قياس ترهل خطوط القدرة الكهربائية باستخدام بيانات الاستشعار

الأهمية من قياس ترهل خطوط القدرة الكهربائية

الخطوط العلوية هي العمود الفقري لكل نظام نقل و”توزيع للطاقة الكهربائية”، بحيث تلعب الخطوط التي تحملها الأقطاب في خطوط نقل الطاقة الدور الأكثر أهمية في نقل الطاقة من منشآت توليد الطاقة إلى المستخدمين النهائيين، ونظراً لعدم وجود مناطق سكنية كثيفة والسكان حول محطات الطاقة؛ فإنه يجب نقل الطاقة إلى مسافات طويلة.

كذلك توجد إجراءات فنية مختلفة في نقل الطاقة من محطات الطاقة إلى المستخدمين النهائيين، بحيث تتم دراسة هذه الإجراءات آلياً وميكانيكياً، كما أنها تشمل الخواص الميكانيكية خصائص الخط لزيادة القوة الميكانيكية للأعمدة والخطوط التي تحمل خط الطاقة وتشمل الميزات الكهربائية ارتفاع العمود والمقطع العرضي للخط والمعطيات ذات الصلة.

وبالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يتم إجراء تحليلات مختلفة للتحليلات الاقتصادية بحيث يمكن لخطوط نقل الطاقة نقل الطاقة بطريقة آمنة واقتصادية ونقل الأعمدة إلى المنطقة الجغرافية المناسبة بأقل تكلفة وفي أقصر مسافة، وكما هو معروف يجب توصيل الطاقة المنتجة في محطات توليد الطاقة للمستخدمين والمدن ذات المسافة الأقصر.

هنا أيضاً يتم أيضاً إجراء إجراءات مثل استئجار أو شراء الأرض التي سيتم وضع أعمدة الكهرباء عليها في مرحلة التخطيط، بحيث يجب أن تكون تكاليف عمود الطاقة وخطوط النقل عالية وأن هذه المكونات تفشل بشكل أقل، كما وقد تم تصميمها وتخطيطها لتتطلب صيانة أقل، بحيث تثبت خطوط الكهرباء على أعمدة ويتم التثبيت وفق معايير معينة، كما أنه يتم تقييم المعطيات وفقاً لما إذا كان خط النقل الكهربائي المثبت على العوازل في القطب المحدد موجوداً بشكل أساسي في وسط المدينة أو خارج المركز.

وإلى جانب القواعد العامة، يجب تحديد الطول والقطر والخصائص الميكانيكية والكهربائية لخط نقل الكهرباء بشكل منفصل، وذلك على الرغم من أن جميع هذه المعايير تحددها المعايير الدولية، إلا أن كل دولة تختلف وفقاً لظروفها المناخية وهيكل شبكة الكهرباء وخبرة الموظفين الخبراء، كما تشمل هذه المعايير الحد الأقصى للرياح وحمل الجليد (يختلف وفقاً للخصائص المناخية لهذه البلدان).

حيث أن الخصائص الكهربائية لخط نقل الكهرباء هي توصيات من الخبراء الفنيين، كذلك المكونات التي يتكون منها القطب الكهربائي لها خصائص قوة مختلفة، بحيث يلعب هذا الاختلاف دوراً نشطاً في الترهل، كما أنه لا يتوافق هذا الموقف بشكل عام مع جدول المعلمات ويجب أن يؤخذ في الاعتبار من قبل فريق الخبراء.

كذلك يعتبر تصميم ميكانيكاً العمود في الخطوط ومشروع خط نقل الطاقة عملاً هندسياً يتطلب خبرة طويلة، وفي خطوط نقل الطاقة لوحظ الترهل بسبب ثقل خط النقل الممتد بين العوازل وتأثيرات الظروف المناخية، بحيث تسمى المسافة بين هذين العازلين بين الخط المستقيم المفترض والنقطة التي يمتد فيها الموصل أكثر من غيرها بالترهل.

نظرية الترهل الخاصة بخطوط النقل الكهربائية

تشكل أنظمة النقل والتوزيع جزءاً أساسياً من أنظمة الطاقة الكهربائية، بحيث تغطي خطوط النقل القسم من محطات توليد الطاقة إلى محطات التوزيع، كما تستخدم خطوط النقل ذات مستويات الجهد المنخفض في الأقسام بعد محطات التوزيع، وفي هذه الدراسة تم تصنيع روبوت متطور لاكتشاف الترهل المفرط في خطوط النقل وإبلاغ هذا الخطأ إلى الكوادر الفنية بموقعه والتعاريف في هذه الدراسة:

• الخلوص: المسافة الأفقية بين عازلين.

• الترهل: يمكن تعريف مصطلح “sag” على أنه المسافة بين نقطة المنتصف لخط النقل المتوتر بين العازلين والخط المباشر المفترض بين العوازل، وفي الشكل التالي (1)، يتم إعطاء الصيغ اللازمة للموصل الذي يقع على العوازل الكهربائية في المعادلة التالية، وذلك كما هو موضح في الشكل، ويتم الإشارة إلى المسافة بين القطبين بواسطة (D.S) هي ترهل الموصل.

• توتر الظل: يتم حساب اتجاه شد الظل الفعلي لأي نقطة في خط النقل عن طريق رسم مماس لمنحنى الموصل عند تلك النقطة.

• التوتر: يُظهر نظام الطاقة الكهربائية المكون الأفقي للتوتر في خط النقل لخط النقل، حيث يكون التوتر الأفقي متساوياً عند كل فتحة.

في أنظمة الطاقة الكهربائية، يرتبط الصرف الكهربائي لخط النقل ارتباطاً وثيقاً بتغيير تيار الحمل المار، ومع ذلك قد يسخن خط النقل أيضاً بتأثير تأثير الجلد بفعل المجال المغناطيسي، وفي حسابات الترهل يتم حساب ميل الخط باستخدام معادلة قطع مكافئ (سلسال)، وفي الحسابات التي تم إجراؤها هنا يتم إهمال نصيبها، ونظراً لاستخدام نهج القطع المكافئ، يكون الخطأ صغيراً نوعاً ما، وباستثناء الفتحات الطويلة جداً أو شديدة الانحدار أو العميقة.

وهناك جزء آخر من العمل المنجز على أنظمة الطاقة الكهربائية هو تركيب أعمدة كهربائية وأجزاء ميكانيكية في هذا المجال، بحيث يعتمد هذا المشروع على الموقع الجغرافي لمنشآت الإنتاج ومنشآت التوزيع، كما أنه قد تخلق الظروف الجغرافية للأرض اختلافات في الارتفاع في القطبين، وفي هذه الحالة قد يزيد من ترهل الموصلات، بحيث تسمى نقطة اتصال طرفي خط نقل الكهرباء بالقطب نطاق المستوى، وهو الفتحة عند نقاط الاتصال بارتفاعات مختلفة تسمى الفتحة المائلة.

المواد والأساليب المستخدمة في خطوط القدرة الكهربائية

سيتم تقديم المواد والأساليب في فصلين، أولاً سيتم عرض روبوت فحص الخط وواجهة التحكم الخاصة به، ثم سيتم شرح عملية استرجاع البيانات.

RoSeTLineBot: روبوت فحص خط الطاقة، بحيث تم تطوير روبوت يسمى (RoSeTLineBot)، وذلك لفحص الخطوط الهوائية سابقاً، وفي تلك الدراسة تم تقديم الهيكل الميكانيكي للروبوت بالتفصيل، بحيث يتم عرض نموذج ثلاثي الأبعاد للنظام والعديد من صور الروبوت من وجهات نظر مختلفة في الشكل التالي (2) والشكل (3) على التوالي، وفي البحث السابق تم تطوير نظام التحكم على مستوى أساسي لبيان عمل النظام.

في هذه الدراسة، تم إعادة تصميم الخوارزمية بالكامل على (Matlab / Simulink)، وذلك لتحسين دقة نظام التحكم وإمكانية التحكم فيه، بحيث تم تصميم البرنامج المضمن الذي يعمل على الروبوت بالكامل باستخدام (Simulink)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (4)، بحيث يتم ترميز بعض الكتل بلغة (C) يدوياً، كما تم تضمين النموذج الذي تم تجميعه باستخدام أداة (MATLAB Cod) في وحدة التحكم الدقيقة، كما ويمكن التحكم في النظام عن بُعد.

استرجاع البيانات ومعالجتها: أثناء القيادة على الخط، تم تلقي البيانات اللاسلكية باستمرار من الروبوت، كما تم إرسال كل من بيانات وحدة (IMU) والمشفّر المتصلة بالدوار بشكل مستمر إلى واجهة التحكم، حيث أن الرسم التخطيطي للنظام موضح في الشكل التالي، كما أنه تم استخدام (ATMega2560) كوحدة تحكم رئيسية (MCU) في هذا النظام.

كذلك تم تشغيل كل من وحدة التحكم والمحرك بواسطة بطارية (3S LiPo) بقوة (11.1) فولت، بحيث تم إعداد وحدات (XBee) كمنسق وجهاز توجيه لجهاز الكمبيوتر الشخصي والروبوت على التوالي، كذلك تمت معالجة بيانات التسريع للحصول على السرعة والموقع على التوالي، ونظراً لأن الحركة على الخط خلقت قدراً كبيراً من الاهتزاز، كما وكان لمستشعر التسارع تحول خطير في المستشعر.