التيار المتردد مقابل التيار المستمر: كيف يؤثر نوع التيار على تصميم الكابلات

تنتقل الكهرباء في شكلين رئيسيين:التيار المتردد (AC)والتيار المستمر (DC)ينعكس اتجاه التيار المتردد باستمرار (50 أو 60 مرة في الثانية)، بينما يتدفق التيار المستمر بثبات في اتجاه واحد. قد تظن أن الكابل مجرد كابل، لكن نوع التيار يؤثر بشكل كبير على تصميمه. فمن الموصل نفسه إلى العزل والتدريع، يتخذ المهندسون خيارات مختلفة تمامًا لأنظمة التيار المتردد والتيار المستمر. تشرح هذه المقالة السبب.

1. الفرق الأساسي: ثابت مقابل نابض

في كابل التيار المستمر، تتحرك الإلكترونات بسرعة ثابتة في اتجاه واحد. وتكون كثافة التيار منتظمة عبر المقطع العرضي للموصل. أما في كابل التيار المتردد، فتتذبذب الإلكترونات ذهابًا وإيابًا. ويؤدي هذا المجال المغناطيسي المتغير إلى توليد مجال مغناطيسي.تأثير الجلدوتأثير التقارب– ظواهر غير موجودة في العاصمة واشنطن.

تُجبر هذه التأثيرات التيار المتردد على التدفق بشكل رئيسي بالقرب من سطح الموصل، وليس عبر مقطعه العرضي بالكامل. وهذا يُغير بشكل جذري طريقة بناء الموصل.

2. تأثير الجلد: لماذا تحتاج كابلات التيار المتردد إلى أسلاك أرق؟

تأثير الجلدهي ميل التيار المتردد عالي التردد إلى التجمع نحو السطح الخارجي للموصل. عند تردد 50/60 هرتز، يكون التأثير طفيفًا ولكنه ليس ضئيلاً، خاصةً بالنسبة للموصلات الكبيرة.

بالنسبة للتيار المستمر، يمكنك استخدام قضيب نحاسي سميك وصلب. أما بالنسبة للتيار المتردد، فإن استخدام قضيب صلب سيؤدي إلى هدر المادة الداخلية (لأنه ينقل تيارًا ضئيلاً). لذلك، تستخدم كابلات التيار المترددالموصلات المجدولة– العديد من الخيوط الرقيقة المعزولة بشكل فردي. هذا يزيد من مساحة السطح ويقلل من فقدان الطاقة الناتج عن تأثير السطح. قد تستخدم كابلات التيار المتردد الكبيرة جدًاشركة ميلكين للإنشاءات(الخيوط المعزولة والمنقولة) للتخفيف من تأثير الجلد بشكل أكبر.

وعلى النقيض من ذلك، يمكن لكابلات التيار المستمر استخدام الموصلات الصلبة أو ذات الأسلاك الخشنة دون أي تأثير سلبي.

3. تأثير التقارب: عندما تتكدس الكابلات معًا

عندما تمتد كابلات التيار المتردد بالقرب من بعضها البعض، تدفع المجالات المغناطيسية للموصلات المتجاورة التيار إلى الجانب البعيد من كل موصل - وهو تأثير يسمىتأثير التقاربوهذا يزيد من المقاومة والحرارة، خاصة في الكابلات المكتظة.

في أنظمة التيار المستمر، لا يوجد تأثير التقارب لأن المجال المغناطيسي ثابت.

لمواجهة تأثير التقارب، قام مصممو كابلات التيار المتردد بما يلي:

• حافظ على المسافة بين الكابلات.

• استخدم تبديل الأطوار في الأنظمة ثلاثية الأطوار.

• اختر أنماط جدل الموصلات التي تقلل من الحث المتبادل.

بالنسبة لقضبان التوصيل ذات التيار المتردد العالي، فإنها غالباً ما تكون مجوفة أو مقسمة إلى طبقات رقيقة متعددة - وهو تصميم غير مطلوب أبداً للتيار المستمر.

4. إجهاد العزل: التيار المستمر مقابل التيار المتردد

يجب أن يتحمل العزل الجهد الكهربائي دون أن يتلف. لكن التيار المتردد والتيار المستمر يؤثران على العزل بشكل مختلف.

• مكيف هواءيتذبذب الجهد الكهربائي بين ذروة موجبة وذروة سالبة. ويتعرض العازل للإجهاد في كلا الاتجاهين. وتحدث خسائر عازلة (تسخين العازل)، خاصة عند الترددات العالية أو مع المواد القطبية (مثل الورق وبعض البوليمرات).

• العاصمة واشنطنالجهد ثابت. لا توجد خسائر عازلة ناتجة عن انعكاس القطبية. مع ذلك، قد تتراكم الشحنات الفضائية داخل العازل بمرور الوقت، مما قد يتسبب في زيادة المجال الموضعي.

لالتيار المستمر عالي الجهد (HVDC)غالباً ما تُصنع مواد العزل في الكابلات منالبولي إيثيلين المتشابك (XLPE)أوورق مشبع بالكتلة– تُختار المواد لتقليل تراكم الشحنات الفضائية وزيادة قوة العزل الكهربائي للتيار المستمر. تستخدم كابلات التيار المتردد مواد مماثلة، ولكن يجب أيضًا مراعاة معامل الفقد (tan δ)، وهو غير ذي صلة بالتيار المستمر.

من المثير للاهتمام أن الكابل المصمم للعمل مع التيار المتردد قد يتمتع بتصنيف جهد تيار مستمر أعلى (عادةً من 1.5 إلى 2 ضعف تصنيف الجهد الفعال للتيار المتردد) لأن ذروة جهد التيار المتردد تتضمن هامش أمان. لكن هذه ليست قاعدة بسيطة؛ إذ يجب أن يكون العزل مؤهلاً لتحمل إجهاد التيار المستمر المحدد.

5. المجالات المغناطيسية والحماية

تُولّد كابلات التيار المتردد مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا مع الزمن. يمكن لهذا المجال أن:

• حث التيارات في المشغولات المعدنية المجاورة (التسخين، الخسائر).

• التداخل مع كابلات الإشارة المجاورة (التداخل الكهرومغناطيسي - EMI).

وللتحكم في ذلك، غالباً ما تتطلب كابلات التيار المترددالفحص(مثل شريط نحاسي أو جديلة سلكية) لاحتواء المجال. غالبًا ما تكون كابلات التيار المتردد ثلاثية الطور مدرعة بـغير مغناطيسيالمواد (الألومنيوم) لتجنب التسخين الناتج عن التيارات الدوامية.

تنتج كابلات التيار المستمرثابتالمجال المغناطيسي. لا يُحدث تيارات في الأجسام الثابتة، ويُسبب تداخلاً ضئيلاً. لذلك، لا تحتاج كابلات التيار المستمر عمومًا إلى حماية مغناطيسية. مع ذلك، قد تؤثر على البوصلات المغناطيسية أو الأجهزة الحساسة إذا تم تشغيلها على مقربة منها.

6. الدروع والأغماد المعدنية

بالنسبة لكابلات التيار المتردد، يجب التعامل مع الدروع أو الأغلفة المعدنية بعناية:

• درع من الأسلاك الفولاذية (SWA)لا بأس به بالنسبة للمعالجات أحادية النواة إلا إذا كان الدرعغير مغناطيسي(الألومنيوم) أو أن الكابل ثلاثي النواة، مما يؤدي إلى إلغاء المجالات المغناطيسية. أما في حالة التيار المتردد أحادي النواة، فإن الغلاف الفولاذي سيسخن بشكل مفرط بسبب التيارات الدوامية.

• درع سلكي من الألومنيوم (AWA)يفضل استخدامه مع التيار المتردد أحادي النواة.

بالنسبة لكابلات التيار المستمر، يُعدّ الغلاف الفولاذي مثالياً - فهو يمنع التيارات الدوامية ويمنع التسخين. وهذا يُبسّط عملية تصنيع كابلات التيار المستمر ويقلل تكلفتها في تطبيقات السكك الحديدية، ومحطات الطاقة الشمسية، وأنظمة نقل التيار المستمر عالية الجهد.

7. الخسائر والكفاءة

في نقل الطاقة لمسافات طويلة، يتميز التيار المستمر بانخفاض الفاقد لعدم وجود تأثيرات سطحية أو تأثيرات قربية، وانعدام تدفق الطاقة التفاعلية. ولذلك يُفضل استخدام التيار المستمر عالي الجهد في الكابلات البحرية وخطوط النقل الهوائية الطويلة جدًا، على الرغم من ارتفاع تكلفة محطات التحويل.

8. أمثلة عملية

مثال 1: توصيلات كهربائية منزلية (230 فولت تيار متردد)
الكابلات مجدولة لتقليل تأثير السطح. وهي غير مدرعة (يمكن استخدام الفولاذ لأن الدوائر ثلاثية الطور تلغي المجالات، لكن الدوائر أحادية الطور لا تزال تسبب بعض التسخين). العزل مصنوع من PVC أو XLPE، ومصمم لتحمل جهد التيار المتردد.

مثال 2: كابلات سلسلة التيار المستمر لمزرعة الطاقة الشمسية (1500 فولت تيار مستمر)
تستخدم الكابلات أسلاكًا دقيقة (للمرونة، وليس لتأثير السطح). لا حاجة إلى غلاف واقٍ. يمكن استخدام دروع من الأسلاك الفولاذية للدفن دون مخاوف من ارتفاع درجة الحرارة. العزل من نوع XLPE مصنف للتيار المستمر.

مثال 3: جر السكك الحديدية بالتيار المستمر (750 فولت / 1500 فولت تيار مستمر)
تستخدم الكابلات عادةً دروعًا فولاذية للحماية الميكانيكية. قد تكون الموصلات صلبة أو مجدولة بشكل خشن. لا حاجة إلى حماية مغناطيسية.

9. صعود تقنية نقل التيار المستمر عالي الجهد وما يعنيه ذلك لتصميم الكابلات

يشهد نقل الطاقة بالتيار المستمر عالي الجهد نموًا سريعًا (طاقة الرياح البحرية، وخطوط الربط البيني). يجب أن تتحمل هذه الكابلات جهدًا عاليًا جدًا (يصل إلى 600 كيلوفولت). تشمل ميزات التصميم الخاصة ما يلي:

• ورق مشبع بالكتلة أو عازل XLPEمُحسَّن للتحكم في الإجهاد الناتج عن التيار المستمر والشحنة الفضائية.

• موصلات العودة(عودة معدنية أو عودة أرضية) - غالبًا ما تكون متكاملة.

• الموصلات المجزأةلتقليل قوى الانحناء أثناء التركيب.

• درع مزدوجللحماية في المياه العميقة.

تختلف العديد من هذه التصاميم اختلافاً كبيراً عن كابلات التيار المتردد من نفس فئة الجهد.

قد يمر التيار المتردد والتيار المستمر عبر النحاس، لكن تصميم الكابل المحيط بهذا النحاس يختلف اختلافًا كبيرًا. فالتيار المتردد يُجبر المصممين على مواجهة تأثيرات التلامس والتقارب، والتحكم في المجالات المغناطيسية، واختيار مواد التدريع بعناية. أما التيار المستمر فيُحررهم من هذه الأعباء، ولكنه يُضيف تحديات تتعلق بشحنة الفضاء في العزل.

يساعد فهم الفرق المهندسين على اختيار الكابل المناسب للعمل، ويساعدنا نحن الآخرين على إدراك سبب اختلاف شكل كابلات مزارع الرياح عن كابلات السكك الحديدية، حتى وإن كان كلاهما ينقل الكهرباء. في المرة القادمة التي ترى فيها كابل طاقة تيار متردد سميكًا ومجدولًا، أو كابل تيار مستمر صلبًا ومدرعًا بالفولاذ، ستعرف ذلك: نوع التيار الكهربائي هو الذي شكل كل طبقة داخلية.

تشمل مجموعة منتجات مجموعة رويانغ التنافسية ما يلي:

• كابل طاقة معزول بمادة XLPE للجهد المنخفض والعالي

• كابل طاقة معزول بمادة PVC

• كابل مقاوم للهب منخفض الدخان والهالوجين

• كابل مقاوم للحريق

• كابل من سبائك الألومنيوم

• كابل كابل مرن

• كابل علوي

• كابل التحكم

• كابل مطاطي سيليكوني