مراقبة الإجهاد الحراري لخطوط النقل الكهربائية العلوية

يعد نظام خط النقل العلوي أحد طرق نقل الطاقة الكهربائية بجهد عالي من نقطة إلى أخرى، خاصة عبر مسافات طويلة، بحيث يتزايد الطلب على الطاقة الكهربائية بسبب الزيادة في عدد سكان العالم وتطور تكنولوجيا النقل والتوسع الاقتصادي، مما يؤدي إلى زيادة التحميل على نظام الخطوط الهوائية (OHL).

أهمية مراقبة الإجهاد الحراري لخطوط النقل الكهربائية العلوية

تنقسم خطوط النقل العلوية إلى مسافات “قصيرة ومتوسطة وطويلة”، وذلك بمستويات جهد مختلفة تتراوح من (33) كيلو فولت إلى أكثر من (500) كيلو فولت، كما تتكون خطوط النقل من موصل للخط العلوي (OHL)، والذي يتم تعليقه بواسطة أبراج النقل ومدعوم بتعليق من النوع الدبوس وعوازل الهواء، بحيث يتحمل كل من جهد التشغيل العادي والجهد الكهربائي الزائد بسبب التبديل والصواعق.

كذلك الموصل الأكثر استخداماً لخطوط النقل هو الكبل المقوى بالألمنيوم (ACSR)، ونظراً لوزنه وانخفاض تكلفته؛ فإنه يمكن استخدام أنواع مختلفة من الموصلات في تصميم (OHL) وفقاً لمتطلبات التضاريس والسعة، وبالتالي يجب تحسين موصلات (OHL) لتعزيز خواصها الكهربائية والميكانيكية، بحيث يظهر الطلب المتوقع على الطاقة الكهربائية مقابل سكان العالم في الشكل التالي (1).

أيضاً يعتبر نمو سكان العالم خطياً بشكل مباشر للطلب الإجمالي على الطاقة وكلاهما يزداد بشكل كبير منذ عام (1940)م، ومن المتوقع أن يزداد الطلب على الطاقة بشكل كبير في المستقبل، بحيث ترتبط الزيادة في الطلب على الطاقة أيضاً بزيادة استخدام الأجهزة الكهربائية في المنازل والأنشطة الاجتماعية ونمط الحياة وتغير المناخ.

مشاكل تلبية الطلب على الكهرباء بالتوافق مع تحسين خطوط النقل

لتلبية الطلب على الطاقة، تحتاج (OHLs) إلى قدرة أفضل على نقل طاقة أعلى. من القضايا المهمة التي قد تظهر هي كيفية تعزيز قدرة خطوط النقل لتحسين تحسين خطوط الطاقة لاستيعاب الطلب على الكهرباء، وهناك خيار آخر هو بناء بنية تحتية جديدة لخطوط النقل، ومع ذلك؛ فإن تنفيذ خط نقل جديد ليس عملية مباشرة لأن العديد من الجوانب يجب أخذها في الاعتبار، مثل حق الطريق والتكلفة العالية واستهلاك الوقت.

لذلك؛ فإن البحث حول زيادة حمل سعة الخط والسلوك الحراري للموصلات الكهربائية وتصنيف الخط الديناميكي (DLR) باستخدام بيانات الوقت الفعلي ورفع مستوى الخط الحالي مثل إعادة توصيل الخطوط يحتاج إلى تقويتها، كذلك تتناول العديد من الدراسات قضايا مثل إعادة توصيل الموصلات القديمة لتحسين أدائها أو زيادة تصنيف الخط، لذلك قد تساعد إعادة التوصيل.

لكن هذا النهج له قيود من حيث اختيار حجم الموصل بسبب السعة الحالية والتركيب المكلف، وبالتالي؛ فإن ترقية تصنيف الخط أكثر عملية لحل المشكلات، بحيث يمكن رفع القدرة الاستيعابية للأحمال عن طريق زيادة تصنيف الخط، ومع ذلك يمكن أن يتدفق المزيد من التيار فوق الحد الحراري، مما يتسبب في زيادة الحمل وزيادة درجة حرارة تشغيل الموصل.

كمل يشير هذا الحدوث إلى أنه يجب ألا تتجاوز الموصلات الحد الأقصى المسموح به لدرجة حرارة الموصل في تصميمها لضمان موثوقية وسلامة خط النقل، بحيث يتم التحكم في درجة حرارة الموصل القصوى المسموح بها من خلال الحد الأقصى المسموح به من ارتخاء الموصل والحد الحراري لتلف الموصل أو الأجهزة، لذلك تحد درجة حرارة الموصل من قدرة خط النقل.

خطوات التصنيف الحراري الخاص بتصميم خطوط النقل الكهربائية

يعتبر التصنيف الحراري عاملاً مهماً يجب أخذه في الاعتبار عند تصميم خطوط النقل وتشغيلها، كما تم الإبلاغ عن انقطاع التيار الكهربائي الرئيسي في شمال شرق الولايات المتحدة في عام (2003)م؛ بسبب التحميل الزائد وفشل المشغل في اكتشاف حالة الطوارئ الأولية، لذلك قد تؤدي الحرائق الهائلة والدائرة القصيرة والبرق أيضاً إلى زيادة درجة الحرارة، وبالتالي يتسبب في تعرض الموصل للإجهاد الحراري في الخطوط.

كما تؤثر الزيادة في درجة حرارة الموصل على الخصائص الميكانيكية وتؤدي إلى تدهور متانة الموصلات، مما يتسبب في ترهل وانخفاض الخلوص الأرضي وفقدان الشد وتقادم المكونات المتسارع أثناء التشغيل على المدى الطويل وتعطل أداء خطوط النقل، كذلك قد يؤدي الموصل المحموم أيضاً إلى إتلاف العازل عن طريق التسبب في حدوث تشققات دقيقة، وعلى المدى الطويل فقد يؤثر الضرر المتسارع على قدرة العازل على حماية النظام الكهربائي.

كما أصبحت قضية الإجهاد الحراري على طول خطوط النقل موضوع اهتمام وأولوية في البحث الحالي، والتي تغطي أسباب وتأثيرات الإجهاد الحراري وطرق تحسين موثوقية النظام وتحسين أداء خط النقل، بحيث تم تطوير تقنيات مراقبة مختلفة لمعالجة الإجهاد الحراري على طول خطوط النقل، كما يجب أن تكون مراقبة (OHLs) قادرة على أن تتم في ظل العديد من الظروف، مثل الظروف العادية والعابرة والطوارئ أو الخطأ.

هندسة موصلات خطوط النقل الكهربائية العلوية OHL

يتكون خط النقل من مكثف ويفصل بينهما الهواء، والذي يعمل كعازل كهربائي بينهما، حيث يؤدي اختلاف الجهد بين الموصلات في خطوط النقل إلى شحنها بشكل مشابه للمكثفات، بما يتناسب مع طولها، بحيث يتم إهمال السعة لخطوط النقل القصيرة، ولكنها تعتبر معلمة مهمة في الخطوط الطويلة (عادة أكثر من 100 كم) وفي خطوط الجهد العالي.

ومع زيادة طول الموصل؛ تزداد السعة أيضاً في (OHLs)، وعندما يتم وضع أكثر من موصل واحد بالقرب من بعضها البعض؛ سيحدث تأثير اقتران من المجال الكهربائي، كما يتم تمثيل هذا التأثير من خلال السعة المتبادلة بين الموصلات ويرتبط بالقدرة على الاحتفاظ بشحنة كهربائية بين موصلين متجاورين، بحيث يتكون خط النقل من مكثف ويفصل بينهما الهواء، والذي يعمل كعازل كهربائي بينهما.

كما يؤدي اختلاف الجهد بين الموصلات في خطوط النقل إلى شحنها بشكل مشابه للمكثفات، بما يتناسب مع طولها، كذلك يتم إهمال السعة لخطوط النقل القصيرة، ولكنها تعتبر معلمة مهمة في الخطوط الطويلة (عادة أكثر من 100 كم) وفي خطوط الجهد العالي، ومع زيادة طول الموصل تزداد السعة أيضاً في (OHLs)، وعندما يتم وضع أكثر من موصل واحد بالقرب من بعضها البعض؛ سيحدث تأثير اقتران من المجال الكهربائي.

أيضاً يعتمد حجم السعة المتبادلة على المسافة بين نواقل المباعدة، بحيث يؤدي انخفاض المسافة بين أطوار الخط إلى زيادة السعة المتبادل العالية، بحيث تتوافق مع الخسائر العالية والطاقة المنقولة إلى الطرف المستقبل، في المقابل إذا زاد ارتفاع الخط؛ فإن السعة ستنخفض أيضاً مما يزيد من توتر الخطوط، وفي بعض الحالات قد ينكسر الموصل بسبب التوتر المفرط، لذلك يُسمح بالترهل لتقليل التوتر في الخطوط، وقد تم اختراق كلاهما نحو الحدود الآمنة.

وأخيراً تعتبر موصلات (OHL) هيكلاً مهماً في شبكة نقل الطاقة، بحيث يتم استخدام (OHL) لنقل موجة الجهد والتيار من نقطة إلى أخرى على طول خطوط النقل واختيار نوع الموصل كذلك البعد والخصائص الكهربائية والميكانيكية له تأثير كبير على تصميم خط النقل، كما يمكن تصنيف الموصلات العلوية العارية إلى نوعين، وهما متجانس وغير متجانس، بحيث يتكون الموصل المتجانس من نفس مادة الخيط ، في حين أن الموصل غير المتجانس والمعروف أيضاً باسم الموصل المركب.