شبكات نقل الكهرباء – خطوط هوائية ذات فولتية خارقة وفائقة

شبكات نقل الكهرباء والخطوط الجوية

في أنظمة الطاقة الكهربائية، يتم استخدام الجهد العالي جداً (EHV، حيث الجهد V&ge;150 كيلوفولت والجهد العالي (HV، بـ 60 كيلوفولت &le; V <150 كيلوفولت) بشكل شائع لنقل الطاقة. يهدف استخدام هذه المستويات العالية من الجهد إلى تقليل التيار المتدفق عبر خطوط النقل. وفقًا لقانون جول، W=RI²t=UIt، حيث W تمثل الطاقة المنبعثة على شكل حرارة، R هي مقاومة الموصل، I هو التيار، t هو الوقت، و U هو الجهد. بتقليل التيار، يمكن تقليل مقطع الموصل وبالتالي تقليل خسائر الطاقة بسبب تأثير جول.

تبدأ شبكات النقل عادة من محطات توليد الكهرباء ومراكز التحويل. بينما تكون الخطوط الجوية هي المكون الرئيسي في العديد من المناطق، فإن الكابلات الأرضية المعزولة غالبا ما تكون ضرورية في المناطق الحضرية بسبب القيود المكانية والاعتبارات الجمالية.

تتكون الخطوط الجوية ذات الجهد العالي والجهد العالي جداً أساساً من العناصر الرئيسية التالية:

• ال أبراج المعدنية: توفر الدعم الهيكلي لنظام الخطوط الجوية بأكمله، مما يضمن أن الموصلات معلقة على الارتفاع المناسب والتفرقة.

• المواضع العازلة: تقوم بمنع تدفق التيار الكهربائي من الموصلات إلى الأبراج المعدنية، مما يحافظ على العزل الكهربائي والأمان.

• الموصلات: مسؤولة عن حمل التيار الكهربائي. تشمل أنواع الموصلات الشائعة في الخطوط الجوية موصلات الألمنيوم المدعمة بالصلب (ACSR)، والتي تتوافق مع المعايير الأوروبية مثل EN 50189، 50889، 61232، و 50182. بالإضافة إلى ذلك، تشمل الموصلات المصنوعة من سبائك الألمنيوم، مثل AAAC (موصلات الكابلات المصنوعة من سبائك الألمنيوم) المعروفة باسم AL2، AL3، AL4، و AL5، والمحددة في EN 50182 و 50183.

• حلقات الكورونا: وهي أجهزة على شكل حلقة.

• الاتصالات الأرضية: تضمن التفريغ الآمن للشحنات الكهربائية وتوفير مسار للأرض في حالة حدوث أعطال.

تم تصميم معدات نقل الطاقة بهدف تقليل تكوين تفريغ الكورونا. تلعب حلقات الكورونا، كما هو موضح في الشكل 1، دورًا مهمًا في هذا الصدد. من خلال توزيع المجال الكهربائي على مساحة أكبر، تقلل من تدرج المجال تحت عتبة الكورونا، مما يقمع تفريغ الكورونا بشكل فعال. هذا لا يساعد فقط على منع خسائر الطاقة المرتبطة بالكورونا ولكن أيضًا يقلل من الضوضاء السمعية والتشويش الكهرومغناطيسي، مما يساهم في كفاءة وموثوقية النظام العام للنقل.

حماية الخطوط الجوية ضد الصواعق ودور كابلات OPGW

إحدى أكبر التهديدات للخطوط الجوية هي الصواعق. تتعرض هذه الخطوط لمخاطر الصواعق على طولها بأكمله، مما يعني أن الحماية المقدمة بواسطة مانعات الفيضانات في مراكز التحويل غير كافية. تظل إجراءات الحماية الإضافية ضرورية لضمان موثوقية وسلامة نظام النقل.

لحل هذه المشكلة، يتم تركيب "أسلاك حماية الصواعق الجوية" على طول مسار الخطوط الجوية. من بين هذه الأسلاك، يتم استخدام كابلات Optical Power Ground Wire (OPGW) بشكل واسع بسبب وظيفتها المزدوجة. يتميز كابل OPGW ببنية أنبوبية تحوي واحدًا أو أكثر من الألياف البصرية أحادية الوضع في مركزه. ثم يتم تغليف هذا التجمع المركزي بالألياف بعدة طبقات من أسلاك الصلب والألمنيوم.

تلعب الطبقات الخارجية الموصلة لكابل OPGW دورًا مهمًا في الحماية الكهربائية. تقوم بتوصيل أبراج النقل المجاورة بالأرض، مما يخلق مسارًا ذا مقاومة منخفضة للتكتلات الناتجة عن الصواعق. وبذلك، تحمي بشكل فعال الموصلات الرئيسية من الصواعق المباشرة، مما يقلل من احتمالية تلف خطوط النقل الرئيسية.

في الوقت نفسه، توفر الألياف البصرية داخل كابل OPGW مزايا اتصال كبيرة. يمكن استخدام هذه الألياف لنقل البيانات بسرعة عالية، مما يلبي مختلف الاحتياجات في قطاع المرافق الكهربائية. تستخدم لأغراض داخلية مثل حماية وتحكم خطوط النقل، مما يتيح المراقبة الفورية والاستجابة السريعة للمشاكل المحتملة. بالإضافة إلى ذلك، تدعم متطلبات الاتصال الصوتية والبيانات، مما يسهل التنسيق السلس بين أجزاء مختلفة من شبكة الكهرباء.

تحتوي الألياف البصرية نفسها على خصائص عازلة ممتازة، مما يوفر حماية فطرية ضد الاستقراء الكهربائي من خطوط نقل الطاقة والصواعق. كما أنها مقاومة للغاية للضوضاء الخارجية والتداخل، مما يضمن سلامة البيانات المنقولة. بالإضافة إلى ذلك، تتميز الألياف البصرية بخسائر نقل منخفضة جدًا، مما يجعلها مثالية لنقل البيانات بسرعة عالية على مسافات طويلة دون تدهور كبير في الإشارة.

يوضح الشكل 2 مثالًا نموذجيًا لكابل OPGW، ويظهر بنية فريدة له وكيفية الجمع بين قدرات الحماية الكهربائية والاتصال، مما يجعله مكونًا لا غنى عنه في أنظمة الخطوط الجوية الحديثة.

في بعض البلدان، بالنسبة للخطوط الجوية القديمة التي تعمل على مستوى جهد 72.5 كيلوفولت، كان هناك نهج معين لحماية الصواعق مستخدمًا سابقًا. تاريخيًا، تم تجهيز فقط الأربعة أو الخمسة أقسام الأولى المجاورة لمراكز التحويل بإجراءات حماية، واستُخدمت كابلات الألمنيوم المدعمة بالصلب (ACSR) لهذا الغرض. ومع ذلك، تم الآن إيقاف هذا الحل. أصبح كابل Optical Power Ground Wire (OPGW) الخيار المفضل، لأنه لا يوفر فقط حماية فعالة ضد الصواعق ولكنه يتيح أيضًا الاتصال بالبيانات بين مراكز التحويل، مما يوفر حلًا شاملًا ومتنوعًا.

تتميز الكابلات المعزولة غالبًا بعزل البولي إيثيلين المتقاطع (XLPE). عادة ما تحتوي هذه الكابلات على موصلات من الألمنيوم وهي مصممة للتطبيقات أحادية الطور. يستخدم عزل XLPE لتوفير خصائص كهربائية ممتازة وقوة ميكانيكية ومتانة، مما يجعله مناسبًا جدًا لنقل الطاقة.

غالبًا ما تعتمدت شبكات نقل الطاقة ذات الجهد العالي جداً (EHV) والجهد العالي (HV) على تكوين "حلقة". كما هو موضح في الشكل 3، يتميز هذا التكوين بدرجة كبيرة من التعقيد. يوفر تكوين الحلقة موثوقية ومرنة في توزيع الطاقة، مما يسمح بمشاركة الأحمال بشكل أفضل ويسهل صيانة وتشغيل الشبكة. يمكّن من إعادة توجيه الطاقة في حالة حدوث عطل أو أعمال صيانة، مما يقلل من انقطاعات التزويد بالطاقة ويضمن نظام نقل أكثر استقرارًا وكفاءة.