كيف تضمن تجهيزات خطوط الطاقة الاتصالات الكهربائية والميكانيكية؟

الوظائف الكهربائية والميكانيكية الأساسية لتجهيزات خطوط الطاقة

التعريف بدور تجهيزات خطوط الطاقة في أنظمة النقل

تجهيزات خطوط الطاقة، التي تُعرف أحيانًا بملحقات الأجهزة الكهربائية، هي أجزاء خاصة مصممة للربط، وتثبيت، وحماية الأسلاك المستخدمة في خطوط نقل الطاقة العلوية. تقوم هذه التجهيزات بأعمال كهربائية وميكانيكية في آنٍ واحد. وتعمل كوصلات مهمة تربط بين أجزاء مختلفة من النظام مثل الكابلات، والعوازل، وهياكل الدعم، وأجهزة أخرى متعددة في الشبكة. ولولا هذه التجهيزات، لما كان بإمكان شبكات الطاقة أن تحافظ على سلامتها الهيكلية أو توصيل الكهرباء بشكل موثوق عبر المسافات الطويلة بين المحطات الفرعية والمستخدمين النهائيين.

ضمان استمرارية التيار الكهربائي والتوصيل الأرضي الفعال

تحافظ التجهيزات على تدفق الكهرباء دون انقطاع لأنها تقلل من المقاومة عند نقاط اتصال الأسلاك، بفضل الوصلات والمشابك الدقيقة الصنع. وفي الوقت نفسه، تُنشئ هذه المكونات اتصالات أرضية قوية توجّه أي تيار عطل إلى الأرض بشكل آمن. وعند تركيبها بشكل صحيح، تمنع مشابك التأريض حدوث قفزات جهد خطرة والضوضاء الكهرومغناطيسية التي قد تسبب تعطيل الأنظمة، مما يحمي المعدات ويضمن سلامة العمال. ووفقًا لبعض الأبحاث الحديثة المنشورة في أحدث إرشادات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) الخاصة بسلامة نقل الطاقة، يمكن أن يؤدي دمج قضبان التأريض مع التجهيزات المناسبة إلى تقليل مخاطر الجهد الخطي وخطوات التلامس بنسبة تقارب 70٪ عند حدوث عطل في النظام.

توفير ثبات ميكانيكي تحت الإجهاد البيئي

تثبّت التجهيزات الموصلات ضد الشد الشديد، وأحمال الرياح، وتراكم الجليد، مع تقليل الإجهاد الناتج عن الاهتزازات. على سبيل المثال:

• تعيد مشابك الشد توزيع الأحمال الميكانيكية عند النقاط النهائية
• تمتص المخمدات الاهتزازات الهوائية، مما يقلل من إجهاد الموصل بنسبة 40٪ في الاختبارات المتوافقة مع IEC 61284
• تحvented الفواصل التصادم في الخطوط المجمعة أثناء الرياح الشديدة

هذه المرونة تمنع الانهيار الهيكلي خلال العواصف وتمدد عمر النظام بمقدار 15 إلى 20 عامًا مقارنةً بالتركيبات غير المعتمدة.

الأنواع الرئيسية لتجهيزات خطوط الطاقة وتطبيقاتها الهيكلية

مشابك التعليق، والشد، والنهاية الميتة لدعم الموصل وتوزيع الأحمال

تُستخدم مشابك التعليق لتثبيت الموصلات على هياكل الدعم، ولكنها تسمح أيضًا بالتمدد الحراري الذي يُعد أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على التوازن الصحيح للتوتر. ثم توجد مشابك الشد التي تتولى القوى الطولية عندما يتغير اتجاه الخط. أما الأنواع النهائية (Dead end) فتوقف الخط بشكل أساسي عند النقطة التي يجب أن ينتهي فيها. تقوم هذه الأنواع المختلفة من التجهيزات بتوزيع الإجهاد الميكانيكي عبر الأبراج والموصلات نفسها. ويساعد ذلك في تجنب النقاط الحرجة التي يتراكم فيها إجهاد زائد مع مرور الوقت، وتُشكل مثل هذه النقاط المركزة للإجهاد حوالي 23 بالمئة من إجمالي حالات فشل خطوط النقل الجوي، كما هو مذكور في معيار IEEE للثقة في نقل الطاقة لعام 2023. ويضمن تركيب المشابك الصحيحة انتقال الأحمال بشكل متساوٍ عبر جميع العناصر، خاصة أثناء الرياح القوية التي تصل سرعتها إلى حوالي 150 كيلومترًا في الساعة أو في حالات تراكم الجليد التي يمكن أن تضع وزنًا إضافيًا على النظام.

مشابك التوتر وملحقات الموصلات لتثبيت الموصل بشكل آمن

تُنشئ مشابك التوتر من النوع الانضغاطي ونوع الوتد اتصالات قوية وطويلة الأمد بين الأسلاك وأجزاء المعدات، ويمكنها تحمل الاهتزازات دون أن تصبح فضفاضة. تحافظ الأكمام التوصيلية وملحقات الموصلات الأخرى على تدفق الكهرباء بسلاسة عبر الوصلات، مع بقاء مقاومة التلامس أقل بكثير من 5 ميكرو أوم كما هو مطلوب في معايير ASTM B354 لضمان توصيل جيد. إن الأخاديد الموجودة على هذه الموصلات تمنعها من الانزلاق حتى عند تعرضها لقوى تصل إلى حوالي 15 كيلو نيوتن، بالإضافة إلى قدرتها على تحمل التمدد البطيء للموصلات الذي يحدث على مدى العديد من السنوات. وبما أن هذه الأجزاء تحمل في الواقع معظم التيار الكهربائي، فإن تنفيذ تصنيعها بشكل دقيق أمر بالغ الأهمية. إذ يمكن لأي عيوب تصنيعية أن تؤدي إلى حدوث بقع ساخنة على طول الخط، مما يهدّر الطاقة ويقلل من كفاءة نقل الطاقة عبر المسافات.

أجزاء الدعم: البراغي والمشابك والمراسي للحفاظ على السلامة الهيكلية

يعتمد السلامة الهيكلية على مكونات مساعدة تشمل:

• مسامير مقاومة للتآكل تحافظ على قوة التثبيت خلال دورات الحرارة
• أقواس مفصلية تسمح بالحركة الديناميكية عند نقاط التعليق
• مثبتات أرضية بتصميم حلزوني تقاوم قوى الرفع التي تصل إلى 20 طنًا

تعمل هذه العناصر بشكل تآزري، وتمنع الطلاءات الغنية بالزنك والألومنيوم التآكل الكهروكيميائي بين المعادن المختلفة. ويقلل تركيب الأجهزة المناسبة من تكرار الصيانة بنسبة 40٪ مقارنةً بالتثبيتات غير القياسية، وفقًا لـ الرمز الوطني للسلامة الكهربائية (NESC)، الإصدار 2022 .

الحفاظ على سلامة الاتصالات الكهربائية من خلال تصميم الوصلات المناسب

العزل ونقاط الاتصال بين الموصلات، والعوازل، والوصلات

يمنع التصميم الجيد للعزل حدوث التسربات الكهربائية والتفريغات القوسية في تلك النقاط الصعبة حيث تتصل الأسلاك بالعوازل. تعمل المواد العازلة المناسبة كدرع ضد الأتربة والرطوبة والعوامل البيئية الضارة الأخرى، مع الحفاظ في الوقت نفسه على تدفق الكهرباء بشكل صحيح. عندما يتعلق الأمر بنقاط الاتصال، يحتاج المهندسون إلى ضبط ضغط التلامس بدقة عند مناطق تلامس الموصلات ببعضها البعض. إذا لم يكن الضغط متساوياً، فإن ذلك يؤدي إلى تكوّن مناطق ساخنة وتسرّب التلف بشكل أسرع من المعتاد. وفقاً للمعايير مثل IEEE 1313.1 وIEC 60815، يجب أن تكون الوصلات قادرة على تحمل إجهاد الجهد الكهربائي بأكثر من 15 كيلوفولت لكل بوصة والحفاظ على مسافة كافية بين المكونات لمنع حدوث التتبع الكهربائي. إن الوصلات الانضغاطية تعمل بشكل أفضل من المشابك الميكانيكية العادية من حيث مقاومة التآكل، ما يعني حدوث أعطال أقل، خصوصاً بالقرب من السواحل حيث يشكل هواء الملح مشكلة. كما أن تحقيق التمدد الحراري المناسب بين الموصلات المصنوعة من الألومنيوم والوصلات الفولاذية أمر مهم أيضاً، وإلا فإن الاتصالات تميل إلى الترخى عند تغير درجات الحرارة، مما يؤدي إلى تعطيل المسار الكهربائي مع مرور الوقت.

وصلات، وصلات اتصال، ومشابك تضمن أداءً كهربائيًا وميكانيكيًا على المدى الطويل

تُعد أفضل الوصلات والاتصالات تلك التي تستخدم مراحل متعددة من الكبس لتكوين روابط محكمة بين الموصلات، مما يمنع تراكم الأكسدة وزيادة المقاومة مع مرور الوقت. يجب أن تحافظ الاتصالات الجيدة على توصيليتها قريبة من مواصفات الموصل الأصلي، عادةً ضمن حدود 2٪، حتى عند التعرض للإجهاد الميكانيكي الناتج عن اهتزازات الرياح على خطوط الطاقة. تقوم المشابك المصممة جيدًا بتوزيع الشد بالتساوي عبر جميع خيوط الموصل بدلاً من تركيزه في نقطة واحدة قد تؤدي في النهاية إلى نقاط فشل. يمكن للطلاءات المقاومة للتآكل، مثل الجلفنة بالغمس الساخن، أن تجعل هذه المكونات تدوم لأكثر من ثلاثة عقود في الظروف القاسية. وفقًا لأبحاث حديثة نُشرت في تقرير معهد بونيمون لعام 2023 حول موثوقية بنية الشبكة الأساسية، فإن استخدام تصاميم أكثر مقاومة للهتزازات يقلل من نفقات الصيانة بشكل كبير، ويوفّر حوالي 740 ألف دولار سنويًا لكل مئة ميل من الخطوط التي يتم صيانتها. هناك العديد من العناصر الأساسية التي تساهم في ضمان عمل هذه الاتصالات بشكل صحيح على المدى الطويل.

• الانضغاط الشعاعي الموحّد لمنع تلف الخيوط
• تحمل التغيرات الحرارية بما يتناسب مع معدلات تمدد الموصلات
• التوافق الكهرومغناطيسي للحد من فُقد التيارات الدوامية
• مكونات بوليمر مقاومة للأشعة فوق البنفسجية تحافظ على سلامة العزل

أفضل الممارسات لتثبيت وصلات خطوط الطاقة وتجنب الأعطال الشائعة

التثبيت الصحيح: التحكم في العزم، المحاذاة، وإدارة الإجهاد

يتطلب التثبيت الدقيق لوصلات خطوط الطاقة الالتزام الصارم بثلاثة بروتوكولات حرجة:

1. مواصفات عزم الدوران : يؤدي التثبيت غير الكافي إلى الانزلاق؛ والتثبيت الزائد يتلف الموصلات. استخدم أدوات معايرة للوصول إلى القيم الموصى بها من قبل الشركة المصنعة.
2. المحاذاة الزاوية : تؤدي الوصلات غير المحاذية إلى توزيع غير متساوٍ للإجهاد. تحقق من وضعها باستخدام أجهزة قياس المستوى أثناء التثبيت وبعد الأحداث البيئية.
3. إدارة الإجهاد : قم بتركيب قضبان تثبيت أو مثبّطات اهتزاز حيث تتعرض الموصلات لاهتزاز ناتج عن الرياح أو أحمال الجليد لمنع الكسور الإجهادية.

تجنب عدم التوافق بين المواد والأخطاء في التصميم التي تؤثر سلبًا على الوصلات

عندما تتلامس معادن مختلفة مثل الأسلاك الألومنيومية بالموصِلات النحاسية في ظروف رطبة، يحدث تآكل غلفاني مما يؤدي إلى تدهور أسرع. بالنسبة لأي شخص يعمل في الأنظمة الكهربائية، من المهم جدًا اختيار وصلات مصنوعة من مواد متطابقة أو على الأقل مزودة بطبقات حماية مناسبة. وينطبق الشيء نفسه على التحقق من أن تصنيفات القوة للمعدات مناسبة فعليًا للظروف المحلية. تختلف سرعات الرياح من منطقة إلى أخرى، وكذلك أحمال الجليد خلال أشهر الشتاء. وفقًا لتقرير تفتيش NESC الصدر العام الماضي، فإن ما يقرب من نصف (حوالي 42٪) من جميع مشكلات خطوط الطاقة العلوية نتجت عن عتاد لم يكن قويًا بما يكفي للظروف الجوية السائدة في مواقع التركيب.

أسئلة شائعة

ما هي تجهيزات خطوط الطاقة؟

تجهيزات خطوط الطاقة، والمعروفة أيضًا باسم ملحقات الأجهزة الكهربائية، هي مكونات مصممة لتوصيل ودعم وحماية الأسلاك المستخدمة في خطوط نقل الطاقة العلوية.

لماذا يعتبر التأريض مهمًا في تجهيزات خطوط الطاقة؟

يضمن التأريض في تجهيزات خطوط الطاقة إعادة توجيه أي تيار عطل بشكل آمن إلى الأرض، مما يحمي المعدات والعاملين من قفزات الجهد الخطرة.

كيف تحافظ تجهيزات خطوط الطاقة على الثبات الميكانيكي؟

توفر التجهيزات ثباتًا ميكانيكيًا عن طريق تثبيت الموصلات ضد الشد الشديد، وأحمال الرياح، وتراكم الجليد، وبالتالي تمنع الانهيار الهيكلي.

ما أنواع تجهيزات خطوط الطاقة؟

تشمل بعض الأنواع الرئيسية لتجهيزات خطوط الطاقة مشابك التعليق، ومشابك الشد، ومشابك النهاية الميتة، ومشابك التوتر، وتجهيزات الوصلات، ومن بينها غيرها.

ما أفضل الممارسات الخاصة بتركيب تجهيزات خطوط الطاقة؟

تشمل أفضل الممارسات الخاصة بتركيب تجهيزات خطوط الطاقة التأكد من التحكم الصحيح في عزم الدوران، والمحاذاة السليمة، وإدارة الإجهاد لمنع الكسور الناتجة عن التعب.