التحكم في الإجهاد الكهربائي على كابلات النقل الهوائية

أهمية التحكم في الإجهاد الكهربائي على كابلات النقل الهوائية:

تعتبر كابلات الطاقة ذات أهمية كبيرة في أنظمة نقل وتوزيع القدرة الكهربائية بشكل عام، كما أن النهايات والمفاصل هي الملحقات الأساسية لكابلات الطاقة وهي مطلوبة لإجراء التوصيلات بين الخطوط أو بجهاز كهربائي، لذلك؛ فإنه يتم النظر في الجوانب المختلفة أثناء تصميم نهايات الكبلات والمفاصل.

وكل ذلك لأنها يجب أن تمتلك نفس تكامل الكابلات المرتبطة بها أثناء إجراء الاتصال في كل من التطبيقات الداخلية والخارجية، بحيث يتمثل الجانب الأكثر أهمية في توصيل الكابلات ذات الجهد العالي وإنهائها في التحكم في إجهاد العازل الذي نشأ عند نقطة إنهاء الشاشة والتحكم في الضغط الكهربائي الناتج.

آلية التحكم في عملية الإجهاد الكهربائي:

يجب أن تدير المحطات والمفاصل لكابلات الجهد العالي و”المتوسط” للمجالات الكهربائية في النهايات، وذلك عند إزالة درع العزل من أحد الكبلات؛ فإنها تتركز التدرجات ذات الإمكانات العالية عند نقطة الانقطاع، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي:

وكما هو موضح في الشكل؛ فإنه يمكن ملاحظة أن الدرع الأرضي للكابل (0٪) مقطوع والخطوط متساوية الجهد (من 20٪ إلى 80٪)، حيث تتركز عند حافة القطب الأرضي، مما يسبب ضغطاً كهربائياً عالياً، كما يمكن أن ينتج عن تحسين المجال الكهربائي في هذه النقاط تصريفات محلية، يمكن أن تؤدي إما إلى وميض على طول سطح العزل أو انهيار العازل الذي يتسبب في فشل الكابل.

لذلك؛ فإنه تم تصميم نهايات الكابلات والوصلات للتخلص من تركيز الضغط في نهاية الستار لتجنب انهيار الكبل، بحيث يجب التحكم في المجال الكهربائي في نهاية الكابل والتوصيل، كما يختلف توزيع الضغط عند مفصل الموصل بشكل كبير بسبب التغيرات في المظهر الجانبي الناتج عن استخدام الطويق.

لذلك تؤدي الحواف والنتوءات الحادة عند المفصل، وخاصةً إذا تركت دون تخفيف؛ إلى تغيير مفاجئ في تدرج الضغط، لذلك من الضروري أن يكون للموصل مظهر جانبي سلس بحيث لا يكون هناك تركيز لا داعي له للضغوط، ومع ذلك؛ فإن الجانب الأكثر أهمية للتحكم في الإجهاد ينطبق على الموقع الذي يتم فيه إنهاء ستار العزل.

كما وتجدر الإشارة إلى أنه لا يزداد إجهاد العازل في منطقة النهاية فحسب؛ بل يتم أيضاً إنشاء تدرج محتمل على طول السطح البيني بين العازل والوسط المحيط، لذلك سيكون الضغط في العازل عند نهاية الستار أعلى بكثير من إجهاد التصميم وقد يؤدي إلى فشل سابق لأوانه.

بالإضافة إلى ذلك، إذا كان الوسط المحيط به هواء أو كان هناك فراغ بين العازل ووسط التعبئة؛ فإن الضغط في المنطقة قد يتسبب في السماح للهواء بالتفريغ حتى عند جهد التشغيل، كما أن الورق مقاوم إلى حد ما لهذه التفريغات، ولكن بالنسبة للعزل البوليمري، مثل (XLPE) (البولي إيثيلين المتقاطع)؛ فإن مثل هذه التفريغ ستؤدي إلى تآكل العازل بسرعة وتؤدي في النهاية إلى الفشل.

الأسباب التي تؤدي الى زيادة الضغط الكهربائي على الكابلات:

هناك العديد من نقاط الضعف الرئيسية في منطقة الإنهاء والمفاصل للكابلات ذات الجهد العالي والمتوسط التي تتطلب التحكم في الضغط هي:

• عروات ضغط تسمح للرطوبة باختراق قلب الموصل.

• عدم إزالة الجيوب الهوائية.

• يؤدي العبور الأساسي إلى التفريغ الجزئي.

• إعداد الكابلات السيئ.

• اختراق الرطوبة.

• إزالة غير كافية من المرحلة إلى المرحلة ومن المرحلة إلى الأرض.

• تعليمات التوصيل الضعيفة.

طرق التحكم الخاصة في الإجهاد الكهربائي:

لا يوجد إنهاء عالمي أو مشترك يختص بالتخلص من الإجهاد الكهربائي، لكن هناك مجموعة متنوعة من أنواع مختلفة من الإنهاءات والمفاصل لكل منها مزايا وعيوب، بحيث يتم تحقيق أقصى استفادة من نهايات الكابلات من خلال التحقق من الإنشاءات المختلفة، كما يجب أن توفر طريقة الإنهاء المناسبة سلامة كهربائية وميكانيكية جيدة، ولتصميم إنهاء مناسب، يجب إجراء تحليل توزيع المجال الكهربائي في المناطق الحرجة للكابلات.

طريقة الإجهاد المخروطي:

تعتبر الطريقة الشائعة المستخدمة للتحكم في الإجهاد هي استخدام مخروط الإجهاد الموضح في الشكل التالي:

كما ويعتبر مخروط الإجهاد هو وسيلة للتحكم في السعة في منطقة إنهاء الشاشة، وبالتالي تقليل إجهاد العزل الكهربائي على طول التدرج إلى حدود مقبولة عند نقطة الإنهاء، كما يمتد مخروط الضغط إلى ما بعد نهاية الستار، بحيث يتم تقليل التدرج المحتمل على سطح العازل إلى مستوى لا يحدث فيه التفريغ.

وفي مفاصل الكابلات الورقية ذات الجهد العالي والمتوسط، عادة ما يتم بناء مخروط الضغط على كفاف محدد مسبقاً يدوياً لتطبيق أشرطة ورقية عازلة، بينما في حالات الإنهاء؛ فإنه يكون مخروط الضغط إما مطبقاً يدوياً أو يتم تنفيذه، ومع تطوير الكابلات البوليمرية واللدنة؛ فإنه تم أيضاً إدخال مخاريط الإجهاد مسبقة التشكيل.

لذلك قبل تطبيق مخروط الضغط، من الضروري تقليل الضغط الكهربائي عند مفصل الموصل، وهو الناتج عن الأسباب الموضحة سابقاً، لذلك يتمثل المفهوم في توفير ملف تعريف سلس بحيث يتم تسوية الضغط. كما يتم الحصول على ذلك من خلال “خطوة” أوراق الكابلات، والتي يتم تحقيقها عن طريق إزالة عازل الورق في مجموعة من الخطوات، مع وجود رافعات ومخطوطات من سطح الموصل الداخلي إلى سطح العزل الخارجي.

طريقة أنابيب التحكم في الإجهاد القابل للانكماش الحراري:

هناك طريقة أخرى شائعة هي أنابيب التحكم في الإجهاد القابلة للتقلص بالحرارة والتي تستخدم للتحكم في الضغوط الكهربائية العالية عند نقطة إنهاء شاشة العزل في وصلات الكابلات المعزولة بالبلاستيك والورق ذات الجهد المتوسط والنهايات حتى 36 كيلو فولت، وذلك مع ملاحظة أن أنابيب التحكم في الإجهاد مصنوعة من مادة بوليمرية عالية السماحية ومقاومة عالية.

طرق أخرى للتحكم في الإجهاد الكهربائي:

تعتبر الأشرطة أو الطلاءات عالية المقاومة، كذلك المواد ذات طبقات المقاومة غير الخطية، لذلك؛ فإن المادة ذات المقاومة السطحية الثابتة تمر بتيار صغير، وبالتالي تنشئ تدرج جهد خطي بطولها، كما يتم تحقيق توزيع أفضل للضغط باستخدام مواد ذات مقاومة غير خطية، والتي تسمح أيضاً بزيادة التيار الكهربائي الصغير في الطبقة ومقاومة انخفاض المواد، كما ويتم تحقيق تدرج جهد خطي سلس على الطول المطبق.

لذلك؛ فإن المواد التي لها أهمية سماحية نسبية أعلى من عازل الكابل، بحيث تعتمد الطريقة على مبدأ أنه عندما تخضع المواد ذات السماحية المتباينة لتدرج محتمل عبر سمكها المشترك؛ فإن أعلى ضغط تتعرض له المادة ذات السماحية الأقل، حيث يمكن أن نرى من الرسم التخطيطي أن الخطوط متساوية الجهد تظهر تدريجياً من العازل، وبالتالي تنتج تدرجاً سلساً على السطح العازل.