معاينة كابلات الطاقة الكهربائية تحت سطح البحر

تعتبر كابلات الطاقة تحت سطح البحر من الأصول الهامة داخل البنية التحتية للتوزيع والنقل للشبكات الكهربائية، وعلى مدى العقدين الماضيين كان حجم الاستثمارات في مشاريع تركيب كابلات الطاقة تحت سطح البحر ينمو بشكل كبير، ومع ذلك يُظهر تحليل بيانات الفشل التاريخية أن تقنيات المراقبة الحديثة.

أهمية معاينة كابلات الطاقة الكهربائية تحت سطح البحر

أصبح المجتمع والصناعة أكثر اعتماداً على استمرارية الخدمات التي تقدمها شركات الطاقة الخاصة وكذلك قطاع البنية التحتية الكهربائية العامة (بما في ذلك أبحاث أو هيئات الطاقة الوطنية)، كذلك تعمل هذه الأنظمة الخاصة والعامة معاً على بناء شبكة الطاقة الوطنية الخاصة بنا، حيث تكون جوانب السلامة ذات أهمية كبيرة.

ومع تطور الخدمات والأنظمة؛ فإنه من المتوقع أن يزداد الترابط بين البنية التحتية المعزولة سابقاً مثل أنظمة النقل وشبكات الطاقة، كما ويرجع ذلك إلى زيادة كهربة أساطيل النقل المحلية والتجارية، لذلك قد يتسبب الاعتماد المتبادل بين البنى التحتية الحرجة في حدوث حالات فشل متتالية ومتصاعدة ومشتركة الأسباب، مما يؤدي إلى فقدان توافر النظام الكهربائي.

كما يمكن تقدير حجم هذا التحدي عند النظر في حقيقة أن الشبكة الكهربائية داخل الولايات المتحدة من المتوقع أن تتطلب (2) تريليون دولار في عمليات الترقيات والإصلاحات بحلول عام (2030)م، ووفقاً لتقرير نشرته وزارة الأعمال والطاقة والاستراتيجية الصناعية في المملكة المتحدة (BEIS)، والمعروفة سابقاً باسم وزارة الطاقة وتغير المناخ (DECC).

كما تطلبت شبكة توزيع ونقل الطاقة استثماراً يقارب (34) مليار جنيه إسترليني بين السنوات (2014-2021)، ونظراً لحجم الاستثمار الكبير اللازم لتطوير البنى التحتية القائمة وصيانتها؛ قد يميل صانعو القرار إلى تأجيل بعض أعمال التطوير لأطول فترة ممكنة، ومع ذلك؛ فإن هذا سيخلق طلباً لتطوير أدوات تحليلات متقدمة قادرة على مراقبة الحالة الصحية بالإضافة إلى تقييم العمر المتوقع (EL) للمعدات الصناعية والبنى التحتية المدنية.

تطور مصادر الطاقة المتجددة البحرية وتفاقم حجم المتطلبات الهندسية

إلى جانب زيادة عدد وحجم مشاريع الطاقة المتجددة البحرية في مناطق مختلفة من العالم؛ أصبح إمداد الطاقة العالمي يعتمد بشكل متزايد على التكامل الموثوق لمصادر الطاقة المتجددة البحرية في الشبكات الكهربائية، على سبيل المثال حددت شركة (Crown) في المملكة المتحدة هدفاً يتمثل في زيادة السعة الإجمالية لطاقة الرياح البحرية إلى (40) جيجاوات بتكلفة (160) مليار جنيه إسترليني على مدى العقدين المقبلين.

كما تعتبر كابلات الطاقة من أهم الأصول في مشاريع الطاقة المتجددة البحرية، وهذه الكابلات حيوية لشبكات توزيع ونقل الطاقة الحالية وكذلك لمزيد من تطوير منشآت الطاقة المتجددة البحرية، بحيث تلعب دوراً مهماً في تمكين إزالة الكربون من أنظمة الطاقة الوطنية والدولية، وفي السنوات الأخيرة تم إجراء استثمارات ضخمة لنشر كابلات الطاقة تحت سطح البحر لربط مزارع الرياح البحرية في المملكة المتحدة بالشبكة الوطنية.

مكونات كابلات الطاقة الكهربائية تحت سطح البحر

كابلات الطاقة تحت سطح البحر مطلوبة لإجراء الأحمال الكهربائية الخاصة بها حتى القيمة المقدرة وهذا يجب أن يحافظ على جهد التشغيل المستمر، كما ويجب أن يحافظ الكبل على سلامته عند تعرضه لطفرات التبديل، كذلك فإن هناك أنواع مختلفة من كابلات الطاقة تحت سطح البحر، ومع ذلك تبقى المتطلبات الوظيفية للمواد العازلة متسقة من حيث الوظائف الأساسية.

كما وتشمل هذه قدرة المواد العازلة على الحفاظ على قوة تيار متردد عالية وقوة دفع كهربائية وسماحية منخفضة وعامل طاقة، بحيث سيضمن ذلك أقل قدر ممكن من الخسائر العازلة والاستقرار الفيزيائي والكيميائي على نطاق واسع من درجات حرارة التشغيل، بحيث سيكون للكابل الموثوق به موصلية حرارية جيدة لتسهيل نقل الحرارة من الموصل ومرونة للسماح بالانحناء، وهو أمر مهم بشكل خاص للنقل ومد الكابلات، بحيث ترتبط متطلبات التصميم العامة عند شراء كابل الطاقة بما يلي:

• درع سلكي مفرد أو مزدوج، وذلك مع مراعاة المعايير البيئية المختلفة (الرمل ، الصخور ، التيار القوي)، كذلك أنشطة الشحن (صيد الأسماك، العبّارات، المراسي) وطريقة التركيب (الدفن المباشر ، تفريغ الصخور ),.

• نوع العزل، مثل مطاط الإيثيلين البروبيلين (EPR)، البولي إيثيلين المتشابك (XLPE).

• مواصفات الكابلات، وتشمل الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء (التخزين والتركيب)، أقصى عمق للتركيب، ارتفاع السقوط والتوصيل (نهاية الشاطئ وتحت سطح البحر).

كما يوضح الشكل التالي النموذج الهندسي والمواد اللازمة لكابل طاقة نموذجي تحت سطح البحر، كذلك الموصلات النحاسية الأساسية في وسط الكابل محاطة بعدد من الطبقات العازلة، لذلك قد تتحلل طبقات العزل هذه بمرور الوقت بسبب مجموعة من الضغوط الحرارية والكهربائية والكيميائية والميكانيكية.

كذلك يتم حماية طبقات العزل هذه باستخدام أغلفة مانعة للماء مصنوعة من مواد بوليمرية أو معدنية، بحيث تتكون طبقات الحماية هذه من الدروع، وعادة ما تكون مصنوعة من أسلاك الفولاذ المجلفن أو الفولاذ المقاوم للصدأ، والتي توفر ثباتاً للشد والضغط وحماية ميكانيكية خاصة أثناء عملية التمديد (التثبيت) ومن التأثير الخارجي.

التأثير الخارجي الذي يظهر على الكابلات الكهربائية البحرية

يحدث الاعتداء الخارجي أو أضرار الطرف الثالث بسبب حركة الكابلات في قاع البحر وتشابك معدات الصيد ومراسي السفن وإتلاف الكابل، كما يتم استخدام كابل مدرع مزدوج الطبقة لتوفير طبقة حماية إضافية، ولحماية الدرع من التآكل؛ تتكون الطبقة الخارجية النهائية (العرض الخارجي) للكابل من أشرطة الخيش والبيتومين والخيوط أو خيوط البولي بروبلين، كذلك الدرع مصنوع من الفولاذ المجلفن أو الفولاذ المقاوم للصدأ، والذي يستخدم على نطاق واسع لمقاومة التآكل.

وغالباً ما يتعرض الكبل بأكمله الموجود في قاع البحر لتدفقات مدية مختلفة وتآكل بسبب ظروف قاع البحر المختلفة، بحيث سيؤثر ذلك على الحركة المحلية للكابل بالإضافة إلى التلف الناتج عن تآكل الطبقات الواقية، ومن ثم يجب تطوير نموذج رياضي لالتقاط هذه التأثيرات المحلية من أجل التقييم الدقيق للأضرار التي لحقت بالكابلات البحرية والتنبؤ بعمرها المتوقع. سيؤدي تقييم القيم “العالمية” المتوسطة (على سبيل المثال عدم مراعاة تغير قاع البحر وظروف تدفق المد والجزر على طول الكابل) إلى تنبؤات ضعيفة (متفائلة بشكل عام).

وأخيراً ناقشت هذه الدراسة بيانات الفشل التاريخية لكابلات الطاقة تحت سطح البحر على مدى (15) عاماً من الوقت والتقنيات المرتبطة المستخدمة لمراقبة صحتهم، ووفقاً لتحليل البيانات التاريخية؛ فقد وجد أن حوالي (70 ٪) من أوضاع الفشل لم يتم اكتشافها بواسطة أحدث أنظمة المراقبة.

كما قدمت هذه الدراسة منهجية نمذجة للتنبؤ بالضرر على طول طول الكابلات البحرية بسبب الظروف البيئية (على سبيل المثال، خشونة قاع البحر وتدفقات المد والجزر)، والتي تؤدي إلى فقدان الطبقات الواقية على الكابل بسبب التآكل، بحيث يمثل أكثر من (40 ٪) من حالات فشل الكابلات تحت سطح البحر، ولتخطيط كابل محدد في ظروف قاع البحر المختلفة ومدخلات تيار المد والجزر؛ فإنه يحسب النموذج حركة الكبل من خلال مراعاة تأثير الجلي ثم يتنبأ بمعدل فقدان المادة بسبب التآكل.