إتقان ما هو غير مرئي: تقنية التحكم في الإجهاد في نهايات الكابلات

تُعدّ نقطة نهاية الكابل نقطة التقاء عالم الطاقة الخفي تحت الأرض أو المحمي مع عالم المفاتيح الكهربائية والمحولات وخطوط النقل الهوائية المرئية. كما أنها تُمثّل أكثر نقاط نظام الكابلات تعرضًا للإجهاد الكهربائي. عند هذه النقطة، يجب نقل المجال الكهربائي المُتحكّم به داخل الكابل بأمان إلى الهواء أو إلى المعدات. وبدون تقنيات متطورة للتحكم في الإجهاد، ستؤدي القوى الكهربائية المركزة عند طرف الكابل بسرعة إلى تفريغ جزئي، وتسرب كهربائي، وعطل كارثي. تستكشف هذه المقالة الروائع الهندسية التي تُسيطر على هذه القوة الخفية.

المشكلة: النهاية المفاجئة للدرع

لفهم التحكم في الإجهاد، يجب أولاً فهم التحدي. في كابل الطاقة المحمي، يكون المجال الكهربائي منتظمًا تمامًا، محصورًا بين الموصل والغطاء المعدني/الأرضي. ومع ذلك، عند نقطة التوصيل، يُكشف الغطاء المعدني لكشف الموصل المعزول من أجل التوصيل.

يُحدث هذا انقطاعًا حادًا. عند حافة الغلاف، تُجبر خطوط المجال الكهربائي، بدلًا من أن تبقى شعاعية، على الانحناء والتركيز. تُصبح هذه النقطة نقطة إجهاد ثلاثية، حيث يلتقي الموصل والعازل والهواء/الوسط. قد تكون شدة المجال هنا أعلى بكثير من شدته داخل الكابل، ما يكفي لتأيين الهواء وتآكل العازل وبدء العطل. يهدف التحكم في الإجهاد إلى إدارة هذا التركيز للمجال وتخفيفه.

الهدف: تشكيل المجال الكهربائي

تهدف تقنية التحكم في الإجهاد إلى تحقيق هدفين رئيسيين:

• تقليل الإجهاد الأقصى: خفض ذروة الإجهاد الكهربائي عند قطع الدرع إلى قيمة أقل بكثير من قوة العزل الكهربائي للمواد والهواء المحيط.

• اتجاه مجال التحكم: تأكد من أن خطوط المجال الكهربائي تنتقل بسلاسة من شعاعي (داخل الكابل) إلى محوري أو طولي (على طول سطح الإنهاء)، دون إنشاء مكونات مماسية تشجع على حدوث وميض سطحي.

ويتحقق ذلك من خلال إدخال مواد أو أشكال هندسية تعمل على تعديل الخصائص الكهربائية عند الواجهة الحرجة.

الطريقة الأولى: التحكم الهندسي في الإجهاد (مخروط الإجهاد)

الطريقة الأكثر أساسية والأكثر استخدامًا هي التحكم في الإجهاد الهندسي، والذي يتم تحقيقه عادةً على شكل مخروط إجهاد.

• مبدأ: من خلال زيادة سُمك العازل تدريجيًا وتشكيل قطب التأريض (الدرع) بزاوية محددة، تُجبر خطوط المجال الكهربائي على الانتشار لمسافة أطول. ويضمن الشكل المميز - الذي غالبًا ما يكون لوغاريتميًا أو أُسّيًا - أن يكون انخفاض الجهد على طول سطح الإنهاء خطيًا، مما يمنع التركيز.

• طلب: تُوضع مخاريط الضغط المصبوبة مسبقًا فوق عازل الكابل، لتلائم بإحكام قطع الغلاف. يعمل تصميمها الداخلي الدقيق على توسيع نطاق تأثير الغلاف، مما يُقلل الجهد بسلاسة باتجاه الطرف الموصل للتيار.

• ميزة: بسيط، سلبي، وموثوق للغاية. إنه العمود الفقري لوصلات الجهد المتوسط.

الطريقة الثانية: التحكم في الإجهاد الانكساري (مواد ذات ثابت عزل كهربائي عالي)

تستخدم هذه الطريقة مواد ذات ثابت عزل كهربائي (سماحية) عالية جدًا، وغالبًا ما يشار إليها باسم مواد "High-K".

• مبدأ: تستطيع المادة ذات ثابت العزل الكهربائي العالي (εr) تخزين كمية أكبر من الطاقة الكهربائية. وعند وضعها فوق منطقة القطع في الغلاف، فإنها تعمل كمكثف. وتُحدث السعة الكهربائية بين الموصل الحي وطبقة العزل الكهربائي العالي تأثير مقسم الجهد، مما يوزع الجهد بشكل أكثر انتظامًا على سطح التوصيل، ويقلل من ذروة الإجهاد.

• طلب: تُستخدم المواد ذات ثابت العزل الكهربائي العالي غالبًا على شكل أشرطة أو أنابيب أو كطبقة داخل وصلة مصبوبة مسبقًا. وهي تعمل بفعالية على كسر خطوط المجال الكهربائي، مما يؤدي إلى انحنائها في اتجاه أكثر ملاءمة.

• ميزة: يسمح بتصميم نهائي أكثر إحكاما مقارنة بالمخاريط الهندسية البحتة، حيث تقوم خصائص المادة بعملية التدرج.

الطريقة الثالثة: التحكم في الإجهاد المقاوم غير الخطي (الطبقة الذكية)

هذه تقنية متقدمة تستخدم مواد تتغير موصليتها الكهربائية بتغير المجال الكهربائي المطبق.

• مبدأ: تُعتبر هذه المواد، التي غالبًا ما تُصنع من حشوات كربيد السيليكون (SiC) أو أكسيد الزنك (ZnO) المدمجة في بوليمر، عوازل عند شدة المجال المنخفضة. ومع ذلك، مع ازدياد شدة المجال الكهربائي، ترتفع موصليتها بشكل كبير. عند حافة الدرع، حيث يكون المجال في أعلى مستوياته، تصبح المادة موصلة، مما يؤدي فعليًا إلى تقليل الإجهاد العالي وإعادة توزيع الجهد.

• طلب: يُستخدم في التوصيلات المعقدة ذات الجهد العالي، وأحيانًا في الوصلات. تتكيف المادة تلقائيًا مع المجال، وتعمل كمقاوم ذكي ذاتي التنظيم.

• ميزة: أداء ممتاز في تصميم صغير الحجم. يوفر نظامًا ذاتيًا لتنظيم الجهد الكهربائي، فعالًا عبر نطاق واسع من الفولتية والظروف العابرة.

التطبيق العملي: أنظمة القوالب المسبقة والأنظمة القابلة للانكماش البارد

تُقدّم النهايات الحديثة تقنيات التحكم في الإجهاد هذه في أشكال سهلة الاستخدام.

• حذاء سهل الارتداء مصبوب مسبقًا: يحتوي الغلاف المطاطي المصنّع في المصنع (عادةً من السيليكون أو EPDM) على مخروط إجهاد مدمج (هندسي) وغالبًا ما يتضمن طبقات انكسارية أو مقاومة. يتم تزييته ببساطة ثم يُركّب على الكابل المُجهّز.

• الانكماش البارد: يتم تثبيت الطرفية المصبوبة مسبقًا على قلب بلاستيكي حلزوني قابل للإزالة. يقوم الفني بوضعها وفك القلب، مما يسمح للطرفية بالانكماش بإحكام على الكابل. يضمن ذلك تركيبًا متناسقًا وخاليًا من الفراغات دون الحاجة إلى أدوات خاصة.

• الانكماش الحراري: يتم وضع الأنابيب المصنوعة من البوليمرات المتشابكة ذات خصائص تدرج الإجهاد وتسخينها، مما يؤدي إلى انكماشها وتشكيلها بإحكام، مما يخلق الشكل الهندسي أو الانكساري اللازم.

الحراس الخفيون

تُعدّ تقنية التحكم في الإجهاد العنصرَ الأساسيّ في موثوقية توصيلات الكابلات، وإن لم يُسلّط عليها الضوء. فسواءً أكان ذلك من خلال التصميم الهندسيّ المُتقن لمخروط الإجهاد، أو التدرّج السعويّ لمواد العزل الكهربائيّ العالي، أو الاستجابة الذكية للمركبات المقاومة غير الخطية، فإنّ هذه التقنيات تضمن تشغيل أكثر نقاط نظام الكابلات حساسيةً بأمان لعقود. ومع تطوّر شبكات الطاقة نحو فولتيات أعلى وتركيبات أكثر إحكامًا، يبقى الابتكار المستمرّ في مواد وتصميم هذه الأنظمة الدقيقة ضروريًا للسيطرة على المجال الكهربائيّ وتوصيل الطاقة بأمان إلى العالم.

ملحقات كابلات مجموعة رويانغ <<<<<<<<<<

إنهاء الانكماش البارد 10 كيلو فولت

إنهاء الكابلات الجاهز المتكامل (الجاف)

مفصل Y جاف متوسط

وصلة وسيطة قابلة للانكماش البارد بجهد 35 كيلو فولت

وصلة وسيطة قابلة للانكماش البارد بجهد 10 كيلو فولت

طرف غلاف من البورسلين

وصلة لحام

ملحقات الكابلات القابلة للانكماش الحراري

طرف توصيل من النوع الجاف (قابل للتوصيل)

إنهاء الغلاف المركب

صندوق تأريض وقائي

صندوق التأريض المباشر

المفصل المتوسط

إنهاء الانكماش البارد 35 كيلو فولت