التفريغ الجزئي: القاتل الصامت لكابلات الجهد العالي

تُعدّ كابلات الجهد العالي بمثابة شرايين شبكات الطاقة الحديثة، فهي تنقل الكهرباء عبر المدن وتحت البحار وعبر الجبال. وهي مصممة لتدوم لعقود. ومع ذلك، يتعطل الكثير منها قبل الأوان دون أي ضرر خارجي ظاهر. وغالبًا ما يكمن السبب داخل العازل.التفريغ الجزئي (PD)تُعرف هذه الظاهرة باسم "القاتل الصامت" لأنها تُؤدي إلى تآكل عازل الكابل من الداخل، بهدوء ودون هوادة، حتى يتعطل الكابل فجأة بشكل كارثي. تشرح هذه المقالة ماهية التفريغ الجزئي، ولماذا يُعدّ خطيرًا للغاية، وكيف يكتشفه المهندسون ويمنعونه.

1. ما هو الخروج الجزئي؟

أتفريغ جزئيهي شرارة كهربائية صغيرة تحدث داخل فجوة أو عيب دقيق في عازل كابل عالي الجهد. على عكس الانهيار الكامل (الدارة القصيرة)، لا يؤدي التفريغ الجزئي إلى توصيل الموصلين مباشرةً، بل يُحدث قصرًا جزئيًا في تجويف صغير مملوء بالغاز.

تخيل قطعة صلبة من عازل بلاستيكي بداخلها فقاعة هواء مجهرية. عند تطبيق جهد كهربائي عالٍ، يصبح المجال الكهربائي داخل هذه الفقاعة أقوى بكثير من المجال في المادة المحيطة. إذا تجاوز المجال قوة العزل الكهربائي للغاز، تقفز شرارة صغيرة عبر الفقاعة. هذه الشرارة هي تفريغ جزئي.

لا تدوم كل شرارة إلا أجزاء من الثانية، وتطلق كمية ضئيلة من الطاقة. ولكن على مدى شهور وسنوات، تتسبب ملايين هذه الشرارات في تآكل العازل، مما يؤدي إلى تكوين مسارات متفحمة، وتوسيع الفجوة، وفي النهاية إلى انهيار كهربائي كامل.

2. لماذا يُطلق عليه اسم "القاتل الصامت"؟

التفريغ الجزئي هوصامتلعدة أسباب:

• غير مسموع– تُنتج هذه التفريغات موجات صوتية فوق صوتية، لكن تردداتها أعلى بكثير من نطاق السمع البشري (20-100 كيلوهرتز). لذا، لا يسمع الإنسان الواقف بجوار كابل مُفعّل بالتفريغ الجزئي أي شيء.

• خفي– الشرارات صغيرة وموجودة داخل العازل أو في أعماق وصلات الكابلات. لا يمكنك رؤيتها.

• متقطع- غالباً ما يحدث التفريغ الجزئي فقط عند نقاط معينة على موجة جهد التيار المتردد (عادةً بالقرب من الذروة). وقد يظهر ويختفي مع تغير الحمل أو درجة الحرارة أو الرطوبة.

لأن التفريغ الجزئي لا يتسبب في عطل فوري، يُتجاهل بسهولة - إلى أن ينفجر الكابل فجأة أو يفصل قاطع الدائرة. ولهذا يُطلق على التفريغ الجزئي اسم "القاتل": فهو يقضي على الموثوقية دون سابق إنذار.

3. أين يحدث التفريغ الجزئي؟

ينشأ التفريغ الجزئي عادةً من عيوب في الكابل أو ملحقاته (الوصلات، النهايات):

في مجال الخدمة، غالباً ما يبدأ التطوير المهني منقطع درعيحدث هذا في منطقة الإنهاء (حيث تنتهي طبقة أشباه الموصلات) إذا كان التحكم في الإجهاد غير كافٍ. كما يظهر أيضًا في الوصلات ذات التركيب غير المثالي.

4. كيف يؤدي التفريغ الجزئي إلى تدمير العزل

كل حدث تفريغ جزئي عبارة عن ومضة برق صغيرة داخل الفراغ. ينتج عنه:

• حرارة– ارتفاعات موضعية في درجة الحرارة تؤدي إلى تفحم البوليمر.

• الأشعة فوق البنفسجية– يكسر الروابط الجزيئية.

• الأوزون وأكاسيد النيتروجين– مهاجمة الجدران العازلة كيميائياً.

• قصف الإلكترونات- يؤدي إلى تآكل السطح بشكل مادي.

بمرور الوقت، يتسع الفراغ وتصبح جدرانه موصلة للكهرباء (متفحمة). ويزداد نشاط التفريغ الجزئي. وفي النهاية، يتضرر سمك العازل بالكامل، وتحليل كامليحدث قصر في الدائرة الكهربائية يمكن أن يتسبب في حدوث وميض قوس كهربائي أو حريق أو انفجار.

قد يستغرق تطور التفريغ الجزئي الأول إلى الفشل شهورًا أو سنوات، اعتمادًا على الجهد الكهربائي وحجم الفراغ والمادة.

5. الكشف عن التفريغ الجزئي – جعل الصمت يتكلم

على الرغم من أن التفريغ الجزئي لا يُسمع بآذاننا، إلا أنه يُصدر العديد من الإشارات الدالة التي يمكن للمهندسين اكتشافها باستخدام أدوات متخصصة:

تتيح أجهزة الكشف عن التفريغ الجزئي المحمولة للفرق الفنية فحص الكابلات والملحقات دون الحاجة إلى قطع التيار الكهربائي. وهي تبحث عن إشارات تتجاوز عتبة الضوضاء الخلفية.

6. قياس شدة مرض باركنسون

يستخدم المهندسون ثلاثة مقاييس رئيسية:

• الشحنة الظاهرية (pC – بيكو كولوم)– كمية الشحنة المنقولة لكل عملية تفريغ. كلما زادت الشحنة زادت الطاقة. عادةً ما تُعتبر الشحنة الأقل من 10 بيكو كولوم مقبولة؛ أما الشحنة الأعلى من 100 بيكو كولوم فقد تشير إلى عيوب خطيرة.

• التفريغ الجزئي المُحلل طورياً (PRPD)– نمط يوضح متى تحدث التفريغات بالنسبة لدورة جهد التيار المتردد. تكشف الأنماط المختلفة عن أنواع مختلفة من العيوب (الفراغ، الهالة، التفريغ السطحي).

• عدد مرات التفريغ لكل دورة– تشير حالات التفريغ المتكررة إلى تدهور سريع.

يمكن للاختبارات المنتظمة (مثل الاختبار السنوي) تتبع ما إذا كان مرض باركنسون مستقرًا أم متفاقمًا.

7. منع التفريغ الجزئي

أفضل طريقة للتعامل مع مرض باركنسون هي منعه من البدء:

• جودة التصنيع– مواد عالية النقاء، وإزالة الغازات بالتفريغ لإزالة الفراغات، وأسطح موصلات ناعمة.

• التركيب الصحيح– تحضير أطراف الكابلات بعناية، باستخدام ملحقات التحكم في الإجهاد المصممة هندسيًا في المصنع، وتجنب التلوث.

• التحكم الصحيح في الإجهاد– استخدام المخاريط الهندسية، أو طبقات السماحية العالية (Hi-K)، أو المواد المقاومة غير الخطية عند النهايات والوصلات.

• تجنب زيادة الجهد- يمكن أن تؤدي الارتفاعات المفاجئة الناتجة عن البرق أو التبديل إلى حدوث تفريغ جزئي في الكابلات السليمة بشكل هامشي.

بالنسبة للكابلات الموجودة،مراقبة PDيمكن أن يوفر إنذاراً مبكراً. عند اكتشاف التفريغ الجزئي، قد تشمل الإجراءات التصحيحية تقليل الحمل، أو إعادة توصيل الكابل، أو استبدال الجزء المتضرر.

8. العواقب في العالم الحقيقي

• الحالة أ:انقطع كابل كهربائي بجهد 132 كيلوفولت يغذي مركز بيانات في الساعة الثالثة صباحًا، مما تسبب في انقطاع التيار الكهربائي لمدة ست ساعات. وكشف تحليل ما بعد الحادث عن نشاط تفريغ جزئي ناتج عن فجوة تصنيعية صغيرة نمت على مدى ثماني سنوات. ولم تُجرَ أي اختبارات روتينية للتفريغ الجزئي.

• الحالة ب:قام أحد مشغلي مزارع الرياح بتركيب أجهزة مراقبة التفريغ الجزئي على كابلات مصفوفة التوربينات. بعد 18 شهرًا، أظهر أحد أجهزة المراقبة ارتفاعًا في مستويات التفريغ الجزئي عند إحدى الوصلات. قامت فرق الصيانة باستبدال الوصلة خلال فترة الصيانة الدورية، متجنبةً بذلك حدوث عطل كارثي خلال موسم ذروة الإنتاج.

توضح هذه القصص سبب أخذ مرض باركنسون على محمل الجد - فتجاهله قد يكون مكلفاً للغاية.

9. المستقبل: مراقبة PD الذكية

التكنولوجيا الحديثة تجعل الكشف عن مرض باركنسون أرخص وأكثر ذكاءً:

• أجهزة استشعار دائمةمضمنة في وصلات الكابلات أو نهاياتها، ومتصلة بإنترنت الأشياء (IoT).

• التعرف على الأنماط باستخدام الذكاء الاصطناعيلتصنيف أنواع العيوب والتنبؤ بالعمر المتبقي.

• أجهزة استشعار ذاتية التزويد بالطاقةباستخدام تقنية حصاد الطاقة الاستقرائية، دون الحاجة إلى بطاريات.

• الشبكات الذكيةوالتي تعيد التكوين تلقائيًا لتقليل الضغط على الكابلات ذات النشاط التفريغي العالي.

تعد هذه الابتكارات بتحويل القاتل الصامت إلى خطر يمكن السيطرة عليه والتنبؤ به.

يُعدّ التفريغ الجزئي قاتلاً صامتاً لكابلات الجهد العالي، إذ لا يُنذر تقريباً بأي عطل قبل تعطلها النهائي. مع ذلك، يمكن رصد مؤشراته: نبضات كهربائية، وضوضاء فوق صوتية، وانبعاثات كهرومغناطيسية. وباستخدام اختبار التفريغ الجزئي كفحص دوري، تستطيع شركات الكهرباء والمشغلون الصناعيون اكتشاف الأعطال مبكراً، والتخطيط للإصلاحات، وتجنب انقطاعات التيار الكارثية. في عالم هندسة الجهد العالي، الصمت ليس ذهباً، بل هو خطر. يكمن الحل في الإصغاء قبل أن يُفجّر الكابل عطله.

تشمل مجموعة منتجات مجموعة رويانغ التنافسية ما يلي:

مجموعة رويانغ هي مجموعة صناعية متنوعة تركز على الأسلاك والكابلات، ومعدات الطاقة، والتركيبات الكهربائية، والمواد الكهربائية، إلى جانب نشاطها في الزراعة العضوية. تتخصص رويانغ في البحث والتطوير، والتصميم، والإنشاء، وخدمات تشغيل حلول الطاقة لمجالات الطاقة الجديدة مثل طاقة الرياح، والطاقة الشمسية، والطاقة النووية، وتخزين الطاقة. تشمل منتجاتها الرئيسية 30 فئة، بما في ذلك كابلات الطاقة حتى 220 كيلوفولت، وكابلات التعدين، وكابلات الكمبيوتر، وكابلات التحكم، والكابلات المقاومة للحريق، وكابلات الخلايا الكهروضوئية، والكابلات الخاصة، وملحقات الكابلات، بعشرات الآلاف من المواصفات.

• 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