاية والمصدر، يسمى الطرف الآخر من الخط نهاية الإخراج أو نهاية المستقبل أي نهاية الحمل والمغسلة.

يمكنك وصف خط النقل من حيث معاوقته ونسبة الجهد إلى التيار (E_in / I_in) في نهاية الإدخال يُعرف باسم مقاومة الإدخال (Z_in) وهذه هي المعاوقة المقدمة إلى المرسل بواسطة خط النقل وحمله ونسبة الجهد إلى التيار عند نهاية الإخراج (E_out / I_out) هي المعروف باسم مقاومة الإخراج (Z_out) وهذه هي الممانعة المقدمة للحمل بواسطة خط النقل و مصدره فإذا كان من الممكن استخدام خط نقل طويل بلا حدود فإنّ نسبة الجهد إلى التيار في أي نقطة على ذلك سيكون خط النقل قيمة معينة للمقاومة وتُعرف هذه المقاومة بخاصية المعاوقة (الممانعة).

يسمى نظام الاتصال مع خط النقل (PLCC) اتصالات ناقل خط الطاقة وتردد طاقة التيار المتردد هو 50 هرتز و60 هرتز في الولايات المتحدة الأمريكية بينما يكون تردد الناقل في نظام الاتصالات في نطاق بعض (كيلو هرتز إلى بعض ميغاهيرتز) يتم التمييز بين هذين الترددين باستخدام مصيدة الموجة والمكثف حيث تم العثور على مصيدة الموجة معلقة من أبراج خطوط النقل الأقرب إلى محطة فرعية ويشبه البرميل ومرشح التمرير العالي الذي يحجب التردد 50 هرتز لخط الطاقة ويمرر تردد الموجة الحاملة.

الموصل المتصل بقاعها متصل بمكثف يشبه مانع الصواعق. يقوم هذا المكثف بحظر الجهد العالي لتمريره إلى لوحة اتصالات الناقل وتم تجهيز اللوحة بالدوائر اللازمة للتشكيل والاستخراج لنقل واستقبال الصوت والبيانات ويمكننا التحدث إلى المحطات الفرعية الأخرى من خلاله كم يمكن أيضاً تشغيل المرحلات الواقية في حالة حدوث أعطال في الخط.

الخصائص الكهربائية لخطوط النقل:

يمكن إيجاد موصلات كهربائية لتزويد الأجهزة المختلفة بالطاقة الكهربائية في كل مكان وفي إلكترونيات والاتصالات على وجه الخصوص وتمتلك الكابلات مهمة أخرى غير مجرد نقل الطاقة، مثل إرسال الرسائل عبر الهاتف، ومع ذلك لا تصل الرسالة الموجودة على الخط إلى جهاز الاستقبال دون تغيير على مسافة تزيد عن (100 كيلومتر) ولكنها تخضع للعديد من التأثيرات على طول الخط ممّا يؤثر على الإشارة وإذا قارن المرء إشارة الناتجة من خط ما بإشارة الإدخال فسوف يلاحظ المرء التغييرات التي لها الأسباب التالية:

• التشوهات.
  
• فرق وقت التشغيل بترددات مختلفة.
  

أنواع خطوط النقل:

1. خط نقل الأسلاك المفتوحة:

هذه هي الموصلات التي تحتوي على خطين (أسلاك) مفصولة بوسيط عازل أحد طرفيه متصل بالمصدر والآخر بالوجهة وتكون منخفضة التكلفة وأبسط شكل من أشكال خطوط النقل لكن تكلفة تركيبها أعلى إلى حد ما، كما أنّ صيانتها تصبح صعبة في بعض الأحيان بسبب التغيير في الظروف الجوية.

2. خطوط الكابلات المحورية:

تتشكل هذه الخطوط عندما يتم إدخال سلك موصل بشكل محوري داخل موصل مجوف آخر ويُطلق عليها اسم متحد المحور حيث يشترك الموصلان في نفس المحور حيث تستخدم على نطاق واسع في التطبيقات التي تتطلب مستويات عالية من الجهد.

3. موجهات الموجات:

تستخدم هذه الفئة من خط النقل لنقل الإشارات على ترددات الميكروويف وهذه هي في الأساس أنابيب موصلة مجوفة لأنّها تشبه إلى حد ما خط الكابلات المحورية ولكنّها لا تحتوي على موصل مركزي كما هو موجود في الكابلات المحورية.

معلمات خط النقل:

1. المقاومة – Resistance:

تعتمد هذه المعلمة لأي خط نقل على منطقة المقطع العرضي للمادة الموصلة كما أنّ هذه هي شبكات معلمات موزعة ممّا يعني أنّ معلماتها موزعة بشكل موحد على طول الطول بالكامل، وأن المقاومة تظهر تبايناً مع درجة الحرارة وتردد الإشارة المطبقة عليها.

2. السعة – Capacitance:

إنّ خط النقل يتكون من سلكين متوازيين موصلين مفصولين بمادة عازلة، لذلك فهو يعمل كمكثف لوحي متوازي وبالتالي فإنّ لديها بعض السعة التي يتم توزيعها أيضاً بشكل موحد على طولها.

3. الحث – Inductance:

عندما يتدفق التيار عبر موصل، فإنّه يولد مجالاً مغناطيسيًا عمودياً على اتجاه المجال الكهربائي ومع اختلاف المجال المغناطيسي يتم إنشاء التدفق الكهرومغناطيسي في الخط، لذلك يتدفق القدرة الدافقة الكهربائية في الاتجاه المعاكس مع تدفق التيار عبر الجهاز المعروف باسم الحث وتعتمد قيمتها على التيار المتدفق عبر الموصل كما يمثل المحاثة (L) ووحدتها هي (Henry) لكل وحدة طول للموصل.

المواصلة – Conductance:

يتم فصل الموصلين المتوازيين بواسطة وسيط عازل ولكنه ليس عازلاً مثالياً، وبسبب تدفق بعض التيار أيضاً عبر العازل كما يسمى هذا التيار تيار التسرب وهو مسؤول عن توصيل التسرب عبر خط النقل وحيث أنّه موجود أساساً بين الأسلاك الموصلة ووحدته (mho) لكل وحدة طول الموصل.

تطبيقات خطوط النقل:

لنقل إشارة ذات مدى تردد عالٍ على مسافة قصيرة وطويلة، يتم استخدام خطوط النقل وفي نفس الوقت هذا يقلل من فقدان الطاقة أثناء النقل وتستخدم هذه أيضاً في مرشحات كعب الروتين وفي تقنية مطابقة كعب الروتين وفي محولات الجهد.

• خط نقل الطاقة.
  
• خطوط الهاتف.
  
• لوحة الدوائر المطبوعة.
  
• الكابلات.
  
• موصلات (PCI ،USB).
  خطوط نقل الطاقة العلوية: هي خطوط طاقة لإرسال كميات كبيرة من الكهرباء إلى أماكن بعيدة وتستخدم بشكل أساسي بين محطات الطاقة والمحطات الفرعية أو بين المحطات الفرعية.

نمت خطوط النقل من عمل جيمس كليرك ماكسويل (13 يونيو 1831 – 5 نوفمبر 1879) وفي أمريكا الشمالية تم تشغيل أول خط نقل عند 4000 فولت في عام 1889م في 3 يونيو وبعض شركات نقل وتوزيع الطاقة في الهند هي (NTPC) في نيودلهي و(Tata Power) في مومباي و(NLC India) في الصين و(Orient Green) في تشيناي و(Neuron Towers) أو (Sujana Towers Ltd) في حيدر أباد.