نظرة شاملة حول خطوط نقل التيار الكهربائي فائق الجهد والعوازل المركبة: التحديات والتصميم والتطبيقات
1 خصائص ومكونات خطوط نقل الطاقة ذات الجهد العالي
1.1 خصائص خطوط نقل الطاقة ذات الجهد العالي
تتميز خطوط نقل الطاقة ذات الجهد العالي بتكلفتها المنخفضة نسبيًا بسبب كمية المعلومات الأقل التي تتطلبها. عادةً ما تستخدم هذه الخطوط موصلين، أحدهما متصل بالقطب الموجب والآخر بالقطب السالب. تتميز خطوط نقل التيار المستمر بالمتانة وقدرتها على نقل التيار لمسافات طويلة. في بعض مرافق نقل الطاقة ذات الجهد العالي في الصين، يتم استخدام نقل التيار المتردد أيضًا بشكل واسع، وهو واضح بشكل خاص في الحياة اليومية.
1.2 خطوط نقل الطاقة ذات الجهد العالي كمكون رئيسي في تصميم الكهرباء
في العمل الأساسي للتصميم، يجب إعداد الرسومات الهندسية اللازمة للبناء بعناية وتتبعها وفقًا للإجراءات العملية. اختيار المواد الخام لخطط البناء، وكذلك تصميم مسارات البناء والطرق المناسبة والتحديات المتعلقة بالتخزين من قبل فريق البناء، يضمن التشغيل الطبيعي لخطوط الطاقة، ويحسن كفاءة العمل، ويعزز فعالية العمل.
2 حالة تطور خطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق
مقارنة بالخطوط العادية، فإن خطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق (UHV) تتطلب متطلبات أعلى، مثل مستويات العزل الخارجي، والتكنولوجيات الهندسية، وتدابير حماية الخط. إذا لم يكن مستوى العزل الخارجي لخطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق متوافقًا مع المعايير أو كانت تدابير الحماية غير كافية، فستزداد الأعطال مثل التفريغ الناجم عن التلوث، والجهد الزائد، والتلف. لذلك، يعد استخدام العوازل المركبة في خطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق أمرًا ضروريًا وأساسياً جزءًا لا يتجزأ من بناء الشبكات الحديثة.
3 مشاكل العوازل المركبة في خطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق
3.1 الانهيار عند الواجهة
تعود معظم المشاكل الناجمة عن الأضرار الكهربائية للعوازل المركبة إلى الضربات الصاعقة، والتي تمثل أكثر من نصف جميع الأضرار. رغم أن المواد تتحسن باستمرار، إلا أن مشكلة التلف المتكرر عند الواجهة لا تزال موجودة. أثناء الإنتاج، تظهر ظاهرة التساقط بشكل كبير في القضبان الأساسية والأغطية، وقد يتعرض القطر الداخلي للأغطية والقضبان للتآكل، مما قد يؤدي إلى تلف الواجهة ويؤثر على عمر الخدمة للعوازل. من الضروري استمرار تحسين المنتجات وتحسينها لتقليل احتمالية الفشل عند الواجهة.
3.2 الكسر الهش للقضيب الأساسي
يعتبر الكسر الهش للقضيب الأساسي نوعًا شائعًا من أعطال العوازل المركبة التي تواجه غالبًا في خطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق. خلال عملية الكسر الهش للقضيب الأساسي، تحت تأثير التآكل الحمضي، تتكسر ألياف القضيب الأساسي تدريجياً، وحتى يمكن أن يحدث كسر كامل للقضيب الأساسي تحت الأحمال الصغيرة. الأسباب الرئيسية هي كالتالي:
أولاً، يحدث عادة في المواقع حيث يكون قوة المجال الكهربائي للجهد العالي نسبيًا عالية. يمكن أن يؤدي عكس حلقة التدرج إلى الكسر الهش للعوازل المركبة. لحل هذه المشكلة، يجب أن يضمن تصميم ومعالجة حلقات التدرج أن يصل مستوى المجال المغناطيسي إلى المستوى المحدد، مما يتجنب بكفاءة الكسر الهش للمواد.
ثانياً، قد تحدث تشققات عندما يتعرض الغلاف أو الوجه النهائي للتلف. ومع ذلك، فإن استخدام قضبان أساسية مقاومة للحمض بدون بورون يحسن بشكل كبير من مقاومة الحمض بشكل عام، مما يقلل بشكل كبير من هذه المشكلة. ومن الجدير بالذكر أن ليس كل قضبان الألياف الأساسية تتمتع بخصائص مقاومة للحمض ممتازة؛ لذا فإن التقييم والاختيار ضروري. رغم أن الكسور الهشة لها تأثير كبير على العمليات، فإن احتمالية حدوثها منخفضة ويمكن تقليلها من خلال تدخلات مختلفة.
3.3 مشاكل الشيخوخة
بعد فترة من الاستخدام، قد تواجه العوازل مشاكل الشيخوخة التي تسببها عوامل مثل درجة الحرارة وإطلاق الشرارة السطحي. رغم أن مواد المطاط السيليكوني لديها دورة الشيخوخة أطول، إلا أنه يمكن أن يحدث تقدم الشيخوخة في المراحل الأولى بسبب التلوث البيئي وتكنولوجيا صياغة المواد. بينما يمكن أن تحافظ معظم المناطق على حالاتها والخصائص الجيدة من خلال الجيل السيليكوني، فإن الشيخوخة أمر لا مفر منه. لضمان التشغيل الآمن للعوازل، من الضروري إجراء الاختبارات المبكرة. لذلك، يجب إجراء فحوصات دورية للعوازل المركبة لمنع المزيد من التدهور.
3.4 المشاكل الميكانيكية
تظهر العوازل المركبة تدهورًا ميكانيكيًا كبيرًا أثناء الاستخدام. حالياً، يتم استخدام العوازل الداخلية المكونة من عدة أجزاء، ولكن لديها متطلبات عالية لطرق الوصل، مع اختلافات كبيرة في ميل الزحف مقارنة بتصميمات العوازل ذات الأطراف الملفوفة.
4 تحديد طول سلسلة العوازل وبُعد الهواء الأدنى لخطوط الجهد الفائق
4.1 المسافة العازلة الكهربائية المعينة في تصميم خطوط الجهد الفائق
يجب أن تضمن متطلبات التطابق العازل لخطوط الجهد الفائق 1000kV AC التشغيل الآمن والموثوق به تحت ظروف مختلفة مثل الجهد الدوري، وجهد التحويل الزائد، وجهد البرق الزائد. يعتبر التفريغ الدوري للعوازل العامل الرئيسي في السيطرة على سلاسل العوازل. يتم حساب الهياكل العازلة الخارجية عادةً بناءً على تحمل التلوث، مع الأخذ في الاعتبار الخبرة الهندسية الموجودة، مع النظر في عوامل مثل الارتفاع والغطاء الجليدي. بالنسبة لجهد التحويل الزائد، يتم الأخذ بمعاملات جهد زائد 1.6p.u. و1.7p.u.؛ عندما يكون أعلى جهد تشغيلي للنظام 1100kV، إذا لم يتمكن جهد التحويل الزائد من السيطرة على عدد قطع العوازل والقيمة المحسوبة أقل من 50% من جهد التفريغ النبضي لسلسلة العوازل، فهناك خطر التفريغ النبضي. في أنظمة الجهد الفائق، لا يوجد علاقة مباشرة بين جهد البرق الزائد وجهد التشغيل، ومستوى العزل الخارجي العالي يجعل جهد البرق الزائد ليس عاملًا حاسمًا.
4.2 طول سلسلة العوازل
تحدد طول سلسلة العوازل باستخدام طرق مضادة للتلوث تحت ظروف التلوث. وهذا يشمل: (1) قياس جهد التفريغ الناجم عن التلوث لعوازل مختلفة تحت ظروف الجو لتحديد العلاقة بين جهد التفريغ 50% وكثافة الأملاح المختلفة للعوازل؛ (2) قياس جهد التحمل للعوازل؛ (3) تصحيح وحساب كثافة الأملاح الذائبة؛ (4) تصحيح تأثير نسبة الرماد إلى الأملاح على التلوث السطحي للعوازل؛ (5) تصحيح عدم التجانس بين السطوح العليا والسفلية؛ (6) تصحيح الارتفاع عند الارتفاعات العالية؛ و(7) حساب عدد أقسام العوازل تحت ظروف الجهد الأقصى للعمل.
4.3 تحديد بُعد الهواء الأدنى لخطوط الجهد الفائق
4.3.1 حساب الحد الأدنى لعدد قطع العوازل للتشغيل العادي
تركز هذه الورقة على القضية العلمية الرئيسية الخاصة بتحديد المسافة الدنيا لخطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق، باستخدام خطوط النقل ذات الدائرة الواحدة كموضوع للبحث. تدرس تأثير بُعد الهواء على أبعاد أبراج النقل تحت الجهد الدوري وجهد البرق، وتحدد المسافة الدنيا لأبراج النقل باستخدام أبعاد الهواء المقاسة، وتأخذ في الاعتبار تأثير تدهور العوازل على هياكل أبراج النقل، وتقترح المسافة الدنيا لأبراج النقل مع مراعاة تدهور العوازل.
4.3.2 تحديد بُعد الهواء لجهد التحويل الزائد
يشمل هذا تحديد عامل التنسيق الإحصائي لجهد التحويل الزائد بناءً على حساب جهد التفريغ النبضي U50% للأجسام الهوائية الفردية.
وفي هذه الحالات، يمثل Us جهد التحويل الزائد، مقاسًا بوحدة الكيلوفولت؛ Z هو ثابت، وبالتالي يتم تعيينه إلى 2.45؛ للأجسام الهوائية الفردية، يتم تعيين σ1 إلى 0.06؛ وفي هذه الحالات، σm هو التباين للأجسام الهوائية المتعددة، والذي يتم تعيينه إلى 0.024. لذا:
وبالتالي، فإن عامل التنسيق الإحصائي kc لجهد التشغيل الزائد للجسم الهوائي للخط هو:
5 تطبيق العوازل المركبة في خطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق
من خلال العمليات العملية للخطوط الحالية في بلادنا، تم اكتشاف أن استخدام العوازل المركبة يمكن أن يقلل من تكاليف صيانة الخطوط وتلوث الشبكة الكهربائية. في المناطق الملوثة، يُنصح باستخدام العوازل المركبة. بالنسبة لخطوط الجهد 1000kV، يُنصح باستخدام عوازل ارتفاعها حوالي 9 أمتار، وفي المناطق الملوثة بشدة، عوازل ارتفاعها أكثر من 17 متراً. إذا تم تبني الاتصالات المتسلسلة المتعددة، يمكن تعديل ارتفاع العوازل بشكل أكبر، لكن هذا سيزيد أيضًا من وزن وطول العوازل، مما يرفع تكلفة الخط.
في المناطق المرتفعة والتلوث الشديد، توفر العوازل المركبة مزايا اقتصادية وتقنية أعلى. عندما لا يتجاوز طول السلسلة المركبة 10 أمتار، يمكن أن يقلل من مساحة نافذة البرج، ويتحكم في حمل البرج، ويقلل من حدوث حوادث التفريغ. لذا، تتمتع العوازل المركبة بمزايا كبيرة في هذه الجوانب. لضمان التشغيل طويل الأمد والاستقرار والموثوقية لخطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق، يجب إجراء دراسات متعمقة.
من ناحية أخرى، يجب إجراء دراسات حول الخصائص الميكانيكية للعوازل المركبة ذات الطنين الفائق لتشكيل معايير وطرق اختبار فعالة. بالإضافة إلى ذلك، أثناء ضمان الضغط الموحد على العوازل المركبة، يجب اتخاذ تدابير مناسبة للتعامل مع التداخل الكهرومغناطيسي وإطلاق الشرارة الكهربائية لتقليل الحوادث المفاجئة. طريقة القوس الكهربائي المناسبة تضمن إخماد القوس الكهربائي بشكل فعال.
الهيكل الميكانيكي المحسّن يضمن أن العازل المكسور لن يسقط على الأرض. يجب وضع معايير صارمة للتحكم في الجودة لمنع المنتجات غير المطابقة للمواصفات، مع التحكم الصارم في المواد الأولية للقضبان الأساسية والأجنحة، وتحسين تقنيات التصنيع من المصدر لتقليل المخاطر الأمنية التشغيلية. أثناء البناء، يجب تنفيذ إجراءات تخزين علمية لضبط الأضرار المحتملة بدقة. يجب تنفيذ خطط صيانة وفحص فعالة لتحديد المخاطر الأمنية بسرعة واتخاذ التدابير المناسبة لضمان سلامة الإنتاج.
6 الخلاصة
لقد أصبحت العوازل المركبة تستخدم بشكل متزايد في شبكة الكهرباء في الصين وأصبحت مكونًا أساسيًا في بناء الشبكات الكهربائية. نظرًا لمتطلبات المساحة العرضية الكبيرة والظروف ذات الحمل العالي في خطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق، يجب إعطاء الأولوية للعوازل التركيبية بدلاً من العوازل الزجاجية وأنواع أخرى. مع زيادة نطاق خطوط نقل الطاقة ذات الجهد الفائق، تظهر تحديات جديدة، مما يؤدي إلى زيادة متطلبات أدائها.
بالإضافة إلى ضمان الضغط الموحد على العوازل المركبة، يجب اتخاذ تدابير مناسبة للتعامل مع التداخل الكهرومغناطيسي وإطلاق الشرارة الكهربائية لتقليل الحوادث المفاجئة. طريقة القوس الكهربائي المناسبة تضمن إخماد القوس الكهربائي بشكل فعال. الهيكل الميكانيكي المحسّن يضمن أن العازل المكسور لن يسقط على الأرض. يجب وضع معايير صارمة للتحكم في الجودة لمنع المنتجات غير المطابقة للمواصفات، مع التحكم الصارم في المواد الأولية للقضبان الأساسية والأجنحة، وتحسين تقنيات التصنيع من المصدر لتقليل المخاطر الأمنية التشغيلية.
خلال البناء، يجب تنفيذ إجراءات تخزين علمية لضبط الأضرار المحتملة بدقة. يجب تنفيذ خطط صيانة وفحص فعالة لتحديد المخاطر الأمنية بسرعة واتخاذ التدابير المناسبة لضمان سلامة الإنتاج.
