ماذا يحدث داخل وصلة الكابل أثناء ضربة البرق؟

تُعدّ الصاعقة من أقوى القوى وأكثرها غموضًا في الطبيعة. إذ يمكن لصاعقة واحدة أن تحمل تيارًا يصل إلى 200 ألف أمبير، مع درجات حرارة تصل إلى 30 ألف درجة مئوية، أي خمسة أضعاف حرارة سطح الشمس. عندما تضرب صاعقة كهذه خط كهرباء أو محيطه، تنتقل الطاقة عبر الموصلات، ويجب على نظام الكابلات - بما في ذلك وصلاته ونهاياته - أن يتحمل هذا الارتفاع الهائل في التيار دون أن يتعطل. ولكن ما الذي يحدث فعليًا داخل وصلة الكابل أثناء الصاعقة؟ تستكشف هذه المقالة الجوانب الفيزيائية والمخاطر والهندسة التي تحمي هذه الوصلات الحيوية.

1. البرق: مقدمة موجزة عن الخطر

البرق هو تفريغ كهربائي هائل يحدث بين السحب أو بين السحابة والأرض. عندما يضرب خط كهرباء أو الأرض بالقرب منه، فإنه يُحدث ارتفاعًا مفاجئًا في الجهد والتيار - وهو ارتفاع مفاجئ وعالي للغاية في الجهد والتيار - ينتقل على طول الموصل بسرعة تقارب سرعة الضوء.

الخصائص الرئيسية لارتفاع سرعة البرق:

• الجهد: يصل إلى عدة ملايين من الفولت (عادةً 1-10 ميجا فولت للشوط الرئيسي).

• التيار: من 10000 إلى 200000 أمبير (النموذجي: 30000 أمبير).

• المدة: قصيرة جداً - من بضع ميكروثوانٍ إلى بضع مئات من الميكروثوانٍ.

• زمن الصعود: سريع للغاية - يرتفع التيار إلى ذروته في 1-10 ميكروثانية.

تنتقل هذه الموجة الكهربائية عبر خطوط نقل الطاقة، وتدخل المحطات الفرعية والمحولات وأنظمة الكابلات. وهي لا تميز بين أي مسار موصل، بل تتبع أي مسار تجده، بما في ذلك موصل الكابل.

2. مسار الصاعقة: كيف تدخل الصواعق إلى نظام الكابلات

يمكن أن تدخل موجة البرق إلى نظام الكابلات بعدة طرق:

أ. ضربة مباشرة على خط الكهرباء العلوي
إذا تعرض خط هوائي للضرب مباشرة، فإن تيار البرق الكامل ينتقل على طول الموصل حتى يصل إلى نقطة نهاية أو وصلة، حيث قد يستمر في الكابل الأرضي.

ب. الارتفاع المفاجئ المستحث على خط هوائي
حتى لو لم يتم ضرب الخط بشكل مباشر، فإن الضربة القريبة تحفز ارتفاعًا عالي الجهد على الخط من خلال الحث الكهرومغناطيسي.

ج. ارتفاع جهد الأرض (جهد الخطوة)
يمكن أن يؤدي حدوث ضربة أرضية بالقرب من محطة فرعية أو نهاية كابل إلى رفع الجهد الأرضي، مما يخلق ارتدادًا كهربائيًا - وهو عبارة عن ارتفاع مفاجئ ينتقل من الأرض إلى المعدات.

د. عبر المحول أو لوحة التبديل
تقوم مانعات الصواعق في المحطات الفرعية بتحويل معظم التيار الزائد، ولكن قد تمر بعض الطاقة إلى الكابلات.

بمجرد دخول التيار الكهربائي إلى الكابل، ينتقل إلى الوصلة - وهناك يبدأ الحدث الحقيقي.

3. ما يختبره المفصل: الجهد والتيار والإجهاد

عندما تصل موجة البرق إلى وصلة كابل، تتعرض الوصلة لثلاثة ضغوط متزامنة:

أ. الجهد العالي (الجهد الزائد)
قد يصل جهد الاندفاع إلى عدة أضعاف جهد التشغيل العادي للكابل. ففي كابل 66 كيلوفولت، قد يصل جهد الاندفاع إلى 350 كيلوفولت أو أكثر. يُولّد هذا الجهد الهائل مجالًا كهربائيًا شديدًا داخل الوصلة، يتجاوز بكثير جهد التشغيل العادي.

ب. التيار العالي (تيار الاندفاع)
يؤدي التيار المفاجئ إلى تسخين الموصل والموصل. وفي جزء من الميلي ثانية، يمكن أن ترتفع درجة حرارة الموصل بشكل ملحوظ (ولكن لفترة وجيزة) بسبب التيار الهائل.

ج. معدل التغير المرتفع (دي/dt)
يؤدي الارتفاع السريع للتيار إلى خلق مجال كهرومغناطيسي قوي، والذي يمكن أن يحث الفولتية في المكونات المجاورة ويولد قوى ميكانيكية.

يجب أن يصمد كل من عازل الوصلة، والموصل، ومانع التسرب أمام هذا الهجوم المشترك.

4. هشاشة وصلات الكابلات

تكون وصلات الكابلات أكثر عرضة للصواعق من الكابل نفسه للأسباب التالية:

• لديهم واجهات - الانتقال بين المواد المختلفة (العزل، والتحكم في الإجهاد، والموصل) يخلق نقاطًا يمكن أن يتركز فيها المجال الكهربائي.

• يتم تجميعها في الموقع - قد تختلف جودة التركيب، مما قد يؤدي إلى ظهور فراغات أو تلوث أو عدم اتصال مثالي.

• تحتوي على مكونات متعددة - كل مكون (مخروط الإجهاد، الموصل، جسم العزل) له استجابته الخاصة للجهد والتيار.

في حالة حدوث صاعقة، ستفشل أضعف نقطة في المفصل أولاً.

5. الميكروثواني الأولى: تشوه المجال والتفريغ الجزئي

عندما يدخل التيار الكهربائي إلى الوصلة، يتشوه المجال الكهربائي مؤقتًا. ويزداد تركيز الإجهاد عند نقطة قطع الغلاف الواقي - وهي أصلاً أكثر النقاط تعرضًا للإجهاد. وقد يتجاوز الجهد جهد بدء التفريغ الجزئي، فتبدأ شرارات صغيرة - تفريغات جزئية - بالظهور.

ما يحدث أثناء العلاج النفسي:

• كل عملية تفريغ تطلق كمية صغيرة من الطاقة (الحرارة، الأشعة فوق البنفسجية، الأوزون).

• قد يبدأ سطح العزل في التتبع - مما يشكل مسارًا متفحمًا.

• قد ينتشر التفريغ، مما يؤدي إلى تكوين بنية تشبه الشجرة في العازل.

في الوصلات المصممة جيدًا، يحد نظام التحكم في الإجهاد (المخروطي، أو عالي النفاذية، أو منخفض الانعكاسية) من تشوه المجال الكهربائي، مانعًا حدوث التفريغ الجزئي حتى في ظروف الارتفاع المفاجئ للتيار. أما إذا كان نظام التحكم في الإجهاد غير كافٍ أو في غير موضعه الصحيح، فقد يتطور التفريغ الجزئي بسرعة إلى شرارة كهربائية.

6. ومضة عابرة: مسار القوس

إذا كان تشوه المجال شديدًا بما يكفي، فقد يتحول التفريغ إلى وميض كهربائي - وهو قوس كهربائي ينتقل من الموصل إلى الغلاف الواقي أو من طور إلى آخر. الوميض الكهربائي هو انهيار كامل للعزل.

أنواع الاشتعال المفاجئ في وصلة اللحام:

• الوميض الداخلي - يحدث القوس الكهربائي داخل الوصلة، مما يؤدي إلى احتراق العازل.

• الوميض الخارجي - يحدث القوس الكهربائي على طول سطح الوصلة أو عند السطح الفاصل.

• بين الأطوار - في وصلة ثلاثية الأطوار، يمكن أن يقفز القوس من موصل إلى آخر.

يُطلق الوميض الكهربائي كمية كبيرة من الطاقة في جزء من الثانية. يمكن لموجة الضغط الناتجة أن تُمزق غلاف الوصلة، ويمكن للقوس الكهربائي أن يُبخر الموصل أو الرابط. فتُدمر الوصلة.

7. التأثيرات الحرارية: حرارة الموجة

حتى في حال عدم حدوث شرارة كهربائية، فإن تيار الاندفاع يُسخّن الموصل والوصلة. ويمكن حساب ارتفاع درجة الحرارة باستخدام معادلة التسخين الأديباتي (بافتراض عدم فقدان الحرارة خلال الاندفاع القصير). ولمدة قصيرة (مثلاً، 20 ميكروثانية)، قد ترتفع درجة حرارة الموصل بعشرات الدرجات المئوية.

يُعدّ تسخين الموصل أكثر أهميةً نظرًا لارتفاع مقاومته مقارنةً بالموصل (بسبب مادته وشكله الهندسي). فإذا لم يتم تثبيت الموصل بإحكام، فقد ترتفع مقاومته، مما يُؤدي إلى تكوّن بقعة ساخنة قد تُذيب الموصل أو تُضعفه.

التمدد الحراري – يؤدي التسخين السريع إلى تمدد الموصل والوصلة. وهذا قد يُسبب إجهادًا ميكانيكيًا للوصلة والمكونات المحيطة بها، مما قد يؤدي إلى إزاحة مخروط الإجهاد أو تلف مانع التسرب.

8. التأثيرات الميكانيكية: القوة المتفجرة

يؤدي التسخين السريع للموصل والقوس الكهربائي -إن حدث- إلى توليد موجة ضغط داخل الوصلة. يجب أن يتحمل غلاف الوصلة هذا الضغط دون أن ينفجر. تحتوي معظم الوصلات الحديثة على غلاف مقاوم للانفجار (مصنوع مثلاً من البوليستر المقوى بالألياف الزجاجية) قادر على احتواء ضغط الوميض الكهربائي.

القوى الميكانيكية – يؤدي التيار العالي أيضاً إلى توليد قوى كهرومغناطيسية قوية تحاول دفع الموصلات بعيداً عن بعضها. وهذا قد يُجهد الموصل والكابل.

9. دور مانعات الصواعق

لحماية وصلات الكابلات من الصواعق، يتم تركيب مانعات الصواعق (وتسمى أيضًا مانعات الصواعق) في نقاط رئيسية في الشبكة:

• عند مدخل المحطة الفرعية، لتحويل التيار الزائد إلى الأرض.

• عند نقاط التوصيل المثبتة على الأعمدة، حيث يتصل الكابل بخط علوي.

• عند نقاط الالتقاء في المواقع المكشوفة (على سبيل المثال، في مزارع الرياح أو على طول خطوط النقل).

مانع الصواعق هو مقاوم غير خطي يتميز بمقاومة عالية عند الجهد العادي، ولكنه يصبح موصلاً للكهرباء عند الجهد العالي، مما يؤدي إلى تحويل تيار الصواعق إلى الأرض. ومن خلال الحد من الجهد الذي يصل إلى الوصلة، يقلل مانع الصواعق من خطر حدوث شرارة كهربائية وتلف.

10. تصميم الوصلات لمقاومة الصواعق

يصمم المهندسون وصلات الكابلات لتحمل ضربات البرق باستخدام عدة استراتيجيات:

أ. التحكم القوي في الإجهاد
تم تصميم نظام التحكم في الإجهاد (المخروط، أهلاً-K، NLR) لتحمل الفولتية المفاجئة دون التسبب في التفريغ الجزئي. وقد تم التحقق من ذلك أثناء اختبار النوع باستخدام فولتية نبضية.

ب. قوة عزل كهربائي عالية
تم اختيار مواد العزل (السيليكون، EPDM، XLPE) لقدرتها على تحمل ارتفاعات الجهد العالي.

ج. المتانة الميكانيكية
تم تصميم الموصل والغلاف لتحمل القوى الحرارية والميكانيكية الناتجة عن ارتفاع مفاجئ في التيار الكهربائي.

د. منع التسرب ومنع تسرب المياه
يمنع الإغلاق تسرب الرطوبة، مما قد يقلل من قوة العزل الكهربائي ويزيد من خطر حدوث الوميض الكهربائي.

هـ. اختبار النوع باستخدام النبض
تخضع وصلات الكابلات لاختبارات نبضات البرق كجزء من اختبارات النوع. تُعرَّض الوصلة لموجة جهد تحاكي ضربة البرق (عادةً نبضة 1.2/50 ميكروثانية) عند مستوى محدد في المعيار ذي الصلة (مثل اللجنة الكهروتقنية الدولية 60840، اللجنة الكهروتقنية الدولية 62067). الوصلة التي تجتاز هذا الاختبار تثبت قدرتها على تحمل الصواعق.

11. العالم الحقيقي: سيناريو ضربة البرق

تخيل كابلًا أرضيًا بجهد 66 كيلوفولت يمتد من محطة فرعية إلى مزرعة رياح. تضرب صاعقة عمودًا قريبًا، وينتقل تيار كهربائي عبر الخط العلوي إلى الكابل. يصل هذا التيار عند أول نقطة اتصال (على بُعد 100 متر من العمود).

• 0-2 ميكروثانية: يرتفع الجهد عند قطع الدرع بسرعة. يقوم مخروط الإجهاد بعمله، فينشر المجال.

• 2-10 ميكروثانية: يصل الجهد إلى ذروته عند 350 كيلو فولت. يتحمل مخروط الإجهاد وجسم العزل الإجهاد - لا يحدث وميض.

• 10-50 ميكروثانية: يمر تيار الاندفاع عبر الموصل، مما يؤدي إلى تسخينه قليلاً. يتمدد الموصل، لكن نظام الزنبرك أو ضغط المطاط الصناعي يحافظ على الاتصال.

• 50-200 ميكروثانية: يهدأ الارتفاع المفاجئ. يعود المفصل إلى العمل الطبيعي.

إذا كان مخروط الإجهاد في غير موضعه أو إذا كان هناك فراغ في العازل، فسيحدث وميض كهربائي، مما يؤدي إلى تدمير الوصلة والتسبب في انقطاع التيار الكهربائي.

يُشبه مفصل الكابل أثناء الصاعقة حصنًا محاصرًا. إذ يجب أن يتحمل ارتفاعًا هائلاً في الجهد الكهربائي يصل إلى مليون فولت، وتيارًا كهربائيًا هائلاً يصل إلى مئة ألف أمبير، بالإضافة إلى الحرارة الشديدة والقوى الميكانيكية المصاحبة لهما. ويعمل نظام التحكم في الإجهاد، والعزل، والموصل، والغلاف معًا لضمان الصمود أمام هذا الهجوم.

بفضل التصميم الدقيق والمواد المتينة والاختبارات الصارمة، صُممت وصلات الكابلات لتحمل ضربات البرق، مما يضمن استمرار موثوقية شبكة الكهرباء حتى في مواجهة أقوى قوى الطبيعة. في المرة القادمة التي تهب فيها عاصفة وتبقى الأنوار مضاءة، تذكر: في مكان ما ضمن الشبكة، نجت وصلة كابل من ضربة برق، وأدت وظيفتها بصمت تام.