كيفية اختيار العازل المناسب لخطوط الجهد العالي؟

افهم أنواع العوازل الرئيسية وخيارات المواد للتطبيقات ذات الجهد العالي

عوازل التعليق، العمودية، القضيب الطويل، والعوازل الشد: الوظائف والأدوار الهيكلية في أنظمة الجهد العالي

توجد أربع أنواع رئيسية من العوازل تلعب أدوارًا حاسمة في نظم نقل الجهد العالي. تعمل العوازل المعلقة على دعم وزن الموصلات من خلال سلاسل مكوّنة من أقراص فردية. ويتيح هذا التصميم للمهندسين بناء أبراج بأشكال مختلفة، مما يسهّل عملية متابعة خطوط النقل في المناطق صعبة التضاريس. أما العوازل الدعامية فتتبع نهجًا مختلفًا، حيث توفر دعماً قوياً للقضبان الكهربائية السميكة الموجودة في المحطات الفرعية، وهي مبنية بمتانة كافية لتحمل جهوداً تصل إلى مئات الكيلوفولت. وتتميّز العوازل ذات القضيب الطويل بأنها مصنوعة من قطعة واحدة مستمرة إما من الخزف أو من مادة مركبة، وتجيد هذه العوازل بشكل خاص مقاومة تراكم الأوساخ، ولذلك نجدها كثيرًا في تطبيقات الجهد الفائق (EHV) حيث تساعد الأسطح الأطول في منع حدوث الشرر الخطير بين المكونات. ثم تأتي عوازل الشد التي تُوضع في نهايات خطوط النقل، بهدف الإبقاء على كل شيء متماسكًا رغم القوى المختلفة المؤثرة عليها مثل التغيرات في الارتفاع، أو تراكم الثلوج الكثيفة، أو الرياح القوية التي تعصف عبر المنطقة. وقد صُمّم كل نوع خصيصًا ليواجه تحديات مختلفة تشمل ضغط الرياح، وتراكم الجليد، بل وحتى الزلازل. ومن المثير للاهتمام أن الأبحاث تُظهر أن العوازل ذات القضيب الطويل يمكن أن تدوم حوالي 30 بالمئة أطول تحت الإجهاد المتكرر مقارنةً بتصاميم السلسلة القرصية القديمة، ما يجعلها خيارًا ذكيًا للعديد من التركيبات الحديثة.

عوازل الخزف والزجاج والمُركّب: الأداء، المتانة، ومدى ملاءمتها للتطبيق

ما المادة التي تُستخدم أمر بالغ الأهمية عند مناقشة أداء المعدات وطول عمرها في الظروف ذات الجهد العالي. لقد كانت الخزفية مستخدمة منذ زمن بعيد لأنها تتحمل الكهرباء بشكل جيد، حيث تتمتع بمقاومة عازلة تزيد عن 150 كيلوفولت لكل قدم، بالإضافة إلى استقرارها حتى مع تغير درجات الحرارة. ولكن ما المشكلة؟ إنها تنكسر بسهولة إذا اصطدم بها شيء ما، وهو أمر مثير للقلق حقًا في الأماكن التي لا تكون فيها الصيانة سهلة أو آمنة دائمًا. أما العوازل الزجاجية المُعالجة فتنظف نفسها تلقائيًا وتُظهر شقوقًا قبل أن تفشل تمامًا، مما يُعد ميزة مهمة من حيث السلامة. لكن هذه العوازل الزجاجية لا تصمد جيدًا بالقرب من السواحل حيث يكون هناك الكثير من الملح في الهواء، ما يؤدي إلى تآكل أسطحها مع مرور الوقت. وقد أصبحت العوازل البوليمرية المركبة شائعة في الآونة الأخيرة، خاصة في البيئات القذرة أو الرطبة. وهي مصنوعة من ألياف زجاجية من الداخل ومغلفة بمطاط السيليكون، وتُساعد خصائصها المقاومة للماء على التخلص من الأوساخ والشوائب أسرع بنسبة 40٪ تقريبًا مقارنةً بالمواد التقليدية. وتشير بعض التقارير الميدانية إلى أن هذه المواد المركبة قد تدوم حوالي 15 عامًا إضافية في المناخات الجافة مقارنةً بالخيارات الخزفية التقليدية. ومع ذلك، بعد سنوات عديدة تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية من الشمس، يجب تطوير صيغ خاصة للحفاظ على عدم تدهورها بسرعة كبيرة. ومن خلال النظر إلى ما يحدث حاليًا في أنظمة الفائق الجهد العالي، نحن بدأنا نشهد نُهجًا هجينة جديدة تجمع بين أفضل جوانب النوى الزجاجية أو الخزفية مع خصائص الغلاف المركب المقاوم للعوامل الجوية.

تقييم متطلبات الأداء الكهربائي والميكانيكي

مدى العزل وتصنيف الجهد: مطابقة العوازل لأنظمة 110 كيلو فولت إلى الفائق الجهد (UHV) والتيار العالي المستمر (HVDC)

يتطلب اختيار مادة العازل المناسبة النظر بعناية في جهد النظام والإجهادات الكهربائية الفعلية الموجودة. بالنسبة للأنظمة التيار المتردد بين 110 كيلو فولت و800 كيلو فولt، فإن العوازل الخزفية القياسية تتحمل عادةً حوالي 10 إلى 12 كيلو فولت لكل سنتيمتر. ولكن عند الدخول في تطبيقات الجهد الفائق العالي (UHV) والتيار المستمر عالي الجهد (HVDC)، تزداد المتطلبات بشكل كبير. حيث تحتاج هذه الأنظمة إلى مواد قادرة على تحمل ما لا يقل عن 15 كيلو فولت لكل سنتيمتر بسبب شدة الحقول الكهربائية الأعلى بكثير. كما أن العمل مع نظام التيار المستمر عالي الجهد (HVDC) يسبب مشكلات إضافية. ذلك لأن توزيع الحقول الكهربائية يعتمد على القطبية، وتلك الأنظمة تميل إلى تجميع الشوائب السطحية أسرع من غيرها. وتفاقم مشكلة التلوث هذه عملية الشيخوخة وتؤدي إلى زيادة التسرب الكهربائي مع مرور الوقت. ويُقدّر معظم المهندسين هامشًا إضافيًا يتراوح بين 20 و30 بالمئة من السعة تجاوزًا لما يتعرض له النظام عادةً، وذلك لضمان الأمان ضد القفزات الكهربائية العرضية. فعلى سبيل المثال، تخضع عوازل الجهد الفائق العالي (UHV) غالبًا لاختبارات صارمة عند 1800 كيلو فولت لمدة دقيقة كاملة للتحقق من قدرتها على الصمود تحت الضغط. ويتجه عدد متزايد من الشركات الآن إلى استخدام عوازل البوليمر المركبة في أعمال التيار المستمر عالي الجهد (HVDC)، إذ تقوم بتوزيع الحقل الكهربائي بشكل أكثر انتظامًا على السطح، ولها قدرة أفضل على مقاومة التفريغ السطحي الناتج عن الأوساخ والتلوث مقارنة بالخيارات التقليدية.

القدرة على تحمل الأحمال الميكانيكية: التحمل أمام الرياح، والجليد، والشد، وتحديات التضاريس

الأداء الميكانيكي أمر بالغ الأهمية لضمان التشغيل الموثوق في البيئات القاسية. يجب أن تتحمل العوازل عالية الجهد ما يلي:

• أحمال الرياح والجليد : قوة الانحناء العرضي تزيد عن 70 كيلو نيوتن للخطوط ذات الجهد 345 كيلو فولت في المناطق المعرضة لتراكم الجليد
• شد الموصلات : مقاومة الشد تزيد عن 120 كيلو نيوتن لمنع حدوث أعطال متسلسلة أثناء أعطال الخط أو الظروف الجوية القصوى
• إجهادات الزلازل والتضاريس : استخدام مثبطات الاهتزاز في المناطق المعرّضة للزلازل وتصاميم مضادة للرفرفة في المناطق الجبلية أو المفتوحة
  تقدم العوازل المركبة قوة شد متفوقة تزيد عن 500 ميجا باسكال مقارنة بحوالي 40 ميجا باسكال للبورسلين، في حين تعزز أغلفة المطاط السيليكوني أداء إزالة الجليد. وفي المناطق الساحلية، تتطلب العوازل مسافات زحف تتراوح بين 25 و30 مم/كيلوفولت وأسطحًا كارهة للماء لمقاومة التتبع الناتج عن الملوحة. ويضمن الامتثال للمعايير IEC 61109 وANSI C29.11 الأداء الميكانيكي والكهربائي في ظروف التشغيل الفعلية، مما يدعم عقوداً من الخدمة الموثوقة.

تقييم مقاومة البيئة والأداء الموثوق على المدى الطويل في الظروف القاسية

مسافة الزحف وأداء مقاومة التلوث في المناخات الساحلية والصناعية والجافة

يعتمد أداء العوازل ومدة بقائها بشكل كبير على البيئة المحيطة بها. عندما يتعلق الأمر بمسافة التسرب، وهي المسار الأقصر الفعلي على طول سطح العازل بين قطبين كهربائيين، يجب تعديل هذه المسافة في الأماكن ذات مستويات التلوث العالية لتجنب حدوث تفريغات خطيرة. وتُشكل المناطق الساحلية مشكلات خاصة لأن الأملاح تتراكم مع مرور الوقت مكونة طبقات موصلة على الأسطح. ولهذا السبب يتجه العديد من المصنّعين الآن إلى مركبات المطاط السيليكوني الكارهة للماء، والتي تعمل بكفاءة عالية في إبعاد الرطوبة والأتربة عن المكونات الحرجة، مما يقلل من التيارات التسربية المزعجة التي نسعى جميعًا إلى تقليلها. وتشكل المناطق الصناعية مجموعة تحديات أخرى، حيث تتعرض العوازل لقصف بالملوثات الكيميائية مثل مركبات الكبريت وغبار الأسمنت. وغالبًا ما تشكّل هذه المواد مسارات موصلة عندما تكون رطبة، لكن تصاميم الأسطح المزودة بأخاديد مجعدة جنبًا إلى جنب مع برامج التنظيف المنتظمة تُعدّ حلاً فعالاً لهذه المشكلة. ويواجه الصحراء أيضًا صعوبات فريدة، إذ يؤدي الغبار المستمر إلى تآكل المواد، بينما تؤدي أشعة فوق البنفسجية الشديدة إلى تدهورها أكثر. وتُظهر الدراسات أن الزجاج المعزز يتحمل هذه الظروف القاسية بنسبة أفضل تصل إلى 30 بالمئة مقارنةً بالخيارات التقليدية من الخزف. ولضمان التشغيل السليم في البيئات الملوثة، يقوم المهندسون بمراقبة التيارات التسربية عن كثب، بهدف الحفاظ عليها أقل من عتبة 50 مللي أمبير لمنع حدوث فقدان حراري لا يمكن السيطرة عليه خلال فترات الرطوبة العالية. وتشمل بروتوكولات الاختبار عمليات محاكاة للشيخوخة المتسارعة تحاكي عقودًا من التقلبات الشديدة في درجات الحرارة تتراوح بين ناقص 40 درجة مئوية وصولاً إلى زائد 80 درجة مئوية، مما يمنح المصنّعين ثقة في متانة المواد مع مرور الوقت. وبالفعل، فإن المسافات الموصى بها لتسرب التيار تتغير حسب الموقع الذي يتم فيه تركيب هذه العوازل.

إن اختيار عوازل ذات أشكال مُحسّنة حسب المناخ يضمن تشغيلًا موثوقًا على مدى 25 عامًا أو أكثر من خلال تحقيق توازن بين مقاومة السطح، والخصائص المانعة للتبلل، والقدرة على التنظيف الذاتي.

تطبيق إطار انتقائي يعتمد على الجهد والاستخدام

اختيار العوازل لتيار متردد بجهد 33 كيلوفولت - 345 كيلوفولت مقابل التيار المستمر عالي الجهد/فائق الجهد: تكوين السلسلة، عدد الوحدات لكل كيلوفولت، ومعايير الموثوقية

يعتمد اختيار العوازل المناسبة بشكل كبير على مستوى الجهد المستخدم وكيفية استخدامها فعليًا في الميدان. عند التعامل مع أنظمة التيار المتردد (AC) تتراوح بين 33 كيلو فولت وصولاً إلى 345 كيلو فولت، هناك حاجة إلى تكوينات سلسلة قابلة للتكيف بالإضافة إلى مقاومة جيدة لتراكم الأتربة. عادةً ما تكون 8 إلى 10 وحدات من الخزف أو الزجاج لكل 100 كيلو فولت كافية في المناطق التي لا تكون فيها الظروف البيئية قاسية للغاية. ولكن الأمور تتغير عند النظر إلى أنظمة الجهد الفائق العالي (UHV) والتيار المستمر عالي الجهد (HVDC). تتطلب هذه المنشآت حلولًا أكثر متانة، وعادةً ما تكون عوازل بوليمرية مركبة توفر مسافات زحف تزيد عن 25 مم لكل كيلو فولت وحماية أفضل ضد تراكم الأوساخ. ونلاحظ أيضًا أن هذه الأنظمة تحتاج إلى ما يقارب 1.5 ضعف عدد وحدات العازل مقارنةً بالأنظمة المماثلة للتيار المتردد، وذلك لمعالجة المجالات الكهربائية الشديدة بشكل مناسب. كما أن معايير الموثوقية هنا صارمة جدًا، حيث تسعى معظم مشاريع الجهد الفائق العالي إلى أقل من 0.05٪ من الأعطال السنوية. ولا يجب نسيان قوة التحمل الميكانيكي أيضًا، وهي مهمة بوجه خاص في المناطق المعرضة لتساقط الجليد بكثافة أو الرياح القوية، حيث قد تتعرض العوازل إلى إجهادات ساكنة تفوق 50 كيلو نيوتن. عادةً ما يتبع المهنيون في المجال إرشادات IEC 60383 فيما يتعلق بمسافات التسرب، ومواصفات ANSI C29 للأحمال الميكانيكية، وذلك لضمان التشغيل السلس على المدى الطويل والحفاظ على استقرار الشبكة الكهربائية ككل.

أسئلة شائعة