ما هو الإجهاد الكهربائي في كابلات الجهد العالي؟

تُعدّ كابلات الجهد العالي بمثابة العمود الفقري الصامت لشبكات الطاقة الحديثة، حيث تنقل كميات هائلة من الطاقة الكهربائية عبر المدن وتحت البحار وعبر الجبال. ولكن داخل هذه الكابلات، تعمل قوة خفية باستمرار:الإجهاد الكهربائيقد يؤدي هذا الإجهاد، إن لم يُدار بشكل صحيح، إلى تلف الكابل من الداخل. لذا، يُعد فهم ماهية الإجهاد الكهربائي، ومصدره، وكيفية التحكم فيه، أمرًا بالغ الأهمية لكل من يعمل في تصميم أو تركيب أو صيانة أنظمة الكابلات ذات الجهد العالي.

1. المفهوم الأساسي: الإجهاد كقوة

في اللغة الدارجة، يشير مصطلح ""stress"" إلى الضغط أو التوتر. وفي الهندسة الكهربائية، يكون المصطلح مماثلاً لما يلي:الإجهاد الكهربائيهي شدة المجال الكهربائي داخل مادة عازلة (مادة عازلة). وبشكل أدق، هي تدرج الجهد - التغير في الجهد لكل وحدة مسافة - معبر عنه بالفولت لكل مليمتر (V/مم) أو الكيلوفولت لكل مليمتر (كيلو فولت/مم).

تخيل الماء يتدفق عبر أنبوب. يضغط الماء على جدران الأنبوب. وبالمثل، في الكابل، يضغط الجهد الكهربائي على العازل. كلما زاد الجهد الكهربائي، أو كلما كان العازل أرق، زاد الضغط على المادة.

فكّر في الأمر بهذه الطريقة:إذا كان لديك فرق جهد مقداره 10 كيلوفولت عبر عازل سمكه 10 مم، فإن متوسط ​​الإجهاد يبلغ 1 كيلوفولت/مم. وإذا تم تقليل سمك العازل إلى 5 مم مع الحفاظ على نفس الجهد، فإن الإجهاد يتضاعف إلى 2 كيلوفولت/مم. وقد يؤدي هذا الإجهاد إلى انهيار العازل إذا تجاوز قوة عزله الكهربائي.

2. من أين يأتي الإجهاد الكهربائي؟

ينشأ الإجهاد الكهربائي في الكابل من العلاقة الأساسية بين الجهد والمسافة. في الكابل المصمم جيدًا، يكون الإجهادشعاعي– يعمل بشكل منتظم من الموصل إلى الخارج باتجاه الغلاف المعدني. يكون الإجهاد أعلى ما يمكن عند سطح الموصل ويتناقص مع مربع المسافة من الموصل (قانون التربيع العكسي).

• إجهاد سطح الموصل– هذه هي أعلى نقطة إجهاد في الكابل. وهي تعتمد على قطر الموصل والجهد المطبق.

• إجهاد العزل الحجمي- متوسط ​​الإجهاد عبر سمك العزل.

• إجهاد سطح الدرع- أقل بكثير، لأن الدرع عند جهد الأرض.

توزيع الإجهاد في الكابل السليم قابل للتنبؤ والتحكم. وتنشأ المشاكل عندما يكون هذا التوزيع غير منتظم.مشوه.

3. تركيز التوتر: المشكلة الحقيقية

يُعدّ مصطلح "التركيز" مفتاحًا لفهم أعطال الكابلات. فالإجهاد الكهربائي لا يُمثّل مشكلة عادةً عندما يكون موزعًا بالتساوي، ولكن عندما يتركز في نقطة واحدة، تُصبح تلك النقطة موضع ضعف.

يحدث تركيز الإجهاد عند:

• حواف حادة– الطرف المقطوع للدرع المعدني، نتوء حاد على الموصل.

• فراغات– فقاعات هواء داخل العازل.

• الملوثات– جزيئات معدنية أو رطوبة داخل العازل.

• واجهات– بين مواد مختلفة (على سبيل المثال، بين عازل الكابل وجسم التوصيل).

• تغييرات هندسية– حيث يتغير قطر الكابل فجأة.

في هذه النقاط، قد يكون الإجهاد أعلى بكثير من متوسط ​​الإجهاد في الكابل. ويمكن أن يتجاوز هذا الإجهاد الموضعي قوة العزل الكهربائي للمادة، مما يؤدي إلىتفريغ جزئيوالفشل في نهاية المطاف.

4. أنواع الإجهاد الكهربائي

أ. الإجهاد القطري
الإجهاد الطبيعي في الكابل، والذي يؤثر من الموصل إلى الخارج. هذا هو الإجهاد الذي صُممت العازلة لتحمله.

ب. الإجهاد الطولي
الإجهاد الذي يؤثر على طول الكابل. يحدث هذا عند نهاية غلاف الكابل، حيث تنحني خطوط المجال الكهربائي بشكل حاد. هذا هو الإجهاد الذي يجب أن تتحمله النهايات والوصلات.

ج. الإجهاد المماسي
الإجهاد الذي يعمل بالتوازي مع سطح العازل. وهذا مهم بشكل خاص عند نقاط التماس بين الكابل والملحقات. إذا تجاوز الإجهاد المماسي قوة العزل الكهربائي للسطح،تتبع السطحيمكن أن تحدث عملية (التفحيم).

د. التبديل والصواعق
يمكن أن تؤدي الفولتية الزائدة العابرة إلى ارتفاعات مفاجئة في الإجهاد تتجاوز بكثير إجهاد التشغيل الطبيعي. وقد يتعطل طرف التوصيل الذي يتحمل إجهاد الحالة المستقرة أثناء حدوث صاعقة برق أو عملية تبديل.

5. النقاط الحرجة: نهايات الكابلات والوصلات

يحدث الإجهاد الكهربائي الأشد عندأطراف الكابلات– عند نقاط النهاية والوصلات. وذلك لأن غلاف الكابل ينتهي عند هذه النقاط.

في الكابلات المتصلة، يحصر الغلاف المجال الكهربائي داخل العازل. عند قطع الغلاف، لا تعود خطوط المجال محصورة، بل تتسرب وتتركز عند حافة القطع. قد يصل الإجهاد الأقصى عند قطع الغلاف إلى 5 إلى 10 أضعاف متوسط ​​الإجهاد في الكابل.

لهذا السبب تتطلب عمليات الإنهاءالسيطرة على التوتر– أجهزة تعمل على توزيع المجال الكهربائي وتقليل ذروة الإجهاد إلى مستوى آمن.

تشبيه:تخيل حشدًا كبيرًا من الناس يتحركون عبر ممر واسع (الكابل). فجأة، يضيق الممر ليصبح بابًا واحدًا (القطع في الحاجز). يتدافع الناس ويتزاحمون، مما يخلق ضغطًا شديدًا عند الباب. التحكم في الضغط يشبه إنشاء سلسلة من الممرات المتدرجة في الضيق لتسهيل الانتقال وتقليل الضغط.

6. كيفية السيطرة على التوتر

تستخدم تقنية التحكم في الإجهاد في ملحقات الكابلات عدة تقنيات، وغالبًا ما يتم دمجها معًا:

• التحكم الهندسي في الإجهاد– يعمل مخروط الإجهاد على زيادة سمك العزل تدريجياً، مما يؤدي إلى توزيع انخفاض الجهد على مسافة أطول.

• التحكم في الإجهاد الانكساري (أهلاً-K)– تعمل المادة ذات ثابت العزل الكهربائي العالي (السماحية) الموضوعة فوق العازل على إعادة توزيع الجهد، مما يقلل من ذروة الإجهاد.

• التحكم في الإجهاد المقاوم غير الخطي (NLR)– مادة تزداد موصليتها مع المجال الكهربائي. عند تعرضها لإجهاد عالٍ، تصبح موصلة، مما يؤدي فعلياً إلى توسيع نطاق الحماية.

تعمل هذه التقنيات على تقليل الضغط عند قطع الدرع إلى مستوى يمكن أن يتحمله العزل والهواء المحيط.

7. الإجهاد وانهيار المواد

كل مادة عازلة لهاالقوة العازلة- أقصى إجهاد يمكن أن يتحمله قبل أن ينهار. بالنسبة للبولي إيثيلين المتشابك (XLPE)، يتراوح هذا عادةً بين 20 و40 كيلوفولت/مم. أما بالنسبة للهواء، فهو حوالي 3 كيلوفولت/مم فقط (في الظروف القياسية).

إذا تجاوز الإجهاد الكهربائي قوة العزل الكهربائي:

• في مادة صلبة– أثقبيحدث – ثقب دائم في العازل.

• على سطح–وميض– يتحرك قوس عبر السطح.

• في فراغ–خروج جزئي– شرارات متكررة تؤدي إلى تآكل المادة.

يُعد التفريغ الجزئي خطيرًا بشكل خاص لأنه لا يتسبب في فشل فوري، ولكنه مع مرور الوقت يؤدي إلى تدهور العزل حتى يحدث انهيار كامل.

8. العوامل التي تزيد من الإجهاد الكهربائي

هناك عدة عوامل يمكن أن تزيد الضغط على الكابل بما يتجاوز حدود تصميمه:

تُعد إدارة هذه العوامل ضرورية للحفاظ على موثوقية الكابلات.

9. الكشف عن الإجهاد وقياسه

لا يقيس المهندسون الإجهاد الكهربائي مباشرة في الميدان، بل يقيسون آثاره:

• خروج جزئي- المؤشر الأكثر حساسية للإجهاد المفرط.

• مقاومة العزل– يشير انخفاض المقاومة إلى التدهور الناتج عن الإجهاد.

• الفقد العازل (لون برونزي δ)– تشير الزيادة في الفقد إلى ارتفاع درجة حرارة العزل والإجهاد.

• التصوير الحراري– قد تشير النقاط الساخنة إلى ارتفاع درجة الحرارة الناتج عن الإجهاد عند نقطة الاتصال.

أثناء تصميم الكابلات، يتم حساب الإجهاد باستخدام برنامج تحليل العناصر المحدودة (تحليل العناصر المحدودة)، الذي يقوم بنمذجة توزيع المجال الكهربائي وتحديد مناطق الإجهاد العالي.

الإجهاد الكهربائي ليس سيئًا في حد ذاته، بل هو القوة التي تسمح للكابل بنقل الطاقة. في الكابلات المصممة جيدًا، يُدار الإجهاد ويُوزع ويُحفظ ضمن حدود قدرة المادة. المشكلة ليست في الإجهاد نفسه، بل في...التوتر غير المنضبط- إجهاد يتركز، ويتجاوز قوة العزل الكهربائي، ويسبب التدهور.

يُعدّ فهم الإجهاد الكهربائي أمرًا أساسيًا لتصميم كابلات موثوقة، واختيار الملحقات المناسبة، وإجراء عمليات تركيب دقيقة. في عالم هندسة الجهد العالي، يُعتبر الإجهاد الكهربائي عاملًا مُلازمًا، ولكن مع التصميم والتركيب السليمين، يُمكن الحفاظ عليه ضمن مستوى آمن، مما يضمن استمرار الكابلات في توصيل الطاقة بكفاءة لعقود.