كيف يؤدي تسرب المياه إلى تلف الكابلات

الماء ضروري للحياة، لكنه بالنسبة لكابلات الطاقة، يُعدّ مُدمّراً صامتاً لا يرحم. قطرة رطوبة واحدة تتسرب إلى الكابل كفيلة بإحداث سلسلة من آليات التلف التي تؤدي، على مدى شهور أو سنوات، إلى انهيار العزل، وحدوث دوائر قصر، وانهيار كارثي. يُعدّ تسرب الماء أحد أكثر أسباب تلف الكابلات شيوعاً -وأكثرها قابلية للوقاية- على مستوى العالم. تشرح هذه المقالة كيفية دخول الماء إلى الكابلات، والأضرار التي يُسببها، وكيف يتصدى لها المهندسون.

1. نقاط الدخول: كيف يدخل الماء

لا يحتاج الماء إلى فتحة كبيرة للدخول إلى الكابل. حتى المسارات المجهرية كافية.

أ. غلاف خارجي تالف
يُشكّل الغلاف الخارجي خط الدفاع الأول للكابل. وتُشكّل الشقوق والخدوش والجروح الناتجة عن الأدوات أو التلف الناتج عن القوارض نقاط دخول مباشرة. وبمجرد أن يخترق الماء الغلاف، يصل إلى الدرع المعدني، ثم إلى الطبقة العازلة، وفي النهاية إلى العازل.

ب. أطراف الكابلات غير المحكمة الإغلاق
تسمح أطراف الكابلات غير المحكمة الإغلاق أثناء التخزين أو النقل أو التركيب بدخول الماء إلى أسلاك الموصل. ويمكن أن ينتشر الماء على طول الموصل المجدول لمئات الأمتار.

ج. المفاصل والنهايات المعيبة
تُعدّ الوصلات والنهايات أكثر النقاط عرضةً للتلف. فإذا كانت مادة منع التسرب غير كافية، أو إذا لم تنكمش الأنابيب القابلة للانكماش البارد بشكل كامل، أو إذا لم يتدفق اللاصق الحراري بشكل صحيح، فسيتسرب الماء إلى الداخل.

د. مسامية المواد
بعض مواد الغلاف (وخاصة أنواع معينة من البولي فينيل كلوريد) ليست مانعة تمامًا لبخار الماء. على مدى عقود، يمكن للرطوبة أن تتسرب عبر الغلاف، خاصة في البيئات الحارة والرطبة.

هـ. التكثيف
يؤدي التغير المستمر في درجات الحرارة إلى تكثف الهواء المشبع بالرطوبة داخل الكابل أو الملحق. وتُعد هذه مشكلة خاصة في الكابلات ذات النهايات غير المحكمة الإغلاق أو في أغلفة الملحقات غير المحكمة الإغلاق.

2. مسار الدمار: الهجرة المائية الطولية

بمجرد دخول الماء إلى الكابل، فإنه لا يبقى في مكان واحد. بل ينتقل على طول الكابل عبر مسارين رئيسيين:

أ. على طول أسلاك الموصل
في الموصلات المجدولة، تشكل الفجوات بين الخيوط قنوات متصلة. ويمكن للماء أن ينتقل عبر هذه القنوات لمسافات كيلومترات، خاصة تحت تأثير الخاصية الشعرية والضخ الحراري (تمدد وانكماش الهواء).

ب. بين العازل والدرع
تُعدّ منطقة التماس بين العازل والشاشة شبه الموصلة أو الدرع المعدني مسارًا آخر لتسرب الماء. وهذا ضارٌّ للغاية لأنه يُهاجم العازل مباشرةً.

والنتيجة: يمكن لثقب صغير واحد في الغلاف أن يسمح للماء بالانتقال لمئات الأمتار، مما يتسبب في أضرار واسعة النطاق بعيدًا عن مكان الاختراق الأصلي.

3. الأشجار المائية: القاتل البطيء

في الكابلات المعزولة بمادة XLPE (البولي إيثيلين المتشابك)، يؤدي تسرب الماء إلى واحدة من أكثر آليات التدهور خبثًا: وهي ظاهرة تشجير الماء.

ما هي الأشجار المائية؟
الأشجار المائية هي تراكيب مجهرية تشبه الأشجار، تنمو من العيوب (الملوثات، الفراغات، أو نتوءات الدرع) داخل العازل تحت تأثير الرطوبة والإجهاد الكهربائي. وهي ليست موصلة للكهرباء بحد ذاتها، ولكنها مسارات من البوليمر المتدهور والضعيف.

كيف تتشكل؟

• يدخل الرطوبة إلى العازل من خلال عيب أو منطقة نفاذة.

• يتركز المجال الكهربائي عند العيب.

• تُجبر جزيئات الماء على الدخول في فراغات مجهرية، مما يخلق ضغطًا وإجهادًا موضعيًا.

• تتفكك سلاسل البوليمر، لتشكل بنية تشبه الشجرة تنمو بمرور الوقت.

النتيجة:
تنمو الأشجار المائية ببطء، على مدى سنوات أو عقود. وعندما تصل إلى حجم حرج، قد تتسبب في انهيار كهربائي، خاصةً أثناء ارتفاعات الجهد المفاجئة. وبمجرد تشكل الشجرة المائية، لا يمكن عكس مسارها، مما يؤدي إلى تلف الكابل بشكل دائم.

4. التآكل: تآكل المعدن

يعزز الماء التآكل الكهروكيميائي للمكونات المعدنية داخل الكابل.

أ. تآكل الموصل
يتآكل النحاس والألومنيوم عند تعرضهما للماء والأكسجين. تتميز نواتج التآكل بمقاومة أعلى، مما يؤدي إلى ظهور بقع ساخنة. في الحالات الشديدة، قد يتآكل الموصل بالكامل.

ب. تآكل الدروع والدروع الواقية
تصدأ أسلاك التدريع الفولاذية بسرعة في الماء. ويتمدد الصدأ، مما يؤدي إلى تشقق الغلاف الخارجي وخلق المزيد من منافذ دخول الماء. وقد تتآكل الدروع النحاسية إلى درجة تفقد معها قدرتها على توفير الحماية الكهرومغناطيسية أو مسار تيار العطل.

ج. التآكل الجلفاني
في حالة تلامس معادن مختلفة (مثل موصل نحاسي وموصل ألومنيوم)، يعمل الماء كمحلول إلكتروليتي، مما يُسرّع التآكل الجلفاني. ويتآكل المعدن الأقل نبلاً (الألومنيوم) بشكل تفضيلي.

5. التسريح الجزئي: المسمار الأخير

يؤدي وجود الماء في الفراغات أو عند الأسطح البينية إلى تقليل قوة العزل الكهربائي للمادة ويمكن أن يؤدي إلى بدء التفريغ الجزئي (PD).

كيف يُساهم الماء في الإصابة بمرض باركنسون:

• يخلق الماء الموجود في الفراغ مسارًا موصلًا، مما يؤدي إلى تركيز المجال الكهربائي.

• ينخفض ​​جهد بدء التفريغ الجزئي بشكل ملحوظ عند وجود الرطوبة.

• كل حدث من أحداث التفريغ الجزئي يطلق طاقة، مما يؤدي إلى تآكل العزل وتكوين مسارات متفحمة.

الحلقة المفرغة:
يُحدث التفريغ الجزئي المزيد من الضرر، مما يسمح بدخول المزيد من الماء، الأمر الذي يزيد من حدة التفريغ الجزئي. وتتسارع هذه العملية حتى يحدث انهيار كامل.

6. أضرار التجمد والذوبان

في المناخات الباردة، قد يتجمد الماء الذي يدخل الكابل. يتمدد الماء بنسبة 9% تقريبًا عند تجمده، وهذا التمدد قد يؤدي إلى:

• تشقق العزل – يؤدي تمدد الجليد إلى فتح شقوق في العزل أو الغلاف.

• إزاحة عناصر التحكم في الإجهاد - قد يتم دفع مخروط الإجهاد أو طبقة Hi-K خارج موضعها.

• قم بفك الموصلات - يمكن للقوة الميكانيكية أن تشوه الموصل أو العروة.

• تمزق أغلفة الوصلات - يمكن للضغط أن يؤدي إلى انقسام الغلاف الخارجي للوصلة.

عند ذوبان الجليد، يملأ الماء الفراغات الجديدة الأكبر حجماً. ويتسبب التجمد التالي في مزيد من الضرر. بعد عدة دورات، قد يتعرض الكابل أو الملحق لأضرار بالغة حتى بدون أي حمل كهربائي.

7. العواقب الكهربائية: من التسرب إلى الانهيار

يؤدي تسرب المياه إلى سلسلة من المشاكل الكهربائية:

قد يستغرق تطور الحالة سنوات أو يحدث في غضون أيام، وذلك حسب شدة التسرب وظروف التشغيل.

8. كيف يمنع المهندسون تسرب المياه

الوقاية هي مفتاح أنظمة الكابلات الموثوقة. يستخدم المهندسون مجموعة من التقنيات لمنع تسرب المياه:

أ. طبقات مانعة لتسرب الماء

• أشرطة قابلة للتمدد بالماء - تتمدد عند ملامستها للماء، مما يمنع المزيد من الانتشار.

• مساحيق قابلة للتمدد بالماء - يتم تطبيقها على الموصلات أو الحشوات.

• النوى المملوءة - يتم ملء الفراغات بين الموصلات بمركب مانع لتسرب الماء (جل أو هلام بترولي).

ب. أغلفة خارجية متينة

• البولي إيثيلين (PE) - مقاومة ممتازة للرطوبة، ويستخدم للدفن المباشر والكابلات البحرية.

• غلاف الرصاص – غير منفذ تمامًا، ويستخدم في التطبيقات الحساسة ذات الجهد العالي.

• أغلفة متعددة الطبقات - تجمع بين المواد لتوفير الحماية المثلى.

ج. الملحقات المغلقة

• النهايات والوصلات القابلة للانكماش البارد - يخلق الضغط الشعاعي ختمًا مانعًا لتسرب الماء وخاليًا من الفراغات.

• غلاف حراري قابل للانكماش مبطن بمادة لاصقة - يذوب ويتدفق لسد الفجوات.

• وصلات مملوءة بالراتنج - مغلفة براتنج مقاوم للماء.

• شريط لاصق مانع للتسرب – يتم وضعه عند مداخل غلاف الكابل.

د. التركيب الصحيح

• قم بإغلاق أطراف الكابلات فوراً – استخدم أغطية الأطراف أثناء التخزين والتركيب.

• تجنب التركيب في الظروف الرطبة – اعمل تحت مظلة إن أمكن.

• الاختبار بعد التركيب – إجراء اختبارات مقاومة العزل وسلامة الغلاف.

9. الكشف والمراقبة

يمكن أن يمنع الكشف المبكر عن تسرب المياه حدوث عطل كارثي.

بالنسبة للمنشآت الحساسة، يمكن لأنظمة المراقبة الدائمة (مثل أجهزة استشعار الرطوبة بالألياف الضوئية) أن توفر تنبيهات في الوقت الفعلي.

يُعدّ تسرب المياه من أكثر العوامل تدميراً لأنظمة الكابلات، إذ يُلحق الضرر بالعزل، ويُسبب تآكل المعادن، ويُؤدي إلى تكوّن فروع مائية، ويُسبب تفريغاً جزئياً. غالباً ما يكون الضرر متفاقماً وغير مرئي حتى يحدث العطل، وقد يستغرق ذلك سنوات بعد التسرب الأولي.

الخبر السار هو أن تسرب الماء قابل للمنع. فبفضل مواد الغلاف المتينة، وتقنيات منع تسرب الماء، والملحقات المحكمة الإغلاق، والتركيب الدقيق، يستطيع المهندسون منع تسرب الماء وضمان عمل الكابلات بكفاءة لعقود. في المرة القادمة التي ترى فيها كابلًا - سواءً كان تحت الأرض، أو تحت الماء، أو على عمود - تذكر: داخل هذا الغلاف، تدور معركة خفية ضد الماء. وأفضل الكابلات هي تلك التي تنتصر في هذه المعركة.