كفاءة سلسلة عوازل التعليق وطرق تحسينها

أهمية معرفة كفاءة سلسلة عوازل التعليق وطرق تحسينها:

يتكون عازل السلسلة المعلق من عدد من “أقراص البورسلين” المتصلة في سلسلة من خلال روابط معدنية، كما تستخدم عوازل التعليق أو عوازل السلسلة على نطاق واسع في نظام النقل الكهربائي العلوي، ومع ذلك، هناك شيء مهم يجب مراعاته في حالة هذه العوازل الكهربائية الخيطية والمعروفة باسم كفاءة السلسلة.

التوزيع المحتمل على سلسلة عازل التعليق:

يوضح الشكل أدناه سلسلة من ثلاثة أسطوانات من عازل التعليق، ونظراً لأن كل قرص من الخزف يقع بين رابطين معدنيين؛ فإنه يشكل مكثفاً، بحيث تُعرف هذه السعة بالسعة الذاتية أو السعة المتبادلة، وعلاوة على ذلك؛ فإن السعة الهوائية موجودة أيضاً بين “الوصلات المعدنية” والبرج المؤرض، كما يُعرف هذا باسم تحويل السعة، حيث يوضح الشكل الدائرة المكافئة لعازل تعليق ثلاثي الأقراص (بافتراض أن سعة التحويلة هي جزء من السعة الذاتية، أي سعة التحويلة = k * السعة الذاتية).

إذا كانت هناك سعات متبادلة فقط؛ فسيكون “تيار الشحن” هو نفسه عبر جميع الأقراص الممكنة، وفي هذه الحالة كان من الممكن أن يتم توزيع الجهد بشكل موحد عبر السلسلة، أي أن الجهد عبر كل قرص سيكون هو نفسه، ولكن بسبب السعات المغلقة؛ فإن تيار الشحن ليس هو نفسه من خلال جميع الأقراص.

ومن الدائرة المكافئة أعلاه، وعند تطبيق “قانون كيرشوف” الحالي على العقدة (A) تحديداً؛ فإن المعادلة الأولى تكون كالتالي:

I₂ = I₁ + i₁

V₂ωC = V₁ωC + V₁ωkC

V₂ = V₁ + V₁k

V₂ = (1 + k)V₁  ⇐ (المعادلة الأولى).

وعند تطبيق قانون كيرتشوف مرة اخرى على الحلقة (B)، تصبح المعادلة كالتالي:

I₃ = I₂ + i₂

V₃ωC = V₂ωC + (V₂ + V₁)ωkC

V₃ = V₂ + (V₁ + V₂)k

V₃ = kV₁ + (1 + k) V₂

V₃ = kV₁ + (1 + k)² V₁   ⇐ بالتعويض بالمعادلة الأولى.

V₃ = V₁ [k + (1 + k)²]

V₃ = V₁ [k + 1 + 2k + k²]

V₃ = V₁ (1 + 3k + k²)  ⇐ (المعادلة الثانية).

الآن، لحساب الجهد الكهربائي بين الموصل وبرج الأرض نستخدم:

V = V₁ + V₂ + V₃

V = V₁ + (1 + k)V₁ + V₁ (1 + 3k + k²)

V = V₁ (3 + 4k + k²)  ⇐ (المعادلة الثالثة).

يتضح من المعادلات الثلاث في الأعلى، بأنه من الواضح أن الجهد عبر “القرص العلوي” هو الحد الأدنى لكن الجهد عبر القرص الأقرب للموصل هو الحد الأقصى، أي V3 = V1 (1 + 3k + k2 )، بينما نتحرك نحو الذراع المتقاطعة، بحيث يستمر الجهد عبر القرص في التناقص، وذلك بسبب هذا التوزيع غير المنتظم للجهد عبر السلسلة؛ فإن الوحدة الأقرب إلى الموصل تتعرض لضغط كهربائي أقصى ومن المحتمل أن يتم ثقبها.

كفاءة السلسلة الخاصة بعوازل التعليق:

من الأرجح بأنه لا يتم توزيع الجهد بشكل موحد على “سلسلة عازل التعليق”، لذلك يكون للقرص الأقرب للموصل جهد أقصى عبره، وبالتالي سيكون تحت “ضغط كهربائي” أقصى، ونتيجة لذلك؛ فإنه من المحتمل أن يتم ثقب القرص الأقرب للموصل، وبالتالي قد يتم ثقب الأقراص الأخرى على التوالي.

لذلك؛ فإن هذا التوزيع غير المتكافئ للجهد غير مرغوب فيه وعادة ما يتم التعبير عنه من حيث كفاءة السلسلة، بحيث تسمى نسبة الجهد عبر السلسلة بأكملها إلى ناتج عدد الأقراص والجهد عبر القرص الأقرب للموصل بكفاءة السلسلة، حيث أن كفاءة السلسلة = الجهد عبر السلسلة / (عدد الأقراص X الجهد عبر القرص الأقرب للموصل).

وعند زيادة كفاءة السلسلة، يكون توزيع الجهد أكثر انتظاماً، بحيث تصبح كفاءة السلسلة 100٪ إذا كان الجهد عبر كل قرص هو نفسه تماماً، ولكن هذه حالة مثالية ومستحيلة في السيناريو العملي، ومع ذلك؛ فإنه بالنسبة لجهد التيار المستمر، تكون سعات العازل غير فعالة والجهد عبر كل وحدة سيكون هو نفسه.

وهذا هو السبب في أن الكفاءة المئوية الخاصة بسلسلة نظام التيار المستمر هي 100٪ (مثالية)، بحيث يزداد عدم المساواة في توزيع الجهد مع زيادة عدد الأقراص المستخدمة في السلسلة، لذلك؛ فإن الأوتار الأقصر تكون أكثر كفاءة من العوازل ذات السلسلة الأطول.

طرق تحسين سلسلة عوازل التعليق:

استخدام أذرع متقاطعة أطول:

يتضح من التعبير الرياضي أعلاه لكفاءة السلسلة أن قيمة كفاءة السلسلة تعتمد على قيمة (k)، لذلك كلما قلت قيمة (k)؛ زادت كفاءة السلسلة. عندما تقترب قيمة (k) من الصفر، لذلك كلما تقترب كفاءة السلسلة من 100٪؛ فإنه يمكن تقليل قيمة (k) عن طريق تقليل سعة التحويل. لتقليل سعة التحويل، كما يجب زيادة المسافة بين سلسلة العازل والبرج، أي يجب استخدام أذرع متقاطعة أطول، ومع ذلك؛ فإن هناك حد في زيادة طول الأسلحة المستعرضة بسبب الاعتبارات الاقتصادية.

تصنيف الأقراص العازلة:

في هذه الطريقة، يمكن معادلة الجهد عبر كل قرص باستخدام أقراص ذات سعات مختلفة، ولمعادلة توزيع الجهد؛ فإنه يجب أن يكون للوحدة العلوية من السلسلة السعة الدنيا، بينما يجب أن يكون للقرص الأقرب للموصل سعة قصوى، كما يتم اختيار أقراص العازل ذات الأبعاد المختلفة بحيث يكون لكل قرص سعة مختلفة، ويتم ترتيبها بطريقة تزيد السعة تدريجياً نحو الأسفل، ونظراً لأن الجهد يتناسب عكساً مع السعة؛ فإن هذه الطريقة تميل إلى معادلة توزيع الجهد عبر كل قرص.

استخدام واقي أو حلقة الدرجات:

تعتبر حلقة الحماية أو حلقة التدريج هي في الأساس حلقة معدنية متصلة كهربائياً بالموصل المحيط بالوحدة السفلية من عازل السلسلة، كما تقدم حلقة الحماية سعة بين الوصلات المعدنية وموصل الخط الذي يميل إلى إلغاء سعات التحويل، ونتيجة لذلك يتدفق تيار الشحن نفسه تقريباً عبر كل قرص، وبالتالي تحسين كفاءة السلسلة، كما تشبه حلقات التصنيف أحياناً حلقات الإكليل، لكنها تطوق العوازل بدلاً من الموصلات.